专利名称：一种异步电机的供电方法
技术领域：
本发明涉及异步电机的供电方法。
背景技术：
随着电力电子技术的不断发展，变频调速系统由于其显著的优势，在电机 调速中正得到越来越广泛的应用，然而为了实现变频调速，必须配备变频器。 这必然会增加整套机组的复杂程度，在某些应用场合，比如煤矿、油田等需要 防爆的场所，还需要为变频器设计专用的防爆柜，不但增加了体积、而且降低 了运行的可靠性。所以，目前在这类特殊场合，开始使用一体机(即变频器集 成到电机本体中)，这就对变频器的体积与可靠性有了很高的要求。
采用准方波电压给异步电机供电，是一种较新的异步电机供电方法(CN 1832330A)，使用准方波供电可以提高电机的材料利用率，提高其运行效率，配 备准方波变频器后，易于实现变频调速，达到节能的目的。其要求的准方波电 压由平顶段和过渡段组成。其中平顶段电压为一恒定值，较容易实现；而要实 现过渡段，特别是线性变化的平滑过渡段，通常要利用电容器的充放电特性， 而且要求是无极性电容。这一方法虽然简单，但是在功率较大，电机相数较多 的情况下，需要的电容体积大、数量多，这就导致其变频器中的逆变模块体积 庞大；其次，为了实现变频调速，要求准方波的电压幅值(即平顶段的电压值) 跟随频率作相应变化，而准方波变频器的逆变模块不具备调压的功能，这就要
求其整流模块必须要有调压的功能，导致整流模块的复杂程度增加。准方波变
频器的上述两个特点不利于一体机的实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种异步电机供电方法，以简化为异步电机供电的变 频器，增加系统运行的可靠性。
本发明提供的异步电机供电方法，采用由脉冲宽度调制(PWM)实现的准 方波电压给电机供电，供给电机每相绕组的PWM脉冲电压可以是单极性的，也 可以是双极性的，具体有以下两种技术方案 方案l
异步电机的供电方法，电机每极相数是整数或分数，总的相数m为整数， 且m 2 3 ,其特征在于每相绕组采用单极性的PWM脉冲电压实现准方波供电， 每个相电压周期T根据PWM脉冲电压的极性和占空比A:分为六个区域，0<A:《1，分别记为A、 B、 C、 D、 E、 F;
A区域内有"个PWM脉冲，a20，所占时间为。，极性为正，记这a个 PWM脉冲的占空比为Of'《，V，《…《e
，并且f 2《^"2《；
D区域内有d个PWM脉冲，^20，所占时间为^，极性为负，记这d个 P丽脉冲的占空比为 <，《…《，C，《…《e [(U]，并且Af S《S…《《；
E区域内有e个PWM脉冲，e>0，所占时间为^，极性为负，其占空比
保持为^不变；
F区域内有/个PWM脉冲，所占时间为^，极性为负，记这/个 PWM脉冲的占空比为《,《…《，^，《…《e[(U]，并且^^《2…2《。
方案2
异步电机的供电方法，电机每极相数是整数或分数，总的相数附为整数， 且m 23 ，其特征在于每相绕组采用双极性的PWM脉冲电压实现准方波供电， 每个相电压周期T根据PWM脉冲电压的占空比A:分为六个区域，0.5 < A《1 ， 分别记为A、 B、 C、 D、 E、 F;
A区域内有"个PWM脉冲，"20，所占时间为^，记这"个PWM脉冲 的占空比为^，g…《，V，《"《e
，并且《2^^…2《；
D区域内有d个PWM脉冲，d20，所占时间为^j，记这d个PWM脉冲 的占空比为^Uf…W， ^，《…《e[l-A:,0.5]，并且^^^^…^《；
E区域内有e个PWM脉冲，e>0，所占时间为^，其占空比保持为1-A不
变；
F区域内有/个PWM脉冲，/^0，所占时间为^，记这/个PWM脉冲 的占空比为C《…《，《，《…《e[l-A:，0.5〗，并且^^《2…2《。
上述方案1和方案2的相电压由两部分组成第一部分为基础波，其波形为 准方波；另一部分为除去基础波之后的谐波。准方波有平顶段和过渡段组成，平顶段位于B、 E区域，过渡段位于A、 C、 D、 F区域，过渡段电压的波形随 着A、 C、 D、 F内的PWM脉冲的占空比取值情况不同而变化。假设占空比作 等差规律变化，则过渡段为一斜线。故可以通过控制A、 C、 D、 F区域的PWM 脉冲的占空比取值，灵活的控制过渡段的形状。
为了消除相电压的直流分量，并且尽量降低谐波的含量，优化电机供电质量， 通常可采用使"=c = J = / = "， 6 = e; V = = Af = ,. ， / = 1，2...";
T
且^=午=^= 、G=G。 G、 G越接近5，准方波供电的优势越明显，故要 T T
A、 B、 C、 D、 E、 F区域的PWM脉冲频率选取相同的数值，可以达到简化 变频器的逆变模块的控制电路的目的。要实现六个区域的PWM脉冲频率相同， 只要选择合适的"》，c，《e，/组合即可。而如果要提高准方波过渡段的精度，可 以相应增加A、 C、 D、 F区域的PWM脉冲频率。 本发明的有益效果在于
异步电机采用PWM实现的准方波供电，不仅具有准方波供电的优点，而且 为其配备的变频器，与普通的准方波变频器相比，(l)由于变频器的逆变模块输 出为PWM脉冲电压，本身就具有调压的功能，所以不再要求变频器的整流模块 具有调压功能；(2)不再需要无极性电容器，而且不需要增加额外的元器件； (3)PWM脉冲电压，利用现有的电力电子设备很容易实现。上述3个特点，简化 了变频器的结构、降低了其成本、提高了系统运行的可靠性，有利于电机本体 和变频器的一体化。
图1为48槽，4极异步电机的12相绕组连接示意图； 图2为供电电源与电机接线示意图； 图3为单极性PWM脉冲电压供电的电压波形示意图； 图4为双极性PWM脉冲电压供电的电压波形示意图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明做进一步说明
参照图1,假设异步电机定子有48槽，沿圆周方向依次记为第1， 2， 3， ......48。定子绕组采用双层叠绕，则总共有48个线圈，其中每极有12个线圈，现规定以线圈上层边所在的槽号表示该线圈，则线圈l-12属于第一个极， 线圈13-24属于第二个极，线圈25-36属于第三个极，线圈37-48属于第四个极。 分别用l和l'表示第一个线圈的首端、尾端，其余线圈类似。现将48个线圈接 成12相，图中分别用S和E表示每相的首端和尾端。
变频器具有12路输出，如图2所示，每路输出电压的基础波依次相差15'， 分别供给电机的12相绕组。
将图1和图2中相同标号的端子连接在一起，即可成为一个完整的系统。 变频器每路输出的PWM脉冲电压为单极性或双极性，结合附图加以说明
1. 单极性的PWM脉冲电压，如图3中实线所示其中横坐标表示时间" 相电压周期为r，每个相电压周期分为A、 B、 C、 D、 E、 F六个区域，每个区 域内的PWM脉冲个数依次为a:4、 6 = 24、 c = 4、 d = 4、 e = 24、 / = 4，
A、 B、 C区域的PWM脉冲极性为正，D、 E、 F区域的PWM脉冲极性为负。B、 E区域PWM脉冲的占空比为A (0<fc^l)， A、 C、 D、 F区域的占空比如下
<formula>formula see original document page 7</formula>。六个区域所占的时间为G=k=G= =7I、
5 16
=~=，，且各个区域内的PWM脉冲具有相同的频率。相电压的基础波电
压如图中虚线所示。图3为变频器某一路输出的电压波形，其余各路输出的电 压波形相同，只是其基础波的相位依次相差15'。设PWM脉冲电压的幅值为C/, 则其基础波电压的幅值为H/;由此可知，只需在变频器的逆变模块中调整A:的 大小，就可以改变基础波电压的幅值。
2. 双极性的PWM脉冲电压，如图4中实线所示其中横坐标表示时间G 相电压周期为r，每个相电压周期分为A、 B、 C、 D、 E、 F六个区域，每个区 域内的PWM脉冲个数依次为fl^4、 6 = 24、 c = 4、 d = 4、 e = 24、 / = 4。
B、 E区域PWM脉冲的占空比为A: (0.5<t^l)， A、 C、 D、 F区域的占空比
t 一O 5
如下<formula>formula see original document page 7</formula>g 一 0.5 =《一 0.5 = 0.5 -《=0.5 一《=3("0.5) 《-0.5 =《- 0.5 = 0.5 -《=0.5 -《=4("0.5)
六个区域所占的时间为G=k=G= =^、 G=G =
37且各个区域内
<formula>formula see original document page 8</formula>
的PWM脉冲具有相同的频率。相电压的基础波电压如图中虚线所示。图4为变 频器某一路输出的电压波形，其余各路输出的电压波形相同，只是其基础波的 相位依次相差15'。设PWM脉冲电压的幅值为t/，则其基础波电压的幅值为 (2A:-l)t/;由此可知，只需在变频器的逆变模块中调整A:的大小，就可以改变 基础波电压的幅值。
权利要求
1.一种异步电机的供电方法，电机每极相数是整数或分数，总的相数m为整数，且m≥3，其特征在于每相绕组采用单极性的PWM脉冲电压实现准方波供电，每个相电压周期T根据PWM脉冲电压的极性和占空比k分为六个区域，0＜k≤1，分别记为A、B、C、D、E、F；A区域内有a个PWM脉冲，a≥0，所占时间为tA，极性为正，记这a个PWM脉冲的占空比为k1A，k2A…kaA，<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>k</mi> <mn>1</mn> <mi>A</mi></msubsup><mo>,</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mn>2</mn> <mi>A</mi></msubsup><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mi>a</mi> <mi>A</mi></msubsup><mo>∈</mo><mo>[</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>]</mo><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2008101620680002C1.tif" wi="41" he="6" top= "63" left = "97" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>并且<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>k</mi> <mn>1</mn> <mi>A</mi></msubsup><mo>≤</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mn>2</mn> <mi>A</mi></msubsup><mo>≤</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>≤</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mi>a</mi> <mi>A</mi></msubsup><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2008101620680002C2.tif" wi="37" he="6" top= "63" left = "152" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>B区域内有b个PWM脉冲，b＞0，所占时间为tB，极性为正，其占空比保持为k不变；C区域内有c个PWM脉冲，c≥0，所占时间为tC，极性为正，记这c个PWM脉冲的占空比为k1C，k2C…kcC，<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>k</mi> <mn>1</mn> <mi>C</mi></msubsup><mo>,</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mn>2</mn> <mi>C</mi></msubsup><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mi>c</mi> <mi>C</mi></msubsup><mo>∈</mo><mo>[</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>]</mo><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2008101620680002C3.tif" wi="42" he="6" top= "94" left = "97" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>并且<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>k</mi> <mn>1</mn> <mi>C</mi></msubsup><mo>≥</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mn>2</mn> <mi>C</mi></msubsup><mo>≥</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><msubsup> <mrow><mo>≥</mo><mi>k</mi> </mrow> <mi>c</mi> <mi>C</mi></msubsup><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0004" file="A2008101620680002C4.tif" wi="38" he="6" top= "94" left = "151" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>D区域内有d个PWM脉冲，d≥0，所占时间为tD，极性为负，记这d个PWM脉冲的占空比为k1D，k2D…kdD，<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>k</mi> <mn>1</mn> <mi>D</mi></msubsup><mo>,</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mn>2</mn> <mi>D</mi></msubsup><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mi>d</mi> <mi>D</mi></msubsup><mo>∈</mo><mo>[</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>]</mo><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0005" file="A2008101620680002C5.tif" wi="42" he="6" top= "109" left = "96" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>并且<maths id="math0006" num="0006" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>k</mi> <mn>1</mn> <mi>D</mi></msubsup><mo>≤</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mn>2</mn> <mi>D</mi></msubsup><mo>≤</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>≤</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mi>d</mi> <mi>D</mi></msubsup><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0006" file="A2008101620680002C6.tif" wi="38" he="6" top= "110" left = "150" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>E区域内有e个PWM脉冲，e＞0，所占时间为tE，极性为负，其占空比保持为k不变；F区域内有f个PWM脉冲，f≥0，所占时间为tF，极性为负，记这f个PWM脉冲的占空比为k1F，k2F…kfF，<maths id="math0007" num="0007" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>k</mi> <mn>1</mn> <mi>F</mi></msubsup><mo>,</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mn>2</mn> <mi>F</mi></msubsup><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mi>f</mi> <mi>F</mi></msubsup><mo>∈</mo><mo>[</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>]</mo><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0007" file="A2008101620680002C7.tif" wi="42" he="6" top= "140" left = "96" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>并且<maths id="math0008" num="0008" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>k</mi> <mn>1</mn> <mi>F</mi></msubsup><mo>≥</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mn>2</mn> <mi>F</mi></msubsup><mo>≥</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>≥</mo><msubsup> <mi>k</mi> <mi>f</mi> <mi>F</mi></msubsup><mo>.</mo> </mrow>]]></math> id="icf0008" file="A2008101620680002C8.tif" wi="39" he="6" top= "141" left = "150" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>
2. 根据权利要求1所述的异步电机供电方法，其特征是a = c = d = y^w， 6 = " A" = ^c+w = A尸=，卜1，2…"；且^=^=^=斗、~=/五^了。
3. —种异步电机的供电方法，电机每极相数是整数或分数，总的相数m为整 数，且m23，其特征在于每相绕组采用双极性的PWM脉冲电压实现准方波 供电，每个相电压周期r根据PWM脉冲电压的占空比t分为六个区域0.5〈A:S1，分别记为A、 B、 C、 D、 E、 F;A区域内有a个PWM脉冲，"2 0，所占时间为^，记这a个PWM脉冲 的占空比为V，g…"，^，《…《e
，并且^^^^…S《；E区域内有e个PWM脉冲，e>0，所占时间为^，其占空比保持为1-A:不变；F区域内有/个PWM脉冲，所占时间为^，记这/个PWM脉冲 的占空比为Of…《，e,《…《e[1 —0.5]，并且《《2…S《。
4.根据权利要求3所述的异步电机供电方法，其特征是<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本发明提出了一种异步电机的供电方法，即采用占空比按指定规律变化的PWM脉冲电压给电机供电。电机的相数m≥3，供给每相绕组的PWM脉冲电压可以是单极性，也可以是双极性，其基础波形为准方波。采用这种供电方式，可以保留准方波供电带来的优势，并且可以在保持准方波变频器的逆变模块其他部分不变的情况下，除去用于产生平滑过渡段而使用的无极性电容器；更重要的是采用这种供电方式之后，逆变模块本身就具有调压的功能，不再要求为其供电的直流模块有调压功能，可以降低直流模块的复杂程度。从而增加了供电电源的可靠性、减小了其体积、降低了成本，有利于实现逆变电源与电机本体的一体化。
文档编号H02P27/08GK101409527SQ200810162068
公开日2009年4月15日 申请日期2008年11月7日 优先权日2008年11月7日
发明者汪槱生, 蔡卓剑, 赵荣祥, 陈辉明 申请人:浙江大学