专利名称：改进的感应电动机的制作方法
技术领域：
本申请涉及感应电动机和电动机驱动领域。
背景技术：
要求高输出功率范围(超过10，000马力)的同步电动机通常在它们的电路设计中使用电流源负载换向逆变器(LCI)。这是由于LCI的高功率定额和能力以操作为同步电动机的超前电源。在高功率电动机驱动应用中，机器的可靠性很重要。许多电动机驱动目前采用电压源逆变器(VSI)，但是VSI馈送的感应电动机已经显示出较高的失灵概率。
发明内容
提供了一种改进的感应电动机。在一个示例实施例中，感应电动机包括提供有功功率的功率绕组、以及提供无功功率的通量绕组，其中功率绕组承载的功率比通量绕组承载的功率多一定比率。在另一实施例中，通量绕组与功率绕组承载的功率之间的比率在.2 到.8的范围内。在又一实施例中，该改进的感应电动机包括电流源逆变器和第一电压源逆变器，其中电流源逆变器驱动功率绕组，电压源逆变器驱动通量绕组。在另一实施例中，该改进的感应电动机包括第二电压源逆变器，其中第二电压源逆变器抵消来自电流源逆变器的谐波，其中电压源逆变器和第二电压源逆变器共享公共DC总线。在再一实施例中，该改进的感应电动机包括在电流源逆变器与功率绕组之间的滤波器。还提供了一种操作改进的感应电动机的方法。在示例实施例中，操作感应电动机的步骤包括使用电流源逆变器的基频输出；以及使用电压源逆变器向通量绕组提供无功功率。该方法还包括使用第二电压源逆变器去除来自电流源逆变器的谐波。在另一实施例中，第二电压源逆变器提供电流相位角，该电流相位角超前电压相位角，使得感应电动机可以用于负载换向并且电压源逆变器和第二电压源逆变器共享公共DC总线。以上发明内容仅仅是说明性的，而绝不是限制性的。除了上述示例性的各方案、 各实施例和各特征之外，参照附图和以下详细说明，将清楚其他方案、其他实施例和其他特征。
图1是示出了有功无功感应电动机驱动系统的示意电路框图，该系统具有CSI/ VSI混合电路来驱动有功无功感应电动机。
图2是可由图1的驱动系统驱动的有功无功感应电动机的示意图。图3A是感应电动机的实施例的示意图。图:3B是示出了针对图;3B所示感应电动机实施例，负载电流(无功电流)的百分比与电动机功率定额之间关系的示意图。图4是感应电动机中两组三相绕组的示意示例。图5是具有平衡磁动势的示意三相绕组变压器。图6A是示出了对于图2所示感应电动机实施例的第一操作模式，相比于通量绕组电流的有功绕组电流的绘制图。图6B是示出了对于图2所示感应电动机实施例的第一操作模式，相比于通量绕组电流的有功绕组电压的绘制图。图6C是示出了对于图2所示感应电动机实施例的第一操作模式，相比于R相有功绕组电流的R相有功绕组电压的绘制图。图6D是示出了对于图2所示感应电动机实施例的第一操作模式，相比于单位矢量的电动机相位电压的绘制图。图7是示出了对于图2所示感应电动机实施例的第二操作模式，相比于有功绕组电流的有功绕组电压的绘制图。图8是示出了可用于驱动图2所示有功无功感应电动机的驱动电路的示意电路图。图9是示出了截止过程期间图8的换向晶闸管Tl上的电压波形的绘制图。
具体实施例方式在以下详细说明中，参考了作为详细说明的一部分的附图。在附图中，类似符号通常表示类似部件，除非上下文另行指明。
具体实施方式
部分、附图和权利要求书中记载的示例性实施例并不是限制性的。在不脱离在此所呈现主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施例，且可以进行其他改变。应当理解，在此一般性记载以及附图中图示的本公开的各方案可以按照在此明确和隐含公开的多种不同配置来设置、替换、组合、分割和设计。图1是示出了有功无功感应电动机驱动系统100的示意电路框图，该电动机驱动系统100具有CSI/VSI混合电路来驱动有功无功感应电动机。电动机驱动系统100包括三相源102、相控整流器104、DC链路电感器106、电流源逆变器(CSI) 108、LC滤波器110、第一电压源逆变器(VSI) 112、十二脉冲变压器114、总线电容器116、第二 VSI 118、一组频率控制电感器120、升压变压器122、以及具有有功绕组202、通量绕组206和电动机204的感应电动机。有功绕组202经由相控整流器104、DC链路电感器106和CSI 108连接至三相源 102。CSI 108可以用于注入有功绕组电流的基频分量(50-60HZ)。在一个实施例中，CSI 108可以使用晶闸管器件来实现。在一个实施例中，基于晶闸管的CSI 108可以经由有功绕组202向电动机204注入准方波电流。这样，基于晶闸管的CSI 108可以在电动机204的电动机电压的基频处开启，并向电动机204提供有功功率。通量绕组206经由LC滤波器110连接至第一 VSI 112。这样，第一 VSI 112向电动机204提供无功功率。在一个实施例中，通量绕组电压可以在2. 2kV。在这种情况下，不需要变压器来提升电压。第一 VSI 112与通量绕组206之间的LC滤波器110将正弦电压和电流信号从第一 VSI 112提供给通量绕组206。第一 VSI 112还提供额外的场轴电流，使得有功绕组具有超前电流相位角。有功绕组202还经由升压变压器112、频率控制电感器120组、第二 VSI 118、总线电容器116和十二脉冲变换器114连接至三相源102。总线电容器116与十二脉冲变换器 114之间的节点以及总线电容器116与第二 VSI 118之间的节点也连接至第一 VSI 112。第二 VSI 118可以用作针对CSI 108注入的准方波电流的谐波补偿器。第二 VDI 118注入谐波电流，可以用于使准方波电流成为正弦。因为有功绕组202中的电流比有功绕组202中的电压超前，使用基于晶闸管的CSI 108的实施例可以是负载换向的。相控整流器104和 DC链路电感器106可以用于产生受控的DC链路电流。在本实施例中，第二 VSI 118和第
一VSI 112可以共享公共DC总线，其中十二脉冲变压器114产生针对第二 VSI 118和第一 VSI 112的DC总线电压。在另一实施例中，对于基于晶闸管的CSI 108中晶闸管的负载换向，电流超前对应的相位电压，使得可以从来自第一 VSI 112或第二 VSI 118的无功电流注入中获得电流与电压之间的相位角。为了控制感应电动机200中电动机204的速度，可以使用速度控制器来产生所需的扭矩基准。可以使用该扭矩基准来确定需要多少有功绕组电流，并可以使用通量控制器输出来确定需要多少通量绕组电流。与上述具有有功绕组202和通量绕组206的感应电动机驱动系统100的操作相反，只具有一组有功绕组的电动机系统需要单个VSI驱动器来提供有功功率和无功功率两者以及谐波。这可能导致单个VSI操作在更高频率，造成更高损失。这样，相比于使用单个 VSI提供有功功率和无功功率两者以及谐波时，在第一 VSI 112提供无功功率的情况下，第
二VSI 118可以操作在更低频率并引起更少损失。图1的感应电动机驱动系统100可以具有多个操作模式。在第一模式，可以通过来自第二 VSI 118的无功电流注入，调整有功绕组电流与有功绕组电压之间的相位角。在这种模式下，由于电动机上的泄漏电压降，有功绕组中的电流比电动机电压滞后较小角度。 在第一模式下，CSI 108的基本电流比电动机端子电压超前相位角β。图2是可由图1的电动机驱动系统100驱动的、具有两组三相绕组的有功无功感应电动机200的示意图。由于涉及到图1，绕组々1、81和Cl指示为感应电动机200的通量绕组206，绕组Α2、Β2和C2指示为感应电动机200的有功绕组202。在以下论述中，“有功绕组”是承载有功功率的绕组，“通量绕组”是承载无功功率的绕组。在实施例中，有功无功感应电动机200的有功功率来自于有功绕组202，无功功率来自于通量绕组206。在一个实施例中，无功功率构成来自有功无功感应电动机200的总功率的近似15%。在一个实施例中，通量绕组206中的电压比来自通量绕组206的电流超前 90度相位角，而另一方面，有功绕组202中电压和电流处于相同相位。在一个实施例中，有功绕组202中的电压和通量绕组206中的电压可以是同相的。在实施例中，通量绕组可以处理总功率的较小部分(15%左右)，在这种情况下，通量绕组的电压定额可以低于功率绕组的电压定额。在另一实施例中，通量绕组可以具有2. 2kV的电压，有功绕组可以具有IlkV 的电压。参照以下涉及图3A、图;3B、图4和图5的论述，可以进一步理解图2有功无功感应电动机200的构思和优点。图3A是具有三相输入302和电动机304的感应电动机300的实施例的示意图。电动机304由三相输入302驱动，并输出有功功率306和无功功率308。 以瓦特(W)为单位测量的有功功率是机械地传送至电动机的转子的功率。另一方面，无功功率以千伏安(kVA)为单位测量，并且是从电动机中的磁电流产生的。无功功率是电动机的磁化所需的，但是不向转子提供任何功率。图3B是示出了负载电流(无功电流)的百分比与感应电动机(例如图3A所示感应电动机300)的电动机功率定额之间关系的示意图。 如图:3B所示，随着电动机的功率定额增大，无功电流需求减少。图4是感应电动机中两个三相绕组的示意示例。如图2所示有功无功感应电动机 200的情况一样，绕组之一可以承载有功功率，另一绕组可以承载无功功率。如图所示，一个三相绕组包括R1、B1和Yl绕组，另一三相绕组包括R1，、ΒΓ和Υ1，绕组。这两个三相绕组可以都承载在感应电动机的定子上。通量绕组和功率绕组可以定位为，使得它们之间没有空间间隙。这两个绕组可以在相同轴上，使得它们的取向之间没有相移。转子可以是标准鼠笼式电动机转子。此外，这两个三相绕组都可以具有隔离的中性件，它们之间可以具有0 度的空间间隙。如前所述，功率绕组可以比通量绕组具有更高电压定额。通量绕组和功率绕组的电流定额可以依据它们各自的kVA定额。功率绕组可以占据顶层，而通量绕组可以占据底层。这两个三相绕组可以是整节距的或短节距的。图4所示两个三相绕组的操作原理类似于具有平衡磁动势MMF的三相变压器的操作原理。图5是示意的具有平衡MMF的三相绕组变压器500。三相绕组变压器包括第一组绕组502、第二组绕组504、第三组绕组508和铁磁核506。在该实施例中，第一组绕组502 是承载无功功率的通量绕组，第二组绕组504是承载有功功率的有功绕组，第三组绕组508 是转子绕组。在图5所示的平衡MMF配置中，通过有功功率绕组504感应的相等且相反的MMF 来完全平衡由转子绕组508感应的MMF。如图5所示，Φ是通量绕组感应的通量，Φ，是有功绕组感应的通量，Φ ”是转子绕组感应的通量。通量可以定义为
权利要求
1.一种感应电动机，包括 提供有功功率的功率绕组；以及提供无功功率的通量绕组，其中功率绕组承载的功率比通量绕组承载的功率多一定比率。
2.如权利要求1所述的感应电动机，其中通量绕组与功率绕组承载的功率之间的比率在0.2到0.8的范围内。
3.如权利要求1或2所述的感应电动机，还包括电流源逆变器和第一电压源逆变器， 其中电流源逆变器驱动功率绕组，电压源逆变器驱动通量绕组。
4.如权利要求3所述的感应电动机，其中电流源逆变器是使用晶闸管实现的。
5.如权利要求3所述的感应电动机，还包括第二电压源逆变器，其中第二电压源逆变器抵消来自电流源逆变器的谐波。
6.如权利要求3所述的感应电动机，还包括在电流源逆变器与功率绕组之间的滤波ο
7.如权利要求3所述的感应电动机，其中电压源逆变器和第二电压源逆变器共享公共 DC总线。
8.一种操作感应电动机的方法，包括a)使用电流源逆变器的基频输出来驱动感应电动机的功率绕组；以及b)使用电压源逆变器向一组通量绕组提供无功功率。
9.如权利要求8所述的方法，其中驱动功率绕组提供了有功功率，其中功率绕组承载的功率比通量绕组承载的功率多一定比率。
10.如权利要求9所述的方法，其中通量绕组与功率绕组承载的功率之间的比率在0.2 到0.8的范围内。
11.如权利要求8-10之一所述的方法，还包括使用第二电压源逆变器去除来自电流源逆变器的谐波。
12.如权利要求11所述的方法，其中第二电压源逆变器提供电流相位角，该电流相位角超前电压相位角，使得感应电动机能够是负载换向的。
13.如权利要求12所述的方法，其中电压源逆变器和第二电压源逆变器共享公共DC总线。
14.一种感应电动机，包括功率绕组，承载来自电流源逆变器的基频输出的有功功率；以及通量绕组，承载来自电压源逆变器的无功功率，其中功率绕组承载的功率比通量绕组承载的功率多一定比率。
15.如权利要求14所述的感应电动机，其中通量绕组与功率绕组承载的功率之间的比率在0.2到0.8的范围内。
16.如权利要求14所述的感应电动机，其中电流源逆变器是使用晶闸管实现的。
17.如权利要求14-16之一所述的感应电动机，还包括第二电压源逆变器，其中第二电压源逆变器抵消来自电流源逆变器的谐波。
18.如权利要求17所述的感应电动机，其中第二电压源逆变器提供电流相位角，该电流相位角超前电压相位角，使得感应电动机能够是负载换向的。
19.如权利要求14-16之一所述的感应电动机，还包括在电流源逆变器与功率绕组之间的滤波器。
20.如权利要求17所述的感应电动机，其中电压源逆变器和第二电压源逆变器共享公共DC总线。
全文摘要
提供了一种有功无功感应电动机。电动机包括两组三相绕组。一组绕组承载有功功率，称为功率绕组。第二组绕组承载无功功率，称为通量绕组。承载有功功率的功率绕组比承载无功功率的通量绕组提供更多的功率给感应电动机。还提供了用于驱动有功无功感应电动机的驱动器电路和对应的操作模式。
文档编号H02K17/30GK102577080SQ201080045835
公开日2012年7月11日 申请日期2010年8月13日 优先权日2009年8月28日
发明者V·T·兰加纳坦, 卡迈勒什·哈图阿 申请人:印度科学院