无刷双馈电机超同步调速系统的制作方法

本实用新型涉及交流电机调速系统，特别涉及无刷双馈电机超同步调速系统。

背景技术：

现有的交流电机调速方式主要有两类，一类是通过变频电源为定子绕组供电调节电机转速，该种调速方式适用于同步电机(电励磁同步电机、永磁同步电机、磁阻电机等)和笼型感应电机；另一类是绕线转子感应电机定子绕组和转子绕组分别由固定工频电源和变频电源供电的双馈调速方式；第一种调速方式的优点是通用性强，控制灵活，缺点是需要全功率变频电源，特别是高压电机调速系统成本较高；绕线转子感应电机双馈调速方式的优点是所需要的变频电源功率较小和控制系统成本较低，缺点是绕线转子绕组供电通过滑环和电刷，需要定期维护和运行可靠性稍差；为了克服绕线转子电机双馈调速的上述缺点，又出现了将转子控制绕组移到定子上去的一种新的无刷双馈电机调速方式。

传统无刷双馈电机的调速范围多采用从低于同步速(亚同步)到高于同步速(超同步)的所谓“双向调速”方式，虽然所需变频器的功率可以小一些，但电机和变频器的成本并不比单向调速小；其原因是：

①从无刷双馈电机的运行原理来看，无论电动机和发电机运行方式，在亚同步速运行区电机的输出功率都是主绕组(功率绕组)与副绕组(控制绕组)功率之差，电机的输出功率较小而主副绕组的功率和损耗不小，导致电机的效率降低；在超同步运行时，电机的输出功率为主绕组与副绕组功率之和，绕组得到充分利用，电机效率较高，因此无刷双馈电机运行在超同步调速范围比较经济。

②从变频器和控制技术来看，无刷双馈电机亚同步到超同步的“双向调速”控制技术比较复杂，需要双向变流的变频器，成本较高。无刷双馈电机无论电动机和发电机运行方式，在亚同步速区和超同步速区副绕组(控制绕组)中三相电流的相序和功率流向是相反的，因而从亚同步到超同步的“双向调速”需要“双向变流”的变频器供电，其硬件和软件的结构和控制技术要比仅需要“单向调速”复杂得多。

“双向调速”比“单向调速”所需的变频器功率可能稍小一些，但其制造成本不会降低；综合考虑制造成本、运行性能和可靠性，无刷双馈电机超同步“单向调速”要比亚同步和超同步“双向调速”系统更为优越。

考虑到高压电机调速系统的主要对象是风机和泵类流体机械，其输出功率与转速的3次方成正比，如果最低转速与最高转速之比为0.5，其最低与最高转速时的功率比为0.53＝0.125，即最低转速时的功率仅为最高转速时功率的八分之一，一般驱动风机泵类负载电机不需要这么大的调速范围，可以根据负载所需要的功率调节范围确定调速范围，通过适当选取无刷双馈电机的同步转速，采用超同步“单向调速”来实现。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种以降低调速系统成本与提高运行性能和可靠性且适合于超同步单向调速运行的无刷双馈电机超同步调速系统。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

无刷双馈电机超同步调速系统，调速系统包括供电电源，无刷双馈电机定子，无刷双馈电机转子，变压器、整流器、变频器、起动电阻、驱动单元、控制器、开关K₁以及开关K₂；定子的铁心槽中放置了两套独立的三相对称绕组，分别为主绕组和副绕组，主绕组的出线端子A₁、B₁、C₁与供电电源相连接，副绕组的出线端子A₂、B₂、C₂经过开关K₂、变频器、整流器、变压器与供电电源相连接；起动电阻设置在副绕组的出线端子A₂、B₂、C₂与变频器之间，开关K₁用于控制起动电阻的开关；控制器设置在主绕组的出线端子A₁、B₁、C₁与变频器之间，驱动单元设置在控制器与变频器之间；电机起动过程时，开关K₁闭合，副绕组串入起动电阻，K₂断开，切断变频器与副绕组的连接；当电机转速接近同步转速时，K₁断开而K₂闭合，副绕组切除起动电阻而接通变频器。

在本实用新型的一个实施例中，所述调速系统还包括电机定子主绕组电压电流检测单元、电机定子副绕组电压电流检测单元、电机转速和转子位置检测单元，电机定子主绕组电压电流检测单元设置在主绕组的出线端子A₁、B₁、C₁与控制器之间；电机定子副绕组电压电流检测单元设置在副绕组的出线端子A₂、B₂、C₂与控制器之间；电机转速和转子位置检测单元与控制器连接，用于检测电机转速和转子位置。

在本实用新型的一个实施例中，所述主绕组极数为2p₁，副绕组极数为2p₂，主绕组和副绕组的极数不相等，而且需满足下述关系：2p₂≥2p₁+4。

在本实用新型的一个实施例中，所述无刷双馈电机转子为凸极式绕线转子无滑环电刷结构，其包括具有p₁+p₂个凸极的转子铁心，转子铁心安装在转轴上,所述转子铁心的外缘上均布有p₁+p₂个倒梯形槽，凸极与倒梯形槽之间间隔设置，凸极中心开有半开口的第一半开口槽；凸极第一半开口槽的两侧开有以凸极中心线为对称轴的至少一对半开口槽，半开口槽包括第二半开口槽和第三半开口槽，在凸极的第一、第二、第三半开口槽中相对应的放置了多匝第一、第二、第三短路线圈，多匝短路线圈的两个线圈边分别放置在以倒梯形槽中心线为对称轴的相邻凸极上的半开口槽中。

在本实用新型的一个实施例中，所述转子铁心由导磁电工钢片叠压而成。

在本实用新型的一个实施例中，每个凸极的两侧边平行，凸极的外沿和倒梯形槽底边呈圆弧状，其圆弧中心与转子铁心内圆同圆心。

在本实用新型的一个实施例中，第一、第二、第三半开口槽的底部与转子铁心内径之间均留有一定的距离，第一、第二、第三半开口槽的深度随其与凸极中心线距离的增加而减小。

在本实用新型的一个实施例中，第一、第二、第三短路线圈相互独立，在电路上没有联系；位于凸极第一半开口槽中的短路线圈采用双层结构，一个线圈边放在第一半开口槽的上层，另一线圈边依次放在相邻凸极第一半开口槽的下层，第一、第二半开口槽中的短路线圈采用单层结构，每个半开口槽中仅放置一个短路线圈边。

通过上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、由于采用超同步调速，不需要能量回馈环节，故所需要的变频器功率较小和成本较低。

2、采用超同步调速，电机的输出功率为主绕组与副绕组功率之和，绕组得到充分利用，电机效率较高。

3、采用凸极绕线转子无刷双馈电机，综合利用了转子磁动势和磁阻对于定子磁场的调制能力，提高了无刷双馈电机的机电能量转换效率。

4、通过无刷双馈电机定转子绕组极数和结构的优化设计，扩大了无刷双馈电机的超同步调速范围，实现了较高转速(≥1500r/min)的双馈调速。

5、无刷双馈电机通过转子采用多匝短路线圈，减小了深槽转子绕组电流集肤效应产生的附加损耗，提高了转子绕组的利用率和电机效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型无刷双馈电机超同步调速系统结构示意图；

图2为本实用新型无刷双馈电机结构示意图；

图3为本实用新型无刷双馈凸极绕线转子结构示意图；

1、供电电源 2、无刷双馈电机定子 2a、主绕组 2b、副绕组 3、无刷双馈电机转子 4、变压器 5、整流器 6、变频器 7、起动电阻 8、主绕组电压电流检测单元 9、副绕组电压电流检测单元 10、电机转速和转子位置检测单元 11、驱动单元 12、控制器 13、转子铁心 13a、凸极 13b、倒梯形槽 14、第一半开口槽 15、第二半开口槽 16、第三半开口槽 17、第一短路线圈 18、第二短路线圈 19、第三短路线圈 20、转轴；

图4为本实用新型无刷双馈电机超同步调速主绕组磁场定向控制系统原理框图；

18、坐标变换单元 19、磁链计算器 20、转矩计算器 21、无功计算器 22、转矩调节器 23、无功功率调节器 24、坐标变换器 25、电压源PWM逆变器驱动电路；

图5为本实用新型主绕组磁场定向下主副绕组电流矢量及主绕组磁链的空间相位关系；

图6为本实用新型无刷双馈电机超同步调速直接转矩控制系统原理框图；

19、坐标转换器 26、磁链计算器 27、速度调节器 28、转矩计算器 29、磁链幅值计算器 30、转矩调节器 31、磁链调节器 32、副绕组电压矢量选择器；

图7为无刷双馈电机主副绕组磁链矢量与副绕组电压矢量的关系；

图8为电压源逆变器电路原理接线图；

图9为无刷双馈电机副绕组电压矢量；

图10为无刷双馈电机副绕组电压矢量与电流矢量的关系。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图1至图3所示，本实用新型公开了无刷双馈电机超同步调速系统，调速系统包括供电电源1，无刷双馈电机定子2，无刷双馈电机转子3，变压器4、整流器5、变频器6、起动电阻7、驱动单元11、控制器12、开关K₁以及开关K₂；定子的铁心槽中放置了两套独立的三相对称绕组，分别为主绕组2a和副绕组2b，主绕组2a的出线端子A₁、B₁、C₁与供电电源1相连接，副绕组2b的出线端子A₂、B₂、C₂经过开关K₂、变频器、整流器、变压器与供电电源1相连接；起动电阻7设置在副绕组2b的出线端子A₂、B₂、C₂与变频器6之间，开关K₁用于控制起动电阻的开关；控制器12设置在主绕组2a的出线端子A₁、B₁、C₁与变频器6之间，驱动单元11设置在控制器12与变频器6之间；变压器4用于高压供电电源1降压，然后经过整流器5将工频交流电变为直流电，再经变频器6向无刷双馈电机定子的副绕组2b提供电压和频率可调的电源；本实用新型的检测单元包括主绕组电压电流检测单元8，副绕组电压电流检测单元9和电机转速和转子位置检测单元10，主绕组电压电流检测单元8设置在主绕组2a的出线端子A₁、B₁、C₁与控制器12之间；副绕组电压电流检测单元9设置在副绕组2b的出线端子A₂、B₂、C₂与控制器12之间；电机转速和转子位置检测单元10与控制器12连接；该三个检测单元在工作时分别将实时监测信号供给控制器12，由控制器12发出指令经过驱动单元11控制变频器6的输出电压、频率、相序和相位；电机起动过程时，开关K₁闭合，副绕组2b串入起动电阻7，K₂断开，切断变频器6与副绕组2b的连接；当电机转速接近同步转速时，K₁断开而K₂闭合，副绕组2b切除起动电阻7而接通变频器6。

本实用新型主绕组2a极数为2p₁，副绕组2b极数为2p₂，主绕组和副绕组的极数不相等，而且需满足下述关系：2p₂≥2p₁+4；为了实现超同步宽范围的双馈调速运行，主绕组需要选用少极数2p₁，而副绕组采用多极数2p₂；在双馈调速运行范围较小时，主绕组可以采用多极数2p₂，而副绕组采用少极数2p₁。

本实用新型无刷双馈电机转子为凸极式绕线转子无滑环电刷结构，其包括具有p₁+p₂个凸极13a的转子铁心13，转子铁心13由具有良好导磁性能的电工钢片叠压而成，转子铁心13安装在转轴20上,转子铁心13的外缘上均布有p₁+p₂个倒梯形槽13b，凸极13a与倒梯形槽13b之间间隔设置，凸极中心开有半开口的第一半开口槽14，每个凸极13a的两侧边平行，凸极13a的外沿和倒梯形槽13b底边呈圆弧状，其圆弧中心与转子铁心内圆同圆心。

本实用新型凸极第一半开口槽14的两侧开有以凸极中心线为对称轴的至少一对半开口槽，半开口槽包括第二半开口槽15和第三半开口槽16，凸极上开槽的作用，是利用转子磁路的磁阻进行导向，使磁通按照最佳路径通过转子；在凸极的第一、第二、第三半开口槽中相对应的放置了多匝第一短路线圈17、第二短路线圈18、第三短路线圈19，多匝短路线圈的两个线圈边分别放置在以倒梯形槽中心线为对称轴的相邻凸极上的半开口槽中。

本实用新型第一、第二、第三半开口槽的底部与转子铁心内径之间均留有一定的距离，以满足转子铁心强度和刚度的要求；第一、第二、第三半开口槽的深度随其与凸极中心线距离的增加而减小，以满足槽对于转子磁通的导向要求。

本实用新型第一、第二、第三短路线圈相互独立，在电路上没有联系；位于凸极第一半开口槽14中的第一短路线圈17采用双层结构，一个线圈边放在第一半开口槽14的上层，另一线圈边依次放在相邻凸极第一半开口槽的下层，第一、第二半开口槽中的短路线圈采用单层结构，每个半开口槽中仅放置一个短路线圈边，在上述半开口槽中放置多匝短路线圈的作用，是利用转子短路线圈中感应电流产生的磁动势调制定子绕组电流产生的磁场；第二、第三短路线圈可以根据需要部分放置或者不放置，其特别适用于极数较多而极宽尺寸较小的转子，可以简化转子制造工艺。

本实用新型无刷双馈电机超同步调速系统，电机起动时主绕组2a接通高压电源1，副绕组2b不接变频器6而是通过开关K₁串联起动电阻7，副绕组2b串联起动电阻7的作用是减小主、副绕组中的起动电流和增加电机的起动转矩，当电机转速接近同步转速时，副绕组2b由开关K₁切除起动电阻7并通过开关K₂接通变频器6，通过改变变频器6的输出电压和频率，控制无刷双馈电机的转速；由于仅在同步速以上单向调速，不需要能量回馈环节，故所需要的变频器功率较小和成本较低。

参见图4所示，本实用新型无刷双馈电机超同步调速系统采用的一种主绕组磁场定向矢量控制方法的原理如下：

电机矢量控制分析一般采用d-q旋转坐标系统，在无刷双馈电机的分析中，d-q参考坐标的旋转速度选择与主绕组电流产生的旋转磁场同步比较方便；将主、副绕组在实际三相系统中的电压和磁链方程转换到d-q同步旋转坐标系统后，无刷双馈电机的电压、磁链和电磁转矩方程分别如式(1)、(2)和(3)所示。

式(1)、(2)和(3)中主、副绕组的变量分别用下标“1”和“2”表示，如u_q1和u_q2分别表示d-q坐标中主绕组和副绕组在q轴方向上的电压分量；r₁、r₂、L₁、L₂分别为主副绕组的电阻和自电感，L_m为主副绕组之间的互电感，p₁和p₂分别为主副绕组的极对数，ω₁和ω₂分别为主副绕组的供电角频率，p＝d/dt为一微分算子。

选取d-q参考坐标d轴方向与主绕组总磁链方向一致，则主绕组磁链仅有d轴分量ψ_d1，而q轴分量ψ_q1＝0，在此条件下无刷双馈电机的电压、磁链和转矩方程得以简化，电机的电磁转矩和主绕组侧的无功功率可分别以(4)和(5)式表示；主绕组是由固定电压和频率的三相电源供电，因此主绕组的磁链Ψ_d1基本不变，由式(4)和(5)可以看出，在主绕组磁场定向矢量控制方式下，无刷双馈电机的电磁转矩T_e和主绕组的无功功率Q₁可以分别由主绕组磁链的无功分量ψ_d1、副绕组电流的有功分量i_q2和主绕组电流的无功分量i_d1进行解耦控制。

以下结合图5说明无刷双馈电机超同步调速主绕组磁场定向矢量控制策略的实现方法。

①主副绕组电流矢量及转子位置角的确定；

主绕组磁场定向条件下主副绕组电流矢量及主绕组磁链的空间相位关系如图4所示；根据电机转速和转子位置传感器10的检测信号，可知转子瞬时相对于静止参考坐标d₀轴的位置角θ_r；根据主绕组电压电流检测单元8的检测值，可求得主绕组电流矢量i₁及其相对于坐标d₀轴的位置角θ₁；副绕组电流矢量i₂相对于坐标d₀轴的位置角θ₂可由转子位置角θ_r和主绕组电流矢量位置角θ₁求得，即θ₂＝θ₁-θ_r。

②主绕组磁链的确定；

根据主副绕组相电流的检测值，经坐标变换单元18可求得主副绕组电流分量i_d1和i_d2，然后由磁链计算器19按(2)式求出主绕组磁链Ψ_d1。

③计算电磁转矩；

电磁转矩T_e可根据主绕组磁链Ψ_d1和副绕组电流分量i_q2按(4)式由转矩计算器20求得。

④计算无功功率；

主绕组侧的无功功率Q₁可根据主绕组磁链Ψ_d1和主绕组电流分量i_d1按(5)式由无功计算器21求得。

⑤副绕组电流给定值的确定；

将转矩给定值T^*_e与转矩计算值T_e相比较后的差值，通过转矩调节器22转变为副绕组电流转矩分量的给定值i^*_q2；将无功功率给定值Q₁^*与计算值Q₁相比较后的差值，通过无功功率调节器23转变为副绕组电流无功分量的给定值i^*_d2；

⑥副绕组相电流给定及其控制；

根据在d-q轴坐标系统中副绕组电流给定值i^*_q2和i^*_d2以及电流矢量位置角θ₂，经过坐标变换器24可求得副绕组相电流的给定值i^*_a2、i^*_b2和i^*_c2；通过电流可控的电压源PWM逆变器驱动电路25，经变频器4按i^*_a2、i^*_b2和i^*_c2控制所要求的副绕组相电流。

本实用新型无刷双馈电机超同步调速系统采用的主绕组磁场定向矢量控制，选取d-q-n参考坐标d轴的方向与主绕组总磁链的方向一致，则主绕组磁链仅有d轴分量，而q轴分量为零，在此条件下无刷双馈电机的电磁转矩(电磁功率)和无功功率可分别由副绕组电流的有功分量和无功分量进行解耦控制；可使无刷双馈电机超同步调速系统具有良好的动态特性。

参见图6和图7所示，本实用新型无刷双馈电机超同步调速系统采用的另一种电机直接转矩控制方法，其工作原理如下：

利用d-q同步旋转坐标系统中的无刷双馈电机磁链方程(2)解得用磁链表

示的i_q2和i_d2表达式，然后将其代入式(3)，可得用主副绕组磁链表示的电

磁转矩表达式(6)：

显然(6)式右端可用主副绕组磁链矢量ψ₁和ψ₂的叉积表示，即

式中p₁和p₂分别为主副绕组的极对数；L₁、L₂和L_m为主、副绕组的自感和互感；|ψ₁|和|ψ₂|分别为主、副绕组磁链矢量的模，δ为主、副绕组磁链矢量之间的夹角；由于主绕组用固定幅值和频率的电源供电，故电压u₁的幅值不变，主绕组电阻压降相对于主绕组电压很小，因此可认为主绕组磁链幅值基本不变；由(7)式可以看出：如果能使副绕组磁链的幅值不变，则可通过控制主副绕组磁链的夹角δ来控制电机的转矩，因此可将δ称为转矩角；只要按照一定规律调整副绕组磁链的幅值和转矩角，就能得到所要求的转矩；无刷双馈电机的副绕组通常由电压源逆变器供电，其简化接线方式如图7所示，其中电力电子开关器件用理想开关S_a，S_b，S_c代表。定义S_a＝1表示A相绕组接通电源U_dc，未接通电源S_a＝0；S_b和S_c类似定义；副绕组相电压瞬时值可表示为：

副绕组磁链与电压的关系为：

ψ₂＝∫(u₂-r₂i₂)dt (9)

如忽略副绕组电阻压降的影响，并将(9)式进行离散化处理，则副绕组磁链矢量可表示为：

ψ₂＝u₂Δt+ψ₂₀ (10)

式(10)中ψ₂和u₂分别为t时刻的副绕组磁链和电压矢量，ψ₂₀为t₀时刻副绕组磁链，Δt＝t–t₀；上述矢量之间的关系如图8所示，可以看出，通过适当选取副绕组电压矢量以及时间间隔Δt，便可控制副绕组磁链的幅值以及副绕组磁链矢量与主绕组磁链矢量之间的夹角δ，即控制电机的电磁转矩。副绕组电压矢量的选取是通过S_a，S_b，S_c三个开关来实现的，可有8种不同的配置模式，即产生8种电压矢量：u₂(0,0,0)，u₂(0,0,1)，u₂(0,1,0)，u₂(0,1,1)，u₂(1,0,0)，u₂(1,0,1)，u₂(1,1,0)，u₂(1,1,1)；其中，u₂(1,1,1)和u₂(0,0,0)分别代表三相同时接到正电源和负电源，此时副绕组的相电压为零，故实际上的非零电压矢量只有六种，其空间矢量关系如图9所示，其中两个零矢量电压为坐标原点。副绕组电压矢量选取需要知道副绕组的功率流向，在超同步速电动机运行方式下副绕组吸收有功功率，副绕组电压和电流矢量的夹角小于90°，而亚同步速时副绕组输出有功功率，副绕组电压和电流矢量的夹角大于90°，因此可以根据电压电流矢量夹角的关系选取副绕组电压矢量；附图10为副绕组磁链、电压和电流矢量的空间关系示意图，在超同步速运行时，要使副绕组电压与电流矢量间的夹角小于90°，对于图10中副绕组电流矢量i₂的位置角，应选取u₂(0,0,1)，u₂(0,1,1)，u₂(0,1,0)中的一个电压矢量。

以下结合图6说明无刷双馈电机超同步调速直接转矩控制策略的实现方法。

①电机速度给定值n^*与速度反馈值n相比较得到的速度差值经速度调节器27后形成转矩的给定值

②转矩实际值T_e可用主副绕组电压电流测量值经过坐标转换器19、磁链计算器26和转矩计算器28求得；

③转矩给定值与实际值T_e相比较后经转矩调节器30送给副绕组电压矢量选择器32；

④副绕组磁链幅值│ψ₂│可根据副绕组电压电流测量值经过坐标转换器19、磁链幅值计算器29求得，与磁链幅值给定值│ψ^*₂│相比较后通过磁链调节器31送至副绕组电压矢量选择器32；

⑤副绕组电流矢量角θ₂可根据副绕组电压电流测量值经过坐标转换器19、电流矢量计算器26求得，然后送至副绕组电压矢量选择器32；

⑥副绕组电压矢量选择器32可根据副绕组磁链幅值和转矩增减的要求，决定所选用的副绕组电压矢量。

本实用新型所述无刷双馈电机超同步调速系统采用的直接转矩控制策略，可通过适当选取副绕组电压矢量以及时间间隔，便可控制副绕组磁链的幅值及转矩角，即直接控制电机的转矩；直接转矩控制解决了磁场定向矢量控制中复杂计算与控制特性易受电机参数变化影响的问题，具有系统结构简单、转矩响应快及鲁棒性好等优点。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。