專利名稱：一種異步電機的供電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及異步電機的供電方法。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)由于其顯著的優(yōu)勢，在電機 調(diào)速中正得到越來越廣泛的應(yīng)用，然而為了實現(xiàn)變頻調(diào)速，必須配備變頻器。 這必然會增加整套機組的復雜程度，在某些應(yīng)用場合，比如煤礦、油田等需要 防爆的場所，還需要為變頻器設(shè)計專用的防爆柜，不但增加了體積、而且降低 了運行的可靠性。所以，目前在這類特殊場合，開始使用一體機(即變頻器集 成到電機本體中)，這就對變頻器的體積與可靠性有了很高的要求。
采用準方波電壓給異步電機供電，是一種較新的異步電機供電方法(CN 1832330A)，使用準方波供電可以提高電機的材料利用率，提高其運行效率，配 備準方波變頻器后，易于實現(xiàn)變頻調(diào)速，達到節(jié)能的目的。其要求的準方波電 壓由平頂段和過渡段組成。其中平頂段電壓為一恒定值，較容易實現(xiàn)；而要實 現(xiàn)過渡段，特別是線性變化的平滑過渡段，通常要利用電容器的充放電特性， 而且要求是無極性電容。這一方法雖然簡單，但是在功率較大，電機相數(shù)較多 的情況下，需要的電容體積大、數(shù)量多，這就導致其變頻器中的逆變模塊體積 龐大；其次，為了實現(xiàn)變頻調(diào)速，要求準方波的電壓幅值(即平頂段的電壓值) 跟隨頻率作相應(yīng)變化，而準方波變頻器的逆變模塊不具備調(diào)壓的功能，這就要
求其整流模塊必須要有調(diào)壓的功能，導致整流模塊的復雜程度增加。準方波變
頻器的上述兩個特點不利于一體機的實現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種異步電機供電方法，以簡化為異步電機供電的變 頻器，增加系統(tǒng)運行的可靠性。
本發(fā)明提供的異步電機供電方法，采用由脈沖寬度調(diào)制(PWM)實現(xiàn)的準 方波電壓給電機供電，供給電機每相繞組的PWM脈沖電壓可以是單極性的，也 可以是雙極性的，具體有以下兩種技術(shù)方案 方案l
異步電機的供電方法，電機每極相數(shù)是整數(shù)或分數(shù)，總的相數(shù)m為整數(shù)， 且m 2 3 ,其特征在于每相繞組采用單極性的PWM脈沖電壓實現(xiàn)準方波供電， 每個相電壓周期T根據(jù)PWM脈沖電壓的極性和占空比A:分為六個區(qū)域，0<A:《1，分別記為A、 B、 C、 D、 E、 F;
A區(qū)域內(nèi)有"個PWM脈沖，a20，所占時間為。，極性為正，記這a個 PWM脈沖的占空比為Of'《，V，《…《e
，并且f 2《^"2《；
D區(qū)域內(nèi)有d個PWM脈沖，^20，所占時間為^，極性為負，記這d個 P麗脈沖的占空比為 <，《…《，C，《…《e [(U]，并且Af S《S…《《；
E區(qū)域內(nèi)有e個PWM脈沖，e>0，所占時間為^，極性為負，其占空比
保持為^不變；
F區(qū)域內(nèi)有/個PWM脈沖，所占時間為^，極性為負，記這/個 PWM脈沖的占空比為《,《…《，^，《…《e[(U]，并且^^《2…2《。
方案2
異步電機的供電方法，電機每極相數(shù)是整數(shù)或分數(shù)，總的相數(shù)附為整數(shù)， 且m 23 ，其特征在于每相繞組采用雙極性的PWM脈沖電壓實現(xiàn)準方波供電， 每個相電壓周期T根據(jù)PWM脈沖電壓的占空比A:分為六個區(qū)域，0.5 < A《1 ， 分別記為A、 B、 C、 D、 E、 F;
A區(qū)域內(nèi)有"個PWM脈沖，"20，所占時間為^，記這"個PWM脈沖 的占空比為^，g…《，V，《"《e
，并且《2^^…2《；
D區(qū)域內(nèi)有d個PWM脈沖，d20，所占時間為^j，記這d個PWM脈沖 的占空比為^Uf…W， ^，《…《e[l-A:,0.5]，并且^^^^…^《；
E區(qū)域內(nèi)有e個PWM脈沖，e>0，所占時間為^，其占空比保持為1-A不
變；
F區(qū)域內(nèi)有/個PWM脈沖，/^0，所占時間為^，記這/個PWM脈沖 的占空比為C《…《，《，《…《e[l-A:，0.5〗，并且^^《2…2《。
上述方案1和方案2的相電壓由兩部分組成第一部分為基礎(chǔ)波，其波形為 準方波；另一部分為除去基礎(chǔ)波之后的諧波。準方波有平頂段和過渡段組成，平頂段位于B、 E區(qū)域，過渡段位于A、 C、 D、 F區(qū)域，過渡段電壓的波形隨 著A、 C、 D、 F內(nèi)的PWM脈沖的占空比取值情況不同而變化。假設(shè)占空比作 等差規(guī)律變化，則過渡段為一斜線。故可以通過控制A、 C、 D、 F區(qū)域的PWM 脈沖的占空比取值，靈活的控制過渡段的形狀。
為了消除相電壓的直流分量，并且盡量降低諧波的含量，優(yōu)化電機供電質(zhì)量， 通?？刹捎檬?=c = J = / = "， 6 = e; V = = Af = ,. ， / = 1，2...";
T
且^=午=^= 、G=G。 G、 G越接近5，準方波供電的優(yōu)勢越明顯，故要 T T
A、 B、 C、 D、 E、 F區(qū)域的PWM脈沖頻率選取相同的數(shù)值，可以達到簡化 變頻器的逆變模塊的控制電路的目的。要實現(xiàn)六個區(qū)域的PWM脈沖頻率相同， 只要選擇合適的"》，c，《e，/組合即可。而如果要提高準方波過渡段的精度，可 以相應(yīng)增加A、 C、 D、 F區(qū)域的PWM脈沖頻率。 本發(fā)明的有益效果在于
異步電機采用PWM實現(xiàn)的準方波供電，不僅具有準方波供電的優(yōu)點，而且 為其配備的變頻器，與普通的準方波變頻器相比，(l)由于變頻器的逆變模塊輸 出為PWM脈沖電壓，本身就具有調(diào)壓的功能，所以不再要求變頻器的整流模塊 具有調(diào)壓功能；(2)不再需要無極性電容器，而且不需要增加額外的元器件； (3)PWM脈沖電壓，利用現(xiàn)有的電力電子設(shè)備很容易實現(xiàn)。上述3個特點，簡化 了變頻器的結(jié)構(gòu)、降低了其成本、提高了系統(tǒng)運行的可靠性，有利于電機本體 和變頻器的一體化。
圖1為48槽，4極異步電機的12相繞組連接示意圖； 圖2為供電電源與電機接線示意圖； 圖3為單極性PWM脈沖電壓供電的電壓波形示意圖； 圖4為雙極性PWM脈沖電壓供電的電壓波形示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明
參照圖1,假設(shè)異步電機定子有48槽，沿圓周方向依次記為第1， 2， 3， ......48。定子繞組采用雙層疊繞，則總共有48個線圈，其中每極有12個線圈，現(xiàn)規(guī)定以線圈上層邊所在的槽號表示該線圈，則線圈l-12屬于第一個極， 線圈13-24屬于第二個極，線圈25-36屬于第三個極，線圈37-48屬于第四個極。 分別用l和l'表示第一個線圈的首端、尾端，其余線圈類似?，F(xiàn)將48個線圈接 成12相，圖中分別用S和E表示每相的首端和尾端。
變頻器具有12路輸出，如圖2所示，每路輸出電壓的基礎(chǔ)波依次相差15'， 分別供給電機的12相繞組。
將圖1和圖2中相同標號的端子連接在一起，即可成為一個完整的系統(tǒng)。 變頻器每路輸出的PWM脈沖電壓為單極性或雙極性，結(jié)合附圖加以說明
1. 單極性的PWM脈沖電壓，如圖3中實線所示其中橫坐標表示時間" 相電壓周期為r，每個相電壓周期分為A、 B、 C、 D、 E、 F六個區(qū)域，每個區(qū) 域內(nèi)的PWM脈沖個數(shù)依次為a:4、 6 = 24、 c = 4、 d = 4、 e = 24、 / = 4，
A、 B、 C區(qū)域的PWM脈沖極性為正，D、 E、 F區(qū)域的PWM脈沖極性為負。B、 E區(qū)域PWM脈沖的占空比為A (0<fc^l)， A、 C、 D、 F區(qū)域的占空比如下
<formula>formula see original document page 7</formula>。六個區(qū)域所占的時間為G=k=G= =7I、
5 16
=~=，，且各個區(qū)域內(nèi)的PWM脈沖具有相同的頻率。相電壓的基礎(chǔ)波電
壓如圖中虛線所示。圖3為變頻器某一路輸出的電壓波形，其余各路輸出的電 壓波形相同，只是其基礎(chǔ)波的相位依次相差15'。設(shè)PWM脈沖電壓的幅值為C/, 則其基礎(chǔ)波電壓的幅值為H/;由此可知，只需在變頻器的逆變模塊中調(diào)整A:的 大小，就可以改變基礎(chǔ)波電壓的幅值。
2. 雙極性的PWM脈沖電壓，如圖4中實線所示其中橫坐標表示時間G 相電壓周期為r，每個相電壓周期分為A、 B、 C、 D、 E、 F六個區(qū)域，每個區(qū) 域內(nèi)的PWM脈沖個數(shù)依次為fl^4、 6 = 24、 c = 4、 d = 4、 e = 24、 / = 4。
B、 E區(qū)域PWM脈沖的占空比為A: (0.5<t^l)， A、 C、 D、 F區(qū)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)
六個區(qū)域所占的時間為G=k=G= =^、 G=G =
37且各個區(qū)域內(nèi)
<formula>formula see original document page 8</formula>
的PWM脈沖具有相同的頻率。相電壓的基礎(chǔ)波電壓如圖中虛線所示。圖4為變 頻器某一路輸出的電壓波形，其余各路輸出的電壓波形相同，只是其基礎(chǔ)波的 相位依次相差15'。設(shè)PWM脈沖電壓的幅值為t/，則其基礎(chǔ)波電壓的幅值為 (2A:-l)t/;由此可知，只需在變頻器的逆變模塊中調(diào)整A:的大小，就可以改變 基礎(chǔ)波電壓的幅值。
權(quán)利要求
1.一種異步電機的供電方法，電機每極相數(shù)是整數(shù)或分數(shù)，總的相數(shù)m為整數(shù)，且m≥3，其特征在于每相繞組采用單極性的PWM脈沖電壓實現(xiàn)準方波供電，每個相電壓周期T根據(jù)PWM脈沖電壓的極性和占空比k分為六個區(qū)域，0＜k≤1，分別記為A、B、C、D、E、F；A區(qū)域內(nèi)有a個PWM脈沖，a≥0，所占時間為tA，極性為正，記這a個PWM脈沖的占空比為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區(qū)域內(nèi)有b個PWM脈沖，b＞0，所占時間為tB，極性為正，其占空比保持為k不變；C區(qū)域內(nèi)有c個PWM脈沖，c≥0，所占時間為tC，極性為正，記這c個PWM脈沖的占空比為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區(qū)域內(nèi)有d個PWM脈沖，d≥0，所占時間為tD，極性為負，記這d個PWM脈沖的占空比為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區(qū)域內(nèi)有e個PWM脈沖，e＞0，所占時間為tE，極性為負，其占空比保持為k不變；F區(qū)域內(nèi)有f個PWM脈沖，f≥0，所占時間為tF，極性為負，記這f個PWM脈沖的占空比為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. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異步電機供電方法，其特征是a = c = d = y^w， 6 = " A" = ^c+w = A尸=，卜1，2…"；且^=^=^=斗、~=/五^了。
3. —種異步電機的供電方法，電機每極相數(shù)是整數(shù)或分數(shù)，總的相數(shù)m為整 數(shù)，且m23，其特征在于每相繞組采用雙極性的PWM脈沖電壓實現(xiàn)準方波 供電，每個相電壓周期r根據(jù)PWM脈沖電壓的占空比t分為六個區(qū)域0.5〈A:S1，分別記為A、 B、 C、 D、 E、 F;A區(qū)域內(nèi)有a個PWM脈沖，"2 0，所占時間為^，記這a個PWM脈沖 的占空比為V，g…"，^，《…《e
，并且^^^^…S《；E區(qū)域內(nèi)有e個PWM脈沖，e>0，所占時間為^，其占空比保持為1-A:不變；F區(qū)域內(nèi)有/個PWM脈沖，所占時間為^，記這/個PWM脈沖 的占空比為Of…《，e,《…《e[1 —0.5]，并且《《2…S《。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的異步電機供電方法，其特征是<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明提出了一種異步電機的供電方法，即采用占空比按指定規(guī)律變化的PWM脈沖電壓給電機供電。電機的相數(shù)m≥3，供給每相繞組的PWM脈沖電壓可以是單極性，也可以是雙極性，其基礎(chǔ)波形為準方波。采用這種供電方式，可以保留準方波供電帶來的優(yōu)勢，并且可以在保持準方波變頻器的逆變模塊其他部分不變的情況下，除去用于產(chǎn)生平滑過渡段而使用的無極性電容器；更重要的是采用這種供電方式之后，逆變模塊本身就具有調(diào)壓的功能，不再要求為其供電的直流模塊有調(diào)壓功能，可以降低直流模塊的復雜程度。從而增加了供電電源的可靠性、減小了其體積、降低了成本，有利于實現(xiàn)逆變電源與電機本體的一體化。
文檔編號H02P27/08GK101409527SQ200810162068
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者汪槱生, 蔡卓劍, 趙榮祥, 陳輝明 申請人:浙江大學