專利名稱：多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置，尤其適合于大功率寬范圍的調(diào)速系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
許多應(yīng)用場(chǎng)合，如機(jī)床用伺服系統(tǒng)、航空器驅(qū)動(dòng)、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)等，迫切要求傳動(dòng) 系統(tǒng)既能在低速時(shí)提供大的轉(zhuǎn)矩，又具有寬廣的恒功率調(diào)速運(yùn)行范圍，而由傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī) 構(gòu)成的交流傳動(dòng)系統(tǒng)在額定頻率以下電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩模式，在額定頻率以上電機(jī)工作在 恒功率模式。在恒功率模式下電機(jī)端電壓隨頻率的增大而緩慢地升高，在變頻器供電的情 況下當(dāng)電壓達(dá)到變頻器所能夠提供的最大電壓時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)就無法繼續(xù)工作在恒功率模式 了。因此由傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)構(gòu)成的傳動(dòng)系統(tǒng)的恒功率運(yùn)行區(qū)間，或者說調(diào)速范圍是有限的，一 般不超過額定轉(zhuǎn)速的兩倍。常用的解決方法是將傳動(dòng)系統(tǒng)和負(fù)載通過機(jī)械變速箱連接，通 過改變變速箱的速比來滿足要求，但是該方法設(shè)備復(fù)雜，體積增大以及控制精度降低；也可 以簡(jiǎn)單的采用更大功率電機(jī)和大容量變頻器，但是這樣電機(jī)體積和功率器件的容量都要增 大，在經(jīng)濟(jì)和能源上造成很大的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置，通過多相感應(yīng)電機(jī)的 電子變極實(shí)現(xiàn)寬范圍恒功率調(diào)速，并提高運(yùn)行可靠性。 本發(fā)明的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置，包括多相感應(yīng)電機(jī)、多相逆變器、逆變
驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元和變極控制單元，多相感應(yīng)電機(jī)的相數(shù)n > 5，定子繞組由n個(gè)軸線依次
相隔2 Ji /n電角度的繞組構(gòu)成，每相繞組同時(shí)含有至少2種空間諧波分量，各相繞組的一端
為星形連接，多相逆變器的相數(shù)與多相感應(yīng)電機(jī)的相數(shù)n相等，多相逆變器各相橋臂的輸
出端與各相繞組的輸入端連接，多相逆變器的輸入端與逆變驅(qū)動(dòng)單元的輸出端相連，檢測(cè)
單元的信號(hào)輸入端接多相感應(yīng)電機(jī)的電壓、電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出端，檢測(cè)單元的信號(hào)輸出
端與變極控制單元一個(gè)輸入端相連，變極控制單元的另一個(gè)輸入端接轉(zhuǎn)速設(shè)定值，變極控
制單元將輸入的轉(zhuǎn)速信號(hào)與設(shè)定的轉(zhuǎn)速值比較，確定電機(jī)采用何種極數(shù)以及相應(yīng)的控制自
由度，輸出控制多相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的電流或電壓參考信號(hào)給逆變驅(qū)動(dòng)單元。 本發(fā)明中，多相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用鼠籠型轉(zhuǎn)子。多相感應(yīng)電機(jī)繞組星形連接可以
為1個(gè)中點(diǎn)或幾個(gè)中點(diǎn)。 所說的變極控制單元為DSP或FPGA芯片。當(dāng)相數(shù)n《6時(shí)，逆變驅(qū)動(dòng)單元為DSP
或FPGA或CPLD芯片，相數(shù)n > 6時(shí)，逆變驅(qū)動(dòng)單元為FPGA或CPLD芯片。 本發(fā)明的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置采用一臺(tái)鼠籠型多相感應(yīng)電機(jī)和一臺(tái)
多相逆變器，利用多相電機(jī)具有多個(gè)控制自由度的特點(diǎn)，在不停電的情況下通過控制產(chǎn)生
不同的諧波電流和諧波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電子變極調(diào)速，具有寬運(yùn)行范圍的特點(diǎn)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)
簡(jiǎn)單；具有高可靠性，當(dāng)一相或幾相發(fā)生故障時(shí)可實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行；易于實(shí)現(xiàn)大功率傳動(dòng)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置中多相電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)實(shí)例(以6相為 例)， 圖中(a)為4/8變極，(b)為2/4變極； 圖3是多相感應(yīng)電機(jī)與多相逆變器的連接方式； 圖4是多相對(duì)稱系統(tǒng)的坐標(biāo)變換矩陣； 圖5是6相電機(jī)的極對(duì)數(shù)切換示意圖，圖中(a)為l對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)示意圖，(b)為 2對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明 參照?qǐng)Dl，本發(fā)明的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置，包括多相感應(yīng)電機(jī)1、多相 逆變器2、逆變驅(qū)動(dòng)單元3、檢測(cè)單元4和變極控制單元5，多相感應(yīng)電機(jī)1的相數(shù)n > 5，定 子繞組由n個(gè)軸線依次相隔2 /n電角度的繞組構(gòu)成，每相繞組同時(shí)含有至少2種空間諧 波分量，各相繞組的一端為星形連接，多相逆變器2的相數(shù)與多相感應(yīng)電機(jī)1的相數(shù)n相 等，多相逆變器各相橋臂的輸出端與各相繞組的輸入端連接，多相逆變器的輸入端與逆變 驅(qū)動(dòng)單元3的輸出端相連，檢測(cè)單元4的信號(hào)輸入端接多相感應(yīng)電機(jī)1的電壓、電流和轉(zhuǎn)速 信號(hào)輸出端，檢測(cè)單元4的信號(hào)輸出端與變極控制單元5 —個(gè)輸入端相連，變極控制單元5 的另一個(gè)輸入端接轉(zhuǎn)速設(shè)定值，變極控制單元5將輸入的轉(zhuǎn)速信號(hào)與設(shè)定的轉(zhuǎn)速值比較， 確定電機(jī)采用何種極數(shù)以及相應(yīng)的控制自由度，輸出控制多相感應(yīng)電機(jī)1轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的電 流或電壓參考信號(hào)給逆變驅(qū)動(dòng)單元3。 圖2所示為用于多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置中多相感應(yīng)電機(jī)的定子繞組結(jié) 構(gòu)實(shí)例，以24槽6相為例，電機(jī)定子繞組由6個(gè)軸線依次相隔Ji /3電角度的繞組構(gòu)成，A-a 構(gòu)成a相繞組，A表示繞組方向進(jìn)入紙面，a表示流出紙面，B-b等依此類推。同理不難得到 其它相數(shù)時(shí)的繞組結(jié)構(gòu)。定子繞組可采用分布式繞組也可采用集中繞組。根據(jù)不同的繞組 結(jié)構(gòu)可以含有不同的空間諧波，比如圖2(a)中繞組含有2、4次空間諧波時(shí)，電機(jī)能實(shí)現(xiàn)4/8 電子變極；如圖2(b)中繞組含有1、2次空間諧波，電機(jī)能實(shí)現(xiàn)2/4電子變極。類似地，采用 不同的繞組結(jié)構(gòu)，電機(jī)還能實(shí)現(xiàn)2/6電子變極等。此外，定子繞組還能采用環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)。 電機(jī)轉(zhuǎn)子采用鼠籠型轉(zhuǎn)子。 圖3所示實(shí)例中，n相感應(yīng)電機(jī)各相繞組的一端為星形連接，可連接為l個(gè)或幾個(gè) 中點(diǎn)，圖例為n相繞組連接成1個(gè)中點(diǎn)，各相繞組的另一端與逆變器各相橋臂的輸出端連 接。n相逆變器由n個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂由兩個(gè)開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)開關(guān)器件由一個(gè) 全控型功率器件和一個(gè)二極管反向并聯(lián)構(gòu)成。這里全控型功率器件可采用IGBT、 MCT、 GT0 或GTR等。 本發(fā)明的工作原理如下 根據(jù)多相坐標(biāo)變換理論，多相電機(jī)具有多個(gè)控制自由度，它們分別對(duì)應(yīng)于不同相 位差的一組電流及不同極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。本發(fā)明利用多相電機(jī)的一個(gè)控制自由度控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，在不同的控制自由度之間切換以實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)的切換，從而實(shí)現(xiàn)多相感應(yīng) 電機(jī)的寬范圍電子變極調(diào)速。 n相對(duì)稱系統(tǒng)在固定坐標(biāo)系下的變換(a |3變換)矩陣如圖4所示，式中a = 2Ji/n;當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，電機(jī)控制自由度的個(gè)數(shù)m二 (n_2)/2 ;當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，m = (n_l)/2， 這時(shí)變換矩陣應(yīng)刪去最后一行。那么矩陣的第1、2行構(gòu)成q「c^平面，第3、4行構(gòu)成q2-d2 平面，依次類推。 根據(jù)三角函數(shù)的正交性，多相電機(jī)相鄰相不同相位差的一組電流坐標(biāo)變換后分別 映射到不同的正交平面，如相鄰相相位差為2 /n的一組電流坐標(biāo)變換后只映射到q「c^平 面，它們變換到其他正交平面的值為O。根據(jù)上述坐標(biāo)變換矩陣可知，相電流按矩陣的第1、 2行可構(gòu)成q「4平面，按第3、4行可構(gòu)成q2_d2平面，其他情況依次類推?？梢?，在多相的 情況下多相電機(jī)的相電流變換后將形成m組a |3分量，稱為m個(gè)控制自由度或者m個(gè)平 面，而三相時(shí)則只有1一個(gè)控制自由度或者1個(gè)控制平面。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的矢量控制只需一組 a P分量，或一個(gè)控制自由度就可完成，這樣多相電機(jī)(n>5)所剩余的控制自由度就可以 用于其它控制目的。例如，對(duì)于一臺(tái)n相l(xiāng)對(duì)極電機(jī)在q「c^平面，其相電流的相位依次為 0、 a 、2a . . . (n-l) a ，如在六相的的情況下其相電流相位依次為0， Ji/3， 2 Ji/3， Ji ， 4 Ji/3， 5 /3，那么電機(jī)內(nèi)就形成1對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如圖5(a)所示；而在q2-d2平面，各相電流的相 位分別為0， 2 Ji /3， 4 Ji /3， 2 Ji ， 2 Ji /3， 6 Ji /3，那么電機(jī)內(nèi)將形成2對(duì)極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如圖5 (b) 所示。 因此，對(duì)于一臺(tái)n相P對(duì)極的多相電機(jī)，采用n相變頻器，通過改變各相供電電流
的相位，可以使電機(jī)運(yùn)行在1P、2P.....mP對(duì)極的模式下，通過控制變頻器在不停電的情況
下實(shí)現(xiàn)電子變極。可見電子變極的原理就是利用多相電機(jī)具有多控制自由度的特點(diǎn)，通過 控制相電流的相位生成不同極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，達(dá)到三相電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的在不停電情況下 變極過程 檢測(cè)單元4檢測(cè)到的多相交流電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出到變極控制單元 5 ;變極控制單元5將輸入的轉(zhuǎn)速信號(hào)與設(shè)定的轉(zhuǎn)速值比較，得到控制多相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和 轉(zhuǎn)速的電流參考信號(hào)i/、i/，i/、i/作為相應(yīng)控制自由度的控制指令。在正常工作的過 程中，其它q-d平面內(nèi)的電流參考信號(hào)為O ;在變極的過程中，各平面內(nèi)的參考電流信號(hào)可 根據(jù)某一規(guī)律由大變小或由小變大，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換。各個(gè)平面內(nèi)的電流參考信號(hào)經(jīng)過電 流閉環(huán)調(diào)節(jié)后得到各平面內(nèi)的電壓參考信號(hào)，反坐標(biāo)變換后輸出各相電壓參考信號(hào)。
變極控制單元5根據(jù)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值確定電機(jī)運(yùn)行的極對(duì)數(shù)及相應(yīng)的控制自由度。
逆變驅(qū)動(dòng)單元3將各相電壓參考信號(hào)轉(zhuǎn)換成P麗信號(hào)，控制多相逆變器2各相橋 臂的全控型功率器件開通和關(guān)斷。不同平面內(nèi)的電壓或電流反坐標(biāo)變換得到的電壓或電流 相位差不等，從而可在不同平面間進(jìn)行切換以實(shí)現(xiàn)電機(jī)電子變極。
權(quán)利要求
多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置，其特征是包括多相感應(yīng)電機(jī)(1)、多相逆變器(2)、逆變驅(qū)動(dòng)單元(3)、檢測(cè)單元(4)和變極控制單元(5)，多相感應(yīng)電機(jī)(1)的相數(shù)n≥5，定子繞組由n個(gè)軸線依次相隔2π/n電角度的繞組構(gòu)成，每相繞組同時(shí)含有至少2種空間諧波分量，各相繞組的一端為星形連接，多相逆變器(2)的相數(shù)與多相感應(yīng)電機(jī)(1)的相數(shù)n相等，多相逆變器各相橋臂的輸出端與各相繞組的輸入端連接，多相逆變器的輸入端與逆變驅(qū)動(dòng)單元(3)的輸出端相連，檢測(cè)單元(4)的信號(hào)輸入端接多相感應(yīng)電機(jī)(1)的電壓、電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出端，檢測(cè)單元(4)的信號(hào)輸出端與變極控制單元(5)一個(gè)輸入端相連，變極控制單元(5)的另一個(gè)輸入端接轉(zhuǎn)速設(shè)定值，變極控制單元(5)將輸入的轉(zhuǎn)速信號(hào)與設(shè)定的轉(zhuǎn)速值比較，確定電機(jī)采用何種極數(shù)以及相應(yīng)的控制自由度，輸出控制多相感應(yīng)電機(jī)(1)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的電流或電壓參考信號(hào)給逆變驅(qū)動(dòng)單元(3)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置，其特征是，電機(jī)轉(zhuǎn)子采用 鼠籠型轉(zhuǎn)子。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置，其特征是，多相感應(yīng)電機(jī) 繞組星形連接為1個(gè)中點(diǎn)或幾個(gè)中點(diǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置，其特征是，變極控制單元(5)為 DSP或FPGA芯片。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置，其特征是，相數(shù)n《6時(shí)，逆變 驅(qū)動(dòng)單元(3)為DSP或FPGA或CPLD芯片，相數(shù)n > 6時(shí)，逆變驅(qū)動(dòng)單元(3)為FPGA或CPLD 心片。
全文摘要
本發(fā)明公開的多相感應(yīng)電機(jī)電子變極傳動(dòng)裝置，包括多相感應(yīng)電機(jī)、多相逆變器、逆變驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元和變極控制單元。多相感應(yīng)電機(jī)的相數(shù)n≥5，定子繞組由n個(gè)軸線依次相隔2π/n電角度的繞組構(gòu)成，每相繞組同時(shí)含有至少2種空間諧波分量，電機(jī)轉(zhuǎn)子采用鼠籠結(jié)構(gòu)。變極控制單元根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)速信號(hào)，確定電機(jī)采用何種極數(shù)以及相應(yīng)的控制自由度，通過一臺(tái)多相逆變器給多相感應(yīng)電機(jī)分別通入不同的相位差的電流，可以在氣隙中產(chǎn)生不同極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即可在不同的控制自由度之間進(jìn)行切換以實(shí)現(xiàn)變極。本發(fā)明采用多相感應(yīng)電機(jī)和一套多相逆變器，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的寬范圍變極調(diào)速，繞組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且易于實(shí)現(xiàn)大功率傳動(dòng)，具有高可靠性。
文檔編號(hào)H02P27/06GK101714848SQ20091015498
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月7日
發(fā)明者劉 東, 康敏, 楊家強(qiáng), 陳高, 黃進(jìn) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)