專利名稱：電機(jī)電流的濾波方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分用于電流濾波的方法，具體來說，涉及對(duì)供給電機(jī)，例如帶有實(shí)心轉(zhuǎn)子的電機(jī)的電流進(jìn)行濾波的方法。本發(fā)明如權(quán)利要求4所述，還提供了一種電流濾波裝置，尤其是對(duì)供給電機(jī)的電流進(jìn)行濾波的裝置。
眾所周知，為抑制干擾，可使用CLC濾波器(線圈/電容濾波器)來對(duì)1或3相供電電流濾波，該濾波器位于零線和該相極之間，此類裝置的一個(gè)例子，公開于歐洲專利說明書No.0282 797 A3中，其

圖1公開了此種濾波裝置的線路構(gòu)成圖。通過這種方法，可以實(shí)現(xiàn)電力電子學(xué)中所說的抑制干擾。例如，可保護(hù)環(huán)境不受儀器所產(chǎn)生的幅射干擾，反之亦然。
變頻器也是公知技術(shù)，這些變頻器可以用于AC(交流)電機(jī)，尤其適用于可調(diào)電動(dòng)機(jī)上?，F(xiàn)在，在脈沖寬度調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的具有電壓源電路的PWM(脈寬調(diào)制)變頻器已被普遍應(yīng)用。本專業(yè)技術(shù)人員熟知各種類型的變頻器，對(duì)他們來說，只要說明變頻器主要的元器件包括一個(gè)整流器，一個(gè)直流電壓源電路和一個(gè)逆變整流器(=逆變部分)，而不需再解釋更多細(xì)節(jié)。
然而，按照所述歐洲專利申請(qǐng)圖1中所述的已知技術(shù)的濾波器，卻不能對(duì)產(chǎn)生于PWM變頻器及電機(jī)之間的電流進(jìn)行濾波。因?yàn)橄嚯娏鱅此時(shí)會(huì)由于通過三相電動(dòng)機(jī)的橫向電容偶而產(chǎn)生的快速的電壓變化而瞬間變得過大。這種電流峰值會(huì)產(chǎn)生對(duì)使用中的儀器如開關(guān)、絕緣體等的損害。對(duì)于帶有變頻器的裝置，僅靠使用一個(gè)電容器來補(bǔ)償這個(gè)裝置是不可行的。按照公式I=C×du/dt其中，I=電流C=電容du/dt=電壓/時(shí)間的變化由變頻器產(chǎn)生的高壓脈沖會(huì)導(dǎo)致一個(gè)極高的電流峰值輸出，由此會(huì)損壞儀器。變頻器對(duì)電機(jī)短路的損害主要有以下三種方式1)高頻電流成分使電機(jī)線圈上產(chǎn)生電流的收縮效應(yīng)，特別是當(dāng)線圈是由定型的銅制成時(shí)就會(huì)出現(xiàn)由電流收縮效應(yīng)產(chǎn)生的干擾。2)盡管有分布電感的衰減效應(yīng)，高頻電流成分也會(huì)產(chǎn)生將增加電機(jī)鐵損耗的高頻電流主磁通。3)在使用變頻器所產(chǎn)生的干擾中，電機(jī)的轉(zhuǎn)子表面成為重要的因素。當(dāng)諧波電流導(dǎo)致電機(jī)主磁通的振蕩時(shí)，在籠形轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的渦旋電流會(huì)衰減這一振蕩，由此產(chǎn)生了損耗。
因此有必要特別是對(duì)實(shí)心轉(zhuǎn)子型電機(jī)的電流進(jìn)行濾波。與具有疊片轉(zhuǎn)子的普通電機(jī)不同的是實(shí)心轉(zhuǎn)子型電機(jī)的實(shí)心轉(zhuǎn)子通常是由合適的鋼鐵材料制造的。有時(shí)鋼制的實(shí)心轉(zhuǎn)子上會(huì)帶有附件，例如各種涂層、銅制鼠籠繞組和短路環(huán)。用實(shí)心轉(zhuǎn)子有以下好處硬度較大，良好的抑制振蕩特性，及簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的制造方式。在英國專利NOS.1427818和1429826，德國專利N0.3641142或芬蘭專利NO.92114NO.932732中公開了各種實(shí)心定子。
但是實(shí)心定子有例如低的效率和低的功率因子的缺點(diǎn)。由于其較高的無功功率，它所需要的電流比疊片式轉(zhuǎn)子型電機(jī)所需電流要多許多。為了改進(jìn)這些特性，可使用前述變頻裝置來提供電機(jī)電流。但由此產(chǎn)生了另外的問題。例如，并非在各種應(yīng)用中都有足夠大或有效或適當(dāng)?shù)淖冾l裝置。另外，由于功率增加時(shí)，變頻器的價(jià)格會(huì)猛增，由此使它的使用顯得不經(jīng)濟(jì)。變頻器產(chǎn)生的電流的波型與理想的正弦波波型也相差較遠(yuǎn)。而且其產(chǎn)生的脈沖狀電壓會(huì)對(duì)設(shè)備元件如絕緣體和開關(guān)產(chǎn)生高壓危害。
本發(fā)明的一個(gè)目的是解決已有技術(shù)中的缺點(diǎn)，并提供一種新的對(duì)供給電機(jī)的電流，特別是具有實(shí)心定子，并與電壓源電路相連的電機(jī)的電流，進(jìn)行濾波的方法。從而可對(duì)電流的無功電流部分進(jìn)行補(bǔ)償。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種濾波方法使電機(jī)效率提高。
本發(fā)明又一個(gè)目的是提供一種方法，使電機(jī)的電流供應(yīng)設(shè)備的體積，例如帶有電壓源電路的變頻器的體積有可能縮小，和/或增加其工作的效率和經(jīng)濟(jì)效益。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種方法，使電機(jī)的電壓盡可能接近正弦波。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種方法，使變頻器的耦合頻率降低。
本發(fā)明基于以下的思路在變頻器和電機(jī)特別是具有實(shí)心轉(zhuǎn)子的電機(jī)之間，設(shè)置一個(gè)合適的濾波器，這樣構(gòu)成的電流供應(yīng)裝置可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的。
更具體地，本發(fā)明的方法是以權(quán)利要求1至3，特別是以權(quán)利要求1的特征部分為特征。本發(fā)明的裝置是以權(quán)利要求4至9，特別是以權(quán)利要求4的特征部分為特征。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明的裝置包括LC濾波裝置，該濾波裝置位于帶有電壓源電路的變頻器和一個(gè)三相實(shí)心轉(zhuǎn)子的電機(jī)之間，并且所述濾波裝置對(duì)稱地裝在全部三相中。該濾波裝置中的一個(gè)線圈設(shè)置在每一相極的電容之前。所述電容對(duì)總的無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，所述線圈防止總的不利的電流峰值的形成。
本發(fā)明具有許多顯著優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的方法，所述濾波裝置很容易實(shí)現(xiàn)，并且很經(jīng)濟(jì)實(shí)用。使用該濾波裝置有可能減小電流供應(yīng)設(shè)備、例如變頻器的體積；還有可能增加電機(jī)的可以繼續(xù)使用變頻器的電流范圍。上述目的之所以能實(shí)現(xiàn)是因?yàn)樽冾l器供給電機(jī)的電流顯著下降并且變頻器的體積具體地受逆變器的電流限定。本發(fā)明的裝置可使帶有電壓源電路的的變頻器得到接近理想正弦波的電流。這樣，除了上述的優(yōu)點(diǎn)外，還能提供盡可能接近正弦波的電壓和電流，由此顯著減少了相互接觸的軸承的軸承電流，并增加了軸承的壽命。
這對(duì)中速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器特別有利。因?yàn)檫@些使用滾珠軸承的機(jī)器通常在這樣一種運(yùn)轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明還能使變頻器所供電流幾乎都是有功電流。在傳統(tǒng)的實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)中，有前面提到的低效的問題，因?yàn)橛泄β屎蜔o功功率幾乎相同。采用本發(fā)明的方法可避免這些問題。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備中的絕緣體能更加經(jīng)久耐用，因?yàn)殡妷悍逯当蝗コ?，由此可減少對(duì)絕緣體的要求進(jìn)而減少費(fèi)用。另外，能提高變頻器所提供的相電壓，而無須增加絕緣體的強(qiáng)度。這對(duì)大型的中速機(jī)械特別有用。EMC干擾也會(huì)大幅下降。此外，還有可能通過對(duì)本發(fā)明裝置的適當(dāng)設(shè)計(jì)，將耦合頻率從12KHz降至3KHz，進(jìn)而提高整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)的總效率。另外，還可以減少定子疊片特別是轉(zhuǎn)子表面的渦旋電流。并充分降低由電子元件產(chǎn)生的噪聲電平。通過在逆變器輸出中設(shè)置LC濾波器，可將通過長(zhǎng)的電機(jī)纜線的接地電容的電流峰值降低到最小。本發(fā)明還可以對(duì)電壓源電路逆變器進(jìn)行補(bǔ)償，而這在現(xiàn)有技術(shù)中被認(rèn)為是不可能的。
下面結(jié)合實(shí)施例并參照附圖對(duì)本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行具體說明。在附圖里相同的符號(hào)在不同的圖中所表示的是同一特征。應(yīng)該指出本發(fā)明不局限于實(shí)施例中的具體例子，而是覆蓋可包括在本發(fā)明實(shí)質(zhì)內(nèi)容中的所有等同物或者其變化、改進(jìn)。
圖1a和1b分別公開了本發(fā)明的單相電路示意圖。
圖2公開本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中三相結(jié)構(gòu)的對(duì)稱電路圖。
圖3a和3b分別圖示疊片轉(zhuǎn)子電機(jī)和實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)使用現(xiàn)有技術(shù)時(shí)的電流的無功和有功功率的比例。
圖4為對(duì)應(yīng)于圖3但使用了本發(fā)明即圖2所示裝置的結(jié)果。
圖5為現(xiàn)有技術(shù)下的電機(jī)電流的圖形。
圖1a為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中裝置連接示意圖。LC濾波裝置10由虛線表示，連接在一個(gè)變頻裝置4和一個(gè)電機(jī)之間，它包括一個(gè)線圈L，一個(gè)電容C。在LC濾波裝置10中，電感的主要作用是保護(hù)變頻裝置部分4，特別是其中的開關(guān)免受過激電流的產(chǎn)生的損害。電容器的主要作用是對(duì)實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)的無功電流部分進(jìn)行補(bǔ)償。上述補(bǔ)償及電壓濾波的工作由設(shè)置于二個(gè)不同相極之間的電容器C來完成。這些電容器可以連接成三角形(如圖2)或星形連接。
圖1b是對(duì)應(yīng)于圖1a但將圖1a的濾波裝置增加了一級(jí)。在大多數(shù)情況下本圖較之圖1a的單級(jí)濾波裝置10，濾波效率得到了提高，因而其效果更好。應(yīng)說明的是，線圈L1和L2、電容器C1和C2沒有必要等同于其標(biāo)稱值，例如在一個(gè)實(shí)施例中，線圈L1可大于線圈L2，另外，濾波器也可多于2級(jí)，濾波器各級(jí)中的元件也可按不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。
圖2為本發(fā)明電壓源逆變器在全部三相1,2和3中對(duì)稱聯(lián)接的示意圖。線圈裝置L設(shè)置于每一相的變頻器4的后面，在線圈L之后設(shè)置了電容器C，以使二個(gè)相極(1,2；1,3；2,3)之間有一相同值的電容?？刹捎眯切位蛉切务詈吓c電機(jī)M連接。上述相極也可不是三相，例如可為二相、五相或七相。
圖3a公開了在使用現(xiàn)有技術(shù)變頻器型電流供應(yīng)裝置時(shí)，疊片轉(zhuǎn)子型例如“板片轉(zhuǎn)子(Plate rotor)”型電機(jī)的電流基波的相量圖。并公開了同一方案中有功和無功功率的關(guān)系。這種實(shí)施狀態(tài)下的效率系數(shù)通常為0.8-0.9。
圖3b公開了用于實(shí)心轉(zhuǎn)子型電機(jī)的相應(yīng)的現(xiàn)有技術(shù)的方案。其中a)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子是由一整塊鐵所制造的情形，b)對(duì)應(yīng)于前述鐵制轉(zhuǎn)子帶有現(xiàn)有技術(shù)的銅制鼠籠繞組。從有功功率和無功功率(P,Q)的關(guān)系可以看出。無功電流在全部電流中占了很大比例，因而使用變頻器的實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)的效率系數(shù)通常只有0.5-0.7。
上述現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于在實(shí)心轉(zhuǎn)子中不可能將磁回路和電回路彼此分開，而帶有鐵芯的疊片電感轉(zhuǎn)子的目的正是將其分開。由此，周知的麥克斯韋方程給出了唯一的結(jié)果，即轉(zhuǎn)子阻抗的相位角過大。在理論上，當(dāng)使用線性非磁飽和的物質(zhì)時(shí)，其相位角為45°。在飽和鐵上附有不同的槽與銅柵時(shí)，是有可能減小轉(zhuǎn)子的阻抗的相位角的。但是考慮到氣隙和分布電感的影響，實(shí)心轉(zhuǎn)子的最大效率因子約為0.7，如上所述。
圖4公開了采用圖2所示本發(fā)明方法的電流和電壓的基波相量圖及有功功率與無功功率(P,Q)的比率。在本圖中無功電流的相對(duì)比例遠(yuǎn)小于有功電流的相對(duì)比例，因而提高了效率。依靠所使用的電流、功率、頻率等參數(shù)通過本發(fā)明實(shí)施方案，可充分提高實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)的效率至0.9，并且在大多數(shù)情況下，根據(jù)所用的參數(shù)還可超過這一數(shù)值。
使用本發(fā)明的濾波裝置可以對(duì)無功功率Q進(jìn)行根本的補(bǔ)償。因?yàn)樵诂F(xiàn)在技術(shù)中上述補(bǔ)償是不可行的。需要考慮數(shù)值很大的無功電流而選擇帶電壓源電路的變頻器的尺寸，這會(huì)導(dǎo)致不希望的體積的增加。
按照本發(fā)明，可以減小變頻器和逆變器的體積約30％，通過選定正確的體積并最佳化，還可在價(jià)格上取得收益?，F(xiàn)在已經(jīng)可以將一個(gè)相同的變頻器用于更寬范圍的電流/功率中，由此可以無需使用大小不同的變頻器，并可將已經(jīng)商業(yè)使用的變頻器和電機(jī)相連接，且其可以連接所述電機(jī)的功率要比原來可能連接的功率更大。電壓低于1000V的功率最大、價(jià)格最貴的變頻器的電流為1KA，但通常最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的變頻器的電流為500-700A。有時(shí)將幾種變頻器組合起來用于較大的電流需要。但這從經(jīng)濟(jì)的角度看是不合適的。
通過合適的選定體積，可以減少變頻器的耦合頻率?，F(xiàn)在通常使用的12KHz頻率會(huì)使電機(jī)效率損失5％-10％。盡管希望通過降低頻率來提高變頻器的效率。但如降低頻率后，電機(jī)電流會(huì)產(chǎn)生各種波動(dòng)，尤其對(duì)大的電機(jī)更是如此，由此反而會(huì)更加降低效率。產(chǎn)生波動(dòng)的原因是因?yàn)樽冾l器供給的電壓與理想的正弦波相差很大，當(dāng)頻率下降時(shí)，這個(gè)差距會(huì)加大。由于瞬態(tài)電感特別低。波紋電流增加得很劇烈。
圖5圖示沒有使用本發(fā)明濾波方法的、現(xiàn)有技術(shù)下12KW實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)在耦合頻率為12KHz時(shí)的電流形狀?？梢院苊黠@地看出，電流波形與正弦波有很大不同。這是因?yàn)檫@些固定轉(zhuǎn)子以相對(duì)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，它們需要數(shù)量少得多的疊繞線圈。由此電機(jī)的總電感，特別是瞬態(tài)電感會(huì)很小，因此如前面所述的，電機(jī)中會(huì)產(chǎn)生很大的波紋電流。一部分波紋電流會(huì)使電機(jī)主磁通產(chǎn)生波動(dòng)，并由此會(huì)損失電機(jī)約5％程度的效率。因此對(duì)于實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)，正弦波電流有顯著的優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)有技術(shù)中，是通過增加耦合頻率來使電流盡量接近正弦波的。
本發(fā)明的濾波器10具有將電流變得與正弦波非常相近的優(yōu)點(diǎn)。由此圖5所示的波形的不連續(xù)可以被光滑并變得基本消失。另外，本發(fā)明的濾波器對(duì)電流的濾波使得即使降低頻率，如降至3KHz也不產(chǎn)生前述的負(fù)效應(yīng)，由此電機(jī)M的效率得到了提高。
如權(quán)利要求中所要求的本發(fā)明的范圍，不局限于上述實(shí)施例。通過前面的所述的附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很容易地將本發(fā)明的方法和裝置運(yùn)用到各種電機(jī)上而不背離本發(fā)明的精神及內(nèi)容。
權(quán)利要求
1．一種對(duì)供給電機(jī)(M)的電流濾波的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟將來自帶有電壓源電路的變頻裝置(4)的電流通過變頻裝置(4)和電機(jī)(M)之間的一個(gè)線圈裝置(L)供給電機(jī)(M)，以防止電流的過快地增大，通過位于帶有電壓源電路的變頻裝置(4)和電機(jī)(M)之間的電容器裝置(C)，對(duì)電機(jī)(M)的無功電流部分補(bǔ)償，由此電機(jī)(M)的無功電流可得到根本補(bǔ)償，電機(jī)的功率因子得到提高。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的一種方法，其特征在于，由電容裝置(C)聯(lián)接相極(1,2,3)之間的電壓完成對(duì)無功電流的補(bǔ)償和對(duì)電壓的濾波。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種方法，其特征在于，布置在全部相極(1,2,3)的濾波器(10)對(duì)變頻器(4)供給實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)(M)的多相電流，如2,3,5或7相電流進(jìn)行對(duì)稱濾波。
4．一種對(duì)供給電機(jī)(M)的電流進(jìn)行濾波的濾波裝置(10)，其特征在于，該濾波裝置(10)包括設(shè)置于各相(1,2,3)中電機(jī)(M)和帶有電壓源電路的變頻裝置(4)之間的線圈裝置(L,L1,L2)；設(shè)置于二個(gè)不同相(1,2；1,3；2,3)之間，并在沿電流流動(dòng)方向位于線圈裝置(8)之后的電容裝置(C,C1,C2)，這樣形成的濾波裝置(10)可以防止電流的過快增大，并補(bǔ)償電流中的無功電流部分。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的濾波裝置，其特征在于，所述電機(jī)為三相實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)(M)，電流源裝置包括變頻裝置(14)，所述濾波裝置(10)相對(duì)于全部三相(1,2,3)對(duì)稱連接。
6．根據(jù)權(quán)利要求4的濾波裝置，其特征在于，所述電機(jī)為2,5或7相實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)(M)所述電流源裝置包括變頻裝置(4)，所述濾波裝置(10)相對(duì)于所有相極對(duì)稱聯(lián)接。
7．根據(jù)權(quán)利要求4,5或6的濾波裝置，其特征在于，在變頻裝置(4)和電機(jī)(M)之間連續(xù)設(shè)置了數(shù)個(gè)濾波裝置。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其特征在于，所述連續(xù)設(shè)置的濾波裝置(10)的相應(yīng)元件(L,C)是不等值的。
9．根據(jù)權(quán)利要求4至8的裝置，其特征在于，所述變頻裝置(4)包括PMW變頻器或類似裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及對(duì)供給電機(jī)(M)的電流進(jìn)行濾波的方法和裝置。從帶有電壓源電路的變頻器(4)送到電機(jī)(M)的電流流過變頻器(4)和電壓機(jī)(M)之間的線圈裝置(L)以防止電流的過快增長(zhǎng)。電機(jī)(M)的無功電流部分由放在電機(jī)(M)和帶有電壓源電路的變頻器(4)之間的電容裝置(C)補(bǔ)償。通過本發(fā)明的濾波器基本補(bǔ)償了電機(jī)(M)的無功電流,由此提高了功率比。
文檔編號(hào)H02J3/18GK1222265SQ97195495
公開日1999年7月7日 申請(qǐng)日期1997年6月13日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月14日
發(fā)明者朱哈·皮諾倫 申請(qǐng)人:旋轉(zhuǎn)技術(shù)芬蘭有限公司