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一種變頻控制系統.pdf

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一種 變頻 控制系統
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摘要
申請專利號:

CN201210417870.X

申請日:

2012.10.26

公開號:

CN102969860B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H02K 29/00申請日:20121026|||公開
IPC分類號: H02K29/00; H02K3/12; H02P27/04 主分類號: H02K29/00
申請人: 華中科技大學
發明人: 萬山明; 吳芳
地址: 430074 湖北省武漢市洪山區珞喻路1037號
優先權:
專利代理機構: 華中科技大學專利中心 42201 代理人: 朱仁玲
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210417870.X

授權公告號:

102969860B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2013.04.10|||2013.03.13

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種多相無刷雙饋電機以及變頻控制系統;變頻控制系統包括多相無刷雙饋電機以及多相驅動電路;多相無刷雙饋電機的定子中有一套功率繞組以及N套控制繞組;N套控制繞組中每一套控制繞組之間以60/N電角度的相位進行排列;多相驅動電路包括:分別與N套控制繞組連接的N個功率變換器,分別與N個功率變換器連接的N個濾波器以及移相變壓器;所述移相變壓器包括N個副方繞組和原方繞組;N個副方繞組分別與N個濾波器連接,原方繞組與三相電網連接。本發明將無刷雙饋電機的控制繞組由一套拆分成多套,相帶寬度由常規的60度相帶變成30度或更小,因此控制繞組的基波的繞組系數提高,諧波磁勢減小,從而電機的效率得以提高。

權利要求書

權利要求書一種多相無刷雙饋電機,其特征在于,定子中有一套功率繞組以及N套控制繞組;所述功率繞組與三相電網連接;所述N套控制繞組中每一套控制繞組之間以60/N電角度的相位進行排列,且每套控制繞組的相帶寬度也為60/N度電角度;N套控制繞組與多相驅動電路連接;N為大于等于2的正整數。
一種變頻控制系統,其特征在于,包括:多相無刷雙饋電機以及與所述多相無刷雙饋電機連接的多相驅動電路;所述多相無刷雙饋電機包括:直接連接到電網的功率繞組以及N套與多相驅動電路連接的控制繞組;N套控制繞組中每一套控制繞組之間以60/N電角度的相位進行排列,且每套控制繞組的相帶寬度也為60/N度電角度;N為大于等于2的正整數。
如權利要求2所述的變頻控制系統,其特征在于,所述多相驅動電路包括:分別與N套控制繞組連接的N個功率變換器,分別與N個功率變換器連接的N個濾波器以及移相變壓器;
所述移相變壓器包括N個副方繞組和原方繞組;所述N個副方繞組分別與所述N個濾波器連接,所述原方繞組與三相電網連接;N個副方繞組之間相位互差60/N度。
如權利要求3所述的變頻控制系統,其特征在于,所述變頻控制系統還包括:與所述N個功率變換器連接的控制器,所述控制器輸出的控制時序為N個功率變換器的輸出電流分別相移N/60度,與N套控制繞組在電機定子中60/N度的位移電角度對應。
如權利要求3所述的變頻控制系統,其特征在于,N為2時,所述多相無刷雙饋電機包括第一控制繞組和第二控制繞組,第一控制繞組與第二控制繞組之間相位差為30度;
所述多相驅動電路包括:與第一控制繞組連接的第一功率變換器、與第二控制繞組連接的第二功率變換器、與第一功率變換器連接的第一濾波器、與第二功率變換器連接的第二濾波器以及移相變壓器;
所述移相變壓器的第一副方繞組與所述第一濾波器連接,所述移相變壓器的第二副方繞組與所述第二濾波器連接,所述移相變壓器的原方繞組與三相電網連接;所述移相變壓器的第一副方繞組與第二副方繞組之間相位差為30度。
如權利要求3所述的變頻控制系統,其特征在于,N為3時,所述多相無刷雙饋電機包括第一控制繞組、第二控制繞組和第三控制繞組,第一控制繞組、第二控制繞組和第三控制繞組相互之間相位差為20度;
所述多相驅動電路包括:與第一控制繞組連接的第一功率變換器、與第二控制繞組連接的第二功率變換器、與第三控制繞組連接的第三功率變換器、與第一功率變換器連接的第一濾波器、與第二功率變換器連接的第二濾波器、與第三功率變換器連接的第三濾波器以及移相變壓器;
所述移相變壓器的第一副方繞組與所述第一濾波器連接,移相變壓器的第二副方繞組與所述第二濾波器連接,所述移相變壓器的第三副方繞組與所述第三濾波器連接,移相變壓器的原方繞組與三相電網連接;移相變壓器的第一副方繞組、第二副方繞組與第三副方繞組相互之間相位差為20度。
如權利要求3所述的變頻控制系統,其特征在于,N為4時,所述多相無刷雙饋電機包括第一控制繞組、第二控制繞組、第三控制繞組和第四控制繞組,第一控制繞組、第二控制繞組、第三控制繞組和第四控制繞組相互之間相位差為15度;
所述多相驅動電路包括:與第一控制繞組連接的第一功率變換器、與第二控制繞組連接的第二功率變換器、與第三控制繞組連接的第三功率變換器、與第四控制繞組連接的第四功率變換器、與第一功率變換器連接的第一濾波器、與第二功率變換器連接的第二濾波器、與第三功率變換器連接的第三濾波器、與第四功率變換器連接的第四濾波器以及移相變壓器;
所述移相變壓器的第一副方繞組與所述第一濾波器連接,移相變壓器的第二副方繞組與所述第二濾波器連接,所述移相變壓器的第三副方繞組與所述第三濾波器連接,所述移相變壓器的第四副方繞組與所述第四濾波器連接,移相變壓器的原方繞組與三相電網連接;移相變壓器的第一副方繞組、第二副方繞組、第三副方繞組與第四副方繞組相互之間相位差為15度。
如權利要求5、6或7所述的變頻控制系統,其特征在于,N個功率變換器之間獨立使用、串聯使用或并聯使用。

說明書

說明書一種多相無刷雙饋電機以及變頻控制系統
技術領域
本發明屬于交流電機及其控制技術領域,更具體地,涉及一種多相無刷雙饋電機以及變頻控制系統。
背景技術
無刷雙饋電機最早起源于19世紀末,由串極感應電機發展而來。串極感應電機是將兩臺獨立的繞線轉子異步電機的轉軸機械上同軸串接、兩個轉子繞組作反相序聯接,一臺電機的定子繞組接三相電網,另一臺電機的定子接三相可調電阻。通過調節外加電阻的大小來改變電機的轉差功率,從而可調節電機的轉速。這種串極感應電機的優點是取消了滑環和電刷,因而提高了電機的可靠性,降低了維護費用。但這種串極感應電機體積大,效率低,成本高,不易安裝。因而在20世紀初,Hunt對其進行了改進。所提出的電機具有一套轉子繞組和兩套具有不同極對數的定子繞組,并且共用一個磁路。到20世紀70年代,A.W.Broadway等對Hunt電機進行了較大改進,設計出具有籠型結構的轉子,不僅提高了其堅固性與可靠性,而且滿足了無刷雙饋電機對于轉子磁場級數轉換的要求。
由于無刷雙饋電機具有結構簡單、運行可靠、變頻器裝置容量小等優點,因此進入上世紀八十年代后,這種電機逐漸成為研究的熱點。目前,無刷雙饋電機的轉子主要有三種結構:(1)特殊籠型轉子;(2)繞線式轉子;(3)磁阻式轉子。其中,繞線轉子結構的無刷雙饋電機逐漸開始成熟。
無刷雙饋電機可以應用于調速領域。例如在冶金、化工、電力、市政供水和采礦等行業廣泛應用的泵類負載,占整個用電設備能耗的40%左右。電費在自來水廠甚至占制水成本的50%。這是因為:一方面,設備在設計時,通常都留有一定的余量;另一方面,由于工況的變化,需要泵機輸出不同的流量。隨著市場經濟的發展和自動化,智能化程度的提高,通過電機調速對泵類負載進行速度控制,不但對改進工藝、提高產品質量有好處,又是節能和設備經濟運行的要求,是可持續發展的必然趨勢。對泵類負載進行調速控制的好處甚多。從應用實例看,大多已取得了較好的效果(有的節能高達30%?40%),大幅度降低了自來水廠的制水成本,提高了自動化程度,且有利于泵機和管網的降壓運行,減少了滲漏、爆管,可延長設備使用壽命。
另外在電力、冶金、石化、水泥等行業廣泛應用的風機負載也可使用無刷雙饋電機進行調速。如電力行業中的要用到引風機、送風機、一次風機、吸塵風機、增壓風機;冶金行業要用到除塵風機、通風機等;水泥行業要用到窯爐引風機、壓力送風機、冷卻器吸塵機、供氣風機、冷卻器排風機、分選器風機、主吸塵風機等。在這些行業應用中的風機如果可以把速度降低,則消耗的功率將大幅度下降,達到節能減排的效果。
除了調速領域,無刷雙饋電機也可以應用于風力發電。目前風力發電機系統中主流的發電機為繞線轉子異步發電機。如果改成無刷雙饋風力發電機,則不僅保留了原方案中驅動裝置容量小、成本低等優點,同時由于實現了無刷化,因而系統的可靠性更高、維護費用更小。
無刷雙饋電機的功率繞組直接由電網供電,控制繞組由功率變換器供電。在速度變化范圍不大的情況下,所需功率變換器容量較小,解決了高壓調速系統成本高、可靠性差的問題,更適用于易燃、易爆、粉塵多等惡劣場所。同時在風力發電等場合,可對有功功率和無功功率進行控制,取消無功補償環節,對電網諧波污染小。這些優點決定了無刷雙饋電機必將在工業應用中占有越來越重要的地位。
目前的研究成果和專利均為低壓(380V)小容量的無刷雙饋電機和三相驅動器。高壓大容量的無刷雙饋電機及其合適的驅動器尚未見到報道。
發明內容
針對現有技術的不足,本發明的目的在于提供一種可以適用于高壓大容量應用領域的多相無刷雙饋電機。
為實現上述目的,本發明提供了一種多相無刷雙饋電機,包括定子,一套功率繞組以及N套控制繞組;所述功率繞組用于與三相電網連接;所述N套控制繞組中每一套控制繞組之間以60/N電角度的相位進行排列;且每套控制繞組的相帶寬度也為60/N度電角度;控制繞組與多相驅動電路連接;N為大于等于2的正整數。
本發明還提供一種變頻控制系統,包括:多相無刷雙饋電機以及與所述多相無刷雙饋電機連接的多相驅動電路;所述多相無刷雙饋電機包括:定子,定子中的功率繞組以及N套控制繞組;N套控制繞組中每套之間以60/N度電角度的相位進行排列,且每套控制繞組的相帶寬度也為60/N度電角度;N為大于等于2的正整數。
更進一步地,所述多相驅動電路包括:分別與N套控制繞組連接的N個功率變換器,分別與N個功率變換器連接的N個濾波器以及移相變壓器;所述移相變壓器包括N個副方繞組和原方繞組;所述N個副方繞組分別與所述N個濾波器連接,所述原方繞組與三相電網連接。
更進一步地,所述變頻控制系統還包括:與所述N個功率變換器連接的控制器,所述控制器輸出的控制時序為N個功率變換器的輸出電流分別相移N/60度,與N套控制繞組在電機定子中60/N度的位移電角度對應。
更進一步地,N為2時,所述多相無刷雙饋電機包括第一控制繞組和第二控制繞組,第一控制繞組與第二控制繞組之間相位差為30度;所述多相驅動電路包括:與第一控制繞組連接的第一功率變換器、與第二控制繞組連接的第二功率變換器、與第一功率變換器連接的第一濾波器、與第二功率變換器連接的第二濾波器以及移相變壓器;所述移相變壓器的第一副方繞組與所述第一濾波器連接,所述移相變壓器的第二副方繞組與所述第二濾波器連接,所述移相變壓器的原方繞組與三相電網連接;所述移相變壓器的第一副方繞組與第二副方繞組之間相位差為30度。
更進一步地,N為3時,所述多相無刷雙饋電機包括第一控制繞組、第二控制繞組和第三控制繞組,第一控制繞組、第二控制繞組和第三控制繞組相互之間相位差為20度;所述多相驅動電路包括:與第一控制繞組連接的第一功率變換器、與第二控制繞組連接的第二功率變換器、與第三控制繞組連接的第三功率變換器、與第一功率變換器連接的第一濾波器、與第二功率變換器連接的第二濾波器、與第三功率變換器連接的第三濾波器以及移相變壓器;所述移相變壓器的第一副方繞組與所述第一濾波器連接,移相變壓器的第二副方繞組與所述第二濾波器連接,所述移相變壓器的第三副方繞組與所述第三濾波器連接,移相變壓器的原方繞組與三相電網連接;移相變壓器的第一副方繞組、第二副方繞組與第三副方繞組相互之間相位差為20度。
更進一步地,N為4時,所述多相無刷雙饋電機包括第一控制繞組、第二控制繞組、第三控制繞組和第四控制繞組,第一控制繞組、第二控制繞組、第三控制繞組和第四控制繞組相互之間相位差為15度;所述多相驅動電路包括:與第一控制繞組連接的第一功率變換器、與第二控制繞組連接的第二功率變換器、與第三控制繞組連接的第三功率變換器、與第四控制繞組連接的第四功率變換器、與第一功率變換器連接的第一濾波器、與第二功率變換器連接的第二濾波器、與第三功率變換器連接的第三濾波器、與第四功率變換器連接的第四濾波器以及移相變壓器;所述移相變壓器的第一副方繞組與所述第一濾波器連接,移相變壓器的第二副方繞組與所述第二濾波器連接,所述移相變壓器的第三副方繞組與所述第三濾波器連接,所述移相變壓器的第四副方繞組與所述第四濾波器連接,移相變壓器的原方繞組與三相電網連接;移相變壓器的第一副方繞組、第二副方繞組、第三副方繞組與第四副方繞組相互之間相位差為15度。
更進一步地,所有功率變換器之間可以獨立使用、串聯使用或并聯使用。
本發明的技術效果體現為:
(1)將無刷雙饋電機的控制繞組由常規的一套拆分成多套后,由于每套繞組的相帶寬度由常規的60度相帶變成30度或更小,因此控制繞組的基波的繞組系數提高,諧波磁勢減小,從而電機的效率得以提高,甚至有可能超過常規三相繞線式異步電機。
(2)將無刷雙饋電機的控制繞組由常規的一套拆分成多套后,每套控制繞組所分擔的功率下降,因而相應的每個功率變換器承擔的功率也下降,使得采用低電壓小電流的常規電力電子開關器件構成驅動電路成為可能,不需要將常規電力電子器件進行串并聯使用。因而可以大幅度降低電力電子變換器的成本。
(3)采用移相變壓器后,整流電路由常規6脈波整流變成12脈波整流或更多脈波整流,減小了系統產生的諧波,同時可提高電力系統的功率因數。
附圖說明
圖1是本發明實施例提供的變頻控制系統的模塊結構原理框圖;
圖2是本發明實施例提供由六相無刷雙饋電機和六相驅動電路組成的變頻控制系統的模塊結構示意圖;
圖3是本發明實施例提供六相驅動電路中第一功率變換器與第二功率變換器并聯連接的電路圖;
圖4是本發明實施例提供六相驅動電路中第一功率變換器與第二功率變換器串聯連接的電路圖;
圖5是本發明實施例提供由九相無刷雙饋電機和九相驅動電路組成的變頻控制系統的模塊結構示意圖;
圖6是本發明實施例提供由十二相無刷雙饋電機和十二相驅動電路組成的變頻控制系統的模塊結構示意圖;
圖7是本發明實施例提供十二相驅動電路中第一功率變換器、第二功率變換器、第三功率變換器和第四功率變換器并聯連接的電路圖;
圖8是本發明實施例提供十二相驅動電路中第一功率變換器、第二功率變換器、第三功率變換器和第四功率變換器串聯連接的電路圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白,以下結合附圖及實施例,對本發明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明,并不用于限定本發明。
本發明可以應用于高壓大容量風機泵類的調速系統,也可應用于風力或水力發電系統。該方案減少了傳統高壓大容量變頻器方案中的電力電子器件的數量,降低了功率變換器的成本,降低了系統中的諧波含量,提高了系統的效率,同時保持了常規無刷雙饋電機驅動方案中的無刷化的優點。
圖1示出了本發明實施例提供的變頻控制系統的模塊結構原理;為了便于說明,僅示出了與本發明實施例相關的部分,詳述如下:
變頻控制系統10包括:與負載或原動機20連接的多相無刷雙饋電機1以及與多相無刷雙饋電機1連接的多相驅動電路2;其中,多相無刷雙饋電機1包括:定子11,安放在定子中的一套功率繞組12以及N套控制繞組13;功率繞組12用于與三相電網30連接;N套控制繞組中每一套控制繞組之間以60/N電角度的相位進行排列;每一套控制繞組與多相驅動電路2連接;N為大于等于2的正整數。
多相驅動電路2包括:分別與N套控制繞組連接的N個功率變換器21,分別與N個功率變換器21連接的N個濾波器22以及移相變壓器23;移相變壓器23包括N個副方繞組和原方繞組;N個副方繞組分別與N個濾波器連接,原方繞組與三相電網30連接。
本發明實施例提供的變頻控制系統由機械部分和電氣部分組成;機械部分為一種多相無刷雙饋電機,與常規三相無刷雙饋電機相比,這種多相無刷雙饋電機中的功率繞組保持為常規的一套繞組不變,但控制繞組由常規的一套繞組增加到多套,多套控制繞組在定子中均勻排列,每套繞組之間的彼此位移一個固定的電角度,取決于相數的多少。例如六相繞組由兩套三相繞組構成,這兩套繞組的相帶寬度為30度電角度,且在空間上彼此之間也位移30度電角度。九相繞組由三套三相繞組構成,這三套繞組的相帶寬度為20度電角度,且在空間上彼此之間也位移20度電角度。依此類推。電氣部分包括用于驅動不同控制繞組的多套功率變換器、濾波器和對應的移相變壓器。多相無刷雙饋電機的控制繞組的數量為兩套時,這兩套繞組的相帶寬度應均為30度電角度,且在定子空間上彼此之間也位移30度電角度,此時在控制系統中,應設計兩套獨立的功率變換器用于驅動這兩套繞組,兩套繞組的控制時序(即相位)也應互差30度。控制繞組及其對應的驅動電路的數量增加到更多套時,設計方法依次類推。通過將常規方案中的控制繞組和驅動器的套數由一套變成多套,可以實現大容量系統的低成本控制。
在本發明實施例中,變頻控制系統10還包括:與N個功率變換器連接的控制器40,控制器40輸出的控制時序為N個功率變換器的輸出電流分別相移N/60度,與N套控制繞組在電機定子中60/N度的位移電角度對應。
為了更進一步的說明本發明實施例提供的多相無刷雙饋電機1和多相驅動電路2,現結合具體實例詳述如下:
如圖2所示,當N為2時,多相無刷雙饋電機1為六相無刷雙饋電機,六相無刷雙饋電機包括第一控制繞組131和第二控制繞組132,第一控制繞組131與第二控制繞組132之間相位差為30度;多相驅動電路2為六相驅動電路,六相驅動電路包括:與第一控制繞組131連接的第一功率變換器211、與第二控制繞組132連接的第二功率變換器212、與第一功率變換器211連接的第一濾波器221、與第二功率變換器212連接的第二濾波器222以及移相變壓器23;移相變壓器23的第一副方繞組與第一濾波器221連接,移相變壓器23的第二副方繞組與第二濾波器222連接,移相變壓器23的原方繞組與三相電網30連接;移相變壓器23的第一副方繞組與第二副方繞組之間相位差為30度。
與現有技術相比,圖2中無刷雙饋電機的控制繞組由一套變成了兩套,這兩套繞組在電機定子中電氣上互差30度角排列,在控制上也應按照時間上互差30度的控制方法來控制。此時電機變成了六相電機。兩套控制繞組分別由兩套不同的功率變換器控制;而兩套功率變換器的輸入端分別通過不同的濾波器接到移相變壓器的不同的副方繞組。移相變壓器23的兩套副方繞組輸出時序互差30度。圖2中的移相變壓器及相應的兩個整流電路構成了十二脈波整流。由于控制繞組中的功率由一套繞組改成兩套繞組分擔,因此可以承受更大的功率。
在本發明實施例中,第一功率變換器211和第二功率變換器212可以并聯連接,也可以串聯連接;取決于具體需求。如圖3所示,第一功率變換器211包括依次串聯連接的第一開關管Q1和第二開關管Q2,依次串聯連接的第三開關管Q3和第四開關管Q4,依次串聯連接的第五開關管Q5和第六開關管Q6,依次串聯連接的第七開關管Q7和第八開關管Q8,依次串聯連接的第九開關管Q9和第十開關管Q10,依次串聯連接的第十一開關管Q11和第十二開關管Q12,以及第一濾波電容C1;第一開關管Q1和第二開關管Q2的串聯連接端與第一控制繞組131連接,第三開關管Q3和第四開關管Q4的串聯連接端與第一控制繞組131連接,第五開關管Q5和第六開關管Q6的串聯連接端與第一控制繞組131連接;第七開關管Q7和第八開關管Q8的串聯連接端與第一濾波器221連接,第九開關管Q9和第十開關管Q10的串聯連接端與第一濾波器221連接,第十一開關管Q11和第十二開關管Q12的串聯連接端與第一濾波器221連接;第一開關管Q1的非串聯連接端依次與第三開關管Q3的非串聯連接端、第五開關管Q5的非串聯連接端、第七開關管Q7的非串聯連接端、第九開關管Q9的非串聯連接端和第十一開關管Q11的非串聯連接端連接;第二開關管Q2的非串聯連接端依次與第四開關管Q4的非串聯連接端、第六開關管Q6的非串聯連接端、第八開關管Q8的非串聯連接端、第十開關管Q10的非串聯連接端和第十二開關管Q12的非串聯連接端連接;第一濾波電容C1的一端連接至第五開關管Q5的非串聯連接端與第七開關管Q7的非串聯連接端連接的連接端,第一濾波電容C1的另一端連接至第六開關管Q6的非串聯連接端與第八開關管Q8的非串聯連接端連接的連接端;第二功率變換器212包括依次串聯連接的第十三開關管Q13和第十四開關管Q14,依次串聯連接的第十五開關管Q15和第十六開關管Q16,依次串聯連接的第十七開關管Q17和第十八開關管Q18,依次串聯連接的第十九開關管Q19和第二十開關管Q20,依次串聯連接的第二十一開關管Q21和第二十二開關管Q22,依次串聯連接的第二十三開關管Q23和第二十四開關管Q24以及第二濾波電容C2;第十三開關管Q13和第十四開關管Q14的串聯連接端與所述第二控制繞組132連接,第十五開關管Q15和第十六開關管Q16的串聯連接端與所述第二控制繞組132連接,第十七開關管Q17和第十八開關管Q18的串聯連接端與所述第二控制繞組132連接;第十九開關管Q19和第二十開關管Q20的串聯連接端與所述第二濾波器222連接,第二十一開關管Q21和第二十二開關管Q22的串聯連接端與所述第二濾波器222連接,第二十三開關管Q23和第二十四開關管Q24的串聯連接端與所述第二濾波器222連接;第十三開關管Q13的非串聯連接端依次與第十五開關管Q15的非串聯連接端、第十七開關管Q17的非串聯連接端、第十九開關管Q19的非串聯連接端、第二十一開關管Q21的非串聯連接端和第二十三開關管Q23的非串聯連接端連接;第十四開關管Q14的非串聯連接端依次與第十六開關管Q16的非串聯連接端、第十八開關管Q18的非串聯連接端、第二十開關管Q20的非串聯連接端、第二十二開關管Q22的非串聯連接端和第二十四開關管Q24的非串聯連接端連接;第二濾波電容C2的一端連接至第十七開關管Q17的非串聯連接端與第十九開關管Q19的非串聯連接端連接的連接端,第二濾波電容C2的另一端連接至第十八開關管Q18的非串聯連接端與第二十開關管Q20的非串聯連接端連接的連接端;第五開關管Q5的非串聯連接端還與第十七開關管Q17的非串聯連接端連接,第八開關管Q8的非串聯連接端還與第二十開關管Q20的非串聯連接端連接。
如圖4所示,第一功率變換器211包括依次串聯連接的第一開關管Q1和第二開關管Q2,依次串聯連接的第三開關管Q3和第四開關管Q4,依次串聯連接的第五開關管Q5和第六開關管Q6,依次串聯連接的第七開關管Q7和第八開關管Q8,依次串聯連接的第九開關管Q9和第十開關管Q10,依次串聯連接的第十一開關管Q11和第十二開關管Q12,以及第一濾波電容C1;第一開關管Q1和第二開關管Q2的串聯連接端與第一控制繞組131連接,第三開關管Q3和第四開關管Q4的串聯連接端與所述第一控制繞組131連接,第五開關管Q5和第六開關管Q6的串聯連接端與所述第一控制繞組131連接;第七開關管Q7和第八開關管Q8的串聯連接端與所述第一濾波器221連接,第九開關管Q9和第十開關管Q10的串聯連接端與所述第一濾波器221連接,第十一開關管Q11和第十二開關管Q12的串聯連接端與所述第一濾波器221連接;第一開關管Q1的非串聯連接端依次與第三開關管Q3的非串聯連接端、第五開關管Q5的非串聯連接端、第七開關管Q7的非串聯連接端、第九開關管Q9的非串聯連接端和第十一開關管Q11的非串聯連接端連接;第二開關管Q2的非串聯連接端依次與第四開關管Q4的非串聯連接端、第六開關管Q6的非串聯連接端連接;第八開關管Q8的非串聯連接端、第十開關管Q10的非串聯連接端和第十二開關管Q12的非串聯連接端連接;第一濾波電容C1的一端連接至第五開關管Q5的非串聯連接端與第七開關管Q7的非串聯連接端連接的連接端,第一濾波電容C1的另一端連接至第八開關管Q8的非串聯連接端連接的連接端;第二功率變換器212包括依次串聯連接的第十三開關管Q13和第十四開關管Q14,依次串聯連接的第十五開關管Q15和第十六開關管Q16,依次串聯連接的第十七開關管Q17和第十八開關管Q18,依次串聯連接的第十九開關管Q19和第二十開關管Q20,依次串聯連接的第二十一開關管Q21和第二十二開關管Q22,依次串聯連接的第二十三開關管Q23和第二十四開關管Q24以及第二濾波電容C2;第十三開關管Q13和第十四開關管Q14的串聯連接端與第二控制繞組132連接,第十五開關管Q15和第十六開關管Q16的串聯連接端與第二控制繞組132連接,第十七開關管Q17和第十八開關管Q18的串聯連接端與第二控制繞組132連接;第十九開關管Q19和第二十開關管Q20的串聯連接端與第二濾波器222連接,第二十一開關管Q21和第二十二開關管Q22的串聯連接端與第二濾波器222連接,第二十三開關管Q23和第二十四開關管Q24的串聯連接端與第二濾波器222連接;第十三開關管Q13的非串聯連接端依次與第十五開關管Q15的非串聯連接端、第十七開關管Q17的非串聯連接端、第十九開關管Q19的非串聯連接端、第二十一開關管Q21的非串聯連接端和第二十三開關管Q23的非串聯連接端連接;第十四開關管Q14的非串聯連接端依次與第十六開關管Q16的非串聯連接端、第十八開關管Q18的非串聯連接端;第二十開關管Q20的非串聯連接端、第二十二開關管Q22的非串聯連接端和第二十四開關管Q24的非串聯連接端連接;第二濾波電容C2的一端連接至第十七開關管Q17的非串聯連接端與第十九開關管Q19的非串聯連接端連接的連接端,所述第二濾波電容C2的另一端連接至第二十開關管Q20的非串聯連接端連接的連接端;第六開關管Q6的非串聯連接端還與第二十開關管Q20的非串聯連接端連接,第八開關管Q8的非串聯連接端還與第十八開關管Q18的非串聯連接端連接。
在本發明實施例中,所有的開關管的控制端均連接外部的控制信號。由DSP或單片機構成的中央處理單元,根據采樣到的電壓、電流、頻率、轉速等各種信息,經過計算,得出開關管的占空比信號,并通過隔離放大電路將這些占空比信號送入開關管的控制端,用于控制開關管的通斷。另外,所有的開關管既可以為IGBT功率管,也可以為MOS管,還可以根據需要選用其它類型的功率開關管。
如圖5所示,當N為3時,多相無刷雙饋電機1為九相無刷雙饋電機,九相無刷雙饋電機包括第一控制繞組131、第二控制繞組132和第三控制繞組133,第一控制繞組131、第二控制繞組132和第三控制繞組133相互之間相位差為20度;多相驅動電路2為九相驅動電路,九相驅動電路包括:與第一控制繞組131連接的第一功率變換器211、與第二控制繞組132連接的第二功率變換器212、與第三控制繞組133連接的第三功率變換器213、與第一功率變換器211連接的第一濾波器221、與第二功率變換器212連接的第二濾波器222、與第三功率變換器213連接的第三濾波器以及移相變壓器23;移相變壓器23的第一副方繞組與第一濾波器221連接,移相變壓器23的第二副方繞組與第二濾波器222連接,所述移相變壓器23的第三副方繞組與第三濾波器223連接,移相變壓器23的原方繞組與三相電網30連接;移相變壓器23的第一副方繞組、第二副方繞組與第三副方繞組相互之間相位差為20度。
在本發明實施例中,圖5中的無刷雙饋電機的控制繞組變成了三套,這三套繞組在電機的定子中電氣上互差20度角排列,在控制上也應按照時間上互差20度的控制方法來控制。此時電機變成了九相電機。三套控制繞組分別由三套不同的功率變換器控制;而三套功率變換器的輸入端分別通過不同的濾波器接到移相變壓器的不同的副方繞組,移相變壓器的原方繞組接電網。移相變壓器的三套副方繞組輸出時序應互差20度。圖5中的移相變壓器及相應的三個整流電路構成了十八脈波整流。由于功率兩套控制繞組改成三套控制繞組分擔,因此比圖2方案可以承受更大的功率。
其中,第一功率變換器211、第二功率變換器212和第三功率變換器213之間可以相互串聯或并聯連接,也可以獨立使用。
如圖6所示,當N為4時,多相無刷雙饋電機1為十二相無刷雙饋電機,十二相無刷雙饋電機包括第一控制繞組131、第二控制繞組132、第三控制繞組133和第四控制繞組134,第一控制繞組131、第二控制繞組132、第三控制繞組133和第四控制繞組134相互之間相位差為15度;多相驅動電路2為十二相驅動電路,十二相驅動電路包括:與第一控制繞組131連接的第一功率變換器211、與第二控制繞組132連接的第二功率變換器212、與第三控制繞組133連接的第三功率變換器213、與第四控制繞組134連接的第四功率變換器214、與第一功率變換器211連接的第一濾波器221、與第二功率變換器212連接的第二濾波器222、與第三功率變換器213連接的第三濾波器223、與第四功率變換器214連接的第四濾波器224以及移相變壓器23;移相變壓器23的第一副方繞組與第一濾波器221連接,移相變壓器23的第二副方繞組與第二濾波器222連接,移相變壓器23的第三副方繞組與第三濾波器223連接,移相變壓器23的第四副方繞組與第四濾波器224連接,移相變壓器23的原方繞組與三相電網30連接;移相變壓器23的第一副方繞組、第二副方繞組、第三副方繞組與第四副方繞組相互之間相位差為15度。
在更大容量的應用場合,無刷雙饋電機的控制繞組變成了四套,這四套繞組在電機定子中電氣上互差15度排列,在控制上也應按照時間上互差15度的控制方法來控制。此時電機變成了十二相電機。四套控制繞組分別由四套不同的功率變換器控制;而四套功率變換器的輸入端分別通過不同的濾波器接到移相變壓器的不同的副方繞組。移相變壓器的四套副方繞組輸出時序應互差15度。兩臺移相變壓器的副方繞組沒有區別,區別在于原方繞組。移相變壓器及相應的四個整流電路構成了二十四脈波整流。由于控制繞組中的功率由三套繞組改成四套繞組分擔,因此又可以承受更大的功率。
在本發明實施例中,當功率再繼續增大時,無刷雙饋電機的控制繞組可以采用更多的相,同時驅動電路也相應要采用更多套的功率變換器控制。功率變換器的輸入端應接入不同濾波器和移相變壓器的不同的副方繞組,這些副方繞組也有不同的相位。限于篇幅,在此不再贅述。
在本發明實施例中,第一功率變換器211、第二功率變換器212、第三功率變換器213與第四功率變換器214之間可以獨立使用、并聯使用、串聯使用或串并聯使用,取決于具體需求。圖7示出了四個功率變換器并聯使用的情形,圖8示出了四個功率變換器串聯使用的情形。另外,功率變換器可采用雙向或單向功率變換器,取決于調速范圍和具體需求。如果不需要將能量回送給電網,可以采用單向功率變換器,否則需要采用雙向功率變換器。功率變換器的一側接多相無刷雙饋電機的控制繞組,另一側通過濾波器接移相變壓器的副方繞組。如果多相無刷雙饋電機有兩套控制繞組,則需要兩套功率變換器和兩套濾波器,移相變壓器需要兩套副方繞組,這兩套副方繞組之間在相位上彼此互差30度。若多相無刷雙饋電機有三套控制繞組,則需要三套功率變換器和三套濾波器,移相變壓器需要三套副方繞組,這三套副方繞組之間在相位上彼此互差20度。控制繞組套數更多時,設計方法依次類推。
本發明實施例提供的變頻控制系統既可以應用于風機泵類等變頻調速場合,又可應用于風力發電和水力發電等場合,是解決大容量電機及驅動系統的一種非常好的方案。本發明的技術效果體現為:(1)將無刷雙饋電機的控制繞組由常規的一套拆分成多套后,由于每套繞組的相帶寬度由常規的60度相帶變成30度或更小,因此控制繞組的基波的繞組系數提高,諧波磁勢減小,從而電機的效率得以提高,甚至有可能超過常規三相繞線式異步電機。(2)將無刷雙饋電機的控制繞組由常規的一套拆分成多套后,每套控制繞組所分擔的功率下降,因而相應的每套驅動器承擔的功率也下降,使得采用低電壓小電流的常規電力電子開關器件構成驅動電路成為可能,不需要將常規電力電子器件進行串并聯使用。因而可以大幅度降低驅動器的成本。(3)采用移相變壓器后,整流電路由常規6脈波整流變成12脈波整流或更多脈波整流,減小了系統產生的諧波,同時可提高電力系統的功率因數。
本領域的技術人員容易理解,以上所述僅為本發明的較佳實施例而已,并不用以限制本發明,凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。

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