CN101946399A - 电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制电动机的速度的设备，其中所述电动机被设置成与电压源连接，所述电动机包含定子绕组和转子绕组，在操作中，在所述定子绕组中产生具有第一旋转频率的旋转定子磁场，所述定子磁场在操作中被设置成在所述转子绕组中感应出具有第二旋转频率的第一转子磁场。所述设备包含变频器装置，用于根据所述转子绕组中从所述定子磁场中感应的电压产生具有第三旋转频率的第二转子电压，以便供应给所述转子绕组，其中所述变频器产生的所述第二转子电压在操作中被设置成在所述转子绕组中产生第二旋转转子磁场，以便在操作中，所述转子以基本上是所述定子磁场的旋转频率与所生成第二转子磁场的旋转频率之间的差的旋转频率旋转。

Description

电动机

技术领域

本发明涉及用于控制电动机(例如三相电动机)的速度的设备，尤其涉及根据权利要求1前序部分的控制电动机的速度的设备。本发明还涉及根据权利要求20的方法、根据权利要求21的电动机和根据权利要求22的发电机。

背景技术

电动机在当今社会里是很常见的。尤其是单相和三相电动机属于最常见电动机，同时，这些单相，尤其是三相电动机也构成大型耗电者。

当今，三相电动机的最常见实施方式是所谓的感应电动机，其中的转子是按鼠笼设计制造的。感应电动机的理论空载速度由电源的频率和极数决定，当对电动机加载时，速度会降低。速度的降低导致在以与馈送配电网络同步的速度旋转的旋转定子磁场与转子转轴之间存在角速度差。这种角速度差被称为滑差，它会在转子的导体中引起电流感应。转子绕组中的电流与旋转气隙磁通一起在转子上引起机械转矩，它随滑差增大而增大。但是，在正常操作期间，该滑差与电动机的空载速度相比很小，因此三相电动机的速度基本上是恒定的。

但是，这些电动机的用户经常希望电动机速度是可控的，例如，为了节约能源，或为了控制像例如风扇、泵或某种类型的传输带那样的受电动机驱动的设备的速度。

尽管其设计既稳健又简单，但鼠笼式感应电动机的速度不能以除了同时改变电源电压和电源频率之外的相对无损的方式实现。原因是电动机磁化由通过定子绕组的电流引起。在空载操作中，通过定子绕组的电流由电动机所连接的电压和频率决定。为了在改变定子电压的频率时保持相同的电动机磁化，也必须按相同比例改变电压。

因此，在希望可变地控制电动机速度的情况下，一般将变频器连接在电动机与配电网络之间。在速度控制之初，在适当的可控电气阀可用之前，控制三相电动机速度的常见解决方案是使用滑环式三相电动机。这种速度控制的例子在图2中示出，其中例示的电动机200包含转子201、以及与设置在电动机转轴205上的三个滑环202-204连接的三相绕组。电刷206-208安置在每个滑环上，并且进而分别与电阻R1，R2，R3连接。在转子(电动机)转轴205具有低速的情况下，与配电网络同步旋转的旋转定子磁场的速度与转子的速度之间的差很大。这导致相对较高频率以及滑环之间的相对较高电压。借助于滑环流出的电流馈入可变电阻R1-R3中，其中电阻R1-R3的阻值的变化造成通过转子绕组的电流发生变化。R1-R3的较低值导致较高的转子电流。转子绕组中的较高电流导致转子转轴的转矩增大。

电动机的转矩或速度现在可以通过改变电阻的阻值来控制。但是，实际上，这种方法不再用于控制电动机的速度，主要原因是电阻的热损耗很大，造成效率降低。所公开的该方法主要在启动较大电动机的时候使用，以便在减小从配电网络流出的启动电流的同时获得较高启动转矩。

图3公开了使用损耗减小了的滑环来控制速度的一种可替代方法。在图3中示出的解决方案中，整流滑环电压，而不是通过电阻馈送转子绕组电流。然后将整流电压用于经由平滑电抗器L向网络交换变频器馈送。这样，可以使滑环功率反馈到配电网络，从而在控制速度时显著降低损耗。

如上所述，滑环解决方案已经不再在更大范围上使用，但变频器一般被替代使用，当希望进行电动机速度控制时，将它连接在电动机与配电网络之间。

图1公开了当前变频器的一个例子，其中首先使用二极管101-106来整流配电网络电压(在该图中，示出具有相R，S，T的三相电压)，以便获得对电容器CK充电的DC中间电压。然后，通过变频器电路生成具有期望频率的三相电压，该变频器电路由电可控半导体阀107-112组成并与电容器CK连接。六个电气阀107-112接收来自可控控制振荡器VFO的控制脉冲，从而，来自VFO的控制脉冲a，b，c，d，e，f以期望方式打开和/或关闭电气阀107-112。

反向并联二极管113-118也可以分别与每个阀连接，以便沿着相反方向为感应负载电流提供路径。

来自振荡器的控制脉冲以这样的方式生成，例如，通过脉宽调制PWM，生成具有一定频率和电压的新三相电压(U，V，W)。可以将电压(U，V，W)的频率和振幅设置成以下述方式彼此跟随(由于上述原因)：如果频率降低了，也降低电压。

按照上述情况，鼠笼式三相感应电动机的速度由配电网络电压决定，因此，通过使用半导体阀107-112改变(U，V，W)的频率和电压，可以控制电动机130的速度。这种控制大体上可以用于以任意速度操作电动机，其中，通过使用到阀107-112的适当控制脉冲，可以将频率并因而将电动机速度设置成从0Hz(未旋转电动机)变化到大体上任意速度，即，与超过配电网络的频率的频率相对应的速度。

但是，当前变频器也存在一些缺点。按照图1，配电网络的电压被整流，并对电容器CK充电。这种类型的整流常常在配电网络中引起不希望有的电流峰和谐波，并且还导致配电网络的功率因数变差，除非在变频器与配电网络之间使用昂贵的滤波装置。当生成新输出电压时，这些阀通常利用脉宽调制(PWM)。这种方法要求电气阀的上升和下降时间短，以便使阀中的损耗最小，但这样会引起从电缆辐射并传播到配电网络中的高频谐波，因为变频器未与配电网络电隔离。对于其它设备，这些失真可以引起很大问题。

当今，这些失真的水平常常通过政府监管来控制，为了克服这些失真，通常需要昂贵的和耗费空间的滤波装置。

当前变频器的另一个缺点是较大电动机有时通过高压(即，比通常可在民用配电网络中获得的电压高得多的电压)供电。由于当前半导体阀在耐压方面能力有限，只有当到变频器的电压首先被降低，然后在变频器之后被变换成较高电压以提供给电动机时才可以使用它们，这样就导致了更昂贵的和耗费空间的解决方案。可替代地，可以串联多个变频器，以便应付较高电压，这也导致了昂贵的和耗费空间的解决方案。

因此，需要一种可变速度可控电动机，该电动机不呈现出利用与配电网络相连的变频器的电动机的缺点，并且与当前解决方案相比，也可以以更简单和更成本有效的方式控制其速度，以使得速度控制和相关节能的可能性更容易实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决上述问题的用于控制电动机速度的设备。

按照本发明，这个目的和其它目的是借助于一种用于控制电动机的速度的设备达到的，其中所述电动机被设置成与电压源，例如三相电压源连接，所述电动机包含定子绕组和例如三相转子绕组的转子绕组，所述定子绕组在操作中产生具有第一旋转频率的旋转定子磁场，所述定子磁场在操作中被设置成在所述转子绕组中感应出具有第二旋转频率的第一转子磁场，所述第二旋转频率可以与所述第一旋转频率相同。所述设备包含变频器，以便从所述转子绕组中的从所述定子磁场感应的电压中产生具有第三旋转频率的第二转子电压，例如三相电压，以便供应给所述转子绕组。

在操作中，通过所述设备产生的所述第二转子电压在所述转子绕组中产生第二旋转转子磁场，使得在操作中，所述转子以基本上是所述定子磁场的旋转频率与所生成的第二转子磁场的旋转频率之间的差的旋转频率旋转。

所述第二转子磁场可以是沿着与所述定子磁场相同的方向旋转的转子磁场。

这样做的优点是，像例如三相电压那样的所生成的第二转子电压将用于在各种程度上磁化转子和定子，同时通过可变旋转频率使转子旋转，而供应给转子绕组的第二转子电压使三相电动机与定子磁场的旋转频率与所供应的第二转子磁场的旋转频率之间的差同步工作。电动机的速度可以通过改变供应给转子的所生成的三相电压的频率来控制。如果将具有与定子磁场的频率相对应的频率的电压供应给转子绕组，电动机将基本上保持静止，而如果供应的频率较低，这将导致电动机(转子)以与电动机的额定速度接近的速度旋转，至少在转子被磁化的时间内。

由于在操作中转子磁场将与定子磁场同步旋转(从定子的角度来看)，所以无论是有功功率的形式还是无功功率的形式，从转子输送的功率都能够与电动机速度无关地经由定子反馈到配电网络。这又具有如下优点，即，可以在变频器与配电网络电隔离的***中反馈功率。这可以在很大程度上减弱谐波、电流峰和无线电失真，从而又降低了对昂贵滤波器的要求。因此，可以以简单和成本有效的方式实现对像三相电动机那样的电动机的速度控制，从而当将这样的电动机用在例如希望控制速度但常常没有在经济方面被推动的泵、风扇中时，又实现了节能。

在本发明的一个实施例中，使用双变频器，以便产生供应给所述转子绕组的相应端的两个分立电压。

本发明还涉及一种电动机、一种方法和一种发电机。

附图说明

图1示出了带有变频器的鼠笼式三相电动机的现有技术速度控制设备；

图2示出了在转子电路中具有可变电阻的滑环式三相电动机的现有技术速度控制设备；

图3示出了将滑环功率反馈到配电网络的滑环式三相电动机的现有技术速度控制设备；

图4示出了具有双变频器、按照本发明的用于三相电动机的速度控制的设备的第一示范性实施例；

图5示出了按照本发明的当向转子绕组馈电时双变频器的开关周期；

图6示出了按照本发明的来自分别与转子绕组的一侧连接的双变频器的电压输出；

图7示出了按照本发明的用于三相电动机的速度控制的设备的一个可替代示范性实施例；以及

图8示出了按照本发明的用于单相电动机的速度控制的设备的一个可替代示范性实施例。

具体实施方式

如上所述，三相电动机的速度控制主要通过经由滑环取出转子功率、以便将该功率转化成热能或将取出的功率馈送到配电网络，或者通过在配电网络与电动机之间连接变频器来实现。此外，如上所述，这些解决方案都存在各种缺点。

当使用滑环式三相电动机时，如上所述，必须被应对的来自转子的功率随转子转速减小而增大，即，与定子磁场的转速有关的转子被允许转得越慢，则与馈送到电动机转轴的功率有关的馈送到滑环的功率就越大。在图3中示出的现有技术设备中，按照上文，将转子功率反馈到配电网络。这种设备存在如下缺点，即，将功率反馈到配电网络所需的变频器将与配电网络电连接，如上所述，这会引起传播到配电网络的不希望的电流峰和谐波，因此可能导致需要昂贵的滤波装置以便应对失真问题。滑环和电刷也需要昂贵的维护。或者，必须通过电阻将过剩的功率转化成热能，这导致效率很低，除非可以以某种方式应对和使用过剩的功率。

将变频器连接在配电网络与电动机之间的解决方案导致占用空间的解决方案，该方案具有谐波被反馈到配电网络，以及电动机的功率因数变差的问题。

按照本发明，可以解决或至少缓解这些问题。

在图4中，示出了本发明的第一示范性实施例。该图示意性地示出了具有绕线转子的2极三相电动机400。电动机400包含由三相绕组SL1，SL2，SL3组成的定子绕组(在本说明书和所附权利要求书中，即使三相绕组实际上由三个分立绕组(每相一个)组成，也以单数形式使用术语“绕组”来表示三相绕组)，该三相绕组SL1，SL2，SL3基本上是正弦分布的，并且彼此相移120°地对称排列在角空间中。在本领域众所周知，当以在时间上彼此相移120°的正弦电压对相绕组馈电时(即，传统三相***)，在定子中获得具有同步速度和恒定振幅的旋转磁场。

所公开电动机的转子是绕线转子，因此，该转子包含由三相绕组RL1，RL2，RL3组成的转子绕组，该三相绕组RL1，RL2，RL3基本上也是正弦的，并且彼此相移120°地对称排列在角空间中。

当将所公开电动机与配电网络连接时，在定子中产生的旋转定子磁场将在转子绕组中感应出交流电压，从而，这个交流电压可以驱动电流通过转子绕组。但是，在转子相绕组未导通任何电流的时间内，不获得转矩，唯一将发生的事情是磁通波围绕和通过转子相绕组旋转，而转子保持静止。在转子绕组中感应的电压的振幅取决于转子的特定绕组。如果转子绕组包含与定子绕组相等的匝数，转子电压将对应于定子电压，即，如果电动机不旋转，对应于电源电压。如果转子绕组具有例如一半匝数，则将感应出定子电压的振幅的一半的电压，所有这些都基于经典变压器理论，当借助于与定子磁通波的相互作用，使电流流过转子绕组时，将在转子上引起转矩。这个转矩将力图使转子沿着定子磁通的旋转方向旋转。关于电动机的磁化，在这种情况下，通过定子绕组的电流将在定子铁芯中引起磁通。由于从磁通的观点来看，定子铁芯是与转子铁芯串联的，所以定子中的磁通也造成磁通穿过转子，也就是说，电动机可以与在定子中引起还是在转子中引起无关地被磁通磁化。

如上所述，按照现有技术，这种类型的电动机可以通过改变连接到定子绕组的电压的频率，或者经由滑环取出和控制转子电流来控制速度。

按照本发明，与滑环解决方案的情况一样，在转子方进行速度控制，但不将转子电流取到外面来，也就是说，不需要滑环。取而代之，将转子相绕组RL1，RL2，RL3的每端A1，B1；A2，B2；A3，B3与由两个变频器组成的双变频器410连接，其中每个变频器类似于图1中示出的那个，分别由例如IGBT晶体管的六个电气阀V1-V6和V7-V12组成。阀V1-V12还具有如D1-D12指示的反向并联二极管功能。定子绕组产生的磁通波在转子绕组上感应出电压，该电压经过反向并联二极管D1-D12整流，在电容器CK上生成直流电压。

然后，双变频器410分别借助于阀V1-V6和V7-V12和二极管将电容器CK上的直流电压分别转换成两个三相电压，其频率可通过图4中的控制电子VFO 420设置，控制电子VFO 420以本身已知的方式通过例如脉宽调制(PWM)产生导致具有期望频率的两个正弦基音的PWM模式。在电动机应用中用于产生正弦基音的开关频率通常在2kHz与40kHz之间，但也可以使用其它开关频率。首先假设双变频器的一半产生相位与另一半具有180°相差的电压。这意味着在例如转子相绕组RL1上的电压将达到最大Uck的峰值。按与结合图1所述相对应的方式，十二个电气阀V1-V12接收来自可控控制振荡器VFO 420的控制脉冲，其中来自VFO 420的控制脉冲a，b，c，d，e，f和g，h，i，j，k，l以期望方式高频地打开和/或关闭电气阀，使得各对阀产生连接到转子相绕组相应端的正弦状电压，从而在绕组中引起正弦电流。

为了更详细地描述该功能，假设定子与频率为50Hz的配电网络连接。如果转子保持静止，则在转子绕组中感应的转子电压也具有50Hz的频率。然后，借助于变频器中的二极管，将电容器CK充电到由转子电压(转子绕组)决定的电压。如果每个变频器产生的电压的频率保持在50Hz，并且相序与电源的相序相同，那么，由双变频器转换的CK上的电压产生具有与定子电压产生的磁场相同的旋转方向和速度的旋转磁场，也就是说，获得两个同步旋转磁通波。为了示例的目的，假设在图中旋转方向是逆时针方向。如果两个磁通波的峰是北极与南极重叠，则在引起转矩的磁通波之间没有相互作用，转子保持静止。磁通所需的定子和转子的磁化由部分来自配电网络和部分来自变频器的磁化电流产生。传统感应电动机中的磁化由从配电网络中取出的无功磁化电流引起。这种磁化功率(主要是感抗性的)构成总功率(无功功率与有功功率之和)的大部分，该总功率构成电动机施加在配电网络上的负载。按照本发明的电动机也借助于从变频器取出的功率来磁化。在定子中看来，变频器提供的磁化主要容抗性的。

如果变频器的电压的频率连续降低，并且转子可以自由旋转，则借助于生成的转矩使转子以对应于配电网络的频率与变频器产生的转子频率之间的差的速度逆时针旋转。定子中磁通波的峰与转子中磁通波的峰不再相互叠加，而是相互具有一定角度。这个角度叫做转矩角，并且构成借助于磁相互作用在电动机转轴上产生转矩的基础。大体上，按照本发明的功能可以按照下文来描述。如果定子磁场以50Hz旋转，并且通过变频器产生例如30Hz的具有与定子磁场相同的旋转方向的转子磁场，则从转子上“看到”的定子磁场是50Hz-30Hz，即，20Hz，这就是为什么转子的旋转速度是20Hz的原因，因为变频器产生的磁场使电动机就像在传统同步电动机中向定子馈送30Hz那样运行。

当在操作中，对电动机加载时，将发生与电动机转轴保持静止时相同的情况。借助于与配电网络同步旋转的磁通波和与变频器同步旋转的磁通波之间的相互作用，获得与负载转矩相对应的转矩。将与机械功率相对应的电功率从配电网络供应给定子绕组，并且向转子绕组馈电的双变频器基本上通过无功电流加载。

当将负载加在按照本发明的电动机上时，如果要保持连续同步操作，则至多可以通过特定转矩制动(加载)正在恒速运行的电动机。如果超过这个转矩，则磁通波的两极之间的转矩角会变得太大，从而使电动机失去“同步”(注意，电动机不与定子磁场同步工作，而是与磁场差同步工作)，并开始加速，以便像传统感应电动机那样异步工作。

但是，这可以通过简单的方式，例如通过将位置传感器设置在电动机转轴上来避免，从而从VFO(该VFO进而受来自位置传感器的信号影响)控制电气阀产生的频率，以防止电动机失去同步。也就是说，如果负载变得太大，可以调适电动机的速度，使得负载总是处于用于维持同步工作***的极限之内。

因此，本发明具有可以以简单方式控制三相电动机的速度的优点，其中可以将速度控制所需的部件与转子和/或转子转轴组装在一起，以便提供从功能的观点来看非常可靠的解决方案，因为在旋转部分与非旋转部分之间不需要电接触。这进一步具有可以在很大程度上减少将整流和逆变电压时产生的谐波传送给配电网络的优点。

到VFO的控制信息可以借助于当今使用的任何已知***传送。例如，传送***可以由基于光、无线电和/或超声波技术的***组成。

由于电动机以同步方式工作，也可以将功率反馈给配电网络，因为从定子上看到的转子(转子的磁通波)以与配电网络的频率相同的频率同步地旋转，也就是说，两种磁通波的极性处在相互不变的位置上。

这意味着按照本发明的电动机也可以用作发电机，这又意味着，如果取代驱动其负载，而是由其“负载”驱动电动机，它可以在任意速度下以发电机的模式工作，并且仍然将产生的功率馈送给与定子连接的配电网络。在这种情况下，变频器可以用于从转子绕组中的感应电压中产生第二转子电压，该感应电压是借助于负载由转子的旋转产生的，使得定子磁场在操作中以基本上与转子的旋转频率和从第二转子电压中生成的第二转子磁场的旋转频率之和相对应的旋转频率旋转，从而允许发电机的转子可以以较慢速度旋转，并且仍然将功率馈送给具有比转子的旋转频率高的频率的配电网络。

到此为止，只讨论了次同步电动机操作，也就是说，使转子转得比“正常”同步速度慢地操作电动机。但是，按照本发明的机器也可以用于超同步电动机操作，即，使转子转得比“正常”同步速度快的电动机操作。该机器也可以分别用于超同步和次同步发电机操作两者。

但是，在次同步发电机操作中，电容器CK上的电压将不通过来自变频器的电流来维持。因此，为了能够在次同步发电机操作中将机器用作发电机，要求从外部将电流供应给电容器CK，以保证CK上的电压不会达到这样低的水平，使转子的磁化有风险。要供应给CK的功率的大小取决于转子的速度。

这样做的原因是，由于变频器接收来自CK的馈电，所以CK上的电压将不足以将转子磁化到能够将最大转矩加载在转子上的程度。

如果希望在次同步发电机操作中运行机器，则必须将能量供应给电容器CK。这可以借助于例如经由整流器与电容器CK连接的线圈来实现。这些线圈位于电动机转轴的适当位置上，当电动机转轴旋转时，这些线圈被设置成穿过附在电动机外壳上的磁体。然后，这些磁体以公知的方式在线圈上感应出交流电压，从而将感应出的交流电压整流成对CK充电。这种感应可以通过将导磁材料设置在线圈内来增强。

另一方面，如果在超同步操作中操作发电机，也就是说，以使得转子以与定子频率相同或比定子频率高的频率旋转的方式由其负载驱动发电机，则与次同步电动机操作的情况类似，将通过来自变频器的电流维持电压，而不需要外部能量源。

在超同步发电机操作中，以这样的方式控制变频器，即，使正像上面所述那样的变频器产生的第二转子电压在所述转子绕组中产生第二旋转转子磁场，但旋转方向与所述第一转子磁场相反。因此，这意味着，例如60Hz的转子旋转频率和方向相反的10Hz的第二转子磁场将导致60+(-10)＝50Hz的定子旋转频率(这对2极机器有效)。对于其它极数，当然必须以传统方式考虑极数。这在整个说明书中都有效。如果机器是例如4极机器，转子将已经以超过25Hz(针对50Hz的定子频率)的转子旋转频率超同步地旋转)。

如果机器将用于近同步速度操作，或转轴与定子磁场同步旋转的操作，或用于超同步电动机操作，则与次同步发电机操作一样并且由于相同原因，要求将电荷供应给CK。在超同步电动机操作中，也产生与第一转子磁场相反的第二转子磁场，即，与超同步发电机操作类似。

关于分别针对电动机和发电机的配电网络的cosΦ，在上述不同可替代操作中，对于超同步电动机操作和次同步发电机操作，cosΦ大体上主要受馈送给CK的外部电流影响。CK上的电压决定磁化的程度。

对于超同步发电机操作，情况与次同步电动机操作相反，即，如果相移减小，则发电机引起的配电网络所经受的电容性无功功率将增大。因此，与次同步地操作电动机的情况相反，变频器各部分之间的相移的减小(下面将更详细地说明这个相位角)将使馈送给配电网络的电容性无功功率增大。

因此，本发明具有如下优点，当电动机以低于配电网络的旋转速度的低速运行时，电动机将同步地操作***，并且在变频器与配电网络之间没有电接触地输送由转子绕组输送的来自双变频器的功率。

如上所述，当今的电动机将无功功率加载在配电网络上。这种无功功率不做任何有用的工作，但会在电动机中引起损耗，并且在电动机所连接的配电网络中引起损耗。由于社会上一般使用三相电动机，所以具有cosΦ＝1，从而具有比当前更好的效率的三相电动机将对社会的能源使用产生巨大影响。在图4中示出的电动机的优点在于，可以控制cosΦ，即，电动机功率因数。无功功率可以是电容性的或电感性的。在上述电动机中，如果电动机次同步地运行，并且如果来自双变频器的两个输出如上所述，相位相差180°，即，转子绕组上的电压处在最大值上，并且大体上与CK的电压相同，则无功功率主要是电容性的。如果电动机产生供应给配电网络的电容性无功功率，则意味着电动机被过度磁化了，也就是说，转子在定子绕组中产生了比配电网络的电压高的反EMF。这种过度磁化可以通过减小转子绕组中的电流来减弱。

按照本发明，这通过减小两个变频器部分之间的相位角来实现，但仍然使用全PWM调制，即，每条正弦曲线上的最大振幅。然后降低转子绕组上的正弦电压，从而也减小了通过转子绕组的电流。转子电流的减小造成转子的磁化减弱。通过转子绕组的较低电流造成在定子中生成的针对配电网络的反EMF减小。如果各变频器部分之间的相位角减小到在定子中生成的反EMF等于配电网络的电压的程度，则不会将任何无功功率加载在配电网络上，即，cosΦ＝1。如果各变频器部分之间的相位角进一步减小，则电动机将欠磁化，因为在定子中生成的反EMF低于配电网络的电压，其结果是，电动机将电感性无功功率负载施加在配电网络上。

因此，改变各变频器部分之间的相位角提供了一种控制通过转子绕组的电流的方式。由于电容器CK上的电压将是由定子产生的磁通波、和各变频器部分产生的电压之间的相位角决定的电压，所以通过转子绕组的电流可以通过改变供应给转子相绕组各端的电压的相位角来减小。

当相位角减小时，由于通过二极管D1-D12的(无功)反馈，电容器CK上的电压趋向于升高。因此，由于实际原因，有必要限制CK上的电压。这可以通过例如改变按照图5的开关曲线的外观来实现。

图5示出了生成期望正弦形状的用于一相的PWM模式的一小部分，其中阴影部分指示输出是“高”。因此，上部曲线(来自双变频器的输出之一，例如，A1)代表生成正弦曲线的正常PWM序列的一部分。下部曲线示出了来自双变频器的另一个输出(B1)如何使曲线与上部正弦曲线相适应，以便生成时间Ls，Tc和Fb。Ls是转子相绕组RL1连接在两个变频器输出A1和B1之间的时间。由于绕组的相应电气阀同时地并“沿着直径地(diametrically)”导通(即，V1和V8打开)，所以从电容器CK将能量供应给相绕组RL1。Tc是转子相绕组中的电流独自循环的时间，因为绕组的两端被电气阀(V2和V8打开)短路。Fb是转子相绕组可以将它的能量反馈到电容器CK的时间，因为绕组的阀沿着直径、但与时间Ls期间的状况相比以相反方式(即，V2和V7打开)导通。

因此，按照图5，允许相绕组的两端在循环模式中的较长或较短的时间段Tc期间同时为“高”和“低”，其中相绕组上的电压等于当时导通的两个阀上的电压降。在这个时间期间，转子相绕组中的电流将通过正侧或负侧上的阀循环而不对CK供电从而对其充电。在这种状况下，相绕组中的电流以与相绕组上的电压等于CK上的电压的状况相比慢得多的方式降低。由于转子电路中的功耗(主要取决于转子电路中的电阻)等于电动机消耗的功率的百分之几，所以如果不允许绕组将能量反馈给CK，电容器CK上的电压将迅速降低。

相绕组处在循环模式下的时间可以通过例如电动机的速度和负载确定，它影响CK的电荷。绕组处在循环模式下的时间越长，到电容器CK的电荷就越少。CK上的电压降低造成电动机将减小的电容性无功电流加载在配电网络上，如果CK上的电压进一步降低，则会把电感性无功电流加载在配电网络上。如果CK上的电压降低的程度太大，电动机将丧失其同步操作的能力。绕组处在循环模式下的时间Tc因此可以通过VCO来控制，并因此取决于电动机正在操作的环境。转子速度、电动机负载和配电网络电压构成可以对上述情况产生影响的因素。也必须考虑PWM模式的外观，以便获得期望的正弦频率。

在图5中所示的情况下，其中因此仅示出了产生通过转子相绕组的正弦状电流的PWM模式的很小部分(如上所述，转子频率周期可以由几千或数千个开关周期组成，在图中只示出其中1-2个)，Tc构成上部曲线的断开时间的大约60％。CK上的电压可以通过变得相对较长或较短的Tc来控制。

如果Tc构成一个周期的较大部分，相绕组将把比该部分较短时小的功率反馈到CK。将流入转子或从转子流出的功率由每个转子相绕组连接在电容器CK上的时间决定。每当转子相绕组的阀沿着直径打开时就出现这种情况，在图5中作为时间Ls给出。作为这种情况的一个例子，阀V7和V2将把相绕组RL1与对CK充电的电压连接，如果现在关闭阀V7而打开阀V8，建立在相绕组中的电流将通过阀V2和V8以及相绕组RL1循环，这种情况在图5中作为时间Tc给出。由于相绕组RL1中的能量只由RL1中的阻值和阀V2和V8中的电压降消耗，所以这个电流将以相当缓慢的方式减小。开关周期Sp的其余时间在图5中作为Fb给出。Fb是相绕组RL1将功率返还给CK的时间。按照图5的与Ls，Fb和Tc有关的开关脉冲Sp的相对时间部分针对电动机的操作条件以及针对配电网络的电压变化、转子的速度和负载来控制。一般说来，如果转子速度增大，Fb的时间部分将增大，而Tc的时间部分减小。造成这种情况的原因是，当转子的电旋转频率变成与定子的频率相同时，定子磁通波产生的转子电流线性地减小到0V。

图6示出了来自分别与转子绕组RL1的一侧连接的双变频器部分的电压输出。通过PWM技术产生的正弦波彼此相移了大约30°，最终在所连接的相绕组RL1上生成电压Udiff。从图6中可明显看出，来自相绕组的各端处的双变频器的两个正弦波是对称的。当然，可以使一起向相绕组馈电的两个波具有相互不同的形状。

总之，这意味着PWM生成的基音的调制将决定通过转子的电流，借此可以确定电动机引起的配电网络的cosΦ，因为相绕组处在循环模式下的时间比例将影响充电，从而影响CK上的电压。

当然，通过编程可以实现来自双变频器410的两个输出电压在更大或更小程度上，以及在相互不同的程度上具有循环模式。但是，相绕组各端上的两条曲线将与通过编程生成来自VFO的控制脉冲的方式无关地在相绕组中产生正弦状电流。如果电动机的机械外观有这样的需要，在一些状况下可以生成具有修正正弦形状的电流，以便加以补偿。

因此，本发明提供了选择电动机无功地加载配电网络的方式的可能性。如果配电网络没有无功负载，则表示成cosΦ＝1。这是一般说来引起最大节能的操作模式，因为没有无功电流加热电动机或在配电线中引起任何附加损耗。但是，变频器部分产生的电压之间的相移的减小，或转子电流的减小，造成电动机的转矩角变得较大。当将负载加在电动机转轴上时，电动机的转矩角是磁通波在转子和定子中生成的电磁脉冲相互分离时产生的角度。如果这些脉冲分离得太远，它们将放松对彼此的“掌握”，电动机将不再与定子频率与转子频率之间的差同步运行。如果电动机转轴的负载增大，通过转子绕组的电流因此必须增大，使得转矩角不会变得如此之大以致于存在电动机丧失其同步的风险。

按照上面描述的电动机可以通过改变变频器的频率来控制速度，而电动机对配电网络引起的cosΦ可以通过改变通过转子绕组的电流来改变。这样，本发明提供了满足既经济又节能的电动机应该满足的所有要求的三相电动机。

很容易获得可以位于电动机转轴和/或转子上并可以设置成随转子旋转的单元，因为按照图4的设备不包含任何耗费空间的部件。

因此，本发明允许可以以较低成本和具有比通过先前的解决方案达到的更好性能制造由电动机和变频器组成的电动机组件，因为变频器与配电网络是电分离的，这减少了非期望地将谐波和无线电失真传送给配电网络，从而也降低了滤波要求。这样，可以获得非常紧凑的和成本有效的解决方案。该电动机与现有技术解决方案相比，还可以节省相当大能量。

取代使得按照本发明的控制逻辑与转子和/或转子转轴连接，也可以将其放置在电动机的外部，例如，放置在与转子转轴连接的施加物的驱动转轴上，以便仍然将控制设备设置成随转子旋转。

也可以将控制逻辑设置成总是借助于变频器生成特定转子频率。不需要将来自外部的信息传送给控制逻辑，至少在可以断定负载未超过特定的最大负载的时间内。但是，将控制逻辑有利地设置成使得变频器产生的电压的转子频率按照上面所述可根据例如位置传感器来控按制。但是，在许多状况下，希望可以根据例如在冷却风扇的情况下的周围温度的外部因素来控制电动机的速度。这些控制信号常常由例如温度传感器所连接的静态即非旋转单元生成。在这样的状况下，控制逻辑可以有利地配有用于与这样的单元无线通信以便从非旋转单元接收与期望的电动机速度/旋转频率有关的控制信号的装置。这种通信可以有利地设置成借助于例如但不限于光传输、IR、蓝牙、WLAN或其它无线电技术、声或磁传送那样的适当无线接口来进行，以避免将控制信号从静态源发送给随转子旋转的控制逻辑所带来的问题。

在图7中，示出了本发明的一个可替代示范性实施例。在该图中，示意性地示出了与图4中示出的那个相同类型的2极三相电动机700。

取代使用按照上文的双变频器，将与图1中示出的那个类似的(单)变频器710用在本实施例中，它由例如IGBT晶体管的六个电气阀V1-V6、和与之相关联的反向并联二极管D1-D6组成，该变频器与转子相绕组704-706连接。定子绕组感应的转子相绕组电压与上文类似，经由反向并联二极管D1-D6在电容器CK上产生直流电压。

然后，变频器710借助于阀将电容器CK上的直流电压转换成三相交流电压，其频率可以借助于控制电子VFO 720，例如借助于PWM以已知方式来设置。

六个电气阀V1-V6与结合图1所述的类似，接收来自可控控制振荡器VFO 720的控制脉冲，从而，来自VFO的控制脉冲a，b，c，d，e，f以期望方式打开和/或关闭电气阀。

因此，这个实施例与在图1中示出的那个的不同之处在于，只将变频器710产生的交流电压供应给转子相绕组的一端。但是，转子仍然以与配电网络频率与变频器710产生的转子频率之间的差相对应的速度旋转。

与上文类似，如果电动机正在恒速运行，如果想保持连续同步操作，则最多可以通过一特定转矩制动电动机。但是，这可以通过使用按照上文所述的位置传感器来保证。因此，这个实施例也呈现出可以以简单方式控制三相电动机的速度的优点，其中可以将速度控制所需的部件与转子和/或转子转轴集成在一起，并且其中由于电动机以同步操作方式工作，可以将过剩的功率反馈到配电网络。在图7中示出的实施例具有在加载状态下较为不利的并且不能以与在图4中示出的实施例相同的方式控制的cosΦ。

取代将IGBT晶体管用作阀，当然可以使用例如MOSFET晶体管的任何其它适当阀。在某些类型的晶体管，例如，MOSFET晶体管中，将反向并联二极管与晶体管集成在一起，在这种情况下，不需要外部反向并联二极管。

到此为止，主要结合配电网络的频率是50Hz的***对本发明作了描述。但是，本发明可应用于具有任意频率的配电网络。

并且，上面结合三相电动机对本发明作了描述。三相电动机具有许多优点，例如，可以获得振幅基本恒定的磁通波。但是，在许多状况下，三相电源不可用，由于这个原因，不能使用传统的三相电动机。但是，本发明也可应用于为除了三相电源之外的其它电源准备的电动机。例如，可以使用将定子设置成与单相配电网络连接的电动机，即，定子被绕成供单相使用的电动机。

这种情况示范在图8中。在图8中示出的电动机的定子是与单相配电网络连接的定子，具有构成定子的主绕组并与单相配电网络N-L连接的相绕组L1。所公开的电动机还包含(对于单相电动机常常是这样)经由辅助相位被馈电的辅助绕组L2，辅助相位是借助于传统电容器或其它电抗元件对配电网络的电压进行相移生成的。

要求该辅助绕组保证可以启动电动机，这个绕组与电抗元件Cr(在这种情况下是电容器)串联。绕组L2中的电流相对于绕组L1中的电流发生了相移。电流的这种相移引起转动转矩，后者使保持静止的电动机启动。辅助绕组在正常操作下也可以贡献转矩，从而使电容器Cr由传统运行电容器构成。绕组和用于这些绕组的电抗元件的尺寸确定遵循与今天用于感应电动机相同的计算方法。

与上文类似，所公开的转子绕组是具有三相绕组的三相绕线转子，从而，定子绕组在定子和转子中产生磁通。这个磁通在电容器CK上引起电压。然后，借助于变频器产生旋转三相磁场，从而，引起力图使转子旋转的转矩。然后，转子与定子磁场的旋转频率与所生成转子磁场的旋转频率之间的差同步旋转。因此，单相电动机也可以借助于本发明来控制速度。由于这种电动机也以同步方式操作，所以可以将功率反馈到向电动机馈电的配电网络。可替代地，该电动机可以用作发电机，以便产生向与定子连接的配电网络馈电的电能。

关于上面的实施例，定子和转子一般可以绕成不同极数。按照本发明的电动机也可以通过任意个相位从配电网络被供电，其中该电动机可以通过任意个相位从变频器驱动。

尽管通过设置成位于电动机转轴、和/或转子上和/或设置在与转子连接的负载上，从而避免旋转部分与非旋转部分之间的电接触的设备对本发明作了示范，但也可以将本发明用在滑环解决方案中，以便具有以静态方式设置的变频器。这样的解决方案大体上以相同的方式起作用，因为在这种情况下，变频器产生的电压通过经由滑环取出的转子电压生成，然后经由滑环供应给转子绕组。这样的解决方案可以是例如现有滑环电动机和大型电动机感兴趣的。对配电网络的反馈仍然借助于定子来进行，因此，通过这种解决方案也可以获得本发明的其它优点。

并且，已经公开在本描述和附图中的主题应该以例示性和非限制性的方式解释，本发明还涉及在所附权利要求书包含的范围之内的上述实施例的各种改变、修改、和变更。

Claims (23)

1.一种用于控制电动机的速度的设备，其中，所述电动机被设置成与电压源连接，所述电动机包含定子绕组和转子绕组，在操作中，在所述定子绕组中产生具有第一旋转频率的旋转定子磁场，所述定子磁场在操作中被设置成在所述转子绕组中感应出具有第二旋转频率的第一转子磁场，其特征在于，所述设备包含：

-变频器装置，用于根据所述转子绕组中的从所述定子磁场感应的电压产生具有第三旋转频率的第二转子电压，以便供应给所述转子绕组。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述变频器装置包含用于产生第一和第二交流电压的装置，所述第一交流电压打算被供应给所述转子绕组的一端，而所述第二交流电压打算被馈送到所述转子绕组的第二端。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述电压源是三相电压源。

4.根据权利要求1-3的任何一项所述的设备，其特征在于，所述转子绕组是三相转子绕组。

5.根据权利要求1-4的任何一项所述的设备，其特征在于，在操作中通过所述第二转子电压产生的第二转子磁场由沿着与所述定子磁场和/或所述第一转子磁场相同的方向旋转的转子磁场组成。

6.按照前面权利要求的任何一项所述的设备，其特征在于，由所述变频器装置产生的所述第二转子电压是三相电压。

7.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，进一步包含用于控制所述电动机施加在馈送配电网络上的无功能量的负载的装置，从而所述无功能量的大小和数值能够通过改变所述变频器产生的所述电压的外观来控制。

8.按照前面权利要求的任何一项所述的设备，其特征在于，进一步包含：

-整流器，用于整流借助于所述定子磁场在所述转子绕组中感应的电压；以及

-双变频器，用于产生供应给所述转子绕组的所述电压。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述变频器包含可控阀，所述阀被设置成借助于控制装置来控制。

10.根据权利要求8-9的任何一项所述的设备，其特征在于，所述双变频器包含成对连接到所述转子绕组的相应端的电气阀。

11.按照前面权利要求的任何一项所述的设备，其中，所述变频器被设置成按照为确定所述转子相对于所述定子的位置而设置的位置传感器来控制。

12.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述控制装置被设置成借助于从所述转子绕组输送的电压来被供电。

13.根据权利要求8-12的任何一项所述的设备，其特征在于，所述整流器由分别与相应阀连接的反向并联二极管组成，其中电容器被设置成借助于所述整流电压而被充电。

14.按照前面权利要求的任何一项所述的设备，其特征在于，所述电动机是三相电动机。

15.按照前面权利要求的任何一项所述的设备，其特征在于，所述设备被设置成固定在所述电动机的所述转子和/或转轴、和/或在操作中与所述电动机连接并被其旋转的负载上，使得所述设备被设置成在操作中随所述转子旋转。

16.按照前面权利要求的任何一项所述的设备，其特征在于，该设备被进一步设置成产生被供应给所述转子绕组的所述第二转子电压，使得所述第三频率低于或等于所述第二频率。

17.按照前面权利要求的任何一项所述的设备，其特征在于，所述变频器产生的所述第二转子电压在操作中在所述转子绕组中产生旋转方向与所述第一转子磁场的旋转方向相反的第二旋转转子磁场。

18.按照前面权利要求的任何一项所述的设备，其特征在于，所述第二旋转频率基本上与所述第一旋转频率相同。

19.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述电容器被进一步设置成也从外部源供电。

20.一种用于控制电动机的速度的方法，其中，所述电动机被设置成与电压源连接，所述电动机包含定子绕组和转子绕组，在操作中，在所述定子绕组中产生具有第一旋转频率的旋转定子磁场，所述定子磁场在操作中被设置成在所述转子绕组中感应出具有第一旋转频率的第一转子磁场，其特征在于，所述方法在操作中包含如下步骤：

-根据所述转子绕组中的由所述定子磁场感应的电压产生供应给所述转子绕组的具有第三旋转频率的第二转子电压，其中，所述生成的第二转子电压在操作中在所述转子绕组中产生第二旋转转子磁场，使得在操作中所述转子以基本上是所述定子磁场的旋转频率与所生成第二转子磁场的旋转频率之间的差的旋转频率旋转。

21.一种电动机，其中，所述电动机被设置成与电压源连接，并包含定子绕组和转子绕组，在操作中，在所述定子绕组中产生具有第一旋转频率的旋转定子磁场，所述定子磁场在操作中被设置成在所述转子绕组中感应出具有第二旋转频率的第一转子磁场，其特征在于，所述电动机包含：

-变频器装置，用于根据所述转子绕组中的由所述定子磁场感应的电压产生具有第三旋转频率的第二转子电压，以便供应给所述转子绕组。

22.一种发电机，其中，所述发电机被设置成与配电网络连接，并包含定子绕组和转子绕组，在所述转子绕组中，在操作中产生具有第二旋转频率的旋转转子磁场，其特征在于，所述发电机包含：

-变频器装置，用于根据所述转子绕组中的由所述转子的旋转感应的电压产生具有第三旋转频率的第二转子电压，以便供应给所述转子绕组，由所述变频器产生的所述生成的第二转子电压在操作中在所述转子绕组中产生第二旋转转子磁场，使得在操作中，所述转子以基本上是所述转子的旋转频率与所述生成的第二转子磁场的旋转频率之和的旋转频率旋转。

23.根据权利要求22所述的发电机，其特征在于，所述变频器在操作中产生的所述第二转子磁场产生旋转方向与所述第一转子磁场的旋转方向相反的转子磁场。

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