CN108258868A - 一种绕组动态变换调速永磁同步电机及其控制方法 - Google Patents

一种绕组动态变换调速永磁同步电机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种绕组动态变换调速永磁同步电机及其控制方法，通过连接的开关改变绕组连接减小反电势，其中三相双三相变换是通过把双三相电机的绕组在低速时串联起来，形成一个三相绕组，在高速时把两套绕组分别接两个逆变器。通过三相双三相变换可把电机设置成两个额定点，三相连接时为“低速”额定点，普通调速电机当转速逐渐增加时弱磁电流逐渐增加，导致电机性能下降，本发明提出的电机在转速超过“低速”额定点转速的2倍时采用双三相连接，此时反电势降低为原来的1/2，从而可以有效降低弱磁电流，提高电机效率，扩大电机运行范围。

Description

一种绕组动态变换调速永磁同步电机及其控制方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机领域，更具体地，涉及一种绕组动态变换调速永磁同步电机及其控制方法。
背景技术
我国稀土资源丰富，稀土矿的储量为世界其他各国综合的4倍左右，稀土矿石和稀土永磁的产量都位居世界前列。同时，我国的稀土材料研究和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，充分发挥稀土资源的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机对我国有重要理论意义和实用价值。永磁电机和传统电机相比，结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；应用十分广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。在调速范围较宽的应用中如电动汽车电机、飞机起动发电机、电主轴机床电机等，要求电机能够在额定转速以上运行，而当电机达到某一转速时逆变器的输出电压达到了最大，这时要继续提高电机转速就需要减小电机气隙磁通，也就是需要弱磁运行，保持电压不变，控制磁通的减弱，以达到控制同步电机在基速以上运行的目的。然而在弱磁区间，随着转速的上升，效率逐渐减小；同时转速增大，反电势相应增大，为保持电压不变，弱磁电流也相应增大，使得电流甚至超过额定点电流，从而导致很大的温升。此外，电机的调速区间还受到逆变器的制约，想要增大调速区间往往需要增大逆变器的容量。这一系列因素导致在弱磁区间电机的性能大大降低，因此提高永磁电机在高速区间的效率有重要意义。
如图1、图2以及图3所示为现有的一种多额定工作点稀土永磁电机控制方案，在该技术方案中，通过改变并联支路数的方法降低高速区间反电势，从而达到“不弱磁”的目的。如图1、图2以及图3所示绕组连接方式，电机分为低速、中速、高速额定点。第一额定工作点绕组接线端1、2、3为外接三相引出线接线端，接线端1为A相，接线端2为B相，接线端3为C相，接线端4、5、6并接为星形中点，第二额定工作点绕组接线方法为：接线端1、8相并为A相，接线端2、10相并为B相，接线端3、12相并为C相，接线端7、4、9、5、11、6相并为星形中点，第三额定工作点绕组接线方法为：接线端1、8、14、16相并为A相，接线端2、10、18、20相并为B相，接线端24、22、12、3相并为C相，接线端13、15、7、4、17、19、9、5、21、23、11、6相并为星形中点。第一额定点的并联支路数为1，第二额定点的并联支路数为2，第三额定点的并联支路数为4。同一转速下三种不同连接方式对应的反电势分别是E，E/2，E/4，因此在“低速”，区间采用第一额定点连接方式，“中速”区间采用第二额定点连接方式，“高速”区间采用第三连接点连接方式可以有效降低反电势，从而达到“不弱磁”的目的。
然而，上述技术方案存在如下问题：额定工作点的个数受极槽配合的限制，几个额定转速跨度大；绕组连接复杂；所需开关多，可靠性低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种绕组动态变换调速永磁同步电机及其控制方法，由此解决现有多额定工作点稀土永磁电机控制方式在降低弱磁电流，提高电机效率时存在的额定工作点的个数受极槽配合的限制，几个额定转速跨度大；绕组连接复杂；所需开关多，可靠性低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种绕组动态变换调速永磁同步电机，包括：位于定子槽中的第一三相绕组和第二三相绕组，所述第一三相绕组包括A1相绕组、B1相绕组与C1相绕组，所述第二三相绕组包括A2相绕组、B2相绕组以及C2相绕组；
其中，所述A1相绕组的第一端、所述B1相绕组的第一端以及所述C1相绕组的第一端分别与第一三相逆变器相连；
所述A1相绕组的第二端与第二开关的第一端以及第三开关的第一端连接，所述B1相绕组的第二端与第五开关的第一端以及第六开关的第一端连接，所述C1相绕组的第二端与第八开关的第一端以及第九开关的第一端连接；
所述第二开关的第二端与所述A2相绕组的第一端以及第一开关的第二端连接，所述第三开关的第二端与所述第六开关的第二端以及所述C2相绕组的第二端连接；
所述第五开关的第二端与所述B2相绕组的第一端以及第四开关的第二端连接；所述第八开关的第二端与所述C2相绕组的第一端以及第七开关的第二端连接；
所述A2相绕组的第二端与所述B2相绕组的第二端以及所述第九开关的第二端连接；
所述第一开关的第一端、所述第四开关的第一端以及所述第七开关的第一端与第二三相逆变器相连。
优选地，所述第一三相绕组和所述第二三相绕组之间用相间绝缘隔开。
优选地，各开关采用接触器或者电力电子开关。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述任意一项所述的绕组动态变换调速永磁同步电机的控制方法，包括：
在电机转速在第二额定转速以下时，所述第二开关、所述第五开关以及所述第八开关闭合，所述第一开关、所述第三开关、所述第四开关、所述第六开关、所述第七开关以及所述第九开关断开，所述A1相绕组与所述A2相绕组串联，所述B1相绕组与所述B2相绕组串联，所述C1相绕组与所述C2相绕组串联构成三相连接；
在电机转速超过所述第二额定转速时，所述第二开关、所述第五开关以及所述第八开关断开，所述第一开关、所述第三开关、所述第四开关、所述第六开关、所述第七开关以及所述第九开关闭合，所述A1相绕组与所述A2相绕组并联，所述B1相绕组与所述B2相绕组并联，所述C1相绕组与所述C2相绕组并联构成双三相连接。
优选地，所述第二额定转速为第一额定转速的2倍，所述第一额定转速表示当绕组为三相连接时对应的额定点的转速，所述第二额定转速表示绕组为双三相连接时对应的额定点的转速。
优选地，在双三相运行时所采用的用于供电的变频器的容量为三相运行时供电变频器容量的一半。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)通过开关控制三相双三相变换，增加了额定点的个数，当绕组为三相连接时所对应的额定点为第一额定点，当绕组为双三相连接时所对应的额定点为第二额定点。
(2)采用两个额定点切换，扩大了调速范围，在低速运行时，绕组为三相绕组，随着转速增加绕组反电势增加，弱磁电流逐渐增加，如果一直以三相绕组运行，随着转速进一步增加，绕组反电势增加，由于直流母线电压的限制，逆变器所能提供的最大电压一定，当转速升到某一值后，由于反电势过大，逆变器不能提供电机所需的电压，电机的调速范围被限制。采用三相双三相变换，转速在超过第二额定转速时，绕组连接为双三相连接，双三相绕组的每套绕组由两个逆变器分别供电，每相的反电势均大大减少，可以有效提高最大转速，扩大运行范围。
(3)该电机采用减小反电势的方法，减小弱磁电流，减小铜耗，减小温升，提高效率，其中，反电势和绕组串联匝数成正比，采用三相双三相变换，在变换后相当于每相串联匝数减半，反电势减小。
(4)该电机在高速运行区间采用双三相连接，相比于三相电机，双三相电机的铁耗更小。
附图说明
图1是本发明提供的一种现有多额定工作点稀土永磁电机控制的第一额定点绕组连接示意图；
图2是本发明提供的一种现有多额定工作点稀土永磁电机控制的第二额定点绕组连接示意图；
图3是本发明提供的一种现有多额定工作点稀土永磁电机控制的第三额定点绕组连接示意图；
图4是本发明提供的一种绕组动态变换调速永磁同步电机的绕组三相双三相变换图；
图5是本发明提供的一种绕组动态变换调速永磁同步电机的绕组三相连接图；
图6是本发明提供的一种绕组动态变换调速永磁同步电机的绕组双三相连接图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
针对现有的永磁电机在弱磁后性能下降的缺陷，本发明提出了一种绕组动态变换调速永磁同步电机及其控制方法，其目的在于通过改变绕组连接减小反电势，其中三相双三相变换是通过把双三相电机的绕组在低速时串联起来，形成一个三相绕组，在高速时把两套绕组分别接两个逆变器。通过三相双三相变换可把电机设置成两个额定点，三相连接时为“低速”额定点，普通调速电机当转速逐渐增加时弱磁电流逐渐增加，导致电机性能下降，本发明提出的电机在转速超过“低速”额定点转速的2倍时采用双三相连接，此时反电势降低为原来的1/2，从而可以有效降低弱磁电流，提高电机效率，扩大电机运行范围。
如图4所示为本发明提供的一种绕组动态变换调速永磁同步电机的绕组三相双三相变换图，包括：位于定子槽中的第一三相绕组和第二三相绕组，第一三相绕组包括A1相绕组、B1相绕组与C1相绕组，第二三相绕组包括A2相绕组、B2相绕组以及C2相绕组；
其中，A1相绕组的第一端、B1相绕组的第一端以及C1相绕组的第一端分别与第一三相逆变器相连；
A1相绕组的第二端与第二开关S2的第一端以及第三开关S3的第一端连接，B1相绕组的第二端与第五开关S5的第一端以及第六开关S6的第一端连接，C1相绕组的第二端与第八开关S8的第一端以及第九开关S9的第一端连接；
第二开关S2的第二端与A2相绕组的第一端以及第一开关S1的第二端连接，第三开关S3的第二端与第六开关S6的第二端以及C2相绕组的第二端连接；
第五开关S5的第二端与B2相绕组的第一端以及第四开关S4的第二端连接；第八开关S8的第二端与C2相绕组的第一端以及第七开关S7的第二端连接；
A2相绕组的第二端与B2相绕组的第二端以及第九开关S9的第二端连接；
第一开关S1的第一端、第四开关S4的第一端以及第七开关S7的第一端与第二三相逆变器相连。
在一个可选的实施方式中，第一三相绕组和第二三相绕组之间用相间绝缘隔开。
在一个可选的实施方式中，各开关采用接触器或者电力电子开关。
其中，如图5所示为本发明提出的三相双三相变换绕组设置中三相连接，如图6所示为本发明提出的三相双三相变换绕组设置中双三相连接，绕组A1、B1、C1、A2、B2、C2分别为双三相绕组的A1相、B1相、C1相和A2相、B2相、C2相，当电机转速在第二额定转速以下时，A1、B1、C1分别与A2、B2、C2绕组串联并与一套三相逆变器相连，当电机转速超过第二额定转速时，A1、B1、C1与一个三相逆变器相连，A2、B2、C2与另一个逆变器相连，形成一个普通的双三相电机。绕组变换如图4所示，当“低速”运行时通过各开关的闭合与关断，使得各相绕组构成三相连接，当“高速”运行时通过各开关的闭合与关断，使得各相绕组构成双三相连接。
具体地，本发明还提供了一种基于上述绕组动态变换调速永磁同步电机的控制方法，包括：
在电机转速在第二额定转速以下时，第二开关S2、第五开关S5以及第八开关S8闭合，第一开关S1、第三开关S3、第四开关S4、第六开关S6、第七开关S7以及第九开关S9断开，A1相绕组与A2相绕组串联，B1相绕组与B2相绕组串联，C1相绕组与C2相绕组串联构成三相连接；
在电机转速超过第二额定转速时，第二开关S2、第五开关S5以及第八开关S8断开，第一开关S1、第三开关S3、第四开关S4、第六开关S6、第七开关S7以及第九开关S9闭合，A1相绕组与A2相绕组并联，B1相绕组与B2相绕组并联，C1相绕组与C2相绕组并联构成双三相连接。
在一个可选的实施方式中，由于双三相连接后每相的串联匝数为原来的1/2，故第二额定转速为第一额定转速的2倍，其中，第一额定转速表示当绕组为三相连接时对应的额定点的转速，第二额定转速表示绕组为双三相连接时对应的额定点的转速。
在一个可选的实施方式中，在双三相运行时所采用的用于供电的变频器的容量为三相运行时供电变频器容量的一半。
在本发明中，采用绕组变换的方式，在低速区域和高速区域的绕组连接方式不同；当转速在第一额定转速的2倍绕组为三相连接方式，当转速超过2倍第一额定转速绕组为双三相连接方式；以上绕组变换方式在电机运行时动态切换。
本发明提出电机结构所用的转轴、机壳、端盖以及定转子冲片均可以采用常规电机已有的结构，无需特殊设计，无需重新设计模具，只是在下线时将绕组分段分别引出出线。电机结构简单，在现有的电机的基础上改动绕组即可。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种绕组动态变换调速永磁同步电机，其特征在于，包括：位于定子槽中的第一三相绕组和第二三相绕组，所述第一三相绕组包括A1相绕组、B1相绕组与C1相绕组，所述第二三相绕组包括A2相绕组、B2相绕组以及C2相绕组；
其中，所述A1相绕组的第一端、所述B1相绕组的第一端以及所述C1相绕组的第一端分别与第一三相逆变器相连；
所述A1相绕组的第二端与第二开关的第一端以及第三开关的第一端连接，所述B1相绕组的第二端与第五开关的第一端以及第六开关的第一端连接，所述C1相绕组的第二端与第八开关的第一端以及第九开关的第一端连接；
所述第二开关的第二端与所述A2相绕组的第一端以及第一开关的第二端连接，所述第三开关的第二端与所述第六开关的第二端以及所述C2相绕组的第二端连接；
所述第五开关的第二端与所述B2相绕组的第一端以及第四开关的第二端连接；所述第八开关的第二端与所述C2相绕组的第一端以及第七开关的第二端连接；
所述A2相绕组的第二端与所述B2相绕组的第二端以及所述第九开关的第二端连接；
所述第一开关的第一端、所述第四开关的第一端以及所述第七开关的第一端与第二三相逆变器相连。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机，其特征在于，所述第一三相绕组和所述第二三相绕组之间用相间绝缘隔开。
3.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机，其特征在于，各开关采用接触器或者电力电子开关。
4.一种基于权利要求1至3任意一项所述的绕组动态变换调速永磁同步电机的控制方法，其特征在于，包括：
在电机转速在第二额定转速以下时，所述第二开关、所述第五开关以及所述第八开关闭合，所述第一开关、所述第三开关、所述第四开关、所述第六开关、所述第七开关以及所述第九开关断开，所述A1相绕组与所述A2相绕组串联，所述B1相绕组与所述B2相绕组串联，所述C1相绕组与所述C2相绕组串联构成三相连接；
在电机转速超过所述第二额定转速时，所述第二开关、所述第五开关以及所述第八开关断开，所述第一开关、所述第三开关、所述第四开关、所述第六开关、所述第七开关以及所述第九开关闭合，所述A1相绕组与所述A2相绕组并联，所述B1相绕组与所述B2相绕组并联，所述C1相绕组与所述C2相绕组并联构成双三相连接。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二额定转速为第一额定转速的2倍，所述第一额定转速表示当绕组为三相连接时对应的额定点的转速，所述第二额定转速表示绕组为双三相连接时对应的额定点的转速。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在双三相运行时所采用的用于供电的变频器的容量为三相运行时供电变频器容量的一半。
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