大功率无刷双馈电动机变频调速系统及启动方法 【技术领域】
本发明涉及一种变频调速系统，尤其涉及一种大功率无刷双馈电动机变频调速系统及启动方法。
背景技术
目前在风机和水泵领域应用的变频调速系统中，使用的电动机主要有笼型转子感应电动机和绕线转子感应电动机，这两种电动机组成的变频调速系统各有各的优势，但也各有各的缺点。笼型转子感应电动机变频调速系统由于变频器的功率略大于电动机功率，在需要大功率电动机的应用场合，需要变频器的功率也大，变频器的成本高。绕线转子感应电动机采用电刷和滑环来实现转子绕组与变频器电路的连接，由于滑动接触和电刷磨损，不仅降低了电动机运行的可靠性，而且电刷需要定期维护和更换，增加了运行费用和不可靠性。此外滑动接触容易产生火花，从而降低了绕线转子感应电动动机在含有易燃易爆气体环境中的应用。
【发明内容】
为了解决上述存在的问题本发明提供一种大功率无刷双馈电动机变频调速系统及启动方法，目的是实现用小功率变频器控制大功率电动机，可以大幅度地节省调速系统的成本，同时可以任意调节功率绕组的功率因数，并且省掉了电刷和滑环，使运行更加安全可靠。
为达上述目的本发明大功率无刷双馈电动机变频调速系统，包括无刷双馈电动机和变频控制器，无刷双馈电动机的定子功率绕组直接与工频电网相联接；定子控制绕组与变频控制器相联接，变频控制器与工频电网连接；定子功率绕组和定子控制绕组为星形连接接，定子功率绕组的极数与定子控制绕组的极数不同；无刷双馈电动机的转子为磁阻转子。
所述的定子功率绕组的极数为2p，定子控制绕组的极数为2q，磁阻转子的极数为pr＝p+q。
所述的电动机转速与定子功率绕组电流频率、定子控制绕组电流频率和磁阻转子极数之间的关系为：nr=60×(f1±f2)pr;]]>若定子功率绕组和定子控制绕组电流同相序，上式取正号，此时为超同步运行方式；若定子功率绕组和定子控制绕组电流反相序，上式取负号，此时为亚同步运行方式；当f2＝0时，nr0=60×f1pr;]]>称此速度为电动机的同步速。
本发明大功率无刷双馈电动机启动方法，首先异步启动，这时无刷双馈电动机定子控制绕组的三相短接在一起，无刷双馈电动机处于异步运行状态，当转速接近同步转速时，定子控制绕组由短接改为通入直流电流，无刷双馈电动机处于同步运行状态，当电动机同步运行平稳后，定子控制绕组由通入直流电流改为接变频控制器，由定子控制绕组向电动机提供交流电流。
本发明的优点效果：实现用小功率变频器控制大功率电动机，可以大幅度地节省调速系统的成本，同时可以任意调节功率绕组的功率因数，并且省掉了电刷和滑环，使运行更加安全可靠。启动过程更加平稳，更加适用于风机和水泵类负载使用的要求。
【附图说明】
图1是本发明的电机调速系统结构示意图。
图2是本发明电动机原理图。
图中1、电动机；2、变频控制器；3、工频电网；4、定子功率绕组；5、定子控制绕组；6、磁阻转子。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示本发明大功率无刷双馈电动机变频调速系统，包括无刷双馈电动机1和变频控制器2，无刷双馈电动机1的定子功率绕组4直接与工频电网3相联接；定子控制绕组5与变频控制器2相联接；变频控制器2直接与工频电网3连接；定子功率绕组4和定子控制绕组5为星形连接接；无刷双馈电动机1的转子为磁阻转子6；定子功率绕组4的极数为2p，定子控制绕组5的极数为2q，磁阻转子6的极数为pr＝p+q，这时的无刷双馈电动机等效于一台(2p+2q)极的交流电动机；电动机1转速与定子功率绕组4电流频率、定子控制绕组5电流频率和磁阻转子6极数之间的关系为：
nr=60×(f1±f2)pr]]>
若定子功率绕组4和定子控制绕组5电流同相序，上式取正号，此时为超同步运行方式；若定子功率绕组4和定子控制绕组5电流反相序，上式取负号，此时为亚同步运行方式；当f2＝0时，
nr0=60×f1pr]]>
称此速度为电动机的同步速。
本发明大功率无刷双馈电动机启动方法，首先异步启动，这时无刷双馈电动机定子控制绕组的三相短接在一起，无刷双馈电动机处于异步运行状态，当转速接近同步转速时，定子控制绕组由短接改为通入直流电流，无刷双馈电动机处于同步运行状态，当电动机同步运行平稳后，定子控制绕组由通入直流电流改为接变频控制器，由定子控制绕组向电动机提供交流电流。
本发明的工作原理：无刷双馈电动机转子的作用与传统交流电动机不同，它同时耦合定子功率绕组和定子控制绕组，由于定子功率绕组和定子控制绕组的极数不同，转子要起到“极数转换器”作用。当电动机双馈运行时，定子控制绕组中电流产生2q极磁场，在某一特定转速下，转子绕组切割这一磁场后在转子导体中产生转子电流，由这些电流所产生的磁场也正好满足定子2p极绕组中产生同频率速度反电动势的需求，实现定子两套极数不同的定子功率绕组和定子控制绕组之间的耦合关系，从而实现电动机的机电能量转换。
当定子功率绕组和定子控制绕组的极数分别为2p和2q时，转子极对数为pr＝p+q
当定子功率绕组经过电网通入角频率为ωp、相电流有效值为IP的三相对称电流，且以A相绕组的轴线作为空间参考坐标，设A相绕组电流的初相角为零，则它在气隙中建立的2p极基波旋转磁动势为
fp(φ，t)＝Fpmcos(ωpt-pφ)
其中，基波磁动势幅值为
Fpm=324π22wpkwp1pIp]]>
φ为以机械角度表示的相对于定子A相绕组轴线作为空间参考坐标的位置角；kwp1为定子功率绕组的基波绕组因数；wp为定子功率绕组地每相串联匝数。
当定子控制绕组经过变频控制器通入角频率为ωq、相电流有效值为Iq的三相对称电流，则它在气隙中建立的2q极基波旋转磁动势为
fq(φ，t)＝Fqmcos(ωqt-qφ+α)
其中，基波磁动势幅值为
Fqm=324π22wqkwq1qIq]]>
kwq1为控制绕组的基波绕组因数；wq为控制绕组的每相串联匝数；α为控制绕组合成磁动势轴线与空间参考坐标之间夹角的初始值。
在上述表达式中，假定了定子功率绕组磁动势和定子控制绕组磁动势旋转方向相同，即定子功率绕组和定子控制绕组通入的电流同相序。
对于磁阻转子，高阶磁导所占比例较小，在忽略高阶磁导的情况下，旋转的磁阻转子的气隙比磁导(单位面积磁导)函数为：
λ(φ，t)＝λ0+λ1cos[pr(ωrmt-φ+θr0)]
λ0为气隙磁导的平均分量，λ1为一阶磁导的幅值。θr0为转子与空间参考坐标之间夹角的初值(机械角度)。ωrm为转子机械角速度。φ为以机械角度表示的相对于定子A相绕组轴线作为空间参考坐标的位置角。
气隙磁通密度为磁动势与气隙比磁导的乘积，表示为：
B(φ，t)＝[fp(φ，t)+fq(φ，t)]λ(φ，t)
将两个绕组的基波旋转磁动势表达式和气隙比磁导函数表达式代入气隙磁通密度表达式，得下列六个气隙磁场分量：
Bpp(φ，t)＝Fpmλ0cos(ωpt-pφ)
Bqq(φ，t)＝Fqmλ0cos(ωq t-qφ+α)
Bp1(φ，t)＝Fpm(λ1/2)cos[(ωp+pωrm)t-(p+pr)φ+prθr0]
Bqp(φ，t)＝Fpm(λ1/2)cos[(ωp-prωrm)t-(p-pr)φ-prθr0]
Bq1(φ，t)＝Fqm(λ1/2)cos[(ωq+prωrm)t-(q+pr)φ+α+prθr0]
Bpq(φ，t)＝Fqm(λ1/2)cos[(ωq-prωrm)t-(q-pr)φ+α-prθr0]
其中：
FpmFqm-由定子功率绕组和定子控制绕组电流分别产生的基波磁动势幅值；
λ0λ1-气隙磁导的平均值和一阶分量；
φ-以机械角度表示的磁场相对于定子参考坐标点的位置角；
α-定子控制绕组合成磁动势轴线与空间参考坐标之间夹角的初始值；
ωrm-转子机械角速度；
θr0-转子与空间参考坐标之间夹角的初值(机械角度)；
Bpp(φ，t)-定子功率绕组电流产生的气隙磁场基波分量；
Bqq(φ，t)-定子控制绕组电流产生的气隙磁场基波分量；
Bqp(φ，t)-定子功率绕组电流产生的与定子控制绕组电流同频率的气隙磁场分量；
Bpq(φ，t)-定子控制绕组电流产生的与定子功率绕组电流同频率的气隙磁场分量；
Bp1(φ，t)-定子功率绕组电流产生的谐波气隙磁场分量；
Bq1(φ，t)-定子控制绕组电流产生的谐波气隙磁场分量；
通过气隙磁导对定子磁动势的调制作用，产生了六种气隙磁场分量。由电动机运行原理可知，只有与绕组电流同频率的速度电动势才能产生机电能量转换。在上述六种气隙磁场分量中，只有最后四个分量与电动机转速ωrm有关，可以在绕组中产生速度电动势。通过选取转子的等效极数pr＝p+q(转子极数等于定子功率绕组和定子控制绕组极对数之和)，则有可能在某种特定的转速下，在定子绕组中产生与该绕组电流同频率的速度电动势。如果电动机转子的角速度为
ωrm＝(ωp+ωq)/(p+q)
则有
Bqp(φ，t)＝Fpm(λ1/2)cos(ωqt-qφ-prθr0)
Bpq(φ，t)＝Fpm(λ1/2)cos(ωpt-pφ+α-prθr0)
磁场分量Bqp(φ，t)将在控制绕组中产生角频率为ωq的速度电动势，而磁场分量Bpq(φ，t)将在定子功率绕组中将产生角频率为ωp的速度电动势。因此，由于在定子功率绕组和定子控制绕组中，电流和速度电动势的频率相同，故可产生稳定的电磁转矩。磁场分量Bp1(φ，t)和Bq1(φ，t)也可以在绕组中产生相应的速度电动势，但由于此速度电动势的频率与绕组中电流的频率不同，故不能产生相应的平均电磁转矩。
设控制绕组电流产生的磁场相对于定子功率绕组电流产生磁场的转差率为s，则
s=fqfp=ωqωp]]>
或s=nr-nr0nr0]]>
其中：nr0=60fpp+q,]]>是定子控制绕组通入直流电(fq＝0)时的电动机转速，称为同步转速。
nr=60(fp+fq)p+q,]]>是电动机转子的转速。
设pp为定子功率绕组通过气隙传递给转子的电磁功率；pq为定子控制绕组通过气隙传递给转子的电磁功率；pe为从定子功率绕组和定子控制绕组通过气隙传递给转子的总电磁功率。有下列关系：
pq＝spp
pe＝pp+pq＝pp+spp＝(1+s)pp
设Tep为定子功率绕组产生的电磁转矩；Teq为定子控制绕组产生的电磁转矩；Te为电动机总的电磁转矩。有下列关系：
Te＝Tep+Teq
其中：Tep-定子功率绕组产生的电磁转矩；
Teq-定子控制绕组产生的电磁转矩；
Te-总的电磁转矩；
当忽略电动机损耗时，无刷双馈电动机的功率关系如下：
Pp＝Tepωrm
Pq＝Teqωrm
由上面公式推导可得：
Teq＝sTep
则Te＝(1+s)Tep
由上面转矩表达式可以看出，由于一般情况下ωp＞＞ωq，s很小，所以当负载不变时，Tep在Te中占主要成分，即电动机总的电磁转矩主要由定子功率绕组侧产生的电磁转矩提供。特别在同步速时，Teq为零。因此在同步速周围的调速范围内，转矩Tep是起主导作用的。
式Teq＝sTep表明在速度一定情况下，定子功率绕组和定子控制绕组产生的电磁转矩有固定的关系，控制了定子功率绕组产生的电磁转矩，便可控制电动机总的电磁转矩。因此只有定子控制绕组接变频控制器，而定子功率绕组接工频电网。