專利名稱：逆變器整流的多三相永磁同步發電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種逆變器整流的多三相永磁同步發電機。
背景技術：
三相永磁同步發電機一般應用于風力發電、海洋潮汐發電、水力發電和航空發電系統等變速恒頻發電領域。其特點是電機轉子結構牢固、適應轉速變化大，在變速恒頻系統得到了廣泛應用。由于該類電機沒有恒壓恒頻的能力，在實際應用中該類型電機一般采用普通二極管三相橋式整流后進行直流輸出發電的模式。目前可再生能源發電開始采用靈巧性直流輸電方式。而采用直流輸電的前提是直流電網要有一個穩定的輸電電壓。因此，三相永磁同步發電機采用逆變器PWM整流供電方式，變速運行時仍然能夠保持電壓恒定的發電系統開始得到應用。其逆變器部分一般采用常規的三相交-直-交變頻裝置，也有采用傳統的多相電機和多相變頻裝置。但是，常規的三相逆變器整流的大功率永磁同步電動機系統由于功率半導體器件的物理參數的限制，往往需要采用多個功率半導體器件并聯才能夠解決在一個三相橋臂上通過大電流的問題，或者采用多電平級聯結構解決一個三相橋臂上通過高電壓的問題。這樣就會引起系統的可靠性降低問題。多相系統可以降低同步電動機每一相繞組的電壓和電流的額定值，對于功率半導體器件的物理參數極限的要求可以降低。可以證明多相電機的基波磁勢是圓形旋轉磁勢而其空間高次諧波的磁勢隨著電機相數的增加可以被有效地消除。
假定傳統的多相電機的相數是m，某一相電流具有以下的數學表達式ik=2Icos(ωt-kπm);k=1,2...n----(1)]]>其中I是某相電流的有效值；ω是電源的角速度。
其某一相的基波脈振磁勢為fk=Fφ1cos(x-kπm)cos(ωt-kπm)----(2)]]>公式(2)中Fφ1=22πIwpkw1;]]>Fφ1是多相電機的每一相的基波磁勢；w是每一相繞組每一條并聯支路的串聯匝數；p是電機的極對數；kw1是基波繞組繞組系數。則傳統的多相電機基波總合成磁勢波是
f(x,t)=Σ0m-1Fφ1cos(x-kπm)cos(ωt-kπm)=m2Fφ1cos(x-ωt)----(3)]]>顯然基波合成磁場是一個圓形的旋轉磁勢波。
對于高次空間諧波而言，采用多相繞組可以有效地削弱高次諧波對電機的影響，假定多相電機的相數為m，可以證明，在繞組對稱的情況下和繞組空間角度為 的條件下，其基波與高次諧波的表達式如下v＝2km±1 (4)假定m＝12，則除了基波之外，其最低次數的諧波為-23次反轉諧波和+25次正轉諧波，即諧波次數低于23次的諧波幅值為零。
多相電機雖然對于空間諧波的抑制能力很強，但是由于多相電機的繞組連接方案一般采用星形接法，其多相繞組共同連接在一個中點上，其繞組共同中點的電流很大，發熱和局部電流不平衡的問題較為突出，影響了多相永磁同步電動機工作的可靠性。同時，常規的三相永磁同步電動機系統在控制策略上要比多相的永磁同步電動機系統的控制策略簡單許多。多相永磁同步電動機系統其控制的復雜性是隨著2m(m是多相電機的相數)而增加的。對于不同相數的多相永磁同步電動機，其控制方法的差異性很大，由于以上因素的影響，傳統的多相永磁同步電動機的應用受到了一定的限制。因此，尋找一種合成磁勢的效果與多相永磁同步電動機相同，克服多相同步電機的中點發熱與可靠性差的缺點，同時，控制算法的標準化好的新型多相永磁同步電動機的繞組結構是十分有意義的工作。
多相電機采用多個星形繞組所組成的多相整流后供電的同步發電機在船舶等獨立發電系統已經得到成功的應用，海軍工程大學的馬偉明等人研究了一種三相交流和多相整流同時供電的同步發電機。其中，該同步發電機的多相繞組是經過常規的橋式連接不可控整流器后給直流負載整流。由于整流多相同步發電機的定子電流的相位是由該相繞組在空間的位置所自發確定的，不需要進行人為的相位控制，因此，其僅需要通過調節轉子的勵磁電流，就可以調節定子電流的幅值大小。對于采用多個星形繞組所組成采用逆變器PWM整流供電的永磁同步發電機，情況則比采用多相整流后供電的同步發電機復雜得多。

發明內容
本發明涉及一種逆變器整流的多三相永磁同步發電機。該電機的定子繞組具有多組在電路上獨立的三相對稱繞組，這些對稱三相繞組的組與組之間僅有磁路的互相耦合關系，沒有電路上的直接聯系，對于每一組采用星形連接的三相繞組，都具有各自的獨立中性點，并且這些中性點在電路上互相隔離；對于每一組采用三角形連接的三相繞組而言，這些三相繞組在電路也是上互相隔離的。多三相永磁同步發電機定子繞組總的相數具有3的倍數特征，即該電動機的總相數為2×3相、3×3相、4×3相、5×3相、6×3相、7×3相、8×3相…n×3相(n＝2，3，4...，n為大于2的正整數)。對于具有獨立中點的多-三相電機其原型電機的示意圖參見說明書附圖1。對于具有多個角形接法多-三相電機其原型電機的示意圖參見說明書附圖2。在附圖中，電流的方向遵循電動機法則。
由于采用多個星形或者三角形繞組連接的多相逆變器整流的永磁同步電動機或者稱為多三相逆變器整流的永磁同步電動機需要采用多個星形或者多個三角形三相繞組的協同控制和存在互感耦合的解耦控制問題。因此多個星形或者三角形繞組連接的多相逆變器整流的永磁同步電動機的控制要比采用多個星形繞組所組成的多相整流后供電的同步發電機的控制復雜的多。但是，采用多相逆變器整流的永磁同步電動機由于采用多個星形或者三角形繞組連接，其繞組的連接方法更加靈活，可以采用多個星形中點，其多個星形中點在電路上是互相獨立的；也可以采用多個三角形繞組，此時沒有繞組的中點。該電機保留了多相電機的可靠性較高，采用了多三相繞組結構，可以有效的降低每一相的電壓和電流的額定值，對于功率半導體器件的物理參數極限的要求可以降低，同時克服了傳統多相電機星形接法所有的繞組都必須連接到一個中點上，中點的電流很大，發熱和局部電流不平衡的問題較為嚴重的問題。多三相永磁同步發電機控制方法與傳統多相永磁同步電動機相比較為簡單，同時，控制算法標準化程度高，其基本的被控制單元是每一個獨立的三相繞組，所有的獨立的三相繞組的控制算法都相同。從電機旋轉磁場產生的角度而言，無論是三相繞組、多相繞組、多三相繞組都可以產生旋轉磁場。
首先分析一種具有多-三相繞組的多三相永磁同步發電機。多-三相繞組同步電機顧名思義，就是具有多個獨立三相的同步電機，其幾何的特征是同步電機繞組的內部具有多個獨立中性點的Y接三相繞組或多個獨立的△接三相繞組，其每一個獨立三相繞組內部，幾何關系與常規三相繞組完全相同，每相之間的相位差均為對稱120°。相鄰的三相繞組之間，其對應相的相位差是π/(n×3)、或者0≤β＜π/(n×3)。其多三相的每一組獨立三相的相鄰繞組對應的相位差的選取原則主要是①消除特定次諧波；②便于繞組在電機定子內的空間排布。如果對于以消除空間高次諧波作為繞組相位差主要確定因素時，相位差等于π/(n×3)時，消除空間高次諧波的范圍比較寬。為了便于分析起見，本發明中，分別討論多個獨立的Y接三相繞組所組成的多三相繞組系統，和多個獨立的角形接法三相繞組所組成的多三相繞組。
本發明的優點①采用本發明后，多三相永磁同步發電機與現有的傳統多相技術異步電機相比較，由于采用了多個獨立中點的星形繞組或者多個獨立的三角形繞組，與傳統的多相電機相比較，克服了多相電機中點接線復雜、可靠性降低、中點發熱等缺點。具有接線比較簡單、繞組可靠性高等特點。②采用本發明后，永磁同步發電機系統的可靠性可以得到有效的提高。由于采用多組獨立三相系統運行方式，當某一相的元件發生故障時，可以退出運行，而其他獨立三相系統仍然可以保持正常運行狀態。這樣，系統的運行的可靠性得到了有效的提高。
多三相永磁同步發電機合成磁勢我們首先對多三相永磁同步發電機的基波合成磁勢的性質進行理論分析。
假定該原型電機有m＝n×3相繞組，對于標準3相、6相雙Y，9相3Y，12相4Y，....，n＝1，2，3，4，...；對于標準3相單△角形接法、6相雙△角形接法，9相3△角形接法，12相4△角形接法，n＝1，2，3，4，....。在每一個三相繞組內部有電的聯接，而獨立三相繞組之間沒有電氣連接只有磁場的聯系。
首先分析，多-三相電機的旋轉磁勢建立過程，假定某一個獨立三相的激勵電源的基波電流具有以下的數學表達式iak=2Icos(ωt-kπm)iak=2Icos(ωt-kπm-π3)iak=2Icos(ωt-kπm+π3)----(5)]]>某一個獨立三相繞組的磁勢幅值是Fφ，交流電的角頻率是ω，在氣隙表面的某一點其坐標為x，則交流電流在該獨立三相的內部各相產生的脈振磁勢的表達式為fak(x,t)=Fφ1cos(x-kπm)cos(ωt-kπm);k=0,1,2,...n-1----(6)]]>
fbk(x,t)=Fφ1cos(x-kπm-2π3)cos(ωt-kπm-2π3);----(7)]]>fck(x,t)=Fφ1cos(x-kπm+2π3)cos(ωt-kπm+2π3);----(8)]]>注意公式中的Fφ1的定義與公式(2)中的定義相同。
則多三相繞組的基波總合成磁勢為每一個獨立三相的總磁勢疊加，即把公式(2)、(3)、(4)相加，然后再將每一個獨立三相的磁勢進行總的求和運算，具有下列的表達方式f(x,t)=Σ0n-1[fak(x,t)+fbk(x,t)+fck(x,t)]----(9)]]>可以從數學上證明公式(5)可以進一步簡化為f(x,t)=3·n2Fφ1cos(x-ωt)=m2Fφcos(x-ωt)----(10)]]>顯然在依靠合適的激勵電源后，新型多三相電機的合成磁勢與傳統多相電動機的基波合成磁勢在形式上完全相同，均為幅值為 旋轉角速度為ω的旋轉磁勢波。
可以證明，多三相永磁同步發電機的空間諧波合成磁勢與傳統多相電機的空間諧波合成磁勢有相同的變化規律。其證明步驟如下，仍然假定某一個獨立三相的激勵電源的基波電流具有公式(5)的數學表達式。
某一個獨立三相繞組的v次諧波的脈振磁勢幅值是Fv，交流電的角頻率是ω，在氣隙表面的某一點其坐標為x，則交流電流在該獨立三相的內部各相產生的v次空間諧波的脈振磁勢的表達式為fvak(x,t)=Fφvcos[v(x-kπm)]cos(ωt-kπm);k=0,1,2,....n-1----(11)]]>fvbk(x,t)=Fφvcos[v(x-kπm-2π3)]cos(ωt-kπm-2π3);----(12)]]>fvck(x,t)=Fφvcos[v(x-kπm+2π3)]cos(ωt-kπm+2π3);----(13)]]>其中，Fφv=22πIwvpkwv]]>則多三相繞組的v次諧波總合成磁勢為每一個獨立三相的v次諧波合成磁勢疊加，即把公式(8)、(9)、(10)相加，然后再將每一個獨立三相的v次諧波合成磁勢進行總的求和運算，具有下列的表達方式fv(x,t)=Σ0n-1[fvak(x,t)+fvbk(x,t)+fvck(x,t)]----(14)]]>可以從數學上證明公式(14)的諧波次數也可以同樣表示為v＝2k(3×n)±1＝2km±1，假定n＝4；m＝3×n＝12，則除了基波之外，其最低次數的諧波為-23次反轉諧波和+25次正轉諧波，即諧波次數低于23次的諧波幅值也為零。
對于三角形繞組結構，同樣也可以得到相同的結論。
因此，新型多三相永磁同步發電機的合成磁勢與傳統多相同步電機的基波合成磁勢在形式上完全相同，在相同的相電流的有效值激勵下，其磁勢的均為幅值為 旋轉角速度為ω的旋轉磁勢波。同時，其削弱高次空間諧波的能力也與傳統多相永磁同步電動機相同。因此，采用多三相永磁同步發電機在保留傳統多相電機的優點的基礎上，具有分散中點，或無中點結構，控制標準化程度高。
多三相永磁同步發電機的整流電源特點由于多三相永磁同步發電機的繞組的特殊結構，其整流電源也必須按照一定的規律運行。首先獨立三相激勵電源的數目必須與獨立三相繞組的數目相同，即獨立三相電源的數目也必須等于n。其次當采用正弦激勵時，其獨立三相的基波電流表達式應當符合式(5)，獨立電源的三相之間相位差是120電角度，相鄰的獨立電源之間的相位差是π/(3×n)。其電流的幅值應當相等，當采用逆變器整流時，每一個獨立三相電源是一個三相橋式逆變器，獨立逆變器內部的相位差是120°，獨立逆變器之間的相位差與同步電機的相鄰三相的對應空間角度分布相對應，也是π/m。其激勵電源的拓撲示意圖可以參見說明書附圖3。激勵電流的標么值和其波形的相位差參見說明書附圖4。采用與多三相永磁同步發電機同軸聯接有旋轉編碼器或者該電機采用其他能夠反映同步電機轉子位置和速度的傳感器來實時測量多三相永磁同步發電機轉子的旋轉角度和速度，其轉子旋轉角度是做為同步信號給多三相逆變器的控制系統。做為外部激勵電源的電壓、電流同步基準信號。


圖1多個三角形繞組的多三相永磁同步發電機。電機的定子為多個三角形繞組，電機定子合成磁勢波f(x，t)的旋轉電角速度為ω，電機的轉子采用永磁體進行勵磁。
圖2多個星形繞組的多三相永磁同步發電機。電機的定子為多個星形繞組，電機定子合成磁勢波f(x，t)的旋轉電角速度為ω，電機的轉子采用永磁體進行勵磁。
圖3多三相永磁同步發電機整流激勵電源的拓撲示意圖。圖3是4×3相電動機定子逆變器示意圖，其他的n×3相的逆變器結構與該圖類似，其區別在在于獨立三相逆變器的組數不同。首先逆變器包括的獨立三相激勵電源的數目必須與定子獨立三相繞組的個數相同，即獨立三相電源的數目也必須等于n。其次當逆變器采用正弦激勵時，其每一個獨立三相的基波電流表達式應當符合式(5)。逆變器每一組獨立電源的三相之間相位差是120°電角度，相鄰的獨立電源之間的相位差是π/(3×n)或者與繞組的空間實際分布角度相同，其每一相電流的幅值應當相等，當采用逆變器供電時，每一組獨立三相電源是一個三相橋式逆變器。采用交-直發電方式圖中的直流電壓源，可以認為是一個直流負載，通常是通過逆變方式與交流電網連接的直流輸電系統。
圖4多三相永磁同步電機激勵電源的電流標么波形圖。其電流的數值采用的是標么值，在額定點，電流的幅值為1。
圖5多三相永磁同步發電機槽電勢星形圖
具體實施例方式說明書附圖5是多三相永磁同步發電機的一個實施例。附圖5是多三相系統中，采用了4×3相定子繞組的槽電勢星形圖。從槽電勢星形圖上可以看出，4×3相系統中包括了4組三相對稱繞組，本實施例中，同步電動機的定子槽數Z＝72，磁極數2p＝6，每極每相槽數q＝1，極距τ＝12，由于多相電機功率一般較大采用雙層繞組比較普遍，本實施例也可以采用單層繞組。繞組節距可以采用整距繞組y＝τ，也可以采用短距繞組y=56τ=10]]>(槽)。相鄰獨立三相繞組之間的空間電角度是180°/(4×3)＝15°。多三相永磁同步發電機的相繞組的首端分別標記為A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4，C1、C2、C3、C4；末端標記為X1、X2、X3、X4，Y1、Y2、Y3、Y4，Z1、Z2、Z3、Z4。與標準三相電動機類似，多三相永磁同步發電機的繞組可以串聯連接，也可以并聯連接，串并聯的規則與標準三相電動機相同。多三相永磁同步發電機可以連接成為4個星形接法，當連接為星形接法時，有4個獨立中點，可以采用內部連接方式，以減少外部接線。同樣多三相永磁同步發電機可以連接成為4個三角形接法，此時無中點，也可以采用內部連接方式，以減少外部接線。顯然，多三相永磁同步發電機由于采用分散中點或無中點方式，在繞組可靠性方面要優于傳統的12相共同中點的多相永磁同步電動機。
權利要求
1.一種逆變器整流的永磁同步發電機，其特征在于a、該電機的定子繞組具有多組在電路上獨立的三相對稱繞組，這些對稱三相繞組的組與組之間僅有磁路的互相耦合關系，沒有電路上的直接聯系，對于每一組采用星形連接的三相繞組，都具有各自的獨立中性點，并且這些中性點在電路上互相隔離，對于每一組采用三角形連接的三相繞組而言，這些三相繞組在電路也是上互相隔離的，多三相永磁同步發電機定子繞組總的相數具有3的倍數特征，即該發電機的總相數為2×3相、3×3相、4×3相、5×3相、6×3相、7×3相、8×3相…n×3相(n＝2，3，4…，n為大于2的正整數)；b、對于n個獨立三相繞組，其相鄰兩個三相繞組在空間的位移電角度可以采用位移360°/(n×3)、180°/(n×3)、或者0≤β＜180°/(n×3)。
2.根據權利要求1所述的逆變器供電的多三相永磁同步發電機，其特征在于該電機是由多三相逆變器供電的，所謂多三相逆變器是指逆變器的總相數也具有3的倍數特征，即該逆變器的總相數為2×3相、3×3相、4×3相、5×3相、6×3相、7×3相、8×3相…n×3相(n＝2，3，4…，n為大于2的正整數)，并且多三相永磁同步發電機與多三相逆變器的總相數相等。
3.根據權利要求1所述的逆變器供電的多三相永磁同步發電機，其特征在于所述的定子多三相繞組的結構為雙層或單層，短距或整距。
4.根據權利要求1所述的逆變器供電的多三相永磁同步發電機，其特征在于電機同軸聯接有旋轉編碼器或者該電機采用其他能夠反映電機永磁轉子位置和速度的傳感器來實時測量永磁轉子的旋轉角度和速度。
全文摘要
本發明涉及一種逆變器供電的多三相永磁同步發電機。該電機的定子繞組具有多組在電路上獨立的三相對稱繞組，這些對稱三相繞組的組與組之間僅有磁路的互相耦合關系，沒有電路上的直接聯系，對于每一組采用星形連接的三相繞組，都具有各自的獨立中性點；對于每一組采用三角形連接的三相繞組而言，這些三相繞組在電路也是上互相隔離的。多三相永磁同步發電機定子繞組總的相數具有3的倍數特征，即該電動機的總相數為2×3相、3×3相、4×3相、5×3相、6×3相、7×3相、8×3相…n×3相(n＝2，3，4...)。多三相永磁同步發電機是由多三相逆變器進行PWM整流進行發電的，該逆變器是多相逆變器的一種特殊的結構組合。
文檔編號H02K21/12GK1705211SQ20041001031
公開日2005年12月7日 申請日期2004年5月31日 優先權日2004年5月31日
發明者王曉雷 申請人:中原工學院