三相正弦波電壓供電的異步電機的準(zhǔn)方波磁場運行方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電機運行技術(shù)，旨在提供一種三相正弦波電壓供電的異步電機的準(zhǔn)方波磁場運行方法。該方法是使異步電機的定子和/或轉(zhuǎn)子齒部最大磁密運行于深度飽和狀態(tài)，以產(chǎn)生呈準(zhǔn)方波分布的氣隙磁場。所述的準(zhǔn)方波是指：假設(shè)方波平頂?shù)姆禐?，則方波的頂部在≥120°的范圍內(nèi)具有幅度變化在0.7～1.0范圍內(nèi)的準(zhǔn)平坦部分；同時，在180°的其他部分內(nèi)，即在準(zhǔn)平坦部分的左右兩側(cè)各≤30°內(nèi)從準(zhǔn)平坦部分的邊緣單調(diào)地下降到零。本發(fā)明的有益效果是：當(dāng)磁場波形變成準(zhǔn)方波時，有磁密提高、波形改變、諧波轉(zhuǎn)矩這三個因數(shù)使異步電機的出力和效率得以提高。
【專利說明】三相正弦波電壓供電的異步電機的準(zhǔn)方波磁場運行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電機運行技術(shù)，特別涉及一種由三相正弦波電壓供電的異步電機的運行方式。
【背景技術(shù)】
[0002]異步電機是國民經(jīng)濟中用得最多的電機。它是由正弦波電壓供電，在電機內(nèi)產(chǎn)生正弦波旋轉(zhuǎn)磁場使電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而工作的。異步電機其內(nèi)部磁場感生的電壓必須與外部供電電壓平衡，因此磁場感生的電壓也必須為正弦波。所以，目前異步電機的磁場皆呈正弦分布。
[0003]異步電機的繞組常采用分布繞組、短距繞組、斜槽等措施使得內(nèi)部磁場盡可能不偏離正弦波，即磁場中5、7、…等高次諧波的含量盡可能小，就是使磁場的基波幅值占磁場幅值的近于100%。附圖1虛線代表接近于正弦分布的、頂部有一小段平坦波形的電機氣隙磁場感生電壓的波形，實線代表其中的基波分量，基波幅值非常接近于虛線幅值。要使電機內(nèi)部磁場成正弦分布則要求電機定子三相繞組能提供正弦波激磁電流，而且要求電機磁路基本上處于線性狀態(tài)，即磁路鐵心的最大磁密處于臨界飽和狀態(tài)或非飽和區(qū)，而不宜處于臨界飽和狀態(tài)以上，更不能處于深度飽和狀態(tài)。
[0004]汪槱生等人在中國專利“異步電機的供電方法”(專利號ZL 2006 I 00498811.1)中曾說明，若用方波電壓供電，在異步機內(nèi)產(chǎn)生方波或準(zhǔn)方波旋轉(zhuǎn)磁場，則可以提高電機的出力。本發(fā)明將提供一種解決方案，表明通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，即便由正弦波電壓供電，也可以在電機內(nèi)產(chǎn)生準(zhǔn)方波旋轉(zhuǎn)磁場使電機提高出力和效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的問`題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種三相正弦波電壓供電的異步電機的準(zhǔn)方波磁場運行方法。
[0006]為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是:
[0007]提供一種三相正弦波電壓供電的異步電機的準(zhǔn)方波磁場運行方法，就是使異步電機的定子和/或轉(zhuǎn)子齒部最大磁密運行于深度飽和狀態(tài)，以產(chǎn)生呈準(zhǔn)方波分布的氣隙磁場；
[0008]所述的準(zhǔn)方波是指:假設(shè)方波平頂?shù)姆禐?，則方波的頂部準(zhǔn)平坦部分寬度>120°，在此范圍內(nèi)具有幅度變化在0.7~1.0范圍內(nèi)的準(zhǔn)平坦部分；同時，在180°的其他部分內(nèi)，即在準(zhǔn)平坦部分的左右兩側(cè)各< 30°內(nèi)從準(zhǔn)平坦部分的邊緣單調(diào)地下降到零。
[0009]本發(fā)明中，所述異步電機的三相繞組是下述接法中的任意一種:三相繞組接成星形接法，而且星形中點不與電網(wǎng)中點相連接；或者，三相繞組接成三角形，且在每相繞組中不感生三次諧波電壓或在每相繞組中外加3次諧波電流抑制電路，使3次諧波電流不會流通。
[0010]本發(fā)明中，所述三相正弦波電壓供電是由電網(wǎng)供電，或者是變頻器變頻調(diào)速供電。[0011 ] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0012]當(dāng)磁場波形變成準(zhǔn)方波時，有三個因數(shù)使異步電機的出力和效率得以提高。
[0013]第一個因數(shù)，磁密提高:當(dāng)定子磁密從臨界飽和上升到深度飽和時磁通增加，譬如從1.5T增加到1.75T，如果波形不變(即仍為正弦波)則磁場感生的電壓按比例提高，從
1.5V 提高至Ij 1.75V,即提高了 1.75/1.5=1.167 倍。
[0014]第二個因數(shù)，波形改變:在深度飽和的準(zhǔn)方波磁場感生的電壓波形中基波的幅值為準(zhǔn)方波幅值的Cl倍，Cl大概等于1.15?1.22，即繞組每匝中基波感生電壓的幅值比上述第一個因數(shù)下感生的電壓1.167倍還要高約15?22%，故繞組每匝感生的基波電壓將進一步提高1.167X (1.15?1.22)=1.342?1.423倍。在一定供電電壓下每匝感生電壓的提高表示匝數(shù)可以減少，在同樣槽面積下導(dǎo)線可以加粗，匝數(shù)減少和導(dǎo)線加粗使電阻成平方關(guān)系減小，這樣使得電機的出力和效率得以提聞。
[0015]第三個因數(shù)，諧波轉(zhuǎn)矩:由于準(zhǔn)方波磁場中除基波外還含有3、5、7等高次諧波，這些高次諧波與基波同轉(zhuǎn)向、同轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場的同步速有轉(zhuǎn)差時，這些諧波將切割轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生諧波電流，引起諧波轉(zhuǎn)矩，使電機出力增加。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為正弦磁場感生的電壓波形和基波分量示意圖。
[0017]圖2為方波磁場感生的電壓波形和基波分量示意圖。
[0018]圖3為本發(fā)明中準(zhǔn)方波磁場感生的電壓波形和基波分量示意圖。
[0019]圖4為磁化曲線的非飽和區(qū)(準(zhǔn)線性區(qū))、臨界飽和區(qū)、飽和區(qū)和深度飽和區(qū)。
【具體實施方式】
[0020]中國專利“異步電機的供電方法”(專利號ZL 2006100498811.1)指出，異步電機的磁場改成方波或準(zhǔn)方波時它的出力和效率會比正弦波時有所提高。方波供電電壓可以產(chǎn)生方波磁場。附圖2中虛線代表方波磁場感生的電壓，實線代表其中的基波分量?；ǚ禐榉讲ǚ档?/Ji (=1.273)倍，以Cl代表兩者的比值，即Cl=L 273。本發(fā)明中將說明在一定條件下正弦波電壓供電也能在電機內(nèi)產(chǎn)生準(zhǔn)方波磁場，從而提高電機的出力和效率。[0021 ] 本發(fā)明中，三相正弦波電壓供電的異步電機的準(zhǔn)方波磁場運行方法，是使異步電機的定子和/或轉(zhuǎn)子齒部最大磁密運行于深度飽和狀態(tài)，以產(chǎn)生呈準(zhǔn)方波分布的氣隙磁場；所說的準(zhǔn)方波是指:方波的頂部寬度在> 120°的范圍內(nèi)具有幅度變化在0.7?1.0范圍內(nèi)(取平頂?shù)姆禐镮)的準(zhǔn)平坦部分、同時在180°的其他部分內(nèi)，即在準(zhǔn)平坦部分的左右兩側(cè)各< 30°內(nèi)從準(zhǔn)平坦邊緣單調(diào)地下降到零。
[0022]本發(fā)明中，要求電機三相繞組接成星形接法，而且星形中點不與電網(wǎng)中點相連接，如果接成三角形接法則要每相繞組中不感生三次諧波電壓或在每相中外加3次諧波電流抑制電路，使3次諧波電流不會流通。
[0023]例如，附圖3表示準(zhǔn)方波的一個個例，它的平頂寬為150°、平頂幅度從平頂兩側(cè)的0.7平滑上升到中央的1.0，它的兩側(cè)各15°范圍內(nèi)從平頂邊緣的0.7單調(diào)地下降到零。這種準(zhǔn)方波的Cl值大概等于1.15?1.22左右，略小于1.273但大于1，即它所含基波幅值約為準(zhǔn)方波幅值的1.15?1.22倍左右。要使正弦波電壓供電時能在電機內(nèi)部產(chǎn)生準(zhǔn)方波磁場只要使鐵齒的最大磁密處于深度飽和狀態(tài)。附圖3就是平常電機在正弦波電壓供電下提高它的鐵心飽和程度后氣隙磁場變成準(zhǔn)方波的波形。要使鐵心齒部飽和只要設(shè)計電機定子和轉(zhuǎn)子兩者或其中的任一者的齒部最大磁密處于深度飽和狀態(tài)。
[0024]本發(fā)明中，所述非飽和區(qū)，就是磁化曲線的高斜率的初始準(zhǔn)線性區(qū)段，見附圖4。對現(xiàn)用的電機硅鋼片而言，非飽和區(qū)大概磁密為O?1.4左右Tesla的區(qū)段。
[0025]本發(fā)明中，所述臨界飽和區(qū)，就是通常所說的磁化曲線的“膝部”，也就是磁化曲線的高斜率的初始準(zhǔn)線性非飽和區(qū)段與低斜率的準(zhǔn)平坦區(qū)段之間的過渡區(qū)段，如附圖4所示，對現(xiàn)用的電機硅鋼片而言，臨界飽和磁密大概為1.5T左右。
[0026]本發(fā)明中，所述飽和區(qū)，就是磁化曲線的臨界飽和之上的低斜率的準(zhǔn)平坦區(qū)段，如附圖4中所示。對現(xiàn)用的電機硅鋼片而言，飽和磁密大概為1.5T以上。
[0027]本發(fā)明中，所述深度飽和區(qū)，就是飽和區(qū)段中的最后部分，使電機齒部磁場最大強度達到臨界飽和時的4?5倍以上的區(qū)域，磁化曲線斜率近于零。它也就是使磁場分布能夠達到上述準(zhǔn)方波狀態(tài)的磁密。對現(xiàn)用的電機硅鋼片而言，深度飽和磁密大概為1.7T以上。
[0028]上述發(fā)明從理論上講是利用了鐵磁材料的非線性現(xiàn)象，產(chǎn)生了改變磁場波形的效應(yīng)，使定子的正弦波激磁電流產(chǎn)生含有3、5、7等次諧波的準(zhǔn)方波磁場。同時由于電機繞組采用星形接法使定子每相繞組中不會出現(xiàn)3次諧波電流，相鄰兩相串聯(lián)形成的線繞組中不會出現(xiàn)3次諧波電壓，而且利用分布繞組、短距繞組使準(zhǔn)方波磁場中的5、7等高次諧波基本上不在定子繞組中感生5、7等次諧波電壓，因此上述準(zhǔn)方波磁場在定子繞組中感生的線電壓能與由電網(wǎng)加在繞組端的正弦波線電壓基本平衡。
[0029]具體實施案例:
[0030]我們設(shè)計了 一臺由三相、380V、正弦波電壓供電的4極、準(zhǔn)方波磁場的異步電動機，它的定子總槽數(shù)為48槽，每極每相4個槽，定子繞組為短距分布繞組，線圈跨距為第I到第11槽，即線圈跨度Y為10個槽。對基波的繞組系數(shù)Kdpl=0.9250，對第5、7、11、13次諧波的繞組系數(shù)分別為
[0031]Kdp5=0.053145 ；
[0032]Kdp7=0.04078 ；
[0033]Kdpll=0.12178 ；
[0034]Kdp 13=0.12178 ；
[0035]電動機的三相繞組接成星形接法。齒部最大磁密設(shè)計為1.7?1.STesla,已處于深度飽和狀態(tài)。此電機磁場感生電壓波形按設(shè)計大體如附圖3所示。
【權(quán)利要求】
1.三相正弦波電壓供電的異步電機的準(zhǔn)方波磁場運行方法，其特征在于，是使異步電機的定子和/或轉(zhuǎn)子齒部最大磁密運行于深度飽和狀態(tài)，以產(chǎn)生呈準(zhǔn)方波分布的氣隙磁場； 所述的準(zhǔn)方波是指:假設(shè)方波平頂?shù)姆禐?，則方波的頂部在> 120°的范圍內(nèi)具有幅度變化在0.7?1.0范圍內(nèi)的準(zhǔn)平坦部分；同時，在180°的其他部分內(nèi)，即在準(zhǔn)平坦部分的左右兩側(cè)各< 30°內(nèi)從準(zhǔn)平坦部分的邊緣單調(diào)地下降到零。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述異步電機的三相繞組是下述接法中的任意一種: 三相繞組接成星形接法，而且星形中點不與電網(wǎng)中點相連接；或者， 三相繞組接成三角形，且每相繞組中不感生三次諧波電壓，或在每相中外加3次諧波電流抑制電路，使3次諧波電流不會流通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述三相正弦波電壓供電是由電網(wǎng)供電，或者是變頻器變頻調(diào)速供電。
【文檔編號】H02P21/00GK103701381SQ201310672278
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月8日
【發(fā)明者】汪槱生, 徐曉亮 申請人:汪槱生