三相正弦波電壓供電的異步電機的準方波磁場運行方法
2023-05-02 04:14:06 1
三相正弦波電壓供電的異步電機的準方波磁場運行方法
【專利摘要】本發明涉及電機運行技術，旨在提供一種三相正弦波電壓供電的異步電機的準方波磁場運行方法。該方法是使異步電機的定子和/或轉子齒部最大磁密運行於深度飽和狀態，以產生呈準方波分布的氣隙磁場。所述的準方波是指：假設方波平頂的幅值為1，則方波的頂部在≥120°的範圍內具有幅度變化在0.7～1.0範圍內的準平坦部分；同時，在180°的其他部分內，即在準平坦部分的左右兩側各≤30°內從準平坦部分的邊緣單調地下降到零。本發明的有益效果是：當磁場波形變成準方波時，有磁密提高、波形改變、諧波轉矩這三個因數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方波磁場運行方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電機運行技術，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】
[0002]異步電機是國民經濟中用得最多的電機。它是由正弦波電壓供電，在電機內產生正弦波旋轉磁場使電機轉子旋轉而工作的。異步電機其內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]異步電機的繞組常採用分布繞組、短距繞組、斜槽等措施使得內部磁場儘可能不偏離正弦波，即磁場中5、7、…等高次諧波的含量儘可能小，就是使磁場的基波幅值佔磁場幅值的近於100%。附圖1虛線代表接近於正弦分布的、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，基波幅值非常接近於虛線幅值。要使電機內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於線性狀態，即磁路鐵心的最大磁密處於臨界飽和狀態或非飽和區，而不宜處於臨界飽和狀態以上，更不能處於深度飽和狀態。
[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，在異步機內產生方波或準方波旋轉磁場，則可以提高電機的出力。本發明將提供一種解決方案，表明通過適當的設計，即便由正弦波電壓供電，也可以在電機內產生準方波旋轉磁場使電機提高出力和效率。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的問`題是，克服現有技術中的不足，提供一種三相正弦波電壓供電的異步電機的準方波磁場運行方法。
[0006]為解決技術問題，本發明的解決方案是:
[0007]提供一種三相正弦波電壓供電的異步電機的準方波磁場運行方法，就是使異步電機的定子和/或轉子齒部最大磁密運行於深度飽和狀態，以產生呈準方波分布的氣隙磁場；
[0008]所述的準方波是指:假設方波平頂的幅值為1，則方波的頂部準平坦部分寬度>120°，在此範圍內具有幅度變化在0.7~1.0範圍內的準平坦部分；同時，在180°的其他部分內，即在準平坦部分的左右兩側各< 30°內從準平坦部分的邊緣單調地下降到零。
[0009]本發明中，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]本發明中，所述三相正弦波電壓供電是由電網供電，或者是變頻器變頻調速供電。[0011 ] 與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0012]當磁場波形變成準方波時，有三個因數使異步電機的出力和效率得以提高。
[0013]第一個因數，磁密提高:當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，波形改變:在深度飽和的準方波磁場感生的電壓波形中基波的幅值為準方波幅值的Cl倍，Cl大概等於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可以減少，在同樣槽面積下導線可以加粗，匝數減少和導線加粗使電阻成平方關係減小，這樣使得電機的出力和效率得以提聞。
[0015]第三個因數，諧波轉矩:由於準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向、同轉速，當轉子轉速與磁場的同步速有轉差時，這些諧波將切割轉子，在轉子上產生諧波電流，引起諧波轉矩，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為本發明中準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(準線性區)、臨界飽和區、飽和區和深度飽和區。
【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。基波幅值為方波幅值的4/Ji (=1.273)倍，以Cl代表兩者的比值，即Cl=L 273。本發明中將說明在一定條件下正弦波電壓供電也能在電機內產生準方波磁場，從而提高電機的出力和效率。[0021 ] 本發明中，三相正弦波電壓供電的異步電機的準方波磁場運行方法，是使異步電機的定子和/或轉子齒部最大磁密運行於深度飽和狀態，以產生呈準方波分布的氣隙磁場；所說的準方波是指:方波的頂部寬度在> 120°的範圍內具有幅度變化在0.7?1.0範圍內(取平頂的幅值為I)的準平坦部分、同時在180°的其他部分內，即在準平坦部分的左右兩側各< 30°內從準平坦邊緣單調地下降到零。
[0022]本發明中，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表示準方波的一個個例，它的平頂寬為150°、平頂幅度從平頂兩側的0.7平滑上升到中央的1.0，它的兩側各15°範圍內從平頂邊緣的0.7單調地下降到零。這種準方波的Cl值大概等於1.15?1.22左右，略小於1.273但大於1，即它所含基波幅值約為準方波幅值的1.15?1.22倍左右。要使正弦波電壓供電時能在電機內部產生準方波磁場只要使鐵齒的最大磁密處於深度飽和狀態。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後氣隙磁場變成準方波的波形。要使鐵心齒部飽和只要設計電機定子和轉子兩者或其中的任一者的齒部最大磁密處於深度飽和狀態。
[0024]本發明中，所述非飽和區，就是磁化曲線的高斜率的初始準線性區段，見附圖4。對現用的電機矽鋼片而言，非飽和區大概磁密為O?1.4左右Tesla的區段。
[0025]本發明中，所述臨界飽和區，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線性非飽和區段與低斜率的準平坦區段之間的過渡區段，如附圖4所示，對現用的電機矽鋼片而言，臨界飽和磁密大概為1.5T左右。
[0026]本發明中，所述飽和區，就是磁化曲線的臨界飽和之上的低斜率的準平坦區段，如附圖4中所示。對現用的電機矽鋼片而言，飽和磁密大概為1.5T以上。
[0027]本發明中，所述深度飽和區，就是飽和區段中的最後部分，使電機齒部磁場最大強度達到臨界飽和時的4?5倍以上的區域，磁化曲線斜率近於零。它也就是使磁場分布能夠達到上述準方波狀態的磁密。對現用的電機矽鋼片而言，深度飽和磁密大概為1.7T以上。
[0028]上述發明從理論上講是利用了鐵磁材料的非線性現象，產生了改變磁場波形的效應，使定子的正弦波激磁電流產生含有3、5、7等次諧波的準方波磁場。同時由於電機繞組採用星形接法使定子每相繞組中不會出現3次諧波電流，相鄰兩相串聯形成的線繞組中不會出現3次諧波電壓，而且利用分布繞組、短距繞組使準方波磁場中的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，因此上述準方波磁場在定子繞組中感生的線電壓能與由電網加在繞組端的正弦波線電壓基本平衡。
[0029]具體實施案例:
[0030]我們設計了 一臺由三相、380V、正弦波電壓供電的4極、準方波磁場的異步電動機，它的定子總槽數為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。對基波的繞組係數Kdpl=0.9250，對第5、7、11、13次諧波的繞組係數分別為
[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。齒部最大磁密設計為1.7?1.STesla,已處於深度飽和狀態。此電機磁場感生電壓波形按設計大體如附圖3所示。
【權利要求】
1.三相正弦波電壓供電的異步電機的準方波磁場運行方法，其特徵在於，是使異步電機的定子和/或轉子齒部最大磁密運行於深度飽和狀態，以產生呈準方波分布的氣隙磁場； 所述的準方波是指:假設方波平頂的幅值為1，則方波的頂部在> 120°的範圍內具有幅度變化在0.7?1.0範圍內的準平坦部分；同時，在180°的其他部分內，即在準平坦部分的左右兩側各< 30°內從準平坦部分的邊緣單調地下降到零。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，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.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述三相正弦波電壓供電是由電網供電，或者是變頻器變頻調速供電。
【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 優先權日:2013年12月8日
【發明者】汪槱生, 徐曉亮 申請人:汪槱生