CN113285651B - 一种多相电源变换为单相电源的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多相电源变换为单相电源的装置及方法，包括输入绕组和单相电压输出绕组；输入绕组设置于多相交流电机的定子上；输入绕组至少为三相绕组；输入绕组的相数与多相电源的相数相同；单相电压输出绕组包括设于定子上的定子输出绕组和设于转子上的转子输出绕组；定子输出绕组，用于当输入绕组接入所述多相电源，输入绕组和所述单相电压输出绕组产生合成旋转磁场，在合成旋转磁场的作用下向负载提供单相电源。可见，本发明中，仅通过在交流电机上设置输入绕组、定子输出绕组和转子输出绕组，利用三种绕组产生的合成磁场使得定子输出绕组产生单相电压，实现了多相电源变换为单相电源，且可靠性高。

Description

一种多相电源变换为单相电源的装置及方法

技术领域

本发明涉及电磁装备中电源的相数变换技术领域，特别是涉及一种多相电源变换为单相电源的装置及方法。

背景技术

现代电力系统供电制式主要是以三相制式为主，用户最易获得的电源制式是三相电源或利用三相电源中的某一相作为单相电源。因此，工业中的用电装备也主要以三相或单相用电装备为主，如工业、农业生产等交流电气传动领域，使用最为广泛的驱动电机主要以三相电机为主，而家用电器由于居民用电主要以单相电源为主，而且供电企业对居民提供的供电线路也绝大部分仅提供了单相电源，所用家用电器主要是单相电源供电。

通常采用取三相公用电力系统中的一相作为单相电源，通过负荷的用电概率近似相等来平衡三相负荷的不对称问题。然而通过该方法却难以保证三相负荷的完全对称，甚至会在三相公用电力系统中引起严重的负序分量，影响到系统的安全运行，并在用电设备中产生较大的负序损耗。另外，现有的通过电力电子技术实现相数的变换需要进行复杂的整流和逆变过程，而且为了减少谐波的影响，还需要设置相关的滤波装置。该技术的基本原理是通过对电流或电压进行面积等效切割组合，易对系统引入谐波，同时该技术是基于电力电子器件，其稳定性和过载能力均受到限制。因此，现有实现多相电源变换为单相电源输出的技术存在一定的缺陷，导致供电可靠性低。针对上述问题，本发明提出了一种多相电源变换为单相电源的装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种多相电源变换为单相电源的装置及方法，通过在多相交流电机上设置输入绕组和单相电压输出绕组，利用输入绕组和单相电压输出绕组产生磁场，并在该磁场的作用下能够使得单相电压输出绕组中的定子输出绕组产生单相电压，实现多相电源变换为单相电源，并且该变换方式可靠性高。

为实现上述目的，本发明提供了一种多相电源变换为单相电源的装置，包括输入绕组和单相电压输出绕组；

所述输入绕组，设置于多相交流电机的定子上，用于接入多相电源的电能；

所述输入绕组至少为三相绕组；所述输入绕组的相数与所述多相电源的相数相同；

所述单相电压输出绕组设于定子上的定子输出绕组；

所述定子输出绕组，用于当所述输入绕组接入所述多相电源，所述输入绕组和所述单相电压输出绕组产生合成旋转磁场，在所述合成旋转磁场的作用下向负载提供单相电源。

本发明还提供了一种多相电源变换为单相电源的方法，包括：

利用输入绕组产生第一旋转磁场；

利用单相电压输出绕组产生第二旋转磁场；

将所述第一旋转磁场、所述第二旋转磁场合成，得到合成旋转磁场；

利用所述合成旋转磁场切割所述单相电压输出绕组的定子输出绕组产生单相输出电压；所述单相输出电压为所述多相电源的输出。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明涉及一种多相电源变换为单相电源的装置及方法，其中，装置包括输入绕组和单相电压输出绕组；输入绕组设置于多相交流电机的定子上；并且所述输入绕组至少为三相绕组；输入绕组的相数与多相电源的相数相同；单相电压输出绕组包括设于定子上的定子输出绕组和设于转子上的转子输出绕组；定子输出绕组，用于当输入绕组接入多相电源，输入绕组和单相电压输出绕组产生合成旋转磁场，在合成旋转磁场的作用下向负载提供单相电源。可见，本发明中，仅通过在多相交流电机上设置输入绕组、定子输出绕组和转子输出绕组，利用输入绕组、定子输出绕组和转子输出绕组产生的相应磁场使得定子输出绕组产生单相电压。不需要复杂的整流、逆变装置和控制算法以及相关的滤波装置，还具有较强的过载能力，保证了多相电源变换为单相电源的装置的可靠性。另外，该种多相电源到单相电源的变换方式，还可以为电力系统民用单相配电的对称性供电布置提供新的方案，更易保障电源负荷的对称性，从而减少系统中由于负荷不对称而引起的负序问题，消除利用多相供电系统对在单相负荷系统供电而引起的负荷不对称问题(如电力机车牵引供电系统)，消除负荷不对称引起的负序电流，进一步说明多相对称电源变换为单相电源的变换方式具备可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施案例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明本实施例1提供的一种多相电源变换为单相电源的装置结构示意图；

图2为本发明本实施例1提供的输入绕组为三相绕组时，三相绕组的Y型连接示意图；

图3为本发明本实施例1提供的定子输出绕组为两相绕组时，两相绕组的连接示意图；

图4为本发明本实施例1提供的定子输出绕组为单相绕组时，单相绕组的连接示意图；

图5为本发明本实施例2提供的一种多相电源变换为单相电源的方法流程图；

图6为本发明本实施例2提供的定子输出绕组为单相绕组，转子输出绕组为三相绕组时的磁场示意图；

图7为本发明本实施例2提供的通入转子三相对称绕组中的电流曲线图；

图8为本发明本实施例2提供的定子上三相绕组的感应动势示意图；

图9为本发明本实施例2提供的定子上单相绕组的感应动势示意图；

图10为本发明本实施例2提供的定子上三相绕组中流入的电流曲线图；

图11为本发明本实施例2提供的定子上单相绕组中流入的电流曲线图。

符号说明：

1：输入绕组；2：定子输出绕组；3：转子输出绕组；4：定子；5：转子。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种多相电源变换为单相电源的装置及方法，通过在多相交流的电机上设置输入绕组和单相电压输出绕组，利用输入绕组和单相电压输出绕组产生磁场，并在该磁场的作用下能够使得单相电压输出绕组中的定子输出绕组产生单相电压，实现多相电源变换为单相电源，并且该变换方式可靠性高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

请参阅图1，一种多相电源变换为单相电源的装置，包括输入绕组1和单相电压输出绕组2；

所述输入绕组1，设置于多相交流电机的定子4上，用于接入多相电源的电能；

所述输入绕组至少为三相绕组；所述输入绕组的相数、所述多相交流电机的相数与所述多相电源的相数相同；相数可以是三相、四相、五相、六相、七相、八相、九相等等；

输入绕组在电机定子4空间上均匀对称分布，即绕组间的空间夹角电角度为360/(相数)度，若为三相对称绕组，则绕组轴线间互差120度电角度；若为四相绕组，绕组轴线间互差90度电角度；若为五相电机，绕组轴线间互差72度电角度(电角度的定义见戈宝军、梁艳萍、陶大军编著并由高等教育出版社于2020年出版的《电机学》，ISBN：9787040535297)。

如图2所示，以输入绕组1为三相绕组为例，给出了三相绕组采用Y型(星形连接)连接方式，当然三相绕组也可以采用三角形连接方式。这里不做任何限定。图2中，

分别为A1、B1、C1三相绕组中的感应电动势；

为三相电源向三相绕组输入的电源线电压；r₁、x_1σ分别为三相绕组的电阻和漏抗值；

分别为三相绕组的线电流。

所述单相电压输出绕组2包括设于定子4上的定子输出绕组2和设于转子5上的转子输出绕组3；

所述定子输出绕组2，用于当所述输入绕组1接入所述多相电源，所述输入绕组1和所述单相电压输出绕组产生合成旋转磁场，在所述合成旋转磁场的作用下向负载提供单相电源。

在交流电机的定子4上设置了两套绕组，其中一套为输入绕组1，作为多相电源的输入绕组，类似于变压器的一次侧输入绕组，而另一套为单相电压输出绕组，作为多相电源的输出绕组，类似于变压器的二次侧输出绕组，接入单相设备负载，并且单相电压输出绕组包括两部分，一部分是设于定子4上的定子输出绕组2，一部分是设于转子5上的转子输出绕组3。对于单相电压输出绕组，本实施例给出了有两种设计方式。

第一种方式是将定子输出绕组2设为两相绕组，而对于转子输出绕组3可以采用感应电机的笼型转子或同步电机的永磁转子或电励磁转子的励磁绕组结构。当转子5采用同步电机的直流励磁绕组，可以实现对合成磁场的控制，从而达到对系统无功功率进行控制的作用。所以说，本实施例的装置不仅可以实现多相电源到单相电源的变换，还可以通过对转子输出绕组3励磁电流的控制，实现调节电源无功功率的作用。如图3所示，定子输出绕组2为两相绕组的连接示意图；图中

分别为A2、B2两相绕组中的感应电动势；

为输出的单相电源电压；r₂、x_2σ分别为两相绕组的电阻和漏抗值；x_C为B2相绕组串联的电容；

分别为两相并联绕组的电流。

在第一种方式下，转子5可以自由旋转，转子5可以接入机械负载或机械原动机，也可以不接入机械负载。如果在转子轴上接入原动机或机械负载，还可以具有电动机的功能和发电机的功能。另外，转子5的极数可以是2极，4极，6极等，根据需求设定。

需要说明的是，两相绕组中，要求其中的一相绕组串联一个电容后再与另一相绕组并联连接，这样能够使两相绕组的轴线在空间互差90度电角度。另外，还要求两相绕组的线圈匝数相同。

第二种是将定子输出绕组2设为单相绕组，同时将转子输出绕组3设为三相绕组，在这种方式下，需要使交流电机的转子5处于静止状态。如图4所示，定子输出绕组2为单相绕组的连接示意图；图中

为A3单相绕组中的感应电动势；

为输出的单相电源电压；r₃、x_3σ为单相绕组的电阻和漏抗值；

为单相输出绕组的电流。

需要注意的是，图1给出的示意图仅是以三相电源变换为单相电源为例，输入绕组1(三相绕组)和定子输出绕组2(设为两相绕组)的布置示意图。当多相电源为其他相数电源时，直接将三相绕组替换为对应相数的绕组即可。输入绕组1和定子输出绕组2轴线的相对空间位置可以根据实际需要布置。

在本实施例中，利用电磁感应定律和旋转磁场构建理论，通过在交流电机上设置两套绕组，实现多相电源到单相电源的变换。基于该装置进行的多相电源到单相电源的变换，相对基于电力电子技术，其过载和抗冲击能力仅受电机绕组绝缘热效应限制，其过载能力和抗冲击能力更强，对一些强冲击性负载应用场合具有优势，且变换后的电源波形具有高度的正弦性。

特别说明的是，本实施例的装置除了可以实现多相电源到单相电源的变换，还可以实现单相电源到多相电源的变换。具体做法就是把单相电压输出绕组作为输入绕组，而输入绕组则作为单相电压输出绕组。

实施例2

如图5所示，本实施例提供了一种多相电源变换为单相电源的方法，包括：

步骤S1：利用输入绕组1产生第一旋转磁场；

其中，步骤S1具体包括：

将所述输入绕组1接入多相电源，所述输入绕组1与所述多相电源形成回路，在所述输入绕组1中产生多相对称电流，依据旋转磁场理论，形成所述第一旋转磁场。

步骤S2：利用单相电压输出绕组产生第二旋转磁场；

考虑到单相电压输出绕组存在两种方式，不同方式有不同的产生第二旋转磁场的方式，上述的两种方式可以根据实际需求作出选择，下面将单独作出说明。

第一种方式下，步骤S2具体包括：

设置所述定子输出绕组2为两相绕组并联方式，其中一相绕组串联电容后与另一相绕组并联；

将所述定子输出绕组2与负载形成回路，所述定子输出绕组2中产生相位互差90度电角度的两个电流，依据所述旋转磁场理论，形成第一定子旋转磁场；

设置所述单相电压输出绕组中的转子输出绕组3为感应电机的笼型转子或同步电机的永磁转子或电励磁转子的励磁绕组结构；

利用所述励磁绕组的励磁方式形成第一转子旋转磁场；所述第二旋转磁场包括所述第一定子旋转磁场和所述第一转子旋转磁场。

第二种方式下，步骤S2具体包括：

设置所述定子输出绕组2为单相绕组；

将所述定子输出绕组2与负载形成回路，所述定子输出绕组2中产生电流，依据所述旋转磁场理论，形成第二定子旋转磁场；

设置所述单相电压输出绕组中的转子输出绕组3为三相绕组；

保持转子5静止状态并对所述转子输出绕组3接入与所述输入绕组1相序相反的对称电流，转子输出绕组3依据所述旋转磁场理论产生第二转子旋转磁场；

利用所述第二转子旋转磁场抵消所述第二定子旋转磁场中的负序旋转磁场，得到所述第二定子旋转磁场的正序旋转磁场，即第二旋转磁场。如图6所示，给出了定子输出绕组2为单相绕组，转子输出绕组3为三相绕组时产生的磁场分布情况；图中，Fr为静止状态下转子三相绕组中形成的反向旋转磁场磁动势幅值，F_单-是定子单相绕组中产生的反向旋转负序磁场，F_单+是单相绕组中的正序旋转磁场。

步骤S3：将所述第一旋转磁场、所述第二旋转磁场合成，得到合成旋转磁场；

步骤S4：利用所述合成旋转磁场切割所述单相电压输出绕组的定子输出绕组2产生单相输出电压；所述单相输出电压为所述多相电源的输出。

为了使本领域技术人员能够清楚的理解本发明方案，以三相电源变换为单相电源为例进行说明：

在三相交流电机的上设置一套电源输入的三相绕组和一套用于电源输出的绕组。三相输入绕组1的布置方式与工业用电机三相绕组的布置方式一致，单相电压输出绕组可以有两种方式，以下分别进行说明：

方式一具体实现相数变换过程是：

1)输入绕组1为三相对称绕组，对三相对称绕组接入三相对称电源，三相对称绕组绕组与电源形成回路，在三相对称绕组内会有三相对称电流流过，从而形成旋转磁场F_3合(第一旋转磁场)，其幅值可由式(1)确定，其中F_φ1为单相绕组磁动势的幅值，θ_s为电机空间机械电角度，ω为电源频率，t为电源变换的时间；

2)定子输出绕组2由两相绕组组成，两相绕组具有相同匝数的布置方式，两相绕组的轴线在空间互差90度电角度，其中一相绕组中串入电容后与另一相绕组采用并联方式进行对外输出电能，两相绕组与负载形成回路，在两相绕组内会有电流流过，通过电容x_C的移相作用，使

与

大小相等，相位差90度电角度，从而形成合成磁场F_2合(第一定子旋转磁场)，其幅值可由式(2)确定；

F_2合＝F_φ1cos(θ_s-ωt)                     (2)

3)电机定子4内的两个旋转磁场，再加上转子5的旋转磁场(第二定子旋转磁场)，电机内的三个磁场形成合成磁场，该合成磁场分别切割定子4上三相绕组(输入绕组)和定子4上的两相绕组(输出绕组)，将在定子4上的三相绕组内产生感应电动势

在定子4上的两相绕组中产生感应电动势

三相绕组中的感应电动势作为三相电源的负载与三相电源平衡，吸收三相电源电能，实现接入三相电源；两相绕组产生的两个感应电动势并联后作为输出电源与负载平衡，向负载提供单相电源，从而把电源由三相变换为单相电源。

方式二具体实现相数变换过程是：

1)输入绕组1为三相对称绕组，产生第一旋转磁场的过程与方式一中的1)相同，在此不再赘述。

2)定子输出绕组2由单相绕组组成，单相绕组与负载形成回路，在绕组内会有电流流过，从而形成脉振磁场F_单(第二定子旋转磁场)，其幅值可由式(3)确定；

F_单＝F_单++F_单-                          (3)

式(3)中F_单+是单相绕组中的正序旋转磁场，F_单-是定子单相绕组中产生的反向旋转负序磁场，其分别为：

转子输出绕组3设为三相对称绕组，同时使转子5处于静止状态，通过对转子5上的三相对称绕组输入与定子4上的三相绕组相序相反的对称电流，如图7所示，I_RA：通入转子5上三相对称绕组中A相的电流曲线；I_RB：通入转子5上三相对称绕组中B相的电流曲线；I_RC：通入转子5上三相对称绕组中C相的电流曲线；图中的横坐标表示时间，纵坐标表示电流值，使转子5上三相绕组中产生反向旋转磁场F_r，并使F_r＝-F_单+，抵消定子4上单相绕组中产生的反向旋转负序磁场F_单-(第二转子旋转磁场)，(如图6所示)，从而使单相绕组中仅有正序旋转磁场F_单+(第二旋转磁场)。

3)将第一旋转磁场和第二旋转磁场合成得到合成磁场，该合成磁场分别切割定子4上的三相绕组和定子4上的单相绕组，将在定子4上的三相绕组内产生感应电动势

如图8所示，E_WA：定子4上三相绕组中A相绕组的感应电动势；E_WB：定子4上三相绕组中B相绕组的感应电动势；E_WC：定子4上三相绕组中C相绕组的感应电动势。在定子4上单相绕组中产生感应电动势

如图9所示，E_WS：定子4上单相绕组中的感应电动势。三相绕组中的感应电动势作为输入电源的负载与输入电源平衡，吸收电源电能，如图10所示，I_WA：定子4上三相绕组中A相绕组中流入的电流曲线；I_WB：定子4上三相绕组中B相绕组中流入的电流曲线；I_WC：定子4上三相绕组中C相绕组中流入的电流曲线。单相绕组产生的感应电动势作为输出电源与负载平衡，向负载输出电源，如图11所示，I_WS：定子4上单相绕组中流入的电流值，从而把电源由三相变换为单相电源。

本实施例中，电机定子4内的两个旋转磁场，再加上转子5的旋转磁场，电机内的三个磁场形成合成磁场，该磁场分别切割定子多相输入绕组1和定子输出绕组2，在多相绕组和单相电压输出绕组中均产生感应电动势。多相绕组中的感应电动势作为输入电源的负载，接入多相电源，而定子输出绕组2感应电动势作为输出电源，向负载输出单相电源，从而完成电源由多相电源变换为单相电源，实现多相电源到单相电源的变换功能。基于电磁感应原理中的旋转磁场被绕组切割理论实现相数变换，与利用电力电子技术的整流和逆变技术原理不同。并且本方法仅实现多相电源到单相电源的变换，不改变电源频率。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种多相电源变换为单相电源的方法，其特征在于，所述方法基于多相电源变换为单相电源的装置实现，多相电源变换为单相电源的装置包括输入绕组和单相电压输出绕组；所述输入绕组，设置于多相交流电机的定子上，用于接入多相电源的电能；所述输入绕组至少为三相绕组，所述输入绕组的相数与所述多相电源的相数相同；所述单相电压输出绕组包括设于定子上的定子输出绕组和设于转子上的转子输出绕组；所述定子输出绕组，用于当所述输入绕组接入所述多相电源，所述输入绕组和所述单相电压输出绕组产生合成旋转磁场，在所述合成旋转磁场的作用下向负载提供单相电源；

所述方法包括：

利用输入绕组产生第一旋转磁场；

所述利用所述输入绕组产生的第一旋转磁场，具体包括：

将所述输入绕组接入多相电源，所述输入绕组与所述多相电源形成回路，在所述输入绕组中产生多相对称电流，依据旋转磁场理论，形成所述第一旋转磁场；

利用单相电压输出绕组产生第二旋转磁场；

所述利用所述单相电压输出绕组产生第二旋转磁场，具体包括：

设置所述定子输出绕组为两相绕组并联方式，其中一相绕组串联电容后与另一相绕组并联；

将所述定子输出绕组与负载形成回路，所述定子输出绕组中产生相位互差90度电角度的两个电流，依据所述旋转磁场理论，形成第一定子旋转磁场；

设置所述单相电压输出绕组中的转子输出绕组为感应电机的笼型转子或同步电机的永磁转子或电励磁转子的励磁绕组结构；

利用所述励磁绕组的励磁方式形成第一转子旋转磁场；所述第二旋转磁场包括所述第一定子旋转磁场和所述第一转子旋转磁场；

将所述第一旋转磁场、所述第二旋转磁场合成，得到合成旋转磁场；

利用所述合成旋转磁场切割所述单相电压输出绕组的定子输出绕组产生单相输出电压；所述单相输出电压为所述多相电源的输出。

2.一种多相电源变换为单相电源的方法，其特征在于，所述方法基于多相电源变换为单相电源的装置实现，多相电源变换为单相电源的装置包括输入绕组和单相电压输出绕组；所述输入绕组，设置于多相交流电机的定子上，用于接入多相电源的电能；所述输入绕组至少为三相绕组，所述输入绕组的相数与所述多相电源的相数相同；所述单相电压输出绕组包括设于定子上的定子输出绕组和设于转子上的转子输出绕组；所述定子输出绕组，用于当所述输入绕组接入所述多相电源，所述输入绕组和所述单相电压输出绕组产生合成旋转磁场，在所述合成旋转磁场的作用下向负载提供单相电源；

所述方法包括：

利用输入绕组产生第一旋转磁场；

所述利用所述输入绕组产生的第一旋转磁场，具体包括：

将所述输入绕组接入多相电源，所述输入绕组与所述多相电源形成回路，在所述输入绕组中产生多相对称电流，依据旋转磁场理论，形成所述第一旋转磁场；

利用单相电压输出绕组产生第二旋转磁场；

所述利用所述单相电压输出绕组产生第二旋转磁场，具体包括：

设置所述定子输出绕组为单相绕组；

将所述定子输出绕组与负载形成回路，所述定子输出绕组中产生电流，依据所述旋转磁场理论，形成第二定子旋转磁场；

设置所述单相电压输出绕组中的转子输出绕组为三相绕组；

保持转子静止状态并对所述转子输出绕组接入与所述输入绕组相序相反的对称电流，转子输出绕组依据所述旋转磁场理论产生第二转子旋转磁场；

利用所述第二转子旋转磁场抵消所述第二定子旋转磁场中的负序旋转磁场，得到所述第二定子旋转磁场的正序旋转磁场，即第二旋转磁场；

将所述第一旋转磁场、所述第二旋转磁场合成，得到合成旋转磁场；

利用所述合成旋转磁场切割所述单相电压输出绕组的定子输出绕组产生单相输出电压；所述单相输出电压为所述多相电源的输出；

所述第二定子旋转磁场的正序旋转磁场，即第二旋转磁场。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述定子输出绕组为两相绕组，所述转子输出绕组采用感应电机的笼型转子或同步电机的永磁转子或电励磁转子的励磁结构。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述两相绕组中的一相绕组串联电容后与另一相绕组并联连接。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述两相绕组的线圈匝数相同。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述定子输出绕组为单相绕组，所述转子输出绕组为三相绕组。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述转子输出绕组为所述三相绕组时，转子保持静止状态。

Images