一种长定子直线电机定子段并联供电连接电路及其开关切换方法

1.本发明涉及属于电机领域，具体涉及一种长定子直线电机定子段并联供电连接电路及其开关切换方法。


背景技术：

2.直线电机相较于旋转电机，具有结构简单、反应速度快、跟踪效果好的优点，可广泛应用于直线驱动领域，如磁悬浮列车、电磁推进加速系统、车辆高速碰撞测试系统、航空航天等高速载运系统的零部件地面测试系统等。通常直线电机分长电枢直线电机和短电枢直线电机两类，短电枢直线电机的代表应用是中低速磁悬浮列车，通过弓网或第三轨将地面的直流电传输到车辆上，电压电流和频率变换后为车载电枢供电，驱动列车运行。长电枢直线电机的典型应用是高速磁悬浮列车系统，如德国tr系列磁悬浮列车、日本超导磁悬浮列车等，长电枢定子布置在地面的轨道上，地面变流器输出的交流电通过开关馈入电枢绕组，地面电枢的总长度就是列车线路轨道的长度。长定子电枢直线电机动子(布置在列车下部)远比固定在轨道的定子电枢短，如果将定子全部通电，有效区域所占比例非常小，效率很低、功率因数很小，对供电变流器容量要求高、造价昂贵。通常在应用时将带电枢的电机长定子进行分段，每段称为定子段。地面变流器输出的交流电通过馈电电缆、切换开关，然后馈入定子段。在电机动子附近的定子段进行供电，其余定子段不供电，根据电机动子的移动过程给相应定子段切换供电。这样可以有效提高系统效率、降低单个变流器电压和电流等级。
3.目前常用的直线电机定子段供电方式有串联供电方式和并联供电方式两种。串联供电方式是，多台沿线路布置的定子段的电枢绕组通过开关和中间母线串联联接起来，然后接入供电变流器；驱动电机动子运行时，控制连接定子段的开关顺序闭合或断开，变流器以交替切换的方式为顺序布置的定子段供电。每切换一次时，就把电机动子离开的定子段断电、电机动子所在的定子段或电机动子即将进入的定子段通电。这种定子段串联的供电方式要求变流器系统的电压等级很高、串联在一起的电机定子电枢绕组的耐压水平、开关的耐压水平、馈电电缆的耐压水平等都很高，使用的馈电电缆、开关的数量很多，当串联在一起的一个定子段或一组开关出现故障，一串定子段都要退出工作，容错性较差。文献《一种考虑电流过零的直线电机分段供电策略》(张明元[j]海军工程大学学报,2019,31(04):11-16)将分段串联供电的直线电机应用于快速电磁驱动系统中。中国发明专利cn 110912493 a《用于感应直线电机的分段供电系统》提出一种改进的串联供电连接方式，通过增加供电母排，减少切换开关数量。
[0004]
并联供电方式是数台沿线路布置的直线电机定子段的电枢绕组通过开关直接接入变流器的输出端，以交替的方式为顺序布置的直线电机定子段供电。并联供电方式中，单个变流器的电压等级低，即使有一个定子段切换失败，其余定子段仍可以正常运行，容错性高。此供电方式相较于串联供电，在大功率、高速度电磁驱动场合具有更大优势。
[0005]
通常的并联供电方式定子绕组中性点独立，开关通常采用高压、大电流的晶闸管组成，并联供电可采用过零关断策略。但是，当一相电流过零，该相断开时，电路发生变化，其余相电流发生波形改变，电流产生畸变，不再按照原有关断顺序依次关断，导致关断时间变长。在开通时至少两相开通，电路回路才有电流，无法做到单独开通一相电路，电流超调量增加，电流谐波增多，难以实现独立控制各相电路开通时刻从而减少电流超调、降低切换过程中产生的大量谐波。同时，对变流器输出电压、电机绕组容许电流要求较高，系统成本较大。


技术实现要素：

[0006]
本发明目的是提出一种长定子直线电机定子段并联供电连接电路及其开关切换方法，解决定子段并联供电直线电机在与定子段连接的开关切换时，每关断上一定子段开关过程中电流发生畸变，闭合下一定子段开关过程中电流有冲击，定子段切换供电过程中电流断续的问题。
[0007]
为实现上述目的，本发明采用如下方案：
[0008]
一种长定子直线电机定子段并联供电连接电路，其包括变流器、直线电机定子段、直线电机动子、馈入电缆、切换开关和连接电缆，将长定子直线电机定子电枢分成多个直线电机定子段，每个直线电机定子段连接一组切换开关，然后通过馈入电缆接到为直线电机定子段供电的变流器输出端；直线电机定子段供电运行时，将直线电机动子所在的直线电机定子段和直线电机动子即将进入的直线电机定子段的切换开关闭合，变流器为这些直线电机定子段供电；将直线电机动子刚离开的直线电机定子段和没有进入的直线电机定子段的切换开关断开，变流器不为这些直线电机定子段供电；当直线电机动子长度小于或者等于一个直线电机定子段长度时，至少相邻的两段直线电机定子段同时供电；当直线电机动子长度大于一段直线电机定子段、小于或者等于两段直线电机定子段时，至少连续的三段直线电机定子段同时供电；当直线电机动子长度大于二段直线电机定子段、小于或者等于三段直线电机定子段时，至少连续的四段直线电机定子段同时供电，依次类推。
[0009]
进一步地，所述长定子直线电机为长定子电枢直线异步电机或长定子电枢直线同步电机。
[0010]
进一步地，所述长定子直线电机为单边结构形式的电机或双边结构形式的电机。
[0011]
进一步地，同时供电的直线电机定子段接入同一个变流器输出端，或将同时供电的多个直线电机定子段接入两台或多台不同的变流器输出端。
[0012]
进一步地，将由同一变流器供电、并且按顺序通电断电的定子段的中性点相连接，直线电机定子段沿运行方向按顺序编号，即：相邻两个直线电机定子段同时供电情况，将并联接入同一个变流器的1#、3#、5#
···
(2m1 1)#定子段中性点连接在一起，将并联接入同一个变流器的2#、4#、6#
···
(2m1 2)#定子段中性点连接在一起；连续的三个定子段同时供电情况，将并联接入同一个变流器的1#、4#、7#
···
(3m1 1)#定子段中性点连接在一起，将并联接入同一个变流器的2#、5#、8#
···
(3m1 2)#定子段中性点连接在一起，将并联接入同一个变流器的3#、6#、9#
···
(3m1 3)#定子段中性点相连接；连续的四个定子段同时供电情况，将并联接入同一个变流器的1#、5#、9#
···
(4m1 1)#定子段中性点连接在一起，将并联接入同一个变流器的2#、6#、10#
···
(4m1 2)#定子段中性点连接在一起，将
3#、7#、11#
···
(4m1 3)#定子段中性点相连接，将并联接入同一个变流器的4#、8#、12#
···
(4m1 4)#定子段中性点连接在一起，依次类推，m1为自然数。
[0013]
本发明还提供一种长定子直线电机定子段并联供电连接电路的开关切换方法，其根据直线电机动子的位置确定所要供电的直线电机定子段，在直线电机动子移动过程中，变流器交替给直线电机定子段供电时，在直线电机动子离开某一直线电机定子段时，发送关断信号给与该直线电机定子段连接的各相双向晶闸管，根据每一相电流过零关断的先后顺序，同时依次开通与下一个直线电机定子段相连接的每一相开关，完成切换。
[0014]
本发明的有益效果是：本发明提出一种并联连接在同一变流器供电线下的直线电机定子段之间的中性点相连接的电路，采用上一定子段电流过零关断同时开通下一定子段的切换方法，减少切换时关断上一定子段过程中电流畸变、开通下一定子段过程中电流有冲击、切换全程中电流断续的问题。
附图说明
[0015]
图1为本发明的分段供电双边直线电机驱动结构图；
[0016]
图2为本发明的单个变流器为相邻两直线电机定子段并联供电连接电路示意图；
[0017]
图3为本发明的两个变流器为相邻两直线电机定子段并联供电连接电路示意图；
[0018]
图4为本发明的单个变流器为相邻三个直线电机定子段并联供电连接电路示意图；
[0019]
图5为本发明的三个变流器为相邻三个直线电机定子段并联供电连接电路示意图；
[0020]
图6为本发明的两个变流器为双三相直线电机相邻两定子段并联供电连接电路示意图；
[0021]
图7为本发明的单个定子段电流波形示意图；
[0022]
图8为本发明的变流器全程电流波形图。
[0023]
图中，1变流器1#，2变流器2#，3变流器3#，10变流器1#输出电缆、11变流器2#输出电缆，20、21、22、23、24、25
……
m按顺序排列的直线电机定子段1#、2#、3#、4#、5#、6#
……
m1#，100直线电机动子，30、31、32、33、34、35
……
n1按顺序排列的馈入电缆，40、41、42、43、44、45
……
n2按顺序排列的切换开关，50、51、52、53、54、55
……
n3按顺序排列的连接电缆，60定子段的中点连接电缆1，60’定子段的中点连接电缆2、61定子段的中点连接电缆3，61'定子段的中点连接电缆4，62定子段的中点连接电缆5，m、m1、n1、n2、n3为自然数。
具体实施方式
[0024]
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明，所举实施只用于解释本发明，不限定本发明的范围。
[0025]
如图1所示的分段供电双边直线电机驱动结构图。以直线电机动子100的长度小于一段定子段为例，由于直线电机动子100最多同时与两段定子耦合，因此需要两段定子同时通电才能使得直线电机定子段与直线电机动子100之间的耦合磁场保持恒定。其包括变流器1#1、变流器2#2、按顺序排列的直线电机定子段1#、2#、3#、4#、5#、6#
……
m1#20、21、22、23
……
m、直线电机动子100、按顺序排列的馈入电缆30、31、32、33
……
n1、按顺序排列的切
换开关40、41、42、43
……
n2和按顺序排列的连接电缆50、51、52、53
……
n3。将长定子直线电机定子电枢分成多个直线电机定子段20、21、22、23
……
m，每个直线电机定子段连接一组切换开关，然后通过相应的变流器1#输出电缆10、变流器2#输出电缆11接到为直线电机定子段供电的变流器输出端，其中m代表直线电机定子段的m1#。优选的，同时供电的定子段可以接入同一个变流器输出端，也可将同时供电的多个定子段接入两台或多台不同的变流器输出端。供电运行时，将直线电机动子所在的定子段和直线电机动子即将进入的定子段的切换开关闭合，变流器为这些定子段供电；将直线电机动子刚离开的定子段和没有进入的定子段的切换开关断开，变流器不为这些定子段供电。供电定子段数根据直线电机动子与单个定子段长度之间长度关系确定。当直线电机动子长度小于或者等于一个定子段长度时，至少相邻的两段定子段同时供电；当直线电机动子长度大于一段定子段、小于或者等于两段定子段时，至少连续的三段定子段同时供电；当直线电机动子长度大于二段定子段、小于或者等于三段定子段时，至少连续的四段定子段同时供电，依次类推。
[0026]
根据直线电机动子的位置确定所要供电的定子段，在直线电机动子移动过程中，变流器交替给定子段供电时，在直线电机动子离开某一定子段时，发送关断信号给与该定子段连接的各相双向晶闸管，根据每一相电流过零关断的先后顺序，同时依次开通与下一个定子段相连接的每一相开关，完成切换。
[0027]
需要说明的是，直线电机动子长度和直线电机定子段长度关系可以根据直线电机系统变流器输出电压、电流、频率以及电机动子运行速度确定。
[0028]
应理解，在多变流器并联供电时，所需多变流器数是可选的，如直线电机动子长度大于一个定子段长度，小于两个定子段长度，同时定子段数为三个，可以选择三个变流器同时为三个定子段供电，也可以选择四个变流器同时为四个定子段供电，根据实际所需进行选择，定子段间的中性点连接方式不变。
[0029]
可选的，所述长定子直线电机定子段并联供电连接电路采用单变流器供电，定子段通过切换开关全部连接在1个变流器上。相邻两个定子段同时供电时，将1#、3#、5#
···
(2m1 1)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起，将2#、4#、6#
···
(2m1 2)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起；连续的三个定子段同时供电时，将1#、4#、7#
···
(3m1 1)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起，将2#、5#、8#
···
(3m1 2)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起，将3#、6#、9#
···
(3m1 3)#定子段中性点通过中点连接电缆连接；连续的四个定子段同时供电时，将1#、5#、9#
···
(4m1 1)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起，将2#、6#、10#
···
(4m1 2)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起，将3#、7#、11#
···
(4m1 3)#定子段中性点通过中点连接电缆连接，将4#、8#、12#
···
(4m1 4)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起，m1为自然数，依次类推。
[0030]
可选的，所述长定子直线电机定子段并联供电并联供电连接电路采用多变流器供电，相邻两个定子段同时供电时，采用两个变流器供电，将1#、3#、5#
···
(2m1 1)#定子段通过各自的切换开关全部连接在变流器1#，并将所述的1#、3#、5#
···
(2m1 1)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起，将2#、4#、6#
···
(2m1 2)#定子段通过各自的切换开关全部连接在变流器2#，并将所述的2#、4#、6#
···
(2m1 2)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起；连续的三个定子段同时供电时，采用三个变流器供电，将1#、4#、7#
···
(3m1 1)#定子段通过各自的切换开关全部连接在变流器1#1，并将所述的1#、4#、7#
···
(3m1 1)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起，将2#、5#、8#
···
(3m1 2)#定子段通过各自的切换开关全部连接在变流器2#2，并将所述的2#、5#、8#
···
(3m1 2)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起，将3#、6#、9#
···
(3m1 3)#定子段通过各自的切换开关全部连接在变流器3#，并将所述的3#、6#、9#
···
(3m1 3)#定子段中性点通过中点连接电缆连接；连续的四个定子段同时供电时，采用四个变流器供电，将1#、5#、9#
···
(4m1 1)#定子段通过各自的切换开关全部连接在变流器1#，并将所述的1#、5#、9#
···
(4m1 1)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起，将2#、6#、10#
···
(4m1 2)#定子段通过各自的切换开关全部连接在变流器2#，并将所述的2#、6#、10#
···
(4m1 2)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起，将3#、7#、11#
···
(4m1 3)#定子段通过各自的切换开关全部连接在变流器3#，并将所述的3#、7#、11#
···
(4m1 3)#定子段中性点通过中点连接电缆连接，将4#、8#、12#
···
(4m1 4)#定子段通过各自的切换开关全部连接在变流器4#，并将所述的4#、8#、12#
···
(4m1 4)#定子段中性点通过中点连接电缆连接在一起，m1为自然数，依次类推。
[0031]
图2为本发明的单个变流器为相邻两直线电机定子段并联供电连接电路示意图。所述直线电机定子段20、21、22、23
……
m通过连接电缆50、51、52、53
……
n3连接到各自的切换开关40、41、42、43
……
n2，切换开关40、41、42、43
……
n2通过馈入电缆30、31、32、33
……
n1全部连接在1个变流器1#1的输出端。相邻两个直线电机定子段同时供电情况，将1#、3#、5#
···
(2m1 1)#定子段中性点通过定子段的中点连接电缆1 60连接在一起，将2#、4#、6#
···
(2m1 2)#定子段中性点通过定子段的中点连接电缆3 61连接在一起，m、m1、n1、n2为自然数。
[0032]
图3为本发明的两个变流器给相邻两直线电机定子段并联供电连接电路示意图，对于多变流器供电系统，相邻两个定子段同时供电时，采用两个变流器1#1和变流器2#2供电，将1#、3#、5#
···
(2m1 1)#定子段通过连接电缆50、52、
……
(n3-1)连接到各自的切换开关40、42、
……
(n2-1)，切换开关40、42、
……
(n2-1)通过馈入电缆30、32、
……
(n1-1)全部连接在变流器1#1，并将所述的1#、3#、5#
···
(2m1 1)#定子段中性点通过定子段的中点连接电缆160连接在一起；将2#、4#、6#
···
(2m1 2)#定子段通过连接电缆51、53、
……
n3连接到各自的切换开关41、43、
……
n2，切换开关41、43、
……
n2通过馈入电缆31、33、
……
n1全部连接在变流器#2 2，并将所述的2#、4#、6#
···
(2m1 2)#定子段中性点通过定子段的中点连接电缆3 61连接在一起，m1、n1、n2、n3为自然数。
[0033]
图4为本发明的单个变流器为相邻三个直线电机定子段并联供电连接电路示意图。所述直线电机定子段20、21、22、23
……
m通过连接电缆50、51、52、53
……
n3连接到各自的切换开关40、41、42、43
……
n2，切换开关40、41、42、43
……
n2通过馈入电缆30、31、32、33
……
n1全部连接在1个变流器1#1的输出端。连续的三个定子段同时供电情况，将1#、4#、7#
···
(3m1 1)#定子段中性点通过定子段的中点连接电缆1 60连接在一起，将2#、5#、8#
···
(3m1 2)#定子段中性点通过定子段的中点连接电缆3 61连接在一起，将3#、6#、9#
···
(3m1 3)#定子段中性点通过定子段的中点连接电缆5 62相连接，m、m1、n1、n2为自然数，依次类推。
[0034]
图5为本发明的三个变流器为相邻三个直线电机定子段并联供电连接电路示意
图。连续的三个定子段同时供电，采用三个变流器供电时，将1#、4#、7#
···
(3m1 1)#定子段通过连接电缆50、53、
……
n3-2连接到各自的切换开关40、43、
……
(n2-2)，切换开关40、43、
……
(n2-2)通过馈入电缆30、33、
……
(n1-2)全部连接在变流器1#1，并将所述的1#、4#、7#
···
(3m1 1)#定子段的中性点通过定子段的中点连接电缆160连接在一起；将2#、5#、8#
···
(3m1 2)#定子段通过连接电缆51、54、
……
(n3-1)连接到各自的切换开关41、44、
……
(n2-1)，切换开关41、44、
……
(n2-1)通过馈入电缆31、34、
……
(n1-1)全部连接在变流器2#2,并将所述的2#、5#、8#
···
(3m1 2)#定子段中性点通过定子段的中点连接电缆3 61连接在一起；将3#、6#、9#
···
(3m1 3)#定子段通过连接电缆52、55、
……
n3连接到各自的切换开关42、45、
……
n2，切换开关42、45、
……
n25通过馈入电缆32、35、
……
n1全部连接在变流器3#，并将所述的3#、6#、9#
···
(3m1 3)#定子段中性点通过定子段的中点连接电缆5 62相连接，m、m1、n1、n2、n3为自然数。
[0035]
可选地，在一些实施例中，直线电机可以为多相电机，如双三相电机，中性点连接电路如图6所示，两变流器并联供电连接电路的直线电机定子段绕组中性点连接方式，变流器1#为1#、3#、5#
···
(2m1 1)#定子段20、22、24
……
(m-1)供电，将1#、3#、5#
···
(2m1 1)#定子段20、22、24
……
(m-1)的双中性点通过定子段的中点连接电缆1、2 60、60’分别相连接；2#变流器2为2#、4#、6#
···
(2m1 2)#定子段21、23、25
……
m供电，将2#、4#、6#
···
(2m1 2)#定子段21、23、25
……
m的双中性点通过定子段的中点连接电缆3、461、61’分别相连接，m、m1为自然数。
[0036]
可选地，在一些实施例中，直线电机可以为长定子电枢直线异步电机、也可以是长定子电枢直线同步电机，或长定子电枢的其他形式的直线电机。长定子直线电机可以是单边结构形式的电机，也可以是双边结构形式的电机。
[0037]
图7为单个定子段电流波形，对于单个定子段的电流，在开通时，各相按电流相序依次开通，电流无冲击；在关断时，各相按电流相序依次关断，电流无畸变。
[0038]
图8为变流器全程电流波形图。对于变流器全程电流，切换过程电流不断续，电流无冲击，不影响电流变化趋势。该直线电机定子段并联供电连接电路保证了长定子直线电机分段并联供电系统中分段定子段切换对于变流器的电流不产生影响；对于电机控制，电流连续，使得电机控制更为简单。
[0039]
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。