CN102832876A - 感应电动机的定子整数槽与分数槽绕组转化运行系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

感应电动机的定子整数槽与分数槽绕组转化运行系统及运行方法，属于感应电动机技术领域。它解决了工业设备正常运转时，电动机的效率和功率因数低的问题。系统包括按现有工艺下线的定子绕组、电流互感器、采样电阻、有效电路、微处理器、继电器和交流接触器，定子绕组包括A相绕组、B相绕组和C相绕组，A相绕组、B相绕组和C相绕组对称分布；方法从电动机定子绕组的基本原理出发，控制电动机在起动和正常运转时，实现整数槽与分数槽绕组的相互转化，即通过控制交流接触器实现电机起动时的绕组转换和电机运行时绕组的Y接、Δ接或Y/Δ混接转换，实现感应电动机与负载的最佳工作匹配。本发明作为定子整数槽与分数槽绕组转化运行的感应电动机。

Description

感应电动机的定子整数槽与分数槽绕组转化运行系统及运行方法

技术领域

本发明涉及一种感应电动机的定子整数槽与分数槽绕组转化运行系统及运行方法，属于感应电动机技术领域。

背景技术

在石油、冶金、矿山等很多工业领域，由于使用的工业设备起动负载重，必须配置大功率的电动机才能满足设备起动的要求，但是设备起动后进入正常运转时，则需电动机输出功率减小，其负荷率常低于额定功率的50％，这会导致电动机的效率和功率因数很低，造成大量能源浪费。

发明内容

本发明是为了解决采用现有大功率的电动机起动工业设备，当工业设备正常运转时，电动机的效率和功率因数低的问题，提供一种感应电动机的定子整数槽与分数槽绕组转化运行系统及运行方法。

本发明所述感应电动机的定子整数槽与分数槽绕组转化运行系统，它包括按现有工艺下线的定子绕组，它还包括电流互感器、采样电阻、有效电路、微处理器、继电器和交流接触器，

定子绕组包括A相绕组、B相绕组和C相绕组，A相绕组、B相绕组和C相绕组对称分布，A相绕组、B相绕组和C相绕组接线方式相同，以A相绕组为例说明绕组的接线方式：

A相绕组分布于54个绕组槽中，A相绕组由54个绕组线圈组成，所述绕组线圈用Ai-Xi表示，Ai表示第i个绕组线圈中位于上层边的接线端，Xi表示第i个绕组线圈中位于下层边的接线端，i为绕组线圈的序号，i＝1，2，3……，54，

A相绕组中第1个绕组线圈的两接线端A1和X1与第28个绕组线圈的两接线端A28和X28均作为出线端，A相绕组中其余绕组线圈的端部接线法如下：

X49-A49→X35-A35→X22-A22→X8-A8，X49和A8为出线端；

A2-X2→A3-X3→X50-A50→A42-X42→A43-X43→X36-A36→A29-X29→A30-X30→X23-A23→A15-X15→A16-X16→X9-A9，A2和A9为出线端；B相绕组的八个出线端为：B19和Y19、B46和Y46、Y13和B26、B20和B27；

C相绕组的8个出线端为：C10和Z10、C37和Z37、Z4和C17、C11和C18；

→表示两个出线端之间进行连接；

上述24个出线端与交流接触器电气连接，交流接触器的控制信号输入端连接继电器的控制信号输出端，继电器的控制信号输入端连接微处理器的控制信号输出端，微处理器的采样信号输入端连接有效电路的有效信号输出端，有效电路的有效信号输入端连接采样电阻的交流标准电压信号输出端，采样电阻的交流电流信号输入端连接电流互感器的交流电流信号输出端，电流互感器用于采集感应电动机的主回路电流。

电流互感器用于将采集获得的主回路电流转换为0A-5A的交流电流信号。

所述采样电阻的阻值范围为0.1Ω-5Ω。

本发明所述基于上述感应电动机的定子整数槽与分数槽绕组转化运行系统的运行方法，

启动感应电动机，通过继电器对交流接触器输出控制信号，由交流接触器实现定子绕组的如下接线方式：将A相绕组的八个出线端A1、X1、A28、X28、X49、A8、A2和A9、B相绕组的八个出线端B19、Y19、B46、Y46、Y13、B26、B20和B27及C相绕组的八个出线端C10、Z10、C37、Z37、Z4、C17、C11和C18设置为断电状态，其余的定子绕组为Δ接；

感应电动机运行过程中，由微处理器对采样信号进行处理，当检测到感应电动机的主回路电流与其额定值相差5％时，判定感应电动机进入正常工作状态，通过继电器对交流接触器输出控制信号，由交流接触器实现定子绕组接线方式的转换：使处于断电状态的A相绕组的八个出线端A1、X1、A28、X28、X49、A8、A2和A9串联到A相绕组中，B相绕组的八个出线端B19、Y19、B46、Y46、Y13、B26、B20和B27串联到B相绕组中，C相绕组的八个出线端C10、Z10、C37、Z37、Z4、C17、C11和C18串联到C相绕组中，实现感应电动机分数槽绕组运行；

同时微处理器根据采样信号对感应电动机正常工作状态的电动机载荷进行判断，当获得感应电动机为额定功率输出时，控制交流接触器实现A相绕组、B相绕组和C相绕组为Δ接；

当获得感应电动机实际输出功率小于额定值的80％并且大于额定值的60％时，判定感应电动机进入中功率运行状态，通过继电器对交流接触器输出控制信号，由交流接触器实现定子绕组接线方式转换为Y/Δ混接；

当获得感应电动机实际输出功率小于额定值的60％时，判定感应电动机进入低功率工作状态，通过继电器对交流接触器输出控制信号，由交流接触器实现定子绕组接线方式转换为Y接，实现感应电动机与负载的最佳工作匹配。

本发明的优点是：本发明从电动机定子绕组的基本原理出发，控制电动机在起动和正常运转时，实现整数槽与分数槽绕组的相互转化，即通过控制交流接触器实现电机起动时的绕组转换和电机运行时绕组的Y接、Δ接或Y/Δ混接转换，达到了增大起动转矩和节能降耗的目的。

本发明改变了现有感应电动机抽头的连接方式，它能够采用现在的生产线来完成生产制造，节约了新型电机开发的成本，其控制系统所采用的元件的配用方便。起动时采用少槽起动增大电动机的起动转矩；运行时，根据不同工况进行绕组接线方式的自动选择，达到电机节能降耗的目的。本发明易于推广，能够短期内节约大量电能，经济效益明显。

附图说明

图1为本发明运行系统的原理框图；

图2为A相绕组的展开示意图，图中N为电动机的N极，S为电动机的S极；

图3为定子绕组中三相绕组的模块出线端设置图，图中I表示定子绕组的第一组模块，II表示定子绕组的第二组模块，III表示定子绕组的第三组模块，IV表示定子绕组的第四组模块；

图4为感应电动机处于起动过程时，图3中第二组模块、第三组模块和第四组模块的接线示意图；

图5为感应电动机处于正常运转过程低功率工作状态时，图3中四组模块的Y接示意图；

图6为感应电动机处于正常运转过程额定功率输出时，图3中四组模块的Δ接示意图；

图7为感应电动机处于正常运转过程中功率运行状态时，图3中四组模块的Y/Δ混接示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图2及图3说明本实施方式，本实施方式所述感应电动机的定子整数槽与分数槽绕组转化运行系统，它包括按现有工艺下线的定子绕组1，它还包括电流互感器2、采样电阻3、有效电路4、微处理器5、继电器6和交流接触器7，

定子绕组1包括A相绕组、B相绕组和C相绕组，A相绕组、B相绕组和C相绕组对称分布，A相绕组、B相绕组和C相绕组接线方式相同，以A相绕组为例说明绕组的接线方式：

A相绕组分布于54个绕组槽中，A相绕组由54个绕组线圈组成，所述绕组线圈用Ai-Xi表示，Ai表示第i个绕组线圈中位于上层边的接线端，Xi表示第i个绕组线圈中位于下层边的接线端，i为绕组线圈的序号，i＝1，2，3……，54，

A相绕组中第1个绕组线圈的两接线端A1和X1与第28个绕组线圈的两接线端A28和X28均作为出线端，A相绕组中其余绕组线圈的端部接线法如下：

X49-A49→X35-A35→X22-A22→X8-A8，X49和A8为出线端；

A2-X2→A3-X3→X50-A50→A42-X42→A43-X43→X36-A36→A29-X29→A30-X30→X23-A23→A15-X15→A16-X16→X9-A9，A2和A9为出线端；B相绕组的八个出线端为：B19和Y19、B46和Y46、Y13和B26、B20和B27；

C相绕组的8个出线端为：C10和Z10、C37和Z37、Z4和C17、C11和C18；

→表示两个出线端之间进行连接；

上述24个出线端与交流接触器7电气连接，交流接触器7的控制信号输入端连接继电器6的控制信号输出端，继电器6的控制信号输入端连接微处理器5的控制信号输出端，微处理器5的采样信号输入端连接有效电路4的有效信号输出端，有效电路4的有效信号输入端连接采样电阻3的交流标准电压信号输出端，采样电阻3的交流电流信号输入端连接电流互感器2的交流电流信号输出端，电流互感器2用于采集感应电动机的主回路电流。

本实施方式中，定子绕组1按传统工艺下线，其端部接线共留出24个出线端，即A、B、C三相绕组各8个出线端，各个出线端与交流接触器7相连。因为A、B、C三相绕组对称，以A相绕组的端部接线方式为例进行说明，B、C两相绕组与A相绕组端部接线的原理相同。

电流互感器2能够将采集获得的主回路电流变为0-5A的交流信号电源，采样电阻3将电流互感器2得到的交流电流信号变换为交流标准电压信号，有效电路4由交流标准电压信号得到其对应的电压、电流及电压与电流相位差φ的有效值或与有效值成比例的其他信号，微处理器5为带有周期平均值计算和反时限计算功能的微处理器，继电器6能够根据微处理器5的指令，控制电路的开断；交流接触器7连接电动机的出线端，它受控于继电器6，形成电机绕组接线方式转换。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述电流互感器2用于将采集获得的主回路电流转换为0A-5A的交流电流信号。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，本实施方式所述采样电阻3的阻值范围为0.1Ω-5Ω。

具体实施方式四：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式为基于上述实施方式之一所述感应电动机的定子整数槽与分数槽绕组转化运行系统的运行方法，

启动感应电动机，通过继电器6对交流接触器7输出控制信号，由交流接触器7实现定子绕组1的如下接线方式：将A相绕组的八个出线端A1、X1、A28、X28、X49、A8、A2和A9、B相绕组的八个出线端B19、Y19、B46、Y46、Y13、B26、B20和B27及C相绕组的八个出线端C10、Z10、C37、Z37、Z4、C17、C11和C18设置为断电状态，其余的定子绕组为Δ接；

感应电动机运行过程中，由微处理器5对采样信号进行处理，当检测到感应电动机的主回路电流与其额定值相差5％时，判定感应电动机进入正常工作状态，通过继电器6对交流接触器7输出控制信号，由交流接触器7实现定子绕组1接线方式的转换：使处于断电状态的A相绕组的八个出线端A1、X1、A28、X28、X49、A8、A2和A9串联到A相绕组中，B相绕组的八个出线端B19、Y19、B46、Y46、Y13、B26、B20和B27串联到B相绕组中，C相绕组的八个出线端C10、Z10、C37、Z37、Z4、C17、C11和C18串联到C相绕组中，实现感应电动机分数槽绕组运行；

同时微处理器5根据采样信号对感应电动机正常工作状态的电动机载荷进行判断，当获得感应电动机为额定功率输出时，控制交流接触器7实现A相绕组、B相绕组和C相绕组为Δ接；

当获得感应电动机实际输出功率小于额定值的80％并且大于额定值的60％时，判定感应电动机进入中功率运行状态，通过继电器6对交流接触器7输出控制信号，由交流接触器7实现定子绕组1接线方式转换为Y/Δ混接；

当获得感应电动机实际输出功率小于额定值的60％时，判定感应电动机进入低功率工作状态，通过继电器6对交流接触器7输出控制信号，由交流接触器7实现定子绕组1接线方式转换为Y接，实现感应电动机与负载的最佳工作匹配。

本实施方式中，当感应电动机处于起动过程时，定子绕组1中除所述24个出线端所在的绕组外，其余的定子绕组采用Δ接，这样将绕组的匝数变少，使磁通增大，从而提高电动机起动转矩。电动机正常运行过程中，处于断电状态的24个出线端各自串联到A、B、C三相中，可根据载荷情况，使定子绕组自动选用Y接、Δ接或Y/Δ混接。

工作原理：

采用电流互感器2将电动机主回路三相电流转换为0-5A信号电流，再通过0.1Ω采样电阻3将此电流信号转换为0-0.5V的交流电压信号，有效电路4将交流信号转换为与其对应的电压、电流及电压与电流相位差φ的有效值或与有效值成比例的其他信号，因电机运行工况改变时，所采集的信号连续、间断或周期变化，因此不能根据某一点的有效值来判断电机负载功率情况，在微处理器5中采用了周期平均值的计算方法，即在负载变化的一定时间内，等间隔测量40-50个采样点，计算这些点的平均功率，作为电机此时的负载功率。然后，再用此负载功率与预先设定好的功率切换点值进行比较得出此时电机应运行的功率段，如果和电机现在所处的运行段相同，则不采取任何动作直接返回，进行下一次测量。如果不同也不立即进行切换而是通过反时限算法计算出一个动作时间，在此时间内若计算出的电机应运行功率段与电机现在所处的功率段始终不同，则时间一到就执行切换动作，将电机切换到计算出的负载段下运行，改变电动机定子绕组1的连接形式；反之，如果在此时间内负载功率恢复则清除计时，重新测量。采用周期平均值的计算方法和反时限算法的目的是为了避免频繁切换影响电机的正常运行和控制系统的寿命。

Claims (4)

1.一种感应电动机的定子整数槽与分数槽绕组转化运行系统，它包括按现有工艺下线的定子绕组(1)，其特征在于：它还包括电流互感器(2)、采样电阻(3)、有效电路(4)、微处理器(5)、继电器(6)和交流接触器(7)，

定子绕组(1)包括A相绕组、B相绕组和C相绕组，A相绕组、B相绕组和C相绕组对称分布，A相绕组、B相绕组和C相绕组接线方式相同，以A相绕组为例说明绕组的接线方式：

A相绕组分布于54个绕组槽中，A相绕组由54个绕组线圈组成，所述绕组线圈用Ai-Xi表示，Ai表示第i个绕组线圈中位于上层边的接线端，Xi表示第i个绕组线圈中位于下层边的接线端，i为绕组线圈的序号，i＝1，2，3……，54，

A相绕组中第1个绕组线圈的两接线端A1和X1与第28个绕组线圈的两接线端A28和X28均作为出线端，A相绕组中其余绕组线圈的端部接线法如下：

X49-A49→X35-A35→X22-A22→X8-A8，X49和A8为出线端；

A2-X2→A3-X3→X50-A50→A42-X42→A43-X43→X36-A36→A29-X29→A30-X30→X23-A23→A15-X15→A16-X16→X9-A9，A2和A9为出线端；B相绕组的八个出线端为：B19和Y19、B46和Y46、Y13和B26、B20和B27；

C相绕组的8个出线端为：C10和Z10、C37和Z37、Z4和C17、C11和C18；

→表示两个出线端之间进行连接；

上述24个出线端与交流接触器(7)电气连接，交流接触器(7)的控制信号输入端连接继电器(6)的控制信号输出端，继电器(6)的控制信号输入端连接微处理器(5)的控制信号输出端，微处理器(5)的采样信号输入端连接有效电路(4)的有效信号输出端，有效电路(4)的有效信号输入端连接采样电阻(3)的交流标准电压信号输出端，采样电阻(3)的交流电流信号输入端连接电流互感器(2)的交流电流信号输出端，电流互感器(2)用于采集感应电动机的主回路电流。

2.根据权利要求1所述的感应电动机的定子整数槽与分数槽绕组转化运行系统，其特征在于：电流互感器(2)用于将采集获得的主回路电流转换为0A-5A的交流电流信号。

3.根据权利要求1或2所述的感应电动机的定子整数槽与分数槽绕组转化运行系统，其特征在于：所述采样电阻(3)的阻值范围为0.1Ω-5Ω。

4.一种基于权利要求1所述的感应电动机的定子整数槽与分数槽绕组转化运行系统的运行方法，其特征在于：

启动感应电动机，通过继电器(6)对交流接触器(7)输出控制信号，由交流接触器(7)实现定子绕组(1)的如下接线方式：将A相绕组的八个出线端A1、X1、A28、X28、X49、A8、A2和A9、B相绕组的八个出线端B19、Y19、B46、Y46、Y13、B26、B20和B27及C相绕组的八个出线端C10、Z10、C37、Z37、Z4、C17、C11和C18设置为断电状态，其余的定子绕组为Δ接；

感应电动机运行过程中，由微处理器(5)对采样信号进行处理，当检测到感应电动机的主回路电流与其额定值相差5％时，判定感应电动机进入正常工作状态，通过继电器(6)对交流接触器(7)输出控制信号，由交流接触器(7)实现定子绕组(1)接线方式的转换：使处于断电状态的A相绕组的八个出线端A1、X1、A28、X28、X49、A8、A2和A9串联到A相绕组中，B相绕组的八个出线端B19、Y19、B46、Y46、Y13、B26、B20和B27串联到B相绕组中，C相绕组的八个出线端C10、Z10、C37、Z37、Z4、C17、C11和C18串联到C相绕组中，实现感应电动机分数槽绕组运行；

同时微处理器(5)根据采样信号对感应电动机正常工作状态的电动机载荷进行判断，当获得感应电动机为额定功率输出时，控制交流接触器(7)实现A相绕组、B相绕组和C相绕组为Δ接；

当获得感应电动机实际输出功率小于额定值的80％并且大于额定值的60％时，判定感应电动机进入中功率运行状态，通过继电器(6)对交流接触器(7)输出控制信号，由交流接触器(7)实现定子绕组(1)接线方式转换为Y/Δ混接；

当获得感应电动机实际输出功率小于额定值的60％时，判定感应电动机进入低功率工作状态，通过继电器(6)对交流接触器(7)输出控制信号，由交流接触器(7)实现定子绕组(1)接线方式转换为Y接，实现感应电动机与负载的最佳工作匹配。

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