CN1043233A - 绕线式电动机起动和调速的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种绕线式异步电动机的起动和调速的方法及其装置，在电机转子回路中接入LC频敏电路触发的可控硅自动起动器，可实现电机自动平滑起动；在定子回路中接入可调空度比的零电流开关，实现电机的无级调速。使用这种起动和调速的方法及其装置，设备结构简单，并且明显节约用电，可用于起重，冶金、矿山，电气机车、重型机床等需要自动起动和需要调整速的场合。

Description

本发明属绕线式电动机的控制方法及其装置，特别是起重机起动和调速的方法及其装置。

绕线式异步电动机的起动和调速方法有多种，目前效果比较好、技术也较完善的有各种调频调压和转子串级等调速方法，但这些方法大部分由于其设备结构复杂、成本较高而不利于大量推广;近年来有采用可控硅移相触发的手段进行调速，简化了设备，降低了费用，但其缺点是调速范围小，且由于切波产生高次谐波分量，产生附加损耗，对电网形成电源杂波干扰;使用可控硅零电压开关基本上克服了移相触发的不足之处，但零压开关用于感性负载电压过零时触发仍有电流切波效应。而在我国的起重机特别是桥式起重机上，几十年一直沿用着分档调速，变速不匀，难与现代化数控、程控、遥控等技术配合。

本发明的目的在于提供一种消除移相触发的缺点、使电机在调速时也处于正弦波的正常工况，且起动和调速性能好、设备购置和运行成本均较低、有显著节电效果的方法及其装置。

本发明是这样实现其目的的：在转子回路中接入由小功率LC频敏电路触发的可控硅自动起动器，由LC频敏电路对可控硅进行触发，受转差率的自动控制，电机自动切换转子电阻实现自动起动;与可控硅自动起动器并联的转子电阻与最大转矩相匹配，使电机实现在输出轴刚起动时有最大转矩的条件下平滑加速，并允许电机频繁起动。在定子回路中，对三相电源实行各相I₁电流过零检测，当某相电流过零时才允许该相可控硅触发，使电机定子得到电流I_φ1，零电流检测装置与可调空度比的控制器相接;根据所需的电机速度，由可调空度比的控制器控制可控硅开关导通或切断，用调节空度比来调整电机定子电流导通时间和切断时间，实现转速无级调节;而对空度比的调节可以手动或由各种保护功能的传感器或速度反馈进行无级调节，使电机电流得到全电压U₁的完整正弦波群，电机工作在正弦波正常工况下。

以下结合附图进一步说明本发明：

图1是本绕线式异步电动机起动和调速的方法及其装置的示意图

图2是LC频敏电路触发的可控硅自动起动器和接入外加电阻的机械特性。

图3是空度比K_t与电机转速n的关系曲线。

图4是零电流可控硅开关通断时提供的正弦波群对电机转速n的影响曲线。

图1中各方框的序号表示为：1-I₁过零的检测装置，2-控制零电流开关通断的可调空度比控制器，3-各种保护传感器，4-手动无级调节空度比，5-闭环速度反馈系统。图中接入转子的线路即为LC频敏电路触发的可控硅自动起动器和可切换的转子电阻。

为了实现电机的平滑自动起动，在转子回路中除了接入可切除的起动电阻外，还并联接入由小功率的LC频敏电路触发的可控硅自动起动器。这种线路的工作状况描述如下：当起动时，电机转速n_轴＝0，转差率S＝1，f₂＝Sf₁＝f₁，由于LC频敏电路调谐于电源频率f₁，使这时可控硅触发电流不足，即I_触发＞I_LC起始，可控硅处于截止工况，此时仅有匹配电阻的作用，电机获得转矩M_起为最大值M_max，而大于带动机械负载所需转矩M_机，即M_起＝M_max＞M_机，起动电流也不太大，电机带动负载平滑自动起动，n_轴逐渐加速。当n_轴继续上升时S下降，此时f₂＝Sf₁＜f₁，使原来调谐于f₁的LC频敏电路失谐，频敏电路电流I_LC上升;当I_LC等于或大于可控硅所需的触发电流最小值I_触min，可控硅导通，使匹配电阻R匹配被短路，这时LC虽也无电流，但可控硅维持导通到I₂电流过零时才自动恢复截止，等到下一次I_LC≥I_触min时，才再次导通。可控硅每次导通把R匹配短接都使电机加速，而每次截止都使电机减速，由于电机转子惯量而对于上述的导通和截止自动过程宏观成为平滑的自动起动过程。图2中的虚线表示接入这种起动器后的平滑起动曲线，M_Q为起动电阻;这种曲线消除了一般异步电机特性的屈膝“失步”区，且在起动时可以获得最大转矩。图中可切除电阻R_匹配＞R′″＞R″＞R′。当n_轴＝n_额定、f₂＝Sf₁≤0.1f₁时，电抗Z_LC＝0，几乎每个半波之全部均发生I_LC≥I_触min，可控硅把匹配电阻予以短路，稳定在额定转速上，此时电机转矩等于带机械负载转矩。

上述从起动到额定转速的全过程是自动平滑完成的，调节LC的调谐频率和品质因素Q值可以有效地予调选定起动过程曲线的斜率。

由于电机的功率因素COSψ≠1，故其电压过零和电流过零时刻不同，如果在定子回路中采用零电压开关，在电压过零时接通，由于这时电流不为零，就存在着L (di)/(dt) 的瞬变过程，对电机、可控硅和电源都不利，因此本实用新型在定子回路中采用零电流开关，借助于“霍尔传感器”或“光-电传感器”即可在保证三相电源线不同电位对控制器的绝缘条件需求的前提下，实现每相电流过零的检测，用以控制该相可控硅之通断，实现零电流接通，可控硅电流过零自断，这样，电机在通电时得到全电压U1的完整正弦波群，电机在正弦波正常工况下工作。通过调节不同的导通或切断的时间，即调节不同空度比，控制电机定子电流正弦波群的长短，以达到电机调速的目的。而对于可调空度比控制器，其调节是无级的，可以用手动调节，同时各种保护功能的传感器，包括操作逻辑保护，短路、过流、断相、过压、欠压、行程、限位等保护也可输入控制器，令电机调速或停机;如果在负载不定而又要使转子稳定于某一予定转速时，则可以引入速度闭环反馈系统，以转子电压频率f₂作检测源，以空度比K_t作为调节量。但对于短时间运行的设备如起重机等，就不一定要闭环，而用简单手动调节开环系统即可满足需要了。

可以如下方式表示空度比K_t的意义：

Kt = (t_om)/(t_om+ t_off) = (ton)/(T)

其中：

t_on-电机得到正弦波群（全电压U₁）的时间，即通电时间，这时电机加速，可设定增加的速度为（+△n）

t_off-电机停电，依靠机械惯性旋转的时间，这时电机减速，可设定减少的速度为（-△n）

T-电源通断的一个周期时间

当K_t越大， (t_om)/(T) 也越大;由图3可知，当K_t越大，转子转速n也越大;虽然转速在t_on和t_off时有上下波动，但由于电机及负载的惯量较大，宏观就有K_t整定n的效果，不同值的K_t对应有不同值的n，它们的值根据生产需要而定。图4给出了有空度的电压电流波形图和与之相应的n（K_t）-t的关系。t_Q为起动时间。

这种起动和调速的方法及其装置除适用于各种容量的绕线式异步电动机、特别是类似新型起重机电控系统及旧起重机的更新改造外，还可广泛应用于“深鼠笼”、“双鼠笼式”电机（这时转子系统线路省略）也可以应用于单相或三相电炉的功率和温度自动控制等设备。均可保持其高效率和无电源杂波干扰的优点。

Claims (6)

1、一种绕线式异步电动机起动和调速的方法，在电机回路中接入可切换的电阻、其特征是：

(A)转子回路中用LC频敏电路对可控硅进行触发，受电机转差率自动控制，自动切换转子电阻实现自动起动；

(B)在定子回路中实行零电流可控硅控制，各相电流过零时才允许该相可控硅触发，使电机电流得到全电压的正弦波群；

(C)用调节空度比来调整电机定子电流导通时间和切断时间，实现转速无级调节。

2、按权利要求1所述的绕线式异步电动机起动和调速的方法，其特征是对空度比的控制可用手动或各种保护功能的传感器或速度反馈进行无级调节。

3、按权利要求1或2所述的绕线式异步电动机起动和调速的方法，其特征是在转子回路中接入的起动电阻与最大转矩相匹配。

4、一种绕线式异步电动机起动和调速的装置，在转子回路中接入可切换的电阻，其特征是：

（A）在转子回路中接入由小功率LC频敏电路触发的可控硅起动器;

（B）在定子回路中的零电流检测装置与可调空度比的控制器相接，由可调空度比的控制器控制可控硅开关导通或切断。

5、按权利要求4所述的绕线式异步电动机起动和调速的装置，其特征是手动无级调节的装置、各种保护传感器或速度反馈装置均与可调空度比的控制器接通。

6、按权利要求4或5所述的绕线式异步电动机起动和调速的装置，其特征是在转子回路中的可切换电阻与最大转矩相匹配。

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