CN105790478A - 角接三相交流电机和三相电抗器两用绕组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，它包括三相定子绕组线圈，附属开关电路和两组三相外接端子，其特征在于：位于定子槽内的每相绕组都包括匝数相等、槽位和绕法相同的两部分线圈，通过附属开关进行连接。附属开关经简单操作，线圈之间及线圈与端子之间的连接发生改变，使绕组在一种开关状态下，等同于三角形连接三相交流电机绕组，而在另一种开关状态下，等效于三相电抗器绕组，从而达成设备两用的效果。在某些类型的插电式汽车和可并网的分布式发电装置中，交流电机与电抗器都需具备但又不同时使用，这样，设备的两用，既避免了资源浪费又降低了设备重量与空间占用，同时提高了设备使用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种两用线圈绕组电路，使具备该绕组的三角形连接三相交流电机经简单可逆开关切换后实现三相电抗器的功能。
背景技术
如图1所示，传统三相交流电机的定子绕组可采用三角形连接，简称角接，即三相线圈绕组依次首尾相连，形成三角形。三角形的三个端点与外接端子U,V,W连接以外接三相对称电源。当外接电源提供三相对称正弦交流电压时，定子线圈产生旋转磁场，与转子磁场作用后产生的电磁转矩使电机转子旋转。转子无凸极效应时，定子各相线圈电感值L1=L2=L3=L。
三相电抗器可由三个相同的线圈绕组和配套的铁心构成。一个各相线圈电感值为L1=L2=L3=L的三相电抗器电路接法可由图2表示。
在某些应用场合，既需要使用三相交流电机，也需要使用三相电抗器，例如某些类型的插电式汽车，含纯电动汽车或插电式混合动力汽车，及某些类型的可并网分布式发电装置等。对于这些应用，即使电机和电抗器这两种需求不同时发生，用户也需要安装配备这两种设备供需要时使用。这不但形成了资源浪费而且还增加了设备重量和空间占用。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，使具备这种绕组设计的电机通过简单开关操作即可实现在正常交流电机和三相电抗器之间的功能切换，从而达到设备两用的效果。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
如图3所示，该角接三相交流电机和三相电抗器两用绕组的设计包括三相定子绕组线圈及附属开关电路和两组三相外接端子，其中定子绕组每相包含串联的匝数相等、槽位和绕法相同的两部分线圈，即L11与L12（对应图1中UV相的L1线圈），L21与L22（对应图1中VW相的L2线圈），和L31与L32（对应图1中WU相的L3线圈），附属开关电路包括五个联动单刀双掷开关S1,S2,S3,S4,和S5。转子无凸极效应时，各线圈电感值L11=L12=L21=L22=L31=L32=L/2。
三相定子绕组各相所含的两部分线圈，均安装于交流电机的定子铁心槽内，并且其槽位安排和绕法设计均符合三相交流电机的设计原理和技术要求。
五个单刀双掷开关之一S1位于L32尾端与L11首端相连的三角形端点处，其刀轴连L32尾端，其逆时针开关位同时连L11首端和外接端子U，其顺时针开关位连外接端子V’。
S2位于L12尾端与L21首端相连的三角形端点处，其刀轴连L12尾端，其逆时针开关位同时连L21首端和外接端子V，其顺时针开关位连外接端子U’。
S3位于L22尾端与L31首端相连的三角形端点处，其刀轴连L22尾端，其逆时针开关位同时连L31首端和外接端子W，其顺时针开关位连外接端子W’。
S4位于L21和L22的连接处，其刀轴连L22首端，其逆时针开关位连L21尾端，其顺时针开关位连L31尾端。
S5位于L31和L32的连接处，其刀轴连L32首端，其逆时针开关位连L31尾端，其顺时针开关位连L21尾端。
五个单刀双掷开关须实行联动，统一进行开关操作，其功能和拓扑等效于一组五刀双掷开关。当五个单刀双掷开关统一掷入逆时针开关位时，三相绕组形成三角形接法，三个端点分别连三相外接端子UVW，即三角形连接的三相交流电机；而统一掷入顺时针开关位时，各端子和线圈形成三组新的绕组，即UU’相：U-L11-L12-U’，VV’相：V-L21-L32-V’，WW’相：W-L31-L22-W’，即为一个三相电抗器，各相电感值均为L/2+L/2=L。
在不同实施方式中，所有单刀双掷开关的开关逻辑可由机械、电磁或半导体电子开关方式予以物理实现。
在电抗器接法下，当通入三相对称交流电流时，三相绕组的两部分线圈，L11,L21,L31与L12,L22,L32会在转子上产生大小相等、方向相反的电磁转矩从而使转子上的总电磁转矩为零。
本发明的有益效果是，在符合条件的应用场合，用户可通过设置S1-S5来选择把该设备作为三相交流电机来使用或作为三相电抗器来使用，从而实现设备的两用，这不但避免了设备资源浪费并且避免了因需要安装电机和电抗器两套设备而增加设备重量与空间占用。
附图说明
图1为现有三角形连接三相交流电机定子绕组电路图。
图2为现有三相电抗器绕组电路图。
图3为本发明公开的三相交流电机和电抗器两用绕组电路图，具备分别实现三相交流电机和三相电抗器的能力。
图4为本发明公开的两用绕组当采用交流电机接法时的等效电路图。
图5为本发明公开的两用绕组当采用电抗器接法时的等效电路图。
图6为一种半导体单刀双掷开关的实施电路。
以上各电路图均未显示铁心。
具体实施方式
图3一方面描述了本发明的设计原理，又同时可作为采用机械开关或电磁继电器来实现各单刀双掷开关功能的实施例。
图3中，当开关S1-S5同时掷入逆时针开关位时，电路如图4所示，该电路完全等同图1中的原电机绕组，这时的电路接法显然是一台三相交流电机。当开关S1-S5同时掷入顺时针开关位时，电路连接如图5所示。比较图5与图2可以看出，两个电路是完全等效的，因此这时的电路接法为三相电抗器，各相线圈电感值均等于L。
图3中的S1-S5也可以由半导体电子开关实现。图6描述了一种由两个双向可控硅T1和T2实现的半导体单刀双掷开关的实施例。当门极G1通入触发电流时，T1双向导通，反之在交流电流过零点时关断；门极G2对T2同样如此。当G1和G2不同时通入触发电流时，该电路可实现端子AB导通或者AC导通，这就是单刀双掷的开关逻辑。
需要指出的是，电抗器连接中，原电机三相绕组中的两相互相交换了一半匝数的绕组线圈，这是本发明中的关键技术点。这样做的好处是，在电抗器接法下，使电机的定子同时产生大小相等，方向相反的两个旋转磁场，二者产生的电磁转矩互相抵消，因此电机轴上无机械转矩输出。这一效果的实现还有赖于一个条件，即三相交流电机的转子须无凸极效应，这样可保证在任意转子位置时，各线圈的电感量完全一致。因此，具体实施时，本发明须限于三相感应（异步）电机、表贴式永磁电机等无凸极效应的交流电机。
电抗器的电感参数L可在电机设计时一并考虑。设计电机绕组的电感量是电机设计工程师所熟知的技术内容。
以上所述是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换，均属于本发明保护范围之内。
Claims (12)
1.一种三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，它包括三相定子绕组线圈及附属开关电路和两组三相外接端子，其特征在于：所述定子绕组与附属开关电路中，定子绕组每相包含匝数相等、槽位和绕法相同的两部分线圈，而附属开关电路包含五个联动单刀双掷开关。
2.根据权利要求1所述的三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，其特征在于：所述三相定子绕组各相所含的两部分线圈，均安装于交流电机的定子铁心槽内，并且其槽位安排和绕法设计均符合三相交流电机的设计原理和技术要求。
3.根据权利要求1所述的三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，其特征在于：所述三相定子绕组中，每两相线圈相接的三角形端点处及任意两相所含各两部分线圈的连接处各安装有一个单刀双掷开关，一共五个开关。
4.根据权利要求3所述的三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，其特征在于：所述五个单刀双掷开关之一，记为开关一，位于第三相绕组尾端与第一相绕组首端相连的三角形端点处，其刀轴连第三相绕组尾端，开关位其一同时连第一相绕组首端和第一组三相外接端子之一，开关位其二连第二组三相外接端子之一。
5.根据权利要求3所述的三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，其特征在于：所述五个单刀双掷开关之一，记为开关二，位于第一相绕组尾端与第二相绕组首端相连的三角形端点处，其刀轴连第一相绕组尾端，开关位其一连第二相绕组首端和第一组三相外接端子之一，开关位其二连第二组三相外接端子之一。
6.根据权利要求3所述的三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，其特征在于：所述五个单刀双掷开关之一，记为开关三，位于第二相绕组尾端与第三相绕组首端相连的三角形端点处，其刀轴连第二相绕组尾端，开关位其一连第三相绕组首端和第一组三相外接端子之一，开关位其二连第二组三相外接端子之一。
7.根据权利要求3所述的三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，其特征在于：所述五个单刀双掷开关之一，记为开关四，位于第二相绕组的两部分线圈的连接处，其刀轴连第二部分线圈首端，开关位其一连第一部分线圈尾端，开关位其二连第三相绕组第一部分线圈尾端。
8.根据权利要求3所述的三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，其特征在于：所述五个单刀双掷开关之一，记为开关五，位于第三相绕组的两部分线圈的连接处，其刀轴连第二部分线圈首端，开关位其一连第一部分线圈尾端，开关位其二连第二相绕组第一部分线圈尾端。
9.根据权利要求3所述的三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，其特征在于：所述五个单刀双掷开关形成联动，统一进行开关操作，功能和拓扑上等效于一组五刀双掷开关。
10.根据权利要求3所述的三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，其特征在于：所述五个单刀双掷开关当统一掷入开关位其一时，所涉三相绕组形成三角形接法且三角形三个端点分别与第一组三相外接端子相连。
11.根据权利要求3所述的三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，其特征在于：所述五个单刀双掷开关当统一掷入开关位其二时，所涉三相绕组将形成三个独立的绕组，各绕组首端分别连第一组三相外接端子，尾端分别连第二组三相外接端子，其中绕组一即为第一相绕组，绕组二为第二相绕组的第一部分线圈与第三相绕组的第二部分线圈组成的新绕组，绕组三为第三相绕组的第一部分线圈与第二相绕组的第二部分线圈组成的新绕组。
12.根据权利要求1所述的三角形连接三相交流电机和三相电抗器两用绕组，其特征在于：所述单刀双掷开关逻辑可由机械、电磁或半导体电子开关方式予以物理实现。
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