CN1075907C - 一种交流电机调速方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明用浮动的方式把原动机的转速与负载转速通过一馈电电机联接，用负载力推动馈电电机的发电，实现整个装置的同步以下的恒转矩无级调速，如将馈电电机工作于电动状态，则输出转速是在原电动机转速以上的迭加，实现超同步的恒转矩无级变速。本发明的优点是具有调速范围宽，调速效率高，功率因数高，低速运行时，转差功率能全部回馈电网，因此低速特性好。

Description

一种交流电机调速方法及其装置

本发明涉及交流电机的调速，特别是对笼型转子异步电动机的无级调速。

交流电机通常是以交流电在定子线圈内产生旋转磁场带动转子旋转获得机械输出，由于交流电的频率固定，因此，交流电机的调速成为一项难题。目前，对异步电机的无级调速方式较为复杂，一般认为较简便的方式是，通过调节定子绕组的电压来实现调速，其缺点是调速效率低，功率因数低，低速时损耗大，发热严重，影响电机寿命，故经济性不好。另一种是变频调速，采用改变供电电源频率的方法实现，其缺点是超同步与低速运行时转矩下降，且必须配有专用变频电源，其价格昂贵用户不易接受。与本发明对比的已在应用的调速方式有二种，一种是电磁转差离合器调速装置，又称滑差电机，它是将笼型电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极即从动转子的转速的调节，此种调速的缺点是被调转速只能在原动机的转速以下范围内调节，且低速运行损耗大，效率较低(高速时效率仅为80-85％)。另一种为串级调速，即在线绕式异步电动机转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通过改变附加电势的幅值大小和相位，实现电机转速的调节。此种调速的缺点是调速电路较为复杂，需有整流器、逆变变压器等。

为克服以上不足，本发明提供的调速方法及其装置，是根据力学原理及能量守恒定律，利用电机的机电能量变换的可逆性，将交流电机的转速分离，实现交流电机电能反馈达到控制转速的效果。

本发明用浮动的方式把原动机的转速与负载转速通过一馈电电机联接，调节馈电电机工作于电动状态或发电状态，实现负载转速的变化。实现上述调速方法的装置由至少二台公知的电机加外围装置构成，二台电机中，一台悬浮，一台固定，悬浮电机的定子外壳上设有轴向输出轴，且悬浮电机的定子外壳由轴承支承，轴承再与机座联接后固定于地面，悬浮电机的定子外壳或转子轴二者之一与固定电机的转子轴传动联接，悬浮电机的定子线圈通过导电滑环与电网相连，固定电机的定子亦连接在电网上。悬浮电机的转子轴或定子轴还可与形成多级调速，所串接的多级悬浮电机的定子线圈均通过导电滑环与电网相连。悬浮电机的定子线圈或固定电机的定子线圈与电网连接的线路上还设有逆变器。悬浮电机可为永磁同步电动机，固定电机可为异步电机，在永磁电机的定子导电环线柱与电网之间设置逆变器。

下面结合附图及实施例对本发明的原理及结构作进一步说明。

图1为本发明调速装置示意图；

图2为图1中悬浮电机的一种结构；

图3为本发明调速装置的另一种结构。

参看图1，本发明调速装置由二台电机加外围装置构成，A为固定电机，选用笼型异步电机，其定子线圈与电网相连。B为悬浮电机，选用永磁同步电机，悬浮电机的定子壳由轴承支承，可绕轴线旋转，其定子连线通过导电滑环与电网相连，悬浮电机B的定子端盖与电机A的转子轴15传动联接，(直接传动或齿轮间接传动)，因此当电机A的转子旋转时，可带动电机B的定子绕同轴旋转。C为连接在电机与电网之间的逆变器，3为悬浮电机转子输出轴。

图2为图1中悬浮电机的一种实施结构，电机由与定子端盖5联为一体的传动套12支承于轴承2和13上，轴承2和13固定于外壳前后端盖4上，端盖4与管状外壳6联为一体后固定于地面。3为电机转子轴，支承于轴承1和14上。10为定子线包，11为转子，9为定子外壳，7为三个导电滑环，与三个电刷8接触连通后与电网连接。

图3为本发明悬浮电机与固定电机的另一种传动联接结构。固定电机A的转子轴15与悬浮电机B的转子轴3用联轴节17刚性联节，当电机A转子旋转时，可带动电机B的转子轴3同轴旋转，16为设在悬浮电机B定子外壳端盖上的轴向输出轴。

调速原理及实施例：

实施例1：如图1，当异步电动机接通电源后开始旋转，同时带动同步电动机的定子做周向转动，这时同步电动机的转子在无外磁场的情况下仍然处于停止状态，由于永磁转子的磁场的作用，定子将切割转子的磁场产生感应电势，同步电动机就进入了发电状态，形成了一台发电机。当发电机接通负载后，将产生感应电流，这个电流又产生磁场力，并带动永磁转子旋转起来。控制负载电流的大小，就控制了输出的转速，这时电动机的转速与发电机的驱动转速之差，就是机械负载转速。调速范围在0-N1之间，N1为固定电机(原动机)转速。为了获得稳定的转速差，并使发电机的能量得到充分利用，加入了一个逆变电源，稳定电源的电压就稳定了输出转速，同时将转差功率全部回馈电网，实现了本装置的低速高效、节能运行。本装置在运行过程中，电动机始终处于最佳运行状态，而且，同步电机还具有补偿功率因素的作用，因此功率因素也高。本装置采用了转速分离，用简单的加，减方法就可以获得不同的转速。

实施例2：如图1，异步电动机带动同步电机定子旋转，并将同步电动机定子通入直流电源，产生一固定磁场，由于同步电动机定子磁场与永磁转子相互的吸引作用装置输出转速为异步电动机的转速。

实施例3：如图1，如果在同步电动机的定子内通入与异步电动机同向运转相应的电源后，同步电动机开始以异步电动机的转速为基速向此转速以上同向运转，本装置的转速将是同步电动机与异步电动机的转速之和，调节同步电机的输入频率就可以调节本装置的转速，整个装置开始作超同步运行。调速范围上限可达N1+N2。

实施例4：如图3，固定电机转子输出轴与悬浮电机转子轴直接连接，与悬浮定子相联的轴16作为从动轴。同实施例1原理相同，当异步电动机接通电源后开始旋转，同时带动同步电动机的磁性转子做周向转动，由于永磁转子的磁场作用，定子将切割转子的磁场产生感应电势，同步电动机进入了发电状态。当发电机接通负载后，将产生感应电流，这个电流又产生磁场力，并带动定子旋转起来，控制负载电流的大小，就控制了电动机输出的转矩。用这种连接方式也同样可以达到实施例1、2、3的调速效果。

实施例5：采用以上结构实现本装置的高速运行，可以采用多级电机机械连接方式，每级电机都以前级转速作为基速向上调节自身的一级转速。每级电机直接投入电网，并同向运行，而不需要逆变电源，也可以实现本装置的高速运行。如：三级电机的额定转速分别为N1、N2、N3。那么装置的额定输出转速就是N=N1+N2+N3，这样一来，就很容易地实现了高速运行。如果希望获得更高的转速，只需增加电机的联接级数即可。

实施例6：采用实施例1的方式还可实现本装置的有级变速运行，如两台电机的转速为N1、N2(设：N1＞N2)，采用以上结构连接后可以利用正反接电机转向的方法获得N1、N1-N2、N2、N1+N2四种速度，其中：N1-N2表示N1与N2旋转方向相反，输出转速为两电机转速之差，N1+N2表示N1与N2旋转方向相同，输出转速为两电机转速之和。根据需要增加电机的连接级数，还可以获得更多的转速级。本实施例无需逆变器。

本装置中的悬浮电机与固定电机在运行状态上无明确规定，悬浮电机可以用作调速，也可以用作原动机，固定电机也可以作为原动机，也可作为调速用，在上述实施例中的调速效果均能达到，但逆变器最好接在用于调速的电机与电网之间。当悬浮电机用作调速时，固定电机也可用其他动力替代，如汽油发动机、柴油发动机等。若将异步电动机接交流电源，同步悬浮电动机输出端接入可调电阻，此时类似公知的线绕电机转子串电阻调速；若同步悬浮电机作调速时，也可用电磁离合器励磁线圈引入永磁转子作为发电机输出线圈，此时类似电磁离合器调速的发电状态。

本发明用浮动的方式把原动机的转速与负载转速通过一馈电电机联接，用负载力推动馈电电机的发电，实现整个装置的同步以下的恒转矩无级调速，如将馈电电机工作于电动状态，则输出转速是在原电动机转速以上的迭加，实现超同步的恒转矩无级变速。本发明的优点是具有调速范围宽，调速效率高，功率因数高，低速运行时，转差功率能全部回馈电网，因此低速特性好，利用公知的原电机结构，装置的成本也就较低。

Claims (5)

1、一种交流电机的调速方法，其特征是用浮动的方式把原动机的转速与负载转速通过一馈电电机联接，调节馈电电机工作于电动或发电状态，实现负载转速的变化。

2、根据权利要求1所述调速方法的调速装置，其特征是由至少二台公知的电机加外围装置构成，二台电机中、一台悬浮、一台固定、悬浮电机的定子外壳上设有轴向输出轴，且悬浮电机的定子外壳由轴承支承，轴承再与机座联接后固定于地面，悬浮电机的定子外壳或转子轴二者之一与固定电机的转子轴传动联接，悬浮电机的定子线圈通过导电滑环与电网相连，固定电机的定子亦连接在电网上。

3、根据权利要求2所述的交流电机调速装置，其特征是悬浮电机的转子轴或定子轴还可与另一台悬浮电机的定子外壳或转子轴二者之一传动联接，并可依次类推串联，形成多级调速，所串接的多级悬浮电机的定子线圈均通过导电滑环与电网相连。

4、根据权利要求2或3所述的交流电机调速装置，其特征是悬浮电机的定子线圈或固定电机的定子线圈与电网连接的线路上还设有逆变器。

5、根据权利要求4所述的交流电机调速装置，其特征是悬浮电机为永磁同步电动机，固定电机为笼形异步电机，在永磁电机的定子导电环线柱与电网之间设置逆变器。

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