CN1079080A - 参数电压变换感应电动机及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种参数电压变换感应电动机及其控 制装置。通过改变Y接法电动机的每相定子绕组和 接线方式，采用主令控制电路，根据电机负载率的高 低，改变定子相绕组的参数和电压，以达到不同的运 行效果。从而使电机的电流降低，效率和功率因数提 高，节约电能。从已研制的4千瓦的该种电机的实测 表明，当电机的实际负载率为50％时，稳定运行线电 流降低13％，效率提高2％，功率因数提高10％以 上。

Description

本发明属感应电动机及其控制装置

据调查，实际运行的感应异步电动机，大部分实际负载远低于它的额定负载，长期处于轻载运行，这导至效率下降，功率因数降低。感应电动机由于存在起动电流是额定电流的4～7倍而使电网电压质量变坏，产生一系列不良影响。多年来，人们长期致力于解决上述问题。

据检索表明：中国专利局受理的“多功能电动机”（申请号88105802.5）是把定子各相绕组分为两套绕组嵌放，一套为△接绕组，一套Y接绕阻，两套绕组彼此互差30°电角度。出线端有九个头，以便改变接法和运行，但存在两个问题：一是“绕线和接线较复杂”，端接线用铜量较多;二是在△接法运行和Y-△接法运行两种情况下，只能满足一种情况导线中的电流密度相等，当运行于导线中的电流密度不相等时，两套绕组发热不均匀，有可能烧毁电机。

由中国专利局受理的“自动转换三功率电动机”（申请号89103774.8）是具有二支路并联，双层迭绕的两套定子绕组，每相第一套定子绕组的尾端和第二套定子绕组的首端相联，联接处抽出一个抽头，三相共有九个出线端，当重载时接成三角形接法运行，当中等负载时，接成一部分匝数的Y接法运行，当轻载时接成全匝数的Y接法运行。但也存在两个缺点：一是不适用于单层和混合等绕组，且如果按该专利实施例的匝比11∶5，不适用于三及三的倍数对极电机，因为当接成中等功率运行时空着不接的匝数比为 5/(11+5) ≈ 1/3 ，对一相绕组而言，某一对极下的导体几乎全是空作不用，在这种情况下运行，将发生机械振动，噪声增大，缩短电机使用寿命，且材料应用不充分;二是制造工艺较复杂。

本发明的目的是研制一种感应电动机，既解决感应电动机“大马拉小车”的问题，又可使起动电流减小，并弥补了上述两发明之不足。

为了实现上述目的，本发明采用下列技术方案

把额定运行是△接法的电机设计、制造为额定运行是Y接法的电机，所使用的材料完全相等。把Y接法运行的电机包括现在是Y接法运行的电机的每相定子绕组用等效的横截面积相等，且材料相同的两根绝缘导线并绕。把每相并绕的两根导线的四个头接于出线盒，这样，三相便有十二个头接于出线盒，其中1U1、2U1、1V1、2V1、1W1、2W1六个头为首端，1U2、2U2、1V2、2V2、1W2、2W2六个头为尾端。在运行时，根据电机负载率的高低，通过改变接法来改变相绕组的参数和电压，以达到不同的运行效果。当实际负载率在70～100%范围时，把三相六根导线的尾端联成一点而成为Y运行的星点，各相两根导线的头各接为一点而成为各相的头，这样，三相便构成为双根Y运行。当实际负载率在30～70%范围时，把各相的尾、首联接后，再接成三角形运行。当实际负载率在20～30%范围时，可将各相两根导线尾、首相联后，再把一相的尾端接于另一相的中点而构成延边三角形运行。当实际负载率小于20%范围时，可把各相尾、首相联后，再接成单根Y接法运行。在起动时，根据不同的负载性质，采取不同的接法起动，待电机起动结束后，再切换成所需要的接法运行。当电机空载起动，且拖动系统的牵入转矩小于0.5时，将电机接成单根Y接法起动。当电机轻载起动，且拖动系统的牵入转矩小于0.7时，将电机接成延边三角形起动。当电机重载起动，并拖动系统的牵入转矩大于1时，可将电机接成三角形接法起动。当配电网络允许直接起动时，将电机接成双根Y接法直接起动。该电机起动、运行的控制，均采用接触器、继电器控制配合适当的控制装置、实现了上述单根Y、延边三角形、三角形、双根Y接法的转换。

为了实现上述各种起动、运行接法的各种转换，本发明的控制采用主令控制。电机-控制装置拖动系统主电路接线原理如图7，控制装置控制电路接线原理如图8。

在主电路中：三相接触器K₁的上端分别与电机定子绕组1U2、1V2、1W2端相联，下端与电机定子绕组2U1、2V1、2W1端相联，当K₁闭合时，1U2、2U1能联为一点，1V2、2V1能联为一点，1W2、2W1能联为一点。两相接触器K₂的下端短接后与电机定子绕组的2V2端相联，上端分别与电机定子绕组2U2、2W2相联。三相接触器K₃的上端分别与电机定子绕组2U1、2V1、2W1端相联，下端分别与电机定子绕组2W2、2U2、2V2端相联，当K₃闭合时，2U1、2W2联为一点，2V1、2U2联为一点，2W1、2V2联为一点。三相接触器K₄的上端分别与电机定子绕组1U1、1V1、1W1端相联，下端分别与电机定子绕组2W2、2U2、2V2端相联，当K₄闭合时，1U1、2W2联为一点，1V1、2U2联为一点，1W1、2V2联为一点。三相接触器K₅的上端分别与电机定子绕组1U1、1V1、1W1相联，下端分别与电机定子绕组2U1、2V1、2W1相联，当K₅闭合时，1U1、2U1联为一点，1V1、2V1联为一点，1W1、2W1联为一点。两相接触器K₆的下端短接后与电机定子绕组1V2端相联，上端分别与1U2、1W2相联。

在控制电路中：第一，由下列四条支路并联：第一条支路是按钮S₁的常开触头、接触器K₂、K₅的常开辅助触头并联后与按钮S₂、S₃的常闭触头、接触器K₃、K₄的常闭辅助触头、接触器K₂的线圈串联;第二条支路是接触器K₂、K₃、K₄的常开辅助触头并联后与接触器K₅的常闭辅助触头、接触器K₁的线圈串联;第三条支路是接触器K₃的常开辅助触头与按钮S₄的常闭触头串联后与按钮S₂的常开触头并联，该并联电路再与接触器K₂、K₄的常闭辅助触头、接触器K₃的线圈串联;第四条支路是按钮S₄、S₃的常开触头、接触器K₄的常开辅助触头并联后，与接触器K₂、K₃的常闭辅助触头、接触器K₄的线圈串联。这四条电路支路并联后与按钮S₅的常闭触头串联而构成第一条电回路。第二，由按钮S₅的常开触头与接触器K₆的常开辅助触头并联后与接触器K₁的常闭辅助触头串联，然后再与接触器K₅、K₆的线圈并联的电路串联，构成第二条电回路。第三，由第一、第二条电回路并联后再与按钮S串联。

该控制电路的两端接至异步电动机U、V、W三相电源的任意两端即可。

控制系统的动作原理，在图7、图8中。

当电机无载起动时，按下单根Y起动按钮S₁，K₂线圈通电，K₂的常开触头闭合，常闭触头断开，K₁线圈通电，K₁常开触头闭合，常闭触头断开，电机单根Y起动。待电机起动结束后，若按下S₂按钮，K₂线圈断电，K₂各触头复位，K₃线圈通电，K₃常开触头闭合，常闭辅助触头断开，电机延边三角形运行;若按下按钮S₃，则K₂线圈断电，K₂各触头复位，K₄线圈通电，K₄常开触头闭合，常闭触头断开，电机三角形运行;若按下按钮S₅，则K₂、K₁线圈断电，K₂、K₁各触头复位，K₅、K₆线圈通电，K₅、K₆常开触头闭合，常闭触头断开，导至K₂线圈再通电，K₂常开触头闭合，常闭触头断开，电机双根Y接法重载运行。

当电机轻载起动时，按下延动三角形起动按钮S₂，K₃线圈通电，K₃常开触头闭合，常闭触头断开，K₁线圈通电，K₁常开闭合，常闭断开，电机延边三角形起动。此时，若按下S₄，则K₄线圈通电，K₄常开触头闭合，常闭触头断开，电机接成三角形轻载运行;若按下S₅，则电机双根Y接法重载运行。

当电机重载起动，按下按钮S₄，电机三角形起动。待电机起动结束后，若是轻载运行，则不按其它任何按钮;若重载运行，则按下按钮S₅，电机切换成双根Y接法重载运行。

当配电网络允许直接起动，则按下S₅，电机则直投电网起动。

当要停止电机按下按钮S即可。

本发明的效果，该电机当运行于重载时，与我国能源部目前大量推广应用的Y系列电动机有相同的运行性能。当运行于中载或轻载时用户可方便地调节运行效果，使其电流降低，效率和功率因数升高，经理论分析与实测表明，当电机的实际负载率为50%时，线电流可降低13%以上，效率提高约2%，功率因数提高10%以上，在起动方面，当接为单根Y起动时，起动电流为全压起动的 1/4 ;当接为延边三角形起动时，起动电流为全压起动的 3/8 ;当接为三角形起动时，起动电流为全压起动的 3/4 。该电机的起动能完全取代自耦降压起动器。

本发明广泛应用于工业、农业、国防等凡需要电力拖动的系统中。

图1为本发明电机绕组展开图，图中只画U相，为了清楚，V、W相省略。

图2为本发明电机绕组出线端在接线盒内接线板上的排列图

图3为本发明电机绕组双根Y联接接线图

图4为本发明电机绕组三角形联接接线图

图5为本发明电机绕组延边三角形联接接线图

图6为本发明电机绕组单根Y联接接线图

图7为本发明电机-控制装置系统主回路接线原理图

图8为本发明控制装置控制回路接线原理图

图9为本发明电机实施例两种接法运行的电流、效率、功率因数曲线。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

已研制的参数电压变换感应异步电动机为-4瓩，4极鼠笼电动机，定子绕组用两根φ＝1.00毫米的高强度漆包线并绕，每槽导体数26绕组展开图如图1，为了表达清楚，图中只画了U相，其余V、W相依次相差120°电角度后，绕制方法与画出的U完全一样。图1中，实线表示第一根导线，虚线表示第二根导线。用U、V、W表示三相绕组，如图2，字母左边的“1”表示第一根导线，“2”表示第二根导线;字母右边的“1”表示导线的首端，“2”表示导线的尾端。三相十二个头在接线板上的排列顺序为：上横排是1U2、2U2、1V2、2V2、1W2、2W2，下横排是1U1、2U1、1V1、2V1、1W1、2W1，如图2。若电机实际负载率在70～100%范围时，可将电机接为双根Y运行，即将图2中的1U2、2U2、1V2、2V2、1W2、2W2联为一点，即星点，1U1、2U1联为一点，成为U相，1V1、2V1联为一点成为V相，1W1、2W1联为一点成为W相，如图3。若电机实际负载率在30-70%范围时，将各相的两根导线尾、首相接后，再接成三角形接法运行，即将图2中的1U2、2U1联为一点，1V2、2V1联为一点，1W2、2W1帅为一点，而成为U、V、W相，再将U、V、W相联成三角形运行，即1U1、2W2联成一点后接于电源的U相，1V1、2U2联成一点后接于电源的V相，1W1、2V2联成一点后接于电源的W相，如图4。当电机接成三角形接法运行时，由于电机的参数电压发生了变化，由理论分析可知，铁耗降低，效率和功率因数提高，电流减小，且无谐波干扰。若电机实际负载率在20～30%范围时，可将各相的两根导线尾、首相联构成一相后，再把一相的尾端接于另一相的中点而构成延边三角形运行。即将图2中的1U2、2U1、2W2联为一点，1V2、2V1、2U2联为一点。1W2、2W1、2V2联为一点，1U1、1V1、1W1分别接电源的三相，如图5。若电机实际负载率小于20%，可把电机各相的两根导线尾、首相联后，再联成单根Y接法运行，即将图2中的1U2、2U1联为一点，1V2、2V1联为一点，1W2、2W1联为一点而成为U、V、W相，再把2U2、2V2、2W2联为一点而成为星点，由1U1、1V1、1W1接于三相电源，如图6。

起动。电机空载起动（如感应电动机拖动无励磁的直流发电机）时，把电机接成图6的单根Y接法起动，起动结束后，再切换成所需要的接法运行。由于单根Y接法的阻抗是双根Y接法的阻抗的4倍，故单根Y接法起动电流是双根Y接法起动电流的 1/4 ，转矩也降为双根Y接法的 1/4 。轻载起动时，把电机接成图5的延边三角形起动，起动结束后，再切换成所需要的接法运行。由于延边三角形接法的阻抗是双根Y接法阻抗的 8/3 ，故起动电流延边三角形是双根Y的 3/8 其起动转矩也降为双根Y的 3/8 。额定转矩起动时，把电机接成图4的三角形接法起动，起动结束后，切换成所需要的接法运行。由于三角形接法的阻抗是双根Y接法阻抗的 4/3 ，其起动电流为双根Y的 3/4 ，转矩也降为双根Y的 3/4 。全压起动，把电机接成图3双根Y起动。

对已研制的4KW三相鼠笼异步电动机，由于双根Y接法与三角形接法电机运行的负载率范围最宽，运行最普遍，对这两种接法在额定电压下运行的运行特性进行了试验。试验所得系统效率η＝f（β）、功率因数cosφ₁＝f（β）、定子电流相对值I＊₁＝f（β）曲线描于图9中。试验时，感应异步电动机拖动一直流发电机，系统效率是直流发电机输出功率比异步电动机输入功率，故称为系统效率，β是感应电动机负载率。图9中：曲线①是双根Y接法运行时的效率曲线，曲线②是△接法运行时的效率曲线，比较①、②两条曲线，当负载率小于70%时，△接法运行时的效率高于双根Y接法运行时的效率，双Y时的负载率越低，改为△接法运行后，其效率提高越多，当负载率为50%时，系统效率可提高约2%。曲线③是双根Y接法运行时的功率因数曲线，曲线④是△接法运行时的功率因数曲线，比较③、④两条曲线，△运行时的功率因数曲线比双根Y接法时的功率因数曲线高得多，当负载率为50%时，可高达14%。曲线⑤是双根Y接法运行时的定子线电流曲线，曲线⑥是△接法运行时的定子线电流曲线，比较⑤、⑥两条曲线，△接法运行的定子线电流曲线比双根Y接法运行时的定子线电流曲线低，负载率越低，曲线⑥比曲线⑤低得越多，当负载率为50%时，曲线⑥比曲线⑤低约14%。综合以上几条主要且重要的性能指标，参数电压变换感应异步电动机，在重载时，与我国能源部大量推广应用的Y系列电机有相同的运行性能，轻载时，进行参数电压变换运行，对于已列的三项指标，均优于同型号的Y系列电动机。

Claims (3)

1、参数电压变换感应电动机及其控制装置，包括电动机的定子、转子、机座、端盖、出线盒，其特征在于把额定运行是三角形接法的电机设计、制造为额定运行是星形接法的电机，把星形接法运行的电机的每相定子绕组用等效的、横截面积相等的、且材料相同的两根绝缘导线并绕，把每相并绕的两根绝缘导线的四个头接于出线盒，其中两个头为首端，另外两个头为尾端；U、V、W三相有十二个头接于出线盒，其中1U1、2U1、1V1、2V1、1W1、2W1六个头为首端，1U2、2U2、1V2、2V2、1W2、2W2六个头为尾端。

2、一种实施权利要求1所述的控制装置;它由主电路和控制电路构成，控制电路的两端接在感应电动机三相电源的任意两相上，其特征在于：主电路中的三相接触器K₁的上端分别与电机三相定子绕组的第一根导线的尾端相联，其下端与三相定子绕组的第二根导线的首端相联;两相接触器K₂的下端短接后与电机定子绕组的V相的第二根导线的尾端相联，其上端分别与电机定子绕组U、w相的第二根导线的尾端联接;三相接触器K₃的上端分别与电机三相定子绕组的第二根导线的首端相联，其下端分别与电机三相定子绕组的第二根导线的尾端联接;三相接触器K₄的上端分别与电机三相定子绕组的第一根导线的首端相联，其下端分别与电机三相定子绕组的第二根导线的尾端联接;三相接触器K₅的上端分别与电机三相定子绕组的第一根导线的首端连接，下端分别与电机三相定子绕组第二根导线的首端相联;两相接触器K₆的下端短接后，与电机定子绕组V相的第一根导线尾端联接，其上端分别与电机定子绕组U、w相的第一根导线的尾端联接;其控制电路由第一条电回路，第二条电回路，第一条、第二条电回路并联后再与按钮S的常闭触头串联构成;第一条电回路由四条电路支路并联后与按钮S₅的常闭触头串联构成，第二条电回路由按钮S₅的常开触头与接触器K₆的常开辅助触头并联后与接触器K₁的常闭辅助触头串联，再与接触器K₅、K₆的线圈并联电路串联构成。

3、根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于第一条电回路中的四条电路支路并联的情况是：第一条支路是按钮S₁的常开触头、接触器K₂、K₅的常开辅助触头并联后与按钮S₂、S₃的常闭辅助触头、接触器K₃、K₄的常闭辅助触头、接触器K₂的线圈串联;第二条支路是接触器K₂、K₃、K₄的常开辅助触头并联后与接触器K₅的常闭辅助触头、接触器K₁的线圈串联;第三条支路是接触器K₃的常开辅助触头与按钮S₄的常闭触头串联后与按钮S₂的常开触头并联，再与接触器K₂、K₄的常闭辅助触头、接触器K₃的线圈串联;第四条支路是按钮S₄、S₃的常开触头、接触器K₄的常开辅助触头并联后，与接触器K₂、K₃的常闭辅助触头、接触器K₄的线圈串联。

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