CN109194198B - 感应电动机的起动与运行控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种感应电动机的起动与运行控制系统及控制方法，属于感应电动机的运行控制技术领域，将电机定子槽中的某些绕组通过控制系统将其开路，形成甩匝运行状态，此时具有较大的起动电流和起动转矩；当起动过程结束后，通过控制系统的延时控制使电机恢复至全槽运行状态。控制系统包括电机保护器、时间继电器和交流接触器，省略了传统控制系统的采样电路和微处理器，简化了控制电路并且提高了系统的可靠性。本发明使得电动机在起动过程中有较大的起动转矩，在稳态运行时有较高的功率因数和效率；结构简单，操作方便，成本低并易于实现，而且在模式切换中不会使电机出现震动和噪声，提高了电机运行的稳定性。

Description

感应电动机的起动与运行控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及感应电动机的运行控制技术领域，具体涉及一种改进的感应电动机的起动与运行控制系统和控制方法。

背景技术

感应电机在某些特殊的运行场合中，例如抽油机的运行，需要有较大的起动转矩，而在稳态运行时，负载转矩减小，需要的功率也随之减小。若按照稳态运行时的转矩及功率要求配备电机，则电机达不到起动时所需求的转矩。若要满足较大的起动转矩，则需要配备功率较大的电机，这不仅增大了电机的体积，还导致了稳态运行时电机的功率因数较低，效率较低，造成了电能的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够使电动机在起动和过程中有较大起动转矩以及较高功率因数和效率且不会使电机出现震动和噪声的电动机起动和运行控制系统，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供一种感应电动机的起动和运行控制系统，所述电动机包括定子三相绕组，分别为第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组；每相绕组包括两个并联支路，每相绕组的连接方式为双层叠绕，其特征在于：所述每相绕组引出有五个出线端，分别为第一出线端、第二出线端、第三出线端、第四出线端和第五出线端；所述每相绕组的第一出线端分别穿过电机保护器与三相电源相连；

所述每相绕组的第一出线端通过第一交流接触器连接第三出线端，所述每相绕组的第二出线端通过第二交流接触器连接第三出线端；所述第一相绕组的第四出线端通过第三交流接触器连接第三相绕组的第五出线端，所述第二相绕组的第四出线端通过所述第三交流接触器连接第一相绕组的第五出线端，所述第三相绕组的第四出线端通过所述第三交流接触器连接第二绕组的第五出线端；

所述第一交流接触器的线圈与时间继电器的线圈并联，所述时间继电器的辅助触点分别与所述第一交流接触器、所述第二交流接触器的辅助触点相连。

进一步的，所述第一交流接触器、第二交流接触器、第三交流接触器和时间继电器的线圈与所述电机保护器的输出端连接进行通电。

进一步的，所述感应电动机为8极54槽的三相异步感应电机。

进一步的，所述每相绕组的第一支路的线圈连接方式为：

第一线圈的下层接线端连接第八线圈的下层接线端，第八线圈的上层接线端连接第十五线圈的上层接线端；第十五线圈的下层接线端连接第二线圈的上层接线端，第二线圈的下层接线端连接第三线圈的上层接线端；第三线圈的下层接线端连接第九线圈的下层接线端，第九线圈的上层接线端连接第十六线圈的上层接线端；第十六线圈的下层接线端连接第二十三线圈的下层接线端，第二十三线圈的上层接线端连接第二十二线圈的下层接线端；

所述每相绕组的第二支路的线圈连接方式为：

第二十八线圈的下层接线端连接第三十五线圈的下层接线端，第三十五线圈的上层接线端连接第四十二线圈的上层接线端；第四十二线圈的下层接线端连接第二十九线圈的上层接线端，第二十九线圈的下层接线端连接第三十线圈的上层接线端；第三十线圈的下层接线端连接第三十六线圈的下层接线端，第三十六线圈的上层接线端连接第四十三线圈的上层接线端；第四十三线圈的下层接线端连接第五十线圈的下层接线端，第五十线圈的上层接线端连接第四十九线圈的下层接线端。

进一步的，所述第一相绕组的第一线圈的上层接线端、第一线圈的下层接线端、第八线圈的下层接线端、第十五线圈的下层接线端和第二十二线圈的上层接线端分别为第一相绕组的第一出线端、第二出线端、第三出线端、第四出线端和第五出线端；

所述第二相绕组的第十九线圈的上层接线端、第十九线圈的下层接线端、第二十六线圈的下层接线端、第三十三线圈的下层接线端和第四十线圈的上层接线端分别为第二相绕组的第一出线端、第二出线端、第三出线端、第四出线端和第五出线端；

所述第三相绕组的第三十七线圈的上层接线端、第三十七线圈的下层接线端、第四十四线圈的下层接线端、第五十一线圈的下层接线端和第四线圈的上层接线端分别为第三相绕组的第一出线端、第二出线端、第三出线端、第四出线端和第五出线端。

进一步的，所述第一相绕组、所述第二相绕组以及所述第三相绕组的第一出线端和第三出线端通过所述第一交流接触器的主触点连接；所述第一相绕组、所述第二相绕组以及所述第三相绕组的第二出线端和第三出线端通过所述第二交流接触器的主触点连接；所述第一相绕组的第四出线端和第三相绕组的第五出线端、所述第二相绕组的第四出线端和第一相绕组的第五出线端、所述第三相绕组的第四出线端和第二绕组的第五出线端均通过第三交流接触器的主触点连接。

另一方面，本发明提供一种感应电动机的起动和运行控制系统，该方法首先通过电机保护器为控制系统提供电源，当起动电机时，第一交流接触器和第三交流接触器的主触点吸合，第一相绕组的第一线圈和第二十八线圈、第二相绕组的第十九线圈和第四十六线圈、第三相绕组的第三十七线圈和第十线圈没有电流流过，电机工作在甩匝运行状态；

对时间继电器的设定延时时间，所述延时时间为电机起动周期的整数倍，当到达延时时间时，电机起动过程结束，第一交流接触器的主触点断开，第二交流接触器和第三交流接触器的主触点吸合，电机在全槽运行状态。

本发明有益效果：通过改变传统的绕组连接方式，引出三相绕组特定的出线端，利用控制电路将出线端与交流接触器相连，并通过延时控制，使得电动机在起动过程中有较大的起动转矩以及在稳态运行时有较高的功率因数和效率；控制电路由电机保护器、交流接触器和时间继电器构成，降低了系统制造的成本，无需任何控制算法，操作简单并易于实现，而且在模式切换中不会使电机出现震动和噪声，提高了电机运行的稳定性；便于规模工业生产和制造，可广泛用于油田及化工等工业领域。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的感应电动机的起动与运行控制系统原理框图。

图2为本发明实施例所述的感应电动机的起动与运行控制系统电路图。

图3为本发明实施例所述的感应电动机的起动与运行控制系统的控制原理电路图。

图4为本发明实施例所述的感应电动机的每相绕组的一个并联支路的连接关系展开图。

图5为本发明实施例所述的感应电动机处于甩匝运行状态时的绕组线圈连接关系图。

图6为本发明实施例所述的感应电动机处于全槽运行状态时的绕组线圈连接关系图。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。应该理解，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接，使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例

如图1所示，本发明实施例提供了一种感应电动机的起动与运行控制系统，该系统主要包括按照工艺要求下线的定子三相绕组，电机保护器，时间继电器和交流接触器，交流接触器包括第一交流接触器、第二交流接触器和第三交流接触器，感应电动机为8极54槽，绕组的并联支路数为2，连接方式为双层叠绕。

定子三相绕组由A相绕组，B相绕组和C相绕组构成，绕组分布在54个定子槽中。A相绕组、B相绕组和C相绕组接线方式相同，每相绕组引出5个接线端，以便于电机甩匝运行与全槽运行的模式切换。

如图4所示，在本发明的一个具体实施例中，定义A相绕组绕组线圈用Ai-Xi表示(i＝1,2,3...54)。其中，i表示绕组线圈的序号，Ai表示第i个绕组线圈的上层接线端，Xi表示第i个绕组线圈的下层接线端。

A相绕组的第一个支路线圈端部连接如下：

A1-X1→X8-A8→A15-X15→A2-X2→A3-X3→X9-A9→A16-X16→X23-A23→X22-A22

A相绕组的第二个支路线圈端部连接如下：

A28-X28→X35-A35→A42-X42→A29-X29→A30-X30→X36-A36→A43-X43→X50-A50→X49-A49

其中，A1-X1表示一个闭合线圈，→表示线圈之间的连接。

定义A相绕组的5个出线端为a_j(j＝1,2,3,4,5)，则A相绕组的5个出线端a1至a5分别为：A1、X1、X8、X15和A22。

B相绕组的5个出线端b1至b5分别为：B19、Y19、Y26、Y33和B40。

C相绕组的5个出线端c1至c5分别为：C37、Z37、Z44、Z51和C4。

上述三相绕组的15个出线端和交流接触器的主触点进行电气连接。其中，a1和a3、b1和b3、c1和c3通过交流接触器1的主触点连接；a2和a3、b2和b3、c2和c3通过交流接触器2的主触点连接；a4和c5、c4和b5、b4和a5通过交流接触器3的主触点连接，电机三相绕组构成星-角的连接方式。为了实现对电机的延时控制，时间继电器的线圈与交流接触器1的线圈并联，其辅助触点分别与交流接触器1和交流接触器2的辅助触点相连。

感应电机定子的三相绕组通过电机保护器与三相交流电源连接，交流接触器和时间继电器的线圈通过电机保护器的输出进行通电，电机保护器自带有过流保护的功能，当电机电流超过预设值时，电机保护器的输出为零，从而控制电路的电源为零，电机将停止运行。

具体的，如图2和图3所示，感应电机定子的三相绕组通过电机保护器与三相交流电源连接，交流接触器和时间继电器的线圈通过电机保护器的输出进行通电。启动时，首先，闭合开关S1及S2，此时电网电压为电机保护器提供电源，若无过流故障发生，电机保护器的输出为控制电路提供电源。其次，按下起动按钮②，第一交流接触器、第三交流接触器和时间继电器的线圈通电，第三交流接触器的常开辅助触点KM32吸合，形成自锁的功能，此时主电路中第一交流接触器的主触点KM1和第三交流接触器的主触点KM3吸合，电机工作在甩匝运行的状态。

电机在甩匝运行状态时，绕组的连接示意图如图5所示，图中的数字代表第i个绕组线圈，不带圆圈的数字代表该绕组线圈的上层边与上一个绕组线圈的出线端相连，带圆圈的数字代表该绕组线圈的下层边与上一个绕组线圈的出线端相连，绕组线圈间具体连接的方式如图4所示。电机起动过程中，第一交流接触器的主触点KM1和第三交流接触器的主触点KM3吸合，此时A相绕组的1号线圈和28号线圈、B相绕组的19号线圈和46号线圈和C相绕组的37号线圈和10号线圈没有电流流过，电机工作在甩匝运行状态，具有较大的起动电流和起动转矩。

通过对时间继电器的设定，实现对电机的延时控制，延时的时间要与电机起动的时间相匹配。当到达延时时间时，也就是电机起动过程结束后，时间继电器KT的常闭触点KT1断开，常开触点KT2吸合，第一交流接触器和时间继电器的线圈断电，第二交流接触器的线圈通电，第二交流接触器的常开辅助触点KM22吸合，形成自锁功能，第一交流接触器常闭辅助触点KM11和第二交流接触器的常闭辅助触点KM21形成互锁功能，此时主电路中第一交流接触器的主触点KM1断开，第二交流接触器的主触点KM2吸合，电机工作在全槽运行的状态，如图6所示，A相绕组的1号线圈和28号线圈、B相绕组的19号线圈和46号线圈和C相绕组的37号线圈和10号线圈均电流流过，电机工作在全槽运行状态，具有较高的功率因数和效率。

最后，若要停止系统的运行，按下停止按钮①，控制电路的电源被切断，系统停止运行。

综上所述，本发明实施例所述的通过改变传统的绕组连接方式，引出三相绕组特定的出线端，利用控制电路将出线端与交流接触器相连，并通过延时控制，使得电动机在起动过程中有较大的起动转矩以及在稳态运行时有较高的功率因数和效率；控制电路舍弃了由微处理器以及传感器等构成传统的控制电路，改用由电机保护器、交流接触器和时间继电器构成，降低了系统制造的成本，无需任何控制算法，提高了系统的稳定性，操作简单并易于实现，而且在模式切换中不会使电机出现震动和噪声，便于工业生产和制造，可广泛用于油田及化工等工业领域。

本领域普通技术人员可以理解：本发明实施例中的装置中的部件可以按照实施例的描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种感应电动机的起动和运行控制系统，所述电动机包括定子三相绕组，分别为第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组；每相绕组包括两个并联支路，每相绕组的连接方式为双层叠绕，其特征在于：所述每相绕组引出有五个出线端，分别为第一出线端、第二出线端、第三出线端、第四出线端和第五出线端；所述每相绕组的第一出线端分别穿过电机保护器与三相电源相连；

所述每相绕组的第一出线端通过第一交流接触器连接第三出线端，所述每相绕组的第二出线端通过第二交流接触器连接第三出线端；所述第一相绕组的第四出线端通过第三交流接触器连接第三相绕组的第五出线端，所述第二相绕组的第四出线端通过所述第三交流接触器连接第一相绕组的第五出线端，所述第三相绕组的第四出线端通过所述第三交流接触器连接第二绕组的第五出线端；

所述第一交流接触器的线圈与时间继电器的线圈并联，所述时间继电器的辅助触点分别与所述第一交流接触器、所述第二交流接触器的辅助触点相连；

所述每相绕组的第一支路的线圈连接方式为：

第一线圈的下层接线端连接第八线圈的下层接线端，第八线圈的上层接线端连接第十五线圈的上层接线端；第十五线圈的下层接线端连接第二线圈的上层接线端，第二线圈的下层接线端连接第三线圈的上层接线端；第三线圈的下层接线端连接第九线圈的下层接线端，第九线圈的上层接线端连接第十六线圈的上层接线端；第十六线圈的下层接线端连接第二十三线圈的下层接线端，第二十三线圈的上层接线端连接第二十二线圈的下层接线端；

所述每相绕组的第二支路的线圈连接方式为：

第二十八线圈的下层接线端连接第三十五线圈的下层接线端，第三十五线圈的上层接线端连接第四十二线圈的上层接线端；第四十二线圈的下层接线端连接第二十九线圈的上层接线端，第二十九线圈的下层接线端连接第三十线圈的上层接线端；第三十线圈的下层接线端连接第三十六线圈的下层接线端，第三十六线圈的上层接线端连接第四十三线圈的上层接线端；第四十三线圈的下层接线端连接第五十线圈的下层接线端，第五十线圈的上层接线端连接第四十九线圈的下层接线端；

所述第一相绕组的第一线圈的上层接线端、第一线圈的下层接线端、第八线圈的下层接线端、第十五线圈的下层接线端和第二十二线圈的上层接线端分别为第一相绕组的第一出线端、第二出线端、第三出线端、第四出线端和第五出线端；

所述第二相绕组的第十九线圈的上层接线端、第十九线圈的下层接线端、第二十六线圈的下层接线端、第三十三线圈的下层接线端和第四十线圈的上层接线端分别为第二相绕组的第一出线端、第二出线端、第三出线端、第四出线端和第五出线端；

所述第三相绕组的第三十七线圈的上层接线端、第三十七线圈的下层接线端、第四十四线圈的下层接线端、第五十一线圈的下层接线端和第四线圈的上层接线端分别为第三相绕组的第一出线端、第二出线端、第三出线端、第四出线端和第五出线端。

2.根据权利要求1所述的感应电动机的起动和运行控制系统，其特征在于：所述第一交流接触器、第二交流接触器、第三交流接触器和时间继电器的线圈与所述电机保护器的输出端连接进行通电。

3.根据权利要求1所述的感应电动机的起动和运行控制系统，其特征在于：所述感应电动机为8极54槽的三相异步感应电机。

4.根据权利要求1所述的感应电动机的起动和运行控制系统，其特征在于：所述第一相绕组、所述第二相绕组以及所述第三相绕组的第一出线端和第三出线端通过所述第一交流接触器的主触点连接；所述第一相绕组、所述第二相绕组以及所述第三相绕组的第二出线端和第三出线端通过所述第二交流接触器的主触点连接；所述第一相绕组的第四出线端和第三相绕组的第五出线端、所述第二相绕组的第四出线端和第一相绕组的第五出线端、所述第三相绕组的第四出线端和第二绕组的第五出线端均通过第三交流接触器的主触点连接。

5.一种感应电动机的起动和运行控制方法，其特征在于：

应用在如权利要求1至4任一所述的感应电动机的起动和运行控制系统；具体包括：

通过电机保护器为控制系统提供电源，当起动电机时，第一交流接触器和第三交流接触器的主触点吸合，第一相绕组的第一线圈和第二十八线圈、第二相绕组的第十九线圈和第四十六线圈、第三相绕组的第三十七线圈和第十线圈没有电流流过，电机工作在甩匝运行状态；

对时间继电器的设定延时时间，所述延时时间为电机起动周期的整数倍，当到达延时时间时，电机起动过程结束，第一交流接触器的主触点断开，第二交流接触器和第三交流接触器的主触点吸合，电机在全槽运行状态。

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