CN1309153C

CN1309153C - 一种变极起动绕线转子感应电动机

Info

Publication number: CN1309153C
Application number: CNB031281508A
Authority: CN
Inventors: 王雪帆
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2023-06-13
Also published as: CN1479435A

Abstract

本发明公开了一种变极起动绕线转子感应电动机，定子上布置有三种极数分别为q₁、q₂、p的三相交流变极绕组，这三种极数满足关系式p＝q₁+q₂。起动时，对应极数q₁的绕组端接入三相交流电源，同时对应极数q₂的绕组端自短路或接入外串三相电阻器R_st；起动完毕转入正常工作时，极数q₁的绕组从三相电源断开，极数p的绕组接入三相交流电源。转子上同样布置有三种极数分别为p、q₁、q₂的多相对称绕组，其中，对应极数q₁和q₂，绕组为反相序串联连接，对应极数p，转子绕组则为自短路连接。本发明定、转子绕组均可为单绕组结构，起动和运行状态的转换是通过定子绕组的变极切换进行的，故转子上无需安装滑环，既简化了转子机械结构，又消除了因此带来的故障隐患，在起动时能达到额定工作转速，因而由起动转换至额定工作状态时不会产生过大的冲击电流。

Description

一种变极起动绕线转子感应电动机

技术领域

本发明属于电动机领域，具体涉及一种变极起动绕线转子感应电动机，是一种采用转子串级联接调速原理实现的变极起动无滑环电刷绕线转子感应电动机。

背景技术

普通三相感应电动机能够自起动，但如不采取任何措施直接投入电网起动，起动电流往往很大(额定电流的5～7倍)，而起动转矩并不太大，在许多场合应用需要限制起动电流，同时又要保证有足够大的起动转矩。

为做到既限制感应电动机的起动电流同时保证有足够大的起动转矩，目前所采用的起动方法主要有：1)降压起动法；2)变频起动法；3)变极起动法；4)转子绕组串联电阻起动法等。这些起动方法中，方法1)需要电抗器或是晶闸管调压装置等，虽然可限制起动电流，但同时也降低了起动转矩；方法2)能做到既有小的起动电流同时保证起动转矩，但需要有专用的变频器；方法3)无需其它附加起动设备，因而最为简单，但不能起动到额定转速，由起动转换至工作态时仍可能造成大的电流冲击；方法4)必须用带有滑环的绕线型感应电动机，有好的起动性能，也能起动至额定转速，但由于转子电路中存在滑动触点，因而可靠性低。

发明内容

本发明目的是提出一种新型的变极起动绕线转子感应电动机。与常规变极起动电动机一样，本发明依靠定子绕组切换不同的极数来进行起动和正常运行两种工作状态的转换。但是，常规变极起动电动机不能起动至额定工作转速，只能比额定工作转速低或高，这样当其进行起动和正常运行状态转换时会产生大的切换冲击电流和冲击转矩。本发明克服了这个缺点，在起动时能达到额定工作转速，因而由起动转换至额定工作状态时不会产生过大的冲击电流。

本发明的一种变极起动绕线转子感应电动机，包括定子和转子，定子上布置有三种极数分别为q₁、q₂、p的三相交流变极绕组，这三种极数满足关系式p＝q₁+q₂，起动时，对应极数q₁的绕组端接入三相交流电源同时对应极数q₂的绕组端接入附加三相电阻器R_st；起动完毕转入正常工作时，对应极数q₁的绕组端从三相电源断开，对应极数p的绕组端接入三相交流电源；转子上同样也布置有三种极数分别为p、q₁、q₂的多相对称绕组，极数q₁和q₂的绕组为反相序串联连接，极数p的转子多相绕组则为自短路连接。

上述定子绕组的一种连接方式是采用单绕组3Y/3Y+Y接法的换相变极绕组，其中极数q₁对应3Y并联接法，极数q₂对应Y接法，极数p对应3Y+Y并联接法。

上述转子绕组可为单绕组，按照每两个转子线圈在极数为p的定子绕组产生的p极磁场中感应电动势反向，在极数为q₁的定子绕组产生的q₁极磁场和极数为q₂的转子绕组产生的q₂极磁场中感应电动势同向的方法，将转子线圈配成对，并联连接构成转子线圈对，再分别对于q₁极和q₂极，各自均按m相对称的原则，将这些转子线圈对分别联接成q₁极m相和q₂极m相各自对称的两套子绕组，并将两套子绕组按反相序串联连接。如果极数比q₁/q₂＝3/1，那么q₁和q₂绕组分相的相数可以均为两相或其倍数；如果极数比q₁/q₂＝2/1，那么q₁和q₂绕组分相的相数可以均为三相或其倍数。

上述技术方案工作原理可说明如下。

本发明起动时，定子q₁极三相绕组接入频率为f₁的三相交流电源产生转速为n_q1＝2×60f₁/q₁的旋转磁势波。这个磁势波将在极数q₁的转子绕组中感应频率为f_q1的电动势，由于该转子绕组和极数q₂的三相转子绕组反相序串联连接，因此在其中将会流过频率为f_q1的电流，并同时在气隙圆周中产生与n_q1同转向的q₁极转子旋转磁势波和反转向的q₂极转子旋转磁势波。这个q₂极的反转向磁势波，则将在定子对应的极数q₂绕组中感应电势并通过外串电阻R_st产生电流，依据电机学中转子串级联接的调速原理，这时本发明所对应的自然同步转速n_(q1+q2)＝2×60f₁/(q₁+q₂)，调节R_st阻值的大小可改变起动电流或起动转矩的大小。

由于本发明运行极数为p，因此，只要选取起动极数q₁和q₂满足关系式p＝q₁+q₂，例如可选取p＝6、q₁＝4、q₂＝2或p＝8、q₁＝6、q₂＝2等，即可使其同步转速n_p＝n_(q1+q2)。这也意味着本发明以极数q₁起动时，可以直接起动至正常运行时的额定转速，这时再从起动态切换至额定工作态运行，因为这时转子机械转速n与同步转速n_p只有很小的转差，就不会存在切换冲击电流和冲击转矩过大的问题，又因为对应极数p的转子三相绕组是自短路连接，所以本发明以极数p额定运行时，将会有着高的运行效率。

本发明起动和运行状态的转换是通过定子绕组的变极切换进行的，所以转子上无需安装滑环，这不但简化了转子机械结构，也消除了因此带来的故障隐患。在起动时能达到额定工作转速，因而由起动转换至额定工作状态时不会产生过大的冲击电流。

附图说明

图1为本发明定子和转子绕组构成原理示意图；

图2为本发明按单绕组设计转子绕组一种接线方式的示意图；

图3为本发明按单绕组设计，定子绕组采用3Y/3Y+Y并联连接方式示意图；

图4为本发明采用单绕组设计，定子绕组采用2Y/Δ连接方式示意图；

图2为本发明定子72槽，极数p＝8，q₁＝6，q₂＝2，三相3Y/3Y+Y联接绕组接线图；

图3为本发明转子48槽，极数q₁＝6和q₂＝2均为两相，极数p＝8为24相的绕组接线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明定子上布置有三套极数分别为p、q₁、q₂的三相对称绕组，其中极数p的三相绕组(分别标记为A_p、B_p、C_p)，接入电源时作为正常工作绕组，极数q₁的三相绕组(分别标记为A_q1、B_q1、C_q1)，接入电源时作为起动绕组，另一个极数q₂的三相绕组(分别标记为A_q2、B_q2、C_q2)，接入了外串起动电阻器R_st，这三种极数满足关系式p＝q₁+q₂；本发明转子上同样也布置有三套极数分别为p、q₁、q₂的三相对称绕线型绕组，其中极数为q₁的三相转子绕组(分别标记为a_q1、b_q1、c_q1)和极数为q₂的三相转子绕组(分别标记为a_p2、b_q2、c_q2)反相序串联连接，极数为p的转子三相绕组(分别标记为a_p、b_p、c_p)自短路连接。

这里特别要指出的是，本发明在图1中为说明原理，采用了三套极数不同的三相对称定、转子绕组，但在实际应用时，可应用交流电机绕组理论进行单绕组兼容设计，也即只用一套绕组来做到具备前述本发明原理所要求的全部功能。

图2所示为本发明采用单绕组设计转子绕组的一种接线方式示意图。绕组方案的构成是首先按每两个线圈在p极磁场中感应电动势反向和在q₁极磁场或q₂极磁场中感应电动势同向的原则，将转子线圈配成对并联连接，然后将这些转子线圈对分作两个部分，一部分设计为q₁极多相绕组，另一部分设计为q₂极多相绕组，两部分绕组反相序串联连接。

图2中标出了不同极数磁场感应电流的流通路径。可以看出，p极感应电流I_mp(m＝1，2，…，12)在每个线圈对中自成短路，这样将对应低转子阻抗，如同普通绕线型转子绕组那样有很高的分布系数和运行效率；q₁极三相a_q1、b_q1、c_q1转子绕组感应电流Ia_q1、Ib_q1、Ic_q1则通过q₂极三相a_q2、b_q2、c_q2转子绕组构成回路，这样将会在产生q₁极转子旋转磁动势的同时，产生旋转方向相反q₂极转子旋转磁动势。

图3所示为本发明采用单绕组设计定子绕组的一种接线方式示意图。该绕组采用3Y/3Y+Y并联的接线方式。从图3可以看出，三相绕组每相分为4个子绕组(采用下标标记为1p，2p，3p，4p)，其中起动极q₁为3Y接法，当接线端A_q1、B_q1、C_q1接入三相电源，产生如图所示的三相电流I_Aq1、I_Bq1、I_Cq1，这利用了全部绕组线圈的3/4，同时，经转子绕组作用，剩下1/4Y接法的绕组线圈(标记为A_4p、B_4p、C_4p)中将产生q₂极磁场三相感应电流I_Aq2、I_Bq2、I_Cq2，这个三相电流遇到的阻抗，可以通过将接线端A_p、b_p、C_p短接(如图3中虚线连接)或将子绕组A_4p、B_4p、C_4p端线单独引出，串入外接阻抗来进行调节；运行极p为4Y接法，当接线端A_p、B_p、C_p接入三相，产生如图所示的三相电流I_Aq1、I_Bq1、I_Cq1，利用了全部绕组线圈。

图4所示为本发明采用单绕组设计，定子绕组采用2Y/Δ连接方式的示意图。图4中，起动极q₁为2Y接法，通过接线端A_q1、B_q1、C_q1接入三相电源，这时经转子绕组作用而在定子绕组产生q₂极磁场感应电流的流通路径如图中标记I_mq2(m＝1，2，…，12)所示；运行极p为Δ接法，通过接线端A_p、B_p、C_p接入三相电源。

本发明的一个实施例如下。

一台定子72槽，转子槽数48的电机，取三种极数分别为p＝8，q₁＝6，q₂＝2，其中8极为正常运行极，6极和2极为起动极，满足p＝q₁+q₂，采用单绕组的设计方案，定、转子绕组的具体接线方式分别如图5和图6所示。

图5所示为采用3Y/3Y+Y并联连接方式的定子绕组接线方案。图5中，从接线端D₁、D₂、D₃接入电源时为6极起动，接线端D₄、D₅、D₆接入电源时为8极正常运行，接线端D₇、D₈、D₉起动时或与接线端D₄、D₅、D₆连接，或接入三相外接电阻或直接短路，以便为2极磁场感应电流提供通路，正常运行时接线端D₇、D₈、D₉也分别与接线端D₄、D₅、D₆并联连接，这时对8极而言为全部绕组线圈都得到应用的三相正规60°相带绕组。

图6所示为转子绕组接线方案，可以看出，对于正常运行极的8极而言，该绕组为24相，相带宽30°，绕组分布系数1.0，全部转子线圈都得到应用，因此其性能指标与正常标准8极绕组相当；对于起动时的6极和2极而言，该绕组均为互差90°电角度的两相绕组，利用了全部转子线圈的11/12，其中6极绕组分布系数为0.7234×11/12＝0.6631，当定子6极绕组接入电源在气隙圆周中产生6极旋转磁场时，该转子绕组将感应电动势并同时产生旋转方向相反的6极和2极转子旋转磁动势，这一点也正好与前述本发明原理相符。

Claims

1 一种变极起动绕线转子感应电动机，包括定子和转子，其特征在于，定子上布置有三种极数分别为q₁、q₂、p的三相交流变极绕组，这三种极数满足关系式p＝q₁+q₂，起动时，对应极数q₁的绕组端接入三相交流电源，同时对应极数q₂的绕组端接入外串三相电阻器R_st；起动完毕转入正常工作时，对应极数q₁的绕组端从三相电源断开，对应极数p的绕组端接入三相交流电源；转子上同样也布置具有三种极数分别为p、q₁、q₂的多相对称绕组，其中，对应极数q₁和q₂，为m(m＝2，3，…)相绕组，反相序串联连接；对应极数p，则为自短路连接的n(n＝2，3，…)相绕组。

2 根据权利要求1所述的电动机，其特征在于：所述定子绕组的一种连接方式是采用单绕组3Y/3Y+Y接法的换相变极绕组，其中极数q₁对应3Y并联接法，极数q₂对应Y接法，极数p对应3Y+Y并联接法。

3 根据权利要求1或2所述的电动机，其特征在于：所述转子绕组为单绕组，按照每两个转子线圈在极数为p的定子绕组产生的p极磁场中感应电动势反向，在极数为q₁的定子绕组产生的q₁极磁场和极数为q₂的转子绕组产生的q₂极磁场中感应电动势同向的方法，将转子线圈配成对，并联连接构成转子线圈对；再分别对于q₁极和q₂极，各自均按m相对称的原则，将这些转子线圈对分别联接成q₁极m相和q₂极m相各自对称的两套子绕组，并将两套子绕组按反相序串联连接。