CN1331305C - 具有感应电机的能量转换装置及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种将电能转换成机械能和进行相反转换的装置，该装置包括绕制转子的感应电机，该电机具有定子(S)和转子(R)，二者均通过相应的连接导线(CS，CR)连接于同样的三相线(L)，该装置还包括连接于转子(R)的能够使转子以两倍同步速度转动的马达(M)以及降压变压器(T)和开关(P)，该变压器和开关配置在连接导线(CS，CR)上，使得可以执行定子(S)或者转子(R)的并联。结果，该感应电机在同样尺寸和同样铁和铜的重量条件下，可以发出两倍可用功率，因为感应电机的转速是同步速度的两倍，并连接于三相电源线。这样，该感应电机可以用作为发电机，或者用作为同步马达。

Description

具有感应电机的能量转换装置及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种将电能转换成机械能和将机械能转换成电能的装置，具体涉及一种包含感应电机的装置和相关的操作方法。
背景技术
众所周知，在转子转速低于同步速度时，感应电机适合于用作马达，而在转子转速高于同步速度时，适合于用作发电机，对此无论起感应作用的是定子还是转子都不是重要的，而且大家还知道，定子和转子二者均可以连接于AC电网。
非同步电机的主要缺点是，它们受限于在同步速度附近工作。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种装置，这种装置可以在两倍于同步速度的速度下操作绕制转子的非同步马达，而且定子和转子均并联于三相电线。
本发明的主要优点是，对于一定的规格和一定重量的铁和铜，本电机可以发出两倍或者更大量的可用功率。这是因为电机的转动速度两倍于同步速度，而且电机双重连接于电网电线。
这样，感应电机可以用作为发电机或者用作为同步马达。
附图说明
下面参照附图详细说明本发明的一些实施例，从这些说明中，技术人员可以明显看出本发明装置的其它优点和特征，这些附图是：
图1是示意图，示出本发明的第一实施例，此实施例的感应电机转子通过降压变压器和开关并联；
图2-5是装置起动操作时，上述电机的向量示意图；
图6-8是在用作发电机时，具有恒定欧姆负载和可变转子电压的上述电机的向量图；
图9-11是在用作发电机时，具有可变欧姆负载和恒定转子电压的上述电机的向量图；
图12是示意图，示出本发明第二实施例，该第二实施例的感应电机定子通过开关并联；
图13-15是在装置起动操作时，上述第二实施例相关的向量图；
图17和18是示意图，分别示出具有突出磁极转子和圆滑磁极转子的感应电机的变型例；
图19示出两个线圈串联形成四个磁极的线路图；
图20是类似于上图的线路图，示出两个线圈并联形成两个磁极；
图21示出线路图，该线路图用于通过双掷选择开关将定子从四个磁极切换到两个磁极；
图22是类似于上图的线路图，用于通过双掷选择开关将转子从四个磁极切换到两个磁极；
图23是示意图，示出本发明的第三实施例，该实施例包括通过切换电流形成的自动起动马达；
图24是示意图，示出本发明装置的第四实施例，该装置包括通过切换绕组形成的自动起动马达；
图25是示意图，示出本装置的第五实施例，该装置包括仅通过在定子中切换电流形成的自动起动马达；
具体实施方式
下面参考图1，从图中可以看出，本发明装置的第一实施例包括绕制转子的感应电机，该电机通过相应的三相连接线CS和CR使其定子S和转子R连接于三相电网线L，在此装置中，在转子的连线CR上配置降压变压器T，而在电机和变压器T之间配置开关P，进行并联。
该转子R由马达M转动，该马达可使转子达到速度2n，其中“n”是同步速度，单位为r/m，即n＝60*f/p，其中“f”是频率，单位为赫，“p”是磁极对的数目。马达M的存在按照图2-5向量图所述操作方法可以达到转子的并联。
向定子输送电压VS可以在定子中产生电动势ES和在转子中产生电动势ER，对于磁通量S，两种电动势均产生90°延迟，如图2所示。同时在定子中产生感应器磁场，该磁场以同步速度n顺时针转动，由此感应器磁场以顺时针切割速度n扫过转子绕组。
使转子顺时针转动降低了切割速度n，直至在转子达到速度n时切割速度等于零，由此也降低了电动势ER，直至其值等于零。然而一当转子速度超过n时，该切割速度又沿反时针方向回升，还产生相反符号的ER。最后当转子达到转速2n时，该切割速度达到绝对值n，并且电动势达到数值ER(图3)。
通过调节降压变压器T和马达M的速度，可以使转子R的电动势值等于降压变压器T的电压，并与该电压同步。然后闭合开关P，使转子R并联，在这些条件下，转子R既不吸收也不产生电流(图4)。
最后断开马达M，使电机继续由其自身的转矩驱动而转动，这种转矩的产生是因为转子R受到某种延迟作用(由摩擦产生的)，而在产生这种延迟时，电动势ER也相对于电压VR发生某个角度δ的相位延迟(图5)。因此电流IR流过转子R，该电流产生同相位的磁通量R，该磁通量产生感应磁场，并且同样绕顺时针方向和与感应器磁场相同的速度转动，这两个磁场本身的分布可以形成能够补偿阻力转矩的转矩。
因此，这样连接和操作的本感应电机实际上可用作为以同步速度转动的异步马达，即好象该电机是同步马达。事实上存在两种转动磁场，在这种磁场中如果两个磁极不对准，则会产生趋向于重新对准磁极的吸引力。
应当注意到，在上述向量图中，ER和ES只是分别在转子R和定子S中由定子磁通量S感应的电动势，因此它们总是与上述磁通量成90°相移，由转子磁通量R感应的电动势，为清楚起见没有表示出来。
下面参考图6-11，图中示出机器用作发电机的操作，即该发电机具有马达M，该马达继续驱动转子R，将机械能转换成电能。可以清楚看出，和常规同步感应电机的情况一样，形成一种安全系统，该系统在转子R的速度超过设定极限时，可以停止感应电机的操作。
在用作具有纯电阻负载的发电机时，转子R产生与电动势ER同相的电流IR，由此产生横向于感应器的感应磁场。对于纯电感负载或者电容负载，转子R相对于ER产生90°延迟或者超前的相移，因而产生使感应器去磁化或者磁化的感应磁场。
在保持电阻负载恒定而改变电压VR时，在定子S和转子R两个磁通量之间的角度β便产生变化。如果VR等于ER，则角度β约等于90°，并且电流IR几乎与电动势ER同相，因而感应电机发出有功功率(图6)。
如果VR大于ER使β角增加，IR相对ER具有超前相移，则除有功功率而外，该感应电机还产生具有电容特性的无功功率(图7)。如果VR小于ER使角度β降低，并且IR相对于ER具有延迟的相移，使得除有功功率而外，该感应电机还发出具有电感特性的无功功率(图8)。
增加电阻负载和保持恒定的电压VR将造成从转子R产生的有功功率(图9和10)变化到同样一种功率加上由定子S产生的另外功率，该定子用于从电源吸收磁化电流IM。
该电流IM与电流IS相加形成总电流IST，该总电流对于较小的值由电源提供，在超过给定的负载后，该电流IST达到这样一种数值和相移，使得可以接纳与电动势ES同相位的分量，如图11所示。在这些条件下，定子S提供可与转子R产生功率相加的功率。
同样，当感应电机作为马达操作时，结果是转子R吸收电流IR，该电流在感应电机作为发电机操作时，几乎与感应电机提供的电流完全反相。保持负载为常数而改变电压VR可使角度β改变，并且设定VR等于ER时，该角度β达到约90°，并且存在横向于感应器的感应磁场，即感应电机从电源吸收有功功率。
在设定ER大于VR时，角度β增加，并且产生感应器磁化感应磁场，因此除有功功率而外，还发生吸收电容特性的无功功率。通过设定VR小于ER可以降低角度β，并产生去磁化的感应磁场，因此除有功功率而外，还吸收电容特性的无功功率。
通过增加机械负载和保持电压VR恒定，可从转子R吸收的有功功率改变到同样的功率加上定子吸收的功率。
图12示意示出本发明第二实施例，该实施例不同于上述第一实施例之处仅在于并联开关P配置在定子的连线CS上，而不是配置在转子的连线CR上。图13-16的向量图类似地示出定子并联的操作步骤。
由电网线L通过降压变压器T向转子R供电产生电动势ER和ES，这两个电动势相对于转子的磁通量R具有90°延迟的相移，如图13所示。同时在转子R中产生感应器磁场，该磁场在反时针方向以同步速度n转动。
当转子R由于两种转动即转子本身的转动和转动磁场的转动，而在沿顺时针方向达到速度2n时，磁通量在顺时针方向的切割速度等于同步速度n，而电动势ES改变符号(图14)。
通过调节降压变压器T和马达M可以使定子S的电动势值等于电网电线的电压，并与该电压同步，通过同步操作，闭合开关P便可以实现定子的并联。最后，断开马达M，该感应电机将继续受到其自身转轴的驱动而转动(图16)。
应当注意到，在这种情况下，在向量图中，上述ER和ES也仅仅是分别在转子R和定子S中由转子磁通量R感应的电动势，这样，它们总是与上述磁通量形成90°相位差。为了清楚图的表示，没有示出由转子磁通量S感应的相应电动势。
在定子S并联的第二实施例中得到的结果，因此是作用反转。即，定子S的磁场是感应的转动磁场，而转子R的磁场是感应器磁场，但是可以看出，在作用于转子R转轴的转矩类型和感应电机的作用之间具有同样关系。
应当注意到，虽然感应电机的结构是如上所述的绕制转子的异步马达的结构，但是在本装置中，最好将定子S中沟槽的数目增加到等于转子R上沟槽的数目，从而达到磁通量S成比例地增加，这样便得到效率的全面增加。
另外，该感应电机具有突出磁极的转子或者圆滑的转子，如图17-18示意示出。
具有突出磁极转子R′的感应电机不同于常规发电机之处在于，对于各个磁极对，转子R′具有附加的磁极，不同之处还在于，磁极的绕组由三相系统供电，如图17所示。因此在转子R′中，取决于突出磁极的数量和这些磁极如何彼此连接以及如何和电网线的连接，在转子R′中产生两个磁极或者四个磁极等的转动磁场。相反，定子S具有与绕制转子异步马达定子结构类似的结构。
用于很耐用发电机的具有圆滑转子R″的感应电机不同于常规发电机之处在于，该感应电机具有三个或者六个磁极，而不是两个或者四个磁极。绕组装在深的沟槽中，该沟槽用金属键密封。图18示出具有三个圆滑磁极的转子R″，该转子用一个磁极对产生旋转转动磁场。在这种情况下，定子S也具有常规结构。
如上面已经看出的，具有这些种结构的感应电机可以作为发电机或者同步马达操作。
上述实施例的其它变型是关于利用切换电流或者切换绕组达到自动起动马达的那些变型。
参考图19-22，从图中可以看出，当向具有两个线圈的绕组的两个端点1和2供电时，如果两个线圈串联，则可以得到四个磁极(图19)。相反，如果线圈并联(图20)，使得一个线圈中的电流与前一图中的方向相反，发生电流的切换，则磁极的数目减小到两个。
整个马达的绕组包括在定子中的三个相同相线和转子中的相等数目的相线。这些相线分别由串联或者并联的两个线圈形成。如果两个线圈串联，则三个相线连接成δ形，如果线圈并联，则连接成星形。通过双掷选择开关D1或者D2，则三个相线可以从δ形改变到星形，或从星形改变到δ形，如图21-22所示。图22中E表示起动变阻器，而X表示马达轴。在转子中除开作为同步马达操作的三个环形线路外还需要配置另外三个环路，以便向转子输送相电。
两个线圈绕组是最简单的组合，然而可以使用更复杂的组合。可采用线圈的数目是2的倍数的绕组。
图23示出的第三实施例中，示出通过切换电流自动起动马达所需的连接和部件。
为了进行并联，将定子S和转子R切换到星形连接位置，使两个定子开关I1和I2置于闭合位置。利用图中未示出的用轴线X表示的马达，可以起动转子R，使其克服最小的磁阻位置，通过逐步脱开起动变阻器E，使转子R达到几乎接近于作为同步马达操作时得到的转动磁场速度两倍的速度。
在这一点，可以在降压变压器T的VR和转子R的电动势ER之间进行比较。因为ER是VR的几分之一，所以可以采用小的变压器来得到与ER相当的VR，当指示器显示最小振幅值的拍频时，将选择开关D3切换到δ连接位置。
这种操作完成了图23所示的并联，并且马达作为同步马达操作。最好在切换到并联之前，调节电压VR，使其实际上等于在δ连接中得到转子电动势ER的电压值。
在图24所示的第四实施例中，示出通过切换绕组自动起动马达所需的连接和部件。在这种情况下，该马达具有四个分开的三相绕组，其中的两个绕组一个在定子S上，而另一个在转子R上，这两个绕组相对于其它两个绕组只有一半的磁极数和一半的每磁极沟槽数。头两个绕组用于马达的异步操作模式，而后两个绕组用于同步操作模式。
为了能够达到并联，连接具有一半数目磁极的绕组，然后闭合两个定子开关I1和I2。所用的过程与上述例子中说明的过程相同，一直到确定利用选择开关D4连接于两倍数目磁极绕组的时刻。这种操作可以实现图24所示的并联，并且马达操作为同步马达。
最后，在图25所示的第五实施例中，示出仅通过切换定子中的电流得到自动起动马达所需的连接和部件。在这种情况下，仅需要三个环形电路将马达作为同步马达操作。
事实上，为了能够达到并联，只需将定子S切换到星形连接位置。而转子R仍保持连接在δ模式。然后闭合两个开关I1和I2，操作与上面相同，直至将选择开关D5切换到δ连接，达到图25所示并联和使马达操作为同步马达的时刻。
可以清楚看出，本发明装置的上述实施例只是容易进行各种变型的例子。具体是，在定子的供电线上或者转子的供电线上方便地配置降压变压器T，而且定子电压和转子电压之比可以从1改变到10。
另外，可以明显看出，磁极和/或者沟槽和/或者绕组的数目取决于制造要求和操作要求，可以不同于上述例子中所示的数目。

Claims (10)

1.一种将电能转换成机械能和将机械能转换成电能的装置，包括绕制转子的感应电机和马达(M)，前者具有定子(S)和转子(R)，该定子和转子二者分别通过定子连接线(CS)和转子连接线(CR)连接于同样的三相输电线(L)，后者连接于转子(R)，其特征在于，上述马达(M)能够使转子(R)的转速达到同步转速的两倍，并且，该装置还包括降压变压器(T)和至少一个开关(P)，该变压器和开关都可以配置在上述连接线(CS、CR)中的一个上，所述开关(P)被定位在所述变压器(T)和感应电机之间，或者所述变压器(T)在所述连接线(CS、CR)中的第一个上且所述开关(P)位于所述连接线(CS、CR)中的另一个上，以便使得实现定子(S)或转子(R)与所述三相输电线(L)的并联。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于，在转子(R)的连接线(CR)上配置所述降压变压器(T)和一开关(P)，该开关(P)位于感应电机和该降压变压器(T)之间。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在转子(R)的连接线(CR)上配置所述降压变压器(T)，而在定子(S)的连接线(CS)上配置一开关(P)。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该定子(S)和转子(R)具有同样数目的沟槽。
5.如上述权利要求中一项所述的装置，其特征在于，定子(S)的电压与转子(R)的电压之比可以从1到10。
6.如权利要求1-4中一项所述的装置，其特征在于，该转子(R)是磁极突出的转子。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，该转子(R)是磁极突出的转子。
8.如权利要求1-4中一项所述的装置，其特征在于，该转子(R)是磁极圆滑的转子。
9.如权利要求5所述的装置，其特征在于，该转子(R)是磁极圆滑的转子。
10.操作如上述权利要求中一项所述的装置的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a)打开装在连接线(CS，CR)上的开关(P)，该连接线连接于感应电机的部件即转子(R)或者定子(S)，在这些部件中将产生感应磁场；
b)利用马达(M)使转子(R)以同步速度的两倍速度转动；
c)调节马达(M)的速度和降压变压器(T)，使受感应部件中的电动势等于供电线(L)的电压或者配置在感应电机和供电线(L)之间的降压变压器(T)的电压，并使受感应部件中的电动势与供电线(L)的电压或者所述降压变压器(T)的电压同步；
d)闭合开关(P)以实现感应电机和供电线的并联。
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