CN2196838Y - 无刷电机反接串级调速装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型无刷电机串级调速装 置，该装置用绕线型异步机替代机械串级调速装置中 的已有直流机，并将两绕线型异步机转子与转子相对 接，由主机转子引出线与辅机转子连线反接串级。本 装置无刷无滑环，具有笼型异步机优点，起动转矩大， 电流小，同时又保持了绕线型异步机优点，尤其适合 于在防爆、易燃、有腐蚀性、有放射性环境中使用，且 运行维护可靠性高，电机容量范围可达数十千瓦到一 千千瓦。

Description

本实用新型涉及一种电机调速装置，具体地说该装置属于一种双转子电机串级调速装置。

从所周知，机械串级调速是世界各国公认的一种高效节能装置。机械串级是把滑差功率转化为机械功率加以利用的一种技术手段，它是将绕线型异步机滑环接到整流器把滑差功率转化为直流功率供给直流电动机，直接电机直接与主异步电动机机械上连在一起，共同带动负载。上述装置中，必须使用滑环方式才    能将滑差功率经述整流去驱动直流机工作，因此限制了它的应用范围。另外，由于碳刷的存在，出现经常维护问题，降低了装置的可靠性。上述电机需要加装特别防护装置，才能在易燃易爆，有腐蚀性环境中使用。

本实用新型克服了上述现有技术之不足，采用绕线式异步机作为辅机替代已有的机械串级调速装置中的直流机；其目的是提供一种新型无滑环、无碳刷的电机串级调速装置。

本实用新型的上述目的是这样完成的。一种无刷电机串级调速装置，包括绕线型转子异步机，其特点是绕线型转子异步机的主机A转子与另一绕线转子异步机的辅机B转子采用轴连接方式组成串级调速装置。上述串级调速电机的主机A定子接电源，辅机B定子接电阻，通过调节电阻进行调速或可控制串级调速，取消了已有滑环结构，具有笼型转子异步机优点，并且起动转矩大，起动电流小，同时又保持了绕线型转子异步机优点，减少了故障率。为克服正接串级转子回路电流大，损耗大问题，上述主机A与辅机B采用反接串级，既主机A转子引出线与辅机B转子连接方式采用反接串级。

本实用新型与已有机械串级调速装置比较具有：

1）高可靠性，由于无滑环，无碳刷，因此可以使用在防爆易燃有腐蚀性，有放射性的环境中。

2）节能率高，虽然通过调电阻调速，但其损耗仅是主机转差功率一部分，况且，消耗的这部分功率，还可以通过晶闸管串级调速装置加以回收这可由用户决定，因此这是一种高效调速方法。

3）投资少，与变频调速相比，其调速装置仅是两台没滑环的绕线型异步机，加上调速电阻，显然投资少很多，特别是大容量机组，电机是高能电机，变频装置价格更高，估计本装置为变频调速装置1／5以下。

4）便于维护，无刷，无滑环，具有笼型转子异步机的优点，但起动转矩大，起动电流小，又保持了绕线型转子异步机的优点，这些都减少了故障率，维护工作量减少，即使损坏了也容易修复。

5）对电网不产生记高次谐波污染，但如用晶闸管串级调速，会有高次谐波电流输入电网，因为装置是与B机定子绕组相接，装置容量较小，这个影响也较小。

6）电机可以从数十千瓦做到一千千瓦级。

7）电机转速为1500转／分以下，因为A机，B机最少的极对数为1

8）本装置功率因数要低一些，这是因为辅机B的励磁电流由主机提供。

9）本装置最大转矩要低一些，这是因为串级使转子等效漏抗增加了。

10）平滑无级调速范围不小于50％，调速装置效率高于94％。

图1为无刷电机反接串级调速装置原理示意图。

图2为电机反接串级等值电路图。

图3为无刷电机反接串级调速度装置试验模型原理按线图。

如图1所示，本装置中电机A（主机）和电机B（辅机）均为绕线型转子异步机，机械上两轴联在一起，采用转子与转子相连，从而可以取消滑环。

图2为电机反按串级等值电路图，图中：

图中r₁A机定子电阻

r₁σ A机定子漏抗

r₂I回路电阻折算到A机定子边

X₂σ I回路漏电抗折算到A机定子边

r₃B机定子电阻以及外串电阻折算到A机定子里

X₃σ B机定子漏抗折算到A机定子边

X_1mA机励磁电抗折算到A机定子边

X_2mB机励磁电抗折算到A机定子边

无刷电机反接串级装置的转差率

定义S_A为A机转差率

S_B为B机转差率

S为串级系统转差率

S_A＝ (f₂)/(f₁) S_B＝ (f₃)/(f₂) s＝ (f₃)/(f₁) ＝ (f₂)/(f₁) · (f₃)/(f₂) ＝S_AS_B

f₂为A机转子感应电势频率

f₃为B机定子感应电势频率

f₁＝ (P_An₁)/60 f_rA＝ (P_An)/60 f₁为A机定子旋转磁场频率

f_rB＝ (P_Bn)/60 f_rA为A机转子旋转频率

f₂＝f₁－f_rAf_rB为B机转子旋转频率

f₃＝f₂－f_rB＝f₁－f_rA－f_rB

设B机极对数P_B与A机极对数之比为α＝ (P_B)/(P_A) = (f_rb)/(f_ra)

则

S_B＝ (f₂)/(f₂) ＝ (f_2-f_B)/(f₂) ＝ (f₂-af_rA)/(f₂) ＝ (f₂-a(f₁-f₂))/(f₂) ＝ 1＋α－ (a)/(s_A)

S＝S_AS_B＝S_A（1＋α）－α

∴S_A＝ (s＋α)/(1＋α)

s＝S_AS_B＝ (f₃)/(f₁) ＝ (P_An₁-P_An-P_Bn)/(P_An₁)

＝ (n₀-n)/(n₀) （2）

串级系统的同步速n₀是由P_A＋P_B决定的。

根据公式（1）（2）不难求出S_A，S代入等值电路在已知其他电机参数时，等值电路可解。

设 X₁＝X_1m＋X_1σ

X₂＝X_1m＋X_2σ＋X_2m

X₃＝X_2m＋X_3σ

解等值电路的电流

$I^{\text{'}}{}_1=\frac{U_1{\mathrm{｛X}}_{\mathrm{2m}}{}^2\mathrm{+(}\frac{r_2}{S_A}{\mathrm{+JX}}_2\mathrm{)(}\frac{r_3}{S}{\mathrm{+JX}}_3\mathrm{)｝}}{{\mathrm{(R}}_1{\mathrm{+JX}}_1{\mathrm{)｛X}}_{\mathrm{2m}}{}^2\mathrm{+(}\frac{r_2}{S_A}{\mathrm{+JX}}_2\mathrm{)(}\frac{r_3}{S}{\mathrm{+JX}}_3{\mathrm{)｝+X}}_{\mathrm{1m}}{}^2(\frac{r_3}{S}{\mathrm{+JX}}_3)}\mathrm{(3)}$

$I_2{}^{\text{'}}=\frac{U_1{}^{\text{'}}{\mathrm{｛JX}}_{\mathrm{1m}}(\frac{r_3}{S}{\mathrm{+JX}}_3\mathrm{)｝}}{{\mathrm{(R}}_1{\mathrm{+JX}}_1{\mathrm{)｛X}}_{\mathrm{2m}}{}^2\mathrm{+(}\frac{r_2}{S_A}{\mathrm{+JX}}_2\mathrm{)(}\frac{r_3}{S}{\mathrm{+JX}}_3{\mathrm{)｝+X}}_{\mathrm{1m}}{}^2(\frac{r_3}{S}{\mathrm{+JX}}_3)}\mathrm{(4)}$

$I^{\text{'}}{}_3=\frac{U_1{X}_{\mathrm{1m}}{X}_{\mathrm{2m}}}{{\mathrm{(R}}_1{\mathrm{+JX}}_1{\mathrm{)｛X}}_m{}^2\mathrm{+(}\frac{r_2}{S_A}{\mathrm{+JX}}_L\mathrm{)(}\frac{r_3}{S}{\mathrm{+JX}}_3{\mathrm{)｝+X}}_{\mathrm{1m}}{}^2(\frac{r_3}{S}{\mathrm{+JX}}_3)}\mathrm{(5)}$

电机A送到转子的电磁功率

P_AM＝m（ (r₂)/(s_A) I₂ ²＋ (r₃)/(s) I₃ ²） （6）

电机A转子输出的转差功率

P_AS＝P_AM·S_A＝mr₂I₂ ²＋m (r₃)/(s) I₃ ²S_A（7）

其中mr₂I₂ ²消耗在回路Ⅱ电阻上

从电机B转子侧送到B电机定子侧的电磁功率为

P_BM＝m (r₃)/(s) I₃ ²S_A

A电机的电磁转矩为

M_A＝ (P_AMP_A)/(2πf₁) ＝ (mp_Ar₂)/(2πf₁s_A) I₂ ²＋ (mp_Ar₃)/(2πf₁s) I₃ ²（8）

B电机的电磁转矩为

M_B＝ (p_BMP_B)/(2πf₂) ＝ (P_BMP_B)/(2πf₁s_A) ＝ (mr₃I₃ ²S_A)/(S) (P_B)/(2πf₁S_A) = (mr₃I₃ ²)/(S) (P_B)/(2πf₁) （9）

总电磁转矩M

总电磁转矩M

M＝M_A＋M_B＝ (mP_Ar₂)/(2πf₁S_A) I₂ ²＋ (m(P_A+P_B))/(2πf₁) (r₃)/(S) I₃ ²（10）

A、B为绕线型转子异步机，D为直流机作负载用

A机数据        B机数据        D机数据

定子电阻 r_A1＝2.37 r_R1＝1.86 R_a＝0.31

r_A2＝0.573 r_B2＝0.631 U_BR＝1.7

x_AK＝5.006 x_BK＝4.971

K_A＝2.95 K_B＝1.96

P_A＝3（极对数） P_B＝2（极对数）

B机定子串三相对称电阻R_C＝112Ω 转速n＝300r·p·m

S_A＝ (1000－3000)/1000 ＝0.7 S_B＝0.714 S＝ (600－300)/600 ＝0.5

量测数据P_A1＝600W U_A1L＝382V I_A1L＝4.9A

P_AS＝200W U_A2L＝85.2V I_A2L＝3.1A

P_BS＝100W U_B1L＝105.6V I_B1L＝0.675A

P_D＝80.145W U_D＝41.1V I_D＝1.95A

校验

电机A电磁功率 P_AM＝P_A1－P_ACu1－P_AFe＝600－3×4.9²×2.37×1.10－85＝327.2

电机A滑差功率 P_AS’＝P_AM·S_A＝327.2×0.7＝229

电机A转子输出功率 P_AS＝P_AS’－P_ACu2＝229－3×3.1²×0.573＝212.5

电机B电磁功率 P_BM＝P_AS－P_BCu2－P_BFe＝212.5－3×3.1²×0.631－33＝161.3

电机B滑差功率 P_BS′＝P_BM·S_B＝115.2

电机B定子输出功率即调速电阻消耗功率

P_BS＝P_BS’－P_BCu1＝115.2－3×0.675²×1.86＝112.66

电机A产生电磁转矩

M_A＝ (P_AM·P_A)/(2πf₁) ＝ (327.2×3)/314 ＝3.12Nm

电机B产生电磁转矩

M_B＝ (P_BM·P_B)/(2πf₁S_A) ＝ (161.3×2)/(314×1.7) ＝1.47Nm

总电磁转矩 M＝M_A＋M_B＝4.59Nm

从直流发电机输入机械转矩校核

直流发电机轴输入机械功率P_D1

P_D1＝U_DI_D＋P_cua＋P_Br＋P_Fe＋P_M

＝41.1×1.95＋1.95²×0.31＋1.95×1.7＋35＋8＝127.64W

机械输入转矩

M₂＝ (P_D1·60)/(2π×300) ＝ (127.61×60)/(2π×300) ＝4.06Nm异步机电磁转矩和直流机机械输入转矩之差0.527Nm为异步电机机械摩擦转矩。

试验结果最主要的证明了

1）B机定子串电阻能连续平滑调速（带负载调速范围做到1：10）

2）B机定子调速电阻损耗是B电机的转差功率，它是A机转差功率的一部分，另一部分做为B机电磁功率，产生B机电磁转矩，与A机共同拖动机械负载，因此这种调速方法是高效的。

速电阻消耗功率P_BS＝P_BM·S_B

其中P_BM为B机电磁功率，不计B机转子铜耗及铁耗

P_BM＝P_AS

P_AS为A机转差功率

由于风机泵类负载电机轴功率随转速有三次方关系

A机转差功率和转差率关系为

P_AS＝S_A（1－S_A）²P_AM· （11）

因此P_BS＝S_AS_B·（1－S_A）²P_AM＝S（1－S_A）²P_AM（12）

如取P_AM近似于其额定功率，通过S（1－S_A）²可以计算出调速电阻损耗大小。经计算：

极对数	PA=PB=1	PA=2,PB=1	PA=2,PB=2	PA=3,P8=2
					调速电阻损耗最大值	3.7%	6.5%	4.5%	5.3%

在数百千瓦乃至一千千瓦大功率调速装置，为了回收调速电阻损耗，建议改串电阻调速为可控硅串级调速装置。

Claims (2)

1、一种无刷电机串级调速装置，包括绕线型转子异步机，其特征是绕线型转子异步机的主机A转子与另一绕线型转子异步机的辅机B转子采用轴连接方式组成串级调速装置。

2、根据权利要求1所述的串级调速装置，其特征是主机A转子引出线与辅机B转子采用反接串级连接。

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