CN2391380Y - 三相异步转子光控无级调速电动机 - Google Patents

Abstract

三相异步转子光控无级调速电动机,转子绕组各相均串接有电子开关器件及其触发电路,机壳外有调光电路,在转轴非转动端安装受光和发光器件,调节电位器使发光器件发出可调的光信号,送入触发电路中的接收电路,经过零检测与放电电路、脉冲形成级电路输出光脉冲直接送给光控电子开关器件,或经脉冲输出级电路产生电脉冲再送给电控电子开关器件。转子绕组中性点与三个电子开关通过中线电连接。本机结构简单成本低,启动电流小。

Description

三相异步转子光控无级调速电动机

本实用新型涉及一种三相异步绕线转子交流感应调速电动机，尤其是三相异步转子光控无级调速电动机。

三相异步机调速难，历被公认。现行的滑环电机、电磁调速机、变频调速机等虽各有所长，但由于结构复杂，价格昂贵，甚至以热损耗为代价，也难如人意。中国发明专利申请，申请号为96101863.1，公开号为1143278A，公开日为97年2月19日，公开了一种绕线转子交流感应调速电动机，它由定子和转子两大部分组成，转子包括转轴、转子绕组、转子铁芯，其特征在于：a、转子绕组各相均串接可逆功率半导体开关；b、可逆功率半导体开关与转轴固定在一起；c、通过磁耦、光耦非接触耦合装置或由电刷及整流子构成的直接接触装置将驱动信号送至被控可逆功率半导体开关。该装置安装有旋转变压器定子和旋转变压器转子，该调速电动机结构复杂。

本实用新型的目的是提供一种结构简单、成本低、调速性能好的三相异步转子光控无级调速电动机。

本实用新型利用光控技术，通过调光改变电子开关器件(如可控硅)的导通角，最终达到改变转子绕组的电流，实现调速的目的。本实用新型的电子开关器件可选用光控电子开关器件或电控电子开关器件两种。

本实用新型包括：机壳、定子和转子，转子包括转轴、转子绕组、转子铁芯，转子绕组各相均串接有电子开关器件KS及相应的触发电路，电子开关器件及相应的触发电路通过绝缘骨架固定在转轴上；机壳外加有一调光电路，并在转轴非传动轴端处安装有受光器件RG和与之对应的发光器件ZD2，进行光信号传递，其特征在于：本实用新型电路包括：调光电路、三套相同的触发电路和转子绕组连接主回路三部分；调光电路将380V或220V交流电经降压、整流、滤波、稳压、限流后得到稳定的电压输出，供给发光器件ZD₂发光，通过调节电位器R20产生稳定可调的光信号，送入下一级触发电路；触发电路为三套相同的电路，每套触发电路由过零检测与放电电路、接收电路、脉冲形成级电路组成，过零检测与放电电路，由三极管BG1、BG2及外围元件组成，由转子绕组L提供感应电压，再由恒流恒压源WL1提供一个较转子绕组电压电流相对稳定的工作状态，过零检测电路检测电路过零信号，并送给放电电路，放电电路收到过零信号后，立即放电，并产生一个光脉冲信号送给脉冲形成级电路，使其中的充电电容C3放电；接收电路由光敏电阻RG、电容C3组成，组成阻容接收电路。受光器件为光敏电阻RG，当过零检测与放电电路的光脉冲信号在电路过零时，使电容C3放电后，接收电路便在调光电路送来的光信号作用下，进行光电转换，产生的电信号由三极管BG3放大，并产生一个光脉冲信号直接送给光控电子开关器件使其触发导通；转子绕组连接在主回路中，电动机星接的三相转子绕组均串接有三个相同的电子开关器件KS及三套相同的触发电路，并且将星接的三相转子绕组的中性点与三个电子开关器件KS电极共接后的节点通过中线电连接。

对于电子开关器件选用电脉冲触发的电控电子开关器件时，上述的脉冲形成级电路输出的光脉冲信号，则送入脉冲输出级电路。脉冲输出级电路由储能元件C4和双向可控开关组成，当脉冲形成级的光脉冲信号到来后，双向可控开关便受光导通，由储能元件向电控电子开关器件的门极输出一个能量足够的电脉冲信号，使其触发导通。

本实用新型的优点、效果为：

1、结构简单，造价低廉，效率高。

①本装置可用YR型绕线异步电机改装，去掉滑环，用其原有的空间安装部件，体积重量均与原机相当。

②与电磁调速机相比，机械结构组成和制造加工工艺大幅度简化。

③本装置仅用3只大功率开关，与三相变频调速机相比少用9只大功率器件，并且由于启动电流小，每只价格也远低于变频机。以YR280S-4型机为例，定子额定电流103.8A，启动电流约726.6A，用800A的功率器件，余量仍不足，而转子最大电流仅70A，本装置用100A以上的开关器件，完全胜任。仅此一条可知，与变频机相比本装置有悬殊的价格比，且电机功率越大，价格比越悬殊。

④开关器件随机运转，自动风冷，无需另加冷却装置。

⑤用YR型线绕异步机直接改装，厂家无需增加设备投资，转产快。

本装置与现行的滑环外接电阻内接频敏变阻器调速、电磁调速、变频调速等相比，无论从机械结构组成的简化、元器件的减少、体积的缩小、重量的减轻，造价的降低等方面都取得有益的效果，能产生较高的经济效益。

2、性能优良。

①调速范围广，适用环境广。

本装置可在原机最高额定转速与零之间随意无级调速，对生产实用中需要调速的场所均有很好的适用性。

②启动电流小。

本装置在空载情况下启动，转子绕组电流可以做到从零开始，定子绕组电流从转子绕组开路时的电流开始，这与原机原起动电流(约7倍于额定电流)相比，无论从电网的承受能力和电机自身的安全使用两方面讲，都是条难得的优点，与现行的所有电机比，此条也是本机所具有的特点。

若本机在调低速运行的情况下，即便过载堵转，也不致发生过热烧机现象。这将大大提高电机的使用寿命。

③有一的自动稳速功能。

当负载一定，调速设置一定时，某种骚动因素使转速发生变化，本装置能自动调整开关器件的导通角，改变电磁转矩，使转速稳定。

④本装置在无级调速的同时，亦可调整电磁转矩和输出功率的大小。实用中，既可满足机械设备不同转速的要求，又能满足不同功率的要求，使一机多用，随时调整“大马拉小车，小马拉大车”的现象收到调速、调功、调矩、节能同时并举的综合效果。可以设想一台11千瓦的4极电机，调低速运行时，可粗略相当7.5千瓦6极或5.5千瓦8极电机使用。

3、本装置的缺点。①三相异步机是电感性负载，本装置调高速运行时，开关器件基本全导通，运行性能与原机相当；但在调低速运行时，开关器件导通较晚，电流滞后，造成转子功率因数稍低。

②若电路不对称，空载时，转子三相电流有不均现象，但对定子三相电流的对称性毫无影响。经过筛选，只要3只主受光器件性能基本一致，转子三相电流便其本对称，对负载运行无甚影响。

下面结合附图进一步说明本实用新型的内容。

图1为本实用新型的转子主回路电原理图。

图2为本实用新型的电路方框图。

图3为调光电路原理图。

图4为光脉冲信号触发电子开关器件的触发电路原理图。

图5为电脉冲信号触发电子开关器件的触发电路原理图。

图6为本实用新型采用光脉冲信号触发电子开关器件的总电路原理图。

图7为本实用新型采用电脉冲信号触发电子开关器件的总电路原理图。

本实用新型的设计原理为：

本实用新型利用光控技术，通过调光改变可控硅的导通角，最终达到改变转子绕组的电流，实现调速的目的。

调速过程中，定子旋转磁场照旧，转子电流受控于可控硅。可控硅截止时，转子绕组有电压无电流，转子静止：当可控硅导通角在180度移相范围内变化时，转子绕组的电流随之变化，转速也相应变化；可控硅全导通时，与原机没加本装置时相同，转子电流最大，转速最高。不同转速时，转子从定子吸收的能量不同，输出的功率和电磁转矩亦不同，这符合节能的原则，并可知调速的最高极限，只能是原机的最高额定转速，最低速为零。

为达上述目的，本方案设置了三大框架结构，一是调光电路，二是触发电路，三是转子绕组连接主回路。首先，机外要有调光电路，通过强弱可调的光信号的发射与接收装置，取代原机的3道滑环，转子绕组电流的大小调节方有可能。调光电路发出的光信号可以是可见光，也可以是不可见光如红外光)。据现有电子器件的性能及使用上的方便，本调光电路采用了可见光，其他电路均为红外光。对调光电路的要求，一是可调，二是稳定，三是光强变化呈线性，四是发光器件的电流能调零。(否则转子的最低速便不是零)其中最重要的是稳定。因为光强的变化通过电路直接引起转速变化，稳速的根本在于稳光。

转速变化的过程中，转子绕组的电压、电流、频率随时变化，加上多次谐波的干拢，使得可控硅的工作状态极不稳定，这就要求可控硅的触发电路：

①能随时适应动态变化的电压波动，从起动时的几百伏，到运转过程中的几十伏，到最高速运转时的几伏。

②能随时适应动态变化的频率范围，从50HZ到几HZ。

③能随时跟踪光线的强弱变化，自动调整可控硅的导通角，达到调速的目的。

④能在动态的环境中，保持能量足够的稳定脉冲输出。

⑤有足够宽的移相范围0-180度。

⑥有一定的自动稳速功能。

为满足上述要求，整体的触发电路分为三极。

①过零检测与放电电路。本级电路的设置能使脉冲形成级稳定可靠地工作，否则，脉冲的形成不稳，直接影响转速稳定。

②脉冲形成级电路，能受控于光，与转子电压、电流、频率自动跟踪，自动同步，自动稳速等都由它完成，是触发电路的核心。

③脉冲输出级电路(对电控电子开关器件为必要，对光控电子开关器件可以不要)。能在电压、电流、频率高、低两种极端条件下，保持一个恒定可靠的脉冲输出，也是一个关键部位所在。

触发电路的名个部位，普遍采用了恒流恒压措施，以便在整体的极不稳定的工作环境中，求得局部的相对稳定的工作状态。

本触发电路的工作过程，每半波只产生一个脉冲。这就要求，这一个脉冲能量要足，前沿要陡，宽度适中，否则就不能可靠地将可控硅触开。

原机星接的转子绕组的电流是连续的，无须中线。本装置在调速过程中，转子绕组的电流是断续的，三相对称电流依次相差120度位相角。为保持原机转子电流的受力状态，必须启用中线以便形成三个独立的电流通路。附图1所示的电路便是本装置转子绕组接线的主电路图。

触发电路输出的脉冲信号，即受控于光，又受控于自身回路的感应电压。感应电压的变化，能使可控硅导通角在小范围内自动调节，起一定的自动稳速作用。光强的变化，能使可控硅导通角在大范围内(0-180度)人为的调节。电机运转过程中，只要改变同一光源信号的强弱，即改变图二的电位器R20，通过三只受光器件及其所在的触发电路，便可改变转子三相对称电流的强弱，方便的实现无级调速。

本设计方案的工作过程方框图详见附图2。调光电路另见图3，首先将380V(或220V)交流电降压、整流、滤波，用纹波系数较小的三端集成稳压器稳压、电阻限流、取得较为稳定的电压输出后，再经可控精密稳压源二次稳压，使发光器件的得压既可调又稳定，产生稳定可调的可见光(或不可见光)送给触发电路。为简化电路，降低成本，本电路也可只用一级三端可调稳压器。只要功能相近稳压器种类不限

触发电路见图4、图5，根据光脉冲触发电子开关器件或电脉冲触发电子开关器件分图4、图5所示两种不同电路。由过零检测与放电电路、脉冲形成级电路(其中附设接收电路)、脉冲输出级电路(对光脉冲触发电子开关器件可以不要此级电路)，三大部分组成。

过零检测与放电电路，首先由恒流恒压源WL1提供一个较转子绕组电压电流相对稳定的工作状态。过零检测电路的功能是检测电路过零信号，并送给放电电路。放电电路收到过零信号后，立即放电，并产生一个光脉冲信号送给脉冲形成级电路，使其中的充电电容C3放电。本级电路的工作，除设置恒流恒压源外，外围电路中都分别采取了稳流稳压措施。

脉冲形成级电路中，用RG、C3组成阻容接收电路。受光器件RG为光敏电阻。只要功效等同，也可使用其他电路或器件。当过零检测与放电电路的光脉冲信号在电路过零时，使电容C3放电后，本接收电路便在调光电路送来的光信号作用下，进行光电转换，产生的电信号由三极管BG3放大(其他放大器亦可)，并产生一个光脉冲信号送给脉冲输出级，或直接送给光控电子开关器件。用调光电路改变光信号的强弱，通过受光器件RG阻值的变化，便可改变RG、C3的时间常数，改变电信号出现的时刻，最终达到移相的目的。本级电路除采用稳流稳压措施外，为实现0-180度宽范围内移相，又采取了拓宽移相范围的相应措施。

脉冲输出级电路由储能元件C4和双向可控开关组成。当脉冲形成级的光脉冲信号到来后，可控开关便受光导通，由储能元件向电子开关器件的门极输出一个能量足够的电脉冲信号，使其触发导通。本级电路的储能元件同样采用恒流恒压源WL2供电及其他相应的稳流稳压措施，以便在转子绕组电压电流极不稳定的动态变化中，获得稳定的脉冲输出。

特别指出，若电子开关器件为光触发型，如光控可控硅(现已有耐压几千伏，电流几千安的产品)则可由脉冲形成级输出的光脉冲信号直接触发，完全省掉脉冲输出级电路，而进一步简化电路，降低成本。

以上各分立电路间的信号传递，可用光电耦或分立元件，电路中的恒流、恒压源WL1、WL2可用分立元件组装，也可用市售的集成电路成品件，包括所有稳流稳压措施的采用，元器件极限参数的选择等，均以能满足电路的设计要求为限，功能相同即可。也可以现行YR型电机的转子最高电压电流为准，设计通用性电路或集成电路。

下面具体说明本实用新型的电路连接关系。

本实用新型转子主回路电原理图如图1所示。利用现有的YR(异步绕线转子)型线绕异步机，去掉转子原有的三道滑环，把原星接的转子绕组的中线接好，按图1所示的电路串接3只电子开关器件，连同相应的触发电路，在原有的三道滑环处，用绝缘骨架一起固定在机轴上。机壳外加一套调光电路，并在机轴非传动端中空出口处安装发光与受光器，进行光信号传递。

调光电路如图3所示。为使用方便，本调光电路与电机共用交流380V电源。先用变压器将交流380V电压降为18-20V，经D_1-4整流，C1滤波，三端集成稳压器LM317稳压，电阻R17限流，再经可控精密稳压源TL431二次稳压后，供给指示灯ZD1、发光器件面发光管ZD2毫安级电流而发光，给触发电路提供既稳定又可调的可见光信号。电位器R20的阻值变化要呈线性，调整R20可以改变面发光管ZD2的发光强弱，并可使ZD2的电流为零。

电脉冲控制电子开关器件的触发电路如5所示。三极管BG1、BG2及外围元件组成过零检测与放电电路。正常工作时，BG1由恒流源WIJ供电，将串接于集电极的发光二极管点亮，使并接于BG2的be结两端的光敏三极管受光导通，其压降低于0.7V，BG2截止。同时，C1充电。当可控硅触发导通或电路自然过零时，BG1截止，BG2由C1供电，因其be结并接的光敏管失光截止，阻值变大，be间电压上升至约0.7V时而导通，将串接于BG2集电极的发光二极管点亮，并使并接于BG3的be结两端的光敏三极管受光导通，C3放电，完成过零检测与放电的全过程。这就为C3的下一次充电，造成一个每次都从零开始的稳定均衡的工作状态。

BG3及外围元件组成脉冲形成级电路。当电路过零后，通过受光器件光敏电阻RG对电容C3充电，电压至约0.7V，BG3导通，使串接于集电极的红外发光二极管点亮，为脉冲输出级提供一个红外光信号。通过调光电路改变RG的光照强度，即改变发光信号的强弱，RG的阻值便相应变化，RG与C3的充电时间常数发生变化，BG3的导通时刻亦相应变化，产生的光信号通过脉冲输出级触发可控硅，便可实现可控硅能在0-180度范围内移相的目的。并且当调光设置一定，RG阻值不变时，因某种因素使转速变慢而引起转子电路电压升高时，C3充电时间变短，可控硅导通角跟踪变大，转子电流变大，转速上升。反之亦然。因此，本电路还具有一的自动稳速功能。

恒流源WL2、C4等外围元件组成脉冲输出级电路。恒流源WL2为C4提供恒定能源，保持C4有足够的触发能量。当脉冲形成级的红外光信号到来时，串接于可控硅门极的双向光电开关便受光导通，C4放电，产生一个宽度足够，前沿很陡的稳定脉冲，使可控硅导通，完成触发的全过程。本触发电路最低交流工作电压为3-5V。若把主要元件的耐压及功率稍作调整，本电路对各种YR型电机的改装均可通用。

转子主回路如图1所示，串接于3个构成独立回路的电子开关器件触发脉冲信号分别来自3套结构相同的触发电路，它们虽受控于同一光源，但3个独立回路的感应电压依次相差120度位相角，因此，3个触发脉冲也依次相差120度。可控硅导通后，转子三相电流对称，并依次相差120度，于是，只要调节图3中的电位器R20，便可随意改变转子的三相电流，收到零至最高额定转速间宽范围无级调整速的效果，最终实现预定的设计要求。元件表       注：※表示安装时需调整，仅作参考。电路代号          型号规格              电路代号          型号规格R15                 3K1/2W                 R11            20K 4W※R16                 240Ω1/2W              R12            120Ω 1W※R17                 320Ω1W                R13            20K 4W※R18                 6K 1/2W                R14            120Ω 1W※R19                 1K 1/2W                C1             2200  25VR20                 1K 1W                  C2             0.47 μ600VC6                  33μ50V                C3             0.47μ※C7             10μ50V                    C4                2μ 25V※C8             33μ50V                    C5                0.1μ600VIC2            LM317                      DW1               10V 1WIC3            TL431                      DW2               2.4V 0.5WB1             初级～380V次级～18V 10W    DW3               2.4V 0.5WZD1            指示灯 φ5mm               DW4               2.4V 0.5WZD2            面发光管 φ25mm            DW5               6.8V*2 1WD_11-14        2A 50V                      DW7               2.4V 0.5WkS             电子开关器件(光控或电流控制)R1             3.3K                       D_1-10            2A 600VR2             24Ω                                             BG1               C2482R3             120Ω 1W                   BG2               C2482R4             20K※                     BG3               D1309※R5             24Ω                                             BG4               C3261※R6             100Ω 1W                   BG5               BU406※R7             1K                        IC1               TL431R8             24Ω                                             光电耦1           PC713R9             100Ω 1W                   光电耦2           PC713R10            100Ω 2W                   光电耦3           MOC3020

                                     光敏电阻RG        MG45-34

Claims (2)

1、一种三相异步转子光控无级调速电动机，包括：机壳、定子和转子，转子包括转轴、转子绕组、转子铁芯，转子绕组各相均串接有电子开关器件(KS)及相应的触发电路，电子开关器件及相应的触发电路通过绝缘骨架固定在转轴上；机壳外加有一调光电路，并在转轴非传动端处安装有受光器件(RG)和与之对应的发光器件(ZD2)，进行光信号传递，其特征在于：本实用新型电路包括：调光电路、三套相同的触发电路和转子绕组连接主回路三部分；调光电路将380V或220V交流电经降压、整流、滤波、稳压、限流后得到稳定的电压输出，供给发光器件(ZD2)发光，通过调节电位器(R20)产生稳定可调的光信号，送入下一级触发电路；触发电路为三套相同的电路，每套触发电路由过零检测与放电电路、接收电路、脉冲形成级电路组成，过零检测与放电电路，由三极管(BG1、BG2)及外围元件组成，由转子绕组(L)提供感应电压，再由恒流恒压源(WL1)提供一个较转子绕组电压电流相对稳定的工作状态，过零检测电路检测电路过零信号，并送给放电电路，放电电路收到过零信号后，立即放电，并产生一个光脉冲信号送给脉冲形成级电路，使其中的充电电容(C3)放电；接收电路由光敏电阻(RG)、电容(C3)组成，组成阻容接收电路，受光器件为光敏电阻(RG)，当过零检测与放电电路的光脉冲信号在电路过零时，使电容(C3)放电后，接收电路便在调光电路送来的光信号作用下，进行光电转换,产生的电信号由三极管(BG3)放大，并产生一个光脉冲信号直接送给光控电子开关器件使其触发导通；转子绕组连接主回路中，电动机星接的三相转子绕组均串接有三个相同的电子开关器件(KS)及三套相同的触发电路，并且将星接的三相转子绕组的中性点与三个电子开关器件(KS)电极共接后的节点通过中线电连接。

2、根据权利要求1所述的三相异步转子光控无级调速电动机，其特征在于：所述的脉冲形成级电路输出的光脉冲信号送入脉冲输出级电路；脉冲输出级电路由储能元件(C4)和双向可控开关组成，当脉冲形成级的光脉冲信号到来后，双向可控开关便受光导通，由储能元件向电控电子开关器件的门极输出一个能量足够的电脉冲信号，使其触发导通。

Images