CN2128799Y - 参数电压变换感应电动机及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种参数电压变换感应电动机及 其控制装置。把星形接法运行的电机的每相定子绕 组用等效的、横截面积相等且材料相同的两根绝缘导 线并绕，三相十二个头接于出线盒。根据电机负载率 的高低，通过控制电路和主电路对电机绕组的控制， 实现电机的参数电压变换，达到不同的运行效果。当 电机的负载率低于75％时，本实用新型能降低电机 电流，提高电机的效率和功率因数。本实用新型广泛 应用于工业、农业、国防等电力拖动系统中。

Description

本实用新型属感应电动机及其控制装置

据调查，实际运行的感应异步电动机，大部分实际负载远低于它的额定负载，长期处于轻载运行，这导至效率下降，功率因数降低。感应电动机由于存在起动电流是额定电流的4～7倍而使电网电压质量变坏，产生一系列不良影响。多年来，人们长期致力于解决上述问题。

据检索表明：中国专利局受理的“多功能电动机”（申请号88105802.5）是把定子各相绕组分为两套绕组嵌放，一套为Δ接绕组，一套Y接绕组，两套绕组彼此互差30°电角度。出线端有九个头，以便改变接法和运行，但存在两个问题：一是“绕线和接线较复杂”，端接线用铜量较多；二是在Δ接法运行和Y－Δ接法运行两种情况下，只能满足一种情况导线中的电流密度相等，当运行于导线中的电流密度不相等时，两套绕组发热不均匀，有可能烧毁电机。

由中国专利局受理的“自动转换三功率电动机”（申请号89103774.8）是具有二支路并联，双层迭绕的两套定子绕组，每相第一套定子绕组的尾端和第二套定子绕组的首端相联，联接处抽出一个抽头，三相共有九个出线端，当重载时接成三角形接法运行，当中等负载时，接成一部分匝数的Y接法运行，当轻载时接成全匝数的Y接法运行。但也存在两个缺点：一是不适用于单层和混合等绕组，且如果按该专利实施例的匝比11：5，不适用于三及三的倍数对极电机，因为当接成中等功率运行时空着不接的匝数比为 5/(11＋5) ≈ 1/3 ，对一相绕组而言，某一极下的导体几乎全是空作不用，在这种情况下运行，将发生机械振动，噪声增大，缩短电机使用寿命，且材料应用不充分；二是制造工艺较复杂。

本实用新型的目的是研制一种感应电动机，既解决感应电动机“大马拉小车”的问题，又可使起动电流减小，并弥补了上述两发明之不足。

为了实现上述目的，本实用新型采用下列技术方案：

把现有额定运行是Δ接法的电机设计、制造为额定运行是Y接法的电机，所使用的材料完全相等。把Y接法运行的电机包括现在是Y接法运行的电机的每相定子绕组用等效的横截面积相等，且材料相同的两根绝缘导线并绕。把每相并绕的两根导线的四个头接于出线盒，这样，三相便有十二个头接于出线盒，其中1U1、2U1、1V1、2V1、1W1、2W1六个头为首端，1U2、2U2、1V2、2V2、1W2、2W2六个头为尾端。在运行时，根据电机负载率的高低，通过改变接法来改变相绕组的参数和电压，以达到不同的运行效果。当实际负载率在70～100％范围时，把三相六根导线的尾端联成一点而成为Y运行的星点，各相两根导线的头各接为一点而成为各相的头，这样，三相便构成为双根Y运行。当实际负载率在30～70％范围时，把各相的尾、首联接后，再接成三角形运行。当实际负载率在20～30％范围时，可将各相两根导线尾、首相联后，再把一相的尾端接于另一相的中点而构成延边三角形运行。当实际负载率小于20％范围时，可把各相尾、首相联后，再接成单根Y接法运行。在起动时，根据不同的负载性质，采取不同的接法起动，待电机起动结束后，再切换成所需要的接法运行。当电机空载起动，且拖动系统的牵入转矩小于0.5时，将电机接成单根Y接法起动。当电机轻载起动，且拖动系统的牵入转矩小于0.7时，将电机接成延边三角形起动。当电机重载起动，且拖动系统的牵入转矩大于1时，可将电机接成三角形接法起动。当配电网络允许直接起动时，将电机接成双根Y接法直接起动。该电机起动、运行的控制，均采用接触器、继电器等构成控制装置、实现了上述单根Y、延边三角形、三角形、双根Y接法的转换。

为了实现上述各种起动、运行接法的各种转换，本实用新型的控制采用主令控制。电机——控制装置拖动系统主电路接线原理如图7，控制装置控制电路接线原理如图8。

在主电路中：三相接触器K₁的上端分别与电机定子绕组1U2、1V2、1W2端相联，下端与电机定子绕组2U1、2V1、2W1端相联，当K₁闭合时，1U2、2U1能联为一点，1V2、2V1能联为一点，1W2、2W1能联为一点。两相接触器K₂的下端短接后与电机定子绕组的2V2端相联，上端分别与电机定子绕组2U2、2W2相联。三相接触器K₃的上端分别与电机定子绕组2U1、2V1、2W1端相联，下端分别与电机定子绕组2W2、2U2、2V2端相联，当K₃闭合时，2U1、2W2联为一点，2V1、2U2联为一点，2W1、2V2联为一点。三相接触器K₄的上端分别与电机定子绕组1U1、1V1、1W1端相联，下端分别与电机定子绕组2W2、2U2、2V2端相联，当K₄闭合时，1U1、2W2联为一点，1V1、2U2联为一点，1W1、2V2联为一点。三相接触器K₅的上端分别与电机定子绕组1U1、1V1、1W1相联，下端分别与电机定子绕组2U1、2V1、2W1相联，当K₅闭合时，1U1、2U1联为一点，1V1、2V1联为一点，1W1、2W1联为一点。两相接触器K₆的下端短接后与电机定子绕组1V2端相联，上端分别与1U2、1W2相联。

在控制电路中：第一，由下列四条支路并联：第一条支路是按钮S₁的常开触头、接触器K₂、K₅的常开辅助触头并联后与按钮S₂、S₃的常闭触头、接触器K₃、K₄的常闭辅助触头、接触器K₂的线圈串联；第二条支路是接触器K₂、K₃、K₄的常开辅助触头并联后与接触器K₅的常闭辅助触头、接触器K₁的线圈串联；第三条支路是接触器K₃的常开辅助触头与按钮S₄的常闭触头串联后与按钮S₂的常开触头并联，该并联电路再与接触器K₂、K₄的常闭辅助触头、接触器K₃的线圈串联；第四条支路是按钮S₄、S₃的常开触头、接触器K₄的常开辅助触头并联后，与接触器K₂、K₃的常闭辅助触头、接触器K₄的线圈串联。这四条电路支路并联后与按钮S₅的常闭触头串联而构成第一条电回路。第二，由按钮S₅的常开触头与接触器K₆的常开辅助触头并联后与接触器K₁的常闭辅助触头串联，然后再与接触器K₅、K₆的线圈并联的电路串联，构成第二条电回路。第三，由第一、第二条电回路并联后再与按钮S串联。

该控制电路的两端接至异步电动机U、V、W三相电源的任意两端即可。

控制系统的动作原理，在图7、图8中。

当电机无载起动时，按下单根Y起动按钮S₁，K₂线圈通电，K₂的常开触头闭合，常闭触头断开，K₁线圈通电，K₁常开触头闭合，常闭触头断开，电机单根Y起动。待电机起动结束后，若按下S₂按钮，K₂线圈断电，K₂各触头复位，K₃线圈通电，K₃常开触头闭合，常闭辅助触头断开，电机延边三角形运行；若按下按钮S₃，则K₂线圈断电，K₂各触头复位，K₄线圈通电，K₄常开触头闭合，常闭触头断开，电机三角形运行；若按下按钮S₅，则K₂、K₁线圈断电，K₂、K₁各触头复位，K₅、K₆线圈通电，K₅、K₆常开触头闭合，常闭触头断开，导至K₂线圈再通电，K₂常开触头闭合，常闭触头断开，电机双根Y接法重载运行。

当电机轻载起动时，按下延边三角形起动按钮S₂，K₃线圈通电，K₃常开触头闭合，常闭触头断开，K₁线圈通电，K₁常开闭合，常闭断开，电机延边三角形起动。此时，若按下S₄，则K₄线圈通电，K₄常开触头闭合，常闭触头断开，电机接成三角形轻载运行；若按下S₅，则电机双根Y接法重载运行。

当电机重载起动，按下按钮S₄，电机三角形起动。待电机起动结束后，若是轻载运行，则不按其它任何按钮；若重载运行，则按下按钮S₅，电机切换成双根Y接法重载运行。

当配电网络允许直接起动，则按下S₅，电机则直投电网起动。

当要停止电机按下按钮S即可。

该实用新型的效果，该电机当运行于重载时，与我国能源部目前大量推广应用的Y系列电动机有相同的运行性能。当运行于中载或轻载时用户可方便地调节运行效果，使其电流降低，效率和功率因数升高，经理论分析与实测表明，当电机的实际负载率为50％时，线电流可降低13％以上，效率提高约2％，功率因数提高10％以上，在起动方面，当接为单根Y起动时，起动电流为全压起动的 1/4 ；当接为延边三角形起动时，起动电流为全压起动的 3/8 ；当接为三角形起动时，起动电流为全压起动的 3/4 。该电机的起动能完全取代自耦降压起动器。

该实用新型广泛应用于工业、农业、国防等凡需要电力拖动的系统中。

图1为本实用新型电机绕组展开图，图中只画U相，为了清楚，V、W相省略。

图2为本实用新型电机绕组出线端在接线盒内接线板上的排列图

图3为本实用新型电机绕组双根Y联接接线图

图4为本实用新型电机绕组三角形联接接线图

图5为本实用新型电机绕组延边三角形联接接线图

图6为本实用新型电机绕组单根Y联接接线图

图7为本实用新型电机——控制装置系统主回路接线原理图

图8为本实用新型控制装置控制回路接线原理图

图9为本实用新型电机实施例两种接法运行的电流、效率、功率因数曲线。

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

已研制的参数电压变换感应异步电动机为一4瓩，4极鼠笼电动机，定子绕组用两根φ＝1.00毫米的高强度漆包线并绕，每槽导体数26，绕组展开图如图1，为了表达清楚，图中只画了U相，其余V、W相依次相差120°电角度后，绕制方法与画出的U相完全一样。图1中，实线表示第一根导线，虚线表示第二根导线。用U、V、W表示三相绕组，如图2，字母左边的“1”表示第一根导线，“2”表示第二根导线；字母右边的“1”表示导线的首端，“2”表示导线的尾端。三相十二个头在接线板上的排列顺序为：上横排是1U2、2U2、1V2、2V2、1W2、2W2，下横排是1U1、2U1、1V1、2V1、1W1、2W1，如图2。若电机实际负载率在70～100％范围时，可将电机接为双根Y运行，即将图2中的1U2、2U2、1V2、2V2、1W2、2W2联为一点，即星点，1U1、2U1联为一点，成为U相，1V1、2V1联为一点成为V相，1W1、2W1联为一点成为W相，如图3。若电机实际负载率在30－70％范围时，将各相的两根导线尾、首相接后，再接成三角形接法运行，即将图2中的1U2、2U1联为一点，1V2、2V1联为一点，1W2、2W1联为一点，而成为U、V、W相，再将U、V、W相联成三角形运行，即1U1、2W2联为一点后接于电源的U相，1V1、2U2联成一点后接于电源的V相，1W1、2V2联成一点后接于电源的W相，如图4。当电机接成三角形接法运行时，由于电机的参数电压发生了变化，由理论分析可知，铁耗降低，效率和功率因数提高，电流减小，且无谐波干扰。若电机实际负载率在20～30％范围时，可将各相的两根导线尾、首相联构成一相后，再把一相的尾端接于另一相的中点而构成延边三角形运行。即将图2中的1U2、2U1、2W2联为一点，1V2、2V1、2U2联为一点，1W2、2W1、2V2联为一点，1U1、1V1、1W1分别接电源的三相，如图5。若电机实际负载率小于20％，可把电机各相的两根导线尾、首相联后，再联成单根Y接法运行，即将图2中的1U2、2U1联为一点，1V2、2V1联为一点，1W2、2W1联为一点而成为U、V、W相，再把2U2、2V2、2W2联为一点而成为星点，由1U1、1V1、1W1接于三相电源，如图6。

起动。电机空载起动（如感应电动机拖动无励磁的直流发电机）时，把电机接成图6的单根Y接法起动，起动结束后，再切换成所需要的接法运行。由于单根Y接法的阻抗是双根Y接法的阻抗的4倍，故单根Y接法起动电流是双根Y接法起动电流的 1/4 ，转矩也降为双根Y接法的 1/4 。轻载起动时，把电机接成图5的延边三角形起动，起动结束后，再切换成所需要的接法运行。由于延边三角形接法的阻抗是双根Y接法阻抗的 8/3 ，故起动电流延边三角形是双根Y的 3/8 ，其起动转矩也降为双根Y的 3/8 。额定转矩起动时，把电机接成图4的三角形接法起动，起动结束后，切换成所需要的接法运行。由于三角形接法的阻抗是双根Y接法阻抗的 4/3 ，其起动电流为双根Y的 3/4 ，转矩也降为双根Y的 3/4 。全压起动，把电机接成图3双根Y起动。

对已研制的4KW三相鼠笼异步电动机。由于双根Y接法与三角形接法电机运行的负载率范围最宽，运行最普遍，对这两种接法在额定电压下运行的运行特性进行了试验。试验所得系统效率η＝f（β）、功率因数cosφ₁＝f（β）、定子电流相对值I₁*＝f（β）曲线描于图9中。试验时，感应异步电动机拖动一直流发电机，系统效率是直流发电机输出功率比异步电动机输入功率，故称为系统效率，β是感应电动机负载率。图9中：曲线①是双根Y接法运行时的效率曲线。曲线②是▲接法运行时的效率曲线，比较①、②两条曲线，当负载率小于70％时，▲接法运行时的效率高于双根Y接法运行时的效率，双根Y时的负载率越低，改为▲接法运行后，其效率提高越多，当负载率为50％时，系统效率可提高约2％。曲线③是双根Y接法运行时的功率因数曲线，曲线④是▲接法运行时的功率因数曲线，比较③、④两条曲线，▲运行时的功率因数曲线比双根Y接法时的功率因数曲线高得多，当负载率为50％时，可高达14％。曲线⑤是双根Y接法运行时的定子线电流曲线，曲线⑥是▲接法运行时的定子线电流曲线，比较⑤、⑥两条曲线，▲接法运行的定子线电流曲线比双根Y接法运行时的定子线电流曲线低，负载率越低，曲线⑥比曲线⑤低得越多，当负载率为50％时，曲线⑥比曲线⑤低约14％。综合以上几条主要且重要的性能指标，参数电压变换感应异步电动机，在重载时，与我国能源部大量推广应用的Y系列电机有相同的运行性能，轻载时，进行参数电压变换运行，对于已列的三项指标，均优于同型号的Y系列电动机。

Claims (1)

1、一种参数电压变换感应电动机及其控制装置，包括电动机的定子、转子、机座、端盖、出线盒、接于出线盒和三相电源的主电路及接于感应电动机三相电源中任意两相的控制电路，其特征在于：

(1)把额定运行是三角形接法的电机设计、制造为额定运行是星形接法的电机，把星形接法运行的电机的每相定子绕组用等效的、横截面积相等的、且材料相同的两根绝缘导线并绕，把每相并绕的两根绝缘导线的四个头接于出线盒，U、V、W三相有十二个头接于出线盒，其中六个头1U1、2U1、1V1、2V1、1W1、2W1为首端，另外六个头1U2、2U2、1V2、2V2、1W2、2W2为尾端；

(2)主电路中的三相接触器K₁的上端分别与电机三相定子绕组的第一根导线的尾端相联，其下端与三相定子绕组的第二根导线的首端相联，两相接触器K₂的下端短接后与电机定子绕组的V相的第二根导线的尾端相联，其上端分别与电机定子绕组U、W相的第二根导线的尾端联接，三相接触器K₃的上端分别与电机三相定子绕组的第二根导线的首端相联，其下端分别与电机三相定子绕组的第二根导线的尾端联接，三相接触器K₄的上端分别与电机三相定子绕组的第一根导线的首端相联，其下端分别与电机三相定子绕组的第二根导线的尾端联接，三相接触器K₅的上端分别与电机三相定子绕组的第一根导线的首端连接，下端分别与电机三相定子绕组第二根导线的首端相联，两相接触器K₆的下端短接后，与电机定子绕组V相的第一根导线尾端联接，其上端分别与电机定子绕组U、W相的第一根导线的尾端联接；

(3)其控制电路由第一条电回路与第二条电回路并联后再与按钮S串联组成，第一条电回路由四条电路支路并联后与按钮S₅的常闭触头串联构成，四条电路支路并联情况是：第一条支路是按钮S₁的常开触头、接触器K₂、K₅的常开辅助触头并联后与按钮S₂、S₃的常闭辅助触头、接触器K₃、K₄的常闭辅助触头，接触器K₂的线圈串联，第二条支路是接触器K₂、K₃、K₄的常开辅助触头并联后与接触器K₅的常闭辅助触头、接触器K₁的线圈串联，第三条支路是接触器K₂的常开辅助触头与按钮S₄的常闭触头串联后与按钮S₂的常开触头并联，再与接触器K₂、K₄的常闭辅助触头、接触器K₃的线圈串联，第四条支路是按钮S₄、S₃的常开触头、接触器K₄的常开辅助触头并联后，与接触器K₂、K₃的常闭辅助触头、接触器K₄的线圈串联，第二条电回路由按钮S₅的常开触头与接触器K₆的常开辅助触头并联后与接触器K₁的常闭辅助触头串联，然后再与接触器K₅、K₆的线圈并联后的电路串联构成。

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