一種雙異步電機轉子組合調速及聯接電路的制作方法
【專利摘要】一種雙異步電機轉子組合調速及聯接電路，目的是造價低、功率因數較高和節能效果顯著；本發明包括雙定子繞組聯接回路、雙轉子繞組聯接回路、電容器和調節器；雙定子繞組聯接回路是主定子繞組Wa1、Wb1、Wc1與副定子繞組Wa2、Wb2、Wc2，采用Wa1與Wa2、Wb1與Wb2、Wc1與Wc2分別的兩繞組首端相聯而對應引出三個接線端A2、B2、C2，并用Wa1與Wb2、Wb1與Wc2、Wc1與Wa2兩繞組末端分別相聯方式構成閉合電路；雙轉子繞組回路是兩個鼠籠轉子的導電條相互聯接而將主轉子導電條的W11至Win與副轉子導電條W21-Win分別聯接而成加長型籠型結構，或是兩個繞線轉子的三相繞組Wa10與Wa20、Wb10與Wb20、Wc10與Wc20、分別串聯而成三相串聯星形接線。
【專利說明】一種雙異步電機轉子組合調速及聯接電路
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及電機學科領域，尤其涉及一種雙異步電機轉子組合調速及聯接電路。【背景技術】
[0003]雙定子異步電動機最初由澳大利亞的B.H.Smith在1966年以感應電動機的形式提出來的，當初主要是為了解決電動機的調速問題。此后的在鼠籠轉子回路中增加附加電阻的雙定子電機，主要是為了改善異步電機的起動問題。我國的東方電機公司研制的1000KW做為球磨機配套用的雙定子異步電機，起動電流為3.4倍額定電流，起動轉矩達1.8倍額定轉矩。其原理是兩個定子繞組在起動時串聯，使兩定子產生的旋轉磁場在空間的相位差為60度，每一籠型轉子導條中的感應電勢就有相位差，連接轉子導條的中間環中有電流流過，這等效于轉子電阻增加而產生較大的起動轉矩。ZL200620172915.1的雙異步電動機組合移相調速的裝置，對兩臺繞線式異步電機，將轉子繞組經滑環聯接成回路，并將副電機的三相定子繞組串聯電容器而聯接于逆變器，隨逆變器的移相控制逐漸改變兩定子繞組之間的電勢相量，進而在串聯兩轉子繞組的合成電勢相量及轉子電流的變化中改變同軸兩電機的轉速。這種調速技術利用三只串聯的電容器可用普通晶閘管構成逆變器，具有調速中同時調節功率因數的優點，但存在電路結構較復雜與造價較高的優點。設法將三相調節改為單相調節，并在調速中同時進行電容內補償，是有經濟價值與實用性的研究課題。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是克服上述已有技術的不足，提供一種裝置造價低、功率因數較高和節能效果較顯著的雙異步電機轉子組合調速及聯接電路。
[0005]本發明采用的技術方案為:
一種雙異步電機轉子組合調速及聯接電路，包括雙定子繞組聯接回路、雙轉子繞組聯接回路、電容器和調節器；所述的雙定子繞組聯接回路是主定子繞組Wal、Wbl、Wcl與副定子繞組Wa2、Wb2、Wc2，采用Wal與Wa2、Wbl與Wb2、Wcl與Wc2分別的兩繞組首端相聯而對應引出三個接線端A2、B2、C2，并用Wal與Wb2、Wbl與Wc2、Wcl與Wa2兩繞組末端分別相聯方式構成閉合電路，在其相聯點引出三個調節端A01、B01、CO I，還將三個接線端A2、B2、C2經三相交流開關Kl聯接至電源端Al、B1、Cl ;雙轉子繞組回路是兩個鼠籠轉子的導電條相互聯接而將主轉子導電條的Wl I至Win與副轉子導電條W21-Win分別聯接而成加長型籠型結構，或是兩個繞線轉子的三相繞組Waltl與Wa2(l、Wbltl與Wb2(l、Weltl與Wc20、分別串聯而成三相串聯星形接線，并將其Wa2Q、 Wb2Q、Wc20的三個末端經滑環Hn、Ht2、Ht3聯接至Atll、B01, C01三個調節端；或是兩個三相繞線轉子的繞組WalO與Wa20、Wbl0與Wb20、Wcl0與Wc20分別經三相滑環HTl與HT2、HT3與HT6、HT5與HT4對應用起動電阻R1、R2、R3進行聯接而成三相相同相位與相同首端方向的閉合回路，還用三相交流接觸器K2的三對觸點對三只起動電阻進行聯接；所述的調節器是用整流管Dl與D4、D3與D6、D5與D2聯成三個橋臂的其三個輸入端聯接于調節端A01、BOUCOl的三相整流橋，在其直流兩端以正端接正極方式聯接一只可關斷電力電子器件Tl ;所述的電容器是用三只單相電容器0)2、0)3、0)1依次聯接在AOl與B2、B01與C2、C01與A2三對接線端之間。
[0006]進一步地，所述的三只單相電容器C01、C02、C03的額定電壓是異步電動機額定相電壓值的1-1.2倍，總容量值與副電機額定功率值為0.4-1.2:1的比例；所述的起動電阻R1、R2、R3的電阻值是繞線轉子電阻值的0.8-2倍；所述的調節器的可關斷電力電子器件Tl是絕緣柵雙極晶體管IGBT或門極關斷晶閘管GT0，并用1-10KHZ的三角形載波頻率以恒頻調寬方式進行PWM控制。
[0007]本發明的工作原理及特點是:基于異步電動機的定子電壓決定其主磁通、其轉矩取決于兩定子合成磁通與組合轉子電流乘積的原理，利用磁路獨立的雙定子三相繞組能夠在調節器的控制中發生電壓相量轉移的條件，并用內補償電容器對所并聯的副定子繞組產生向后轉移而負向調節的條件，進而控制串聯轉子繞組的合成電勢相量，從而達到簡易控制及調節電機轉速的目的；同相兩定子繞組的首端相聯而成六個繞組閉合的組合接線，在調節器與電容器均未投入時，由其三個串聯支路構成串聯三角形電路，此時同相的兩定子繞組中的電流將相差n/3電角度且承受1/2線電壓數值，對應的串聯轉子繞組在初期的感應電勢值為全速運轉時的0.75倍；在三只電容器并聯于三個副定子繞組時，利用電容器電流與感性繞組中的電流相量接近于垂直的內補償原理，可使主、副定子繞組中的電流相量對應發生超前、滯后的分別接近轉移η /6相角，由此在三只電容器的容量值與副定子繞組的功率值相等時，便可在六個定子繞組的電壓相量接近于正六邊形的狀態時使得同相兩定子繞組的電壓相量相差2/3 π角度，對應的串聯轉子的合成電勢值初期為全速時的
0.25-0.5倍；在雙定子繞組受調節器控制而使其三個調節端的電壓值接近于零時，同相兩定子繞組分別接近同一電壓相位，期間的電容電壓較初始時向超前方向接近與轉移η / 3相角，電容器對所串聯的繞組與并聯繞組分別進行超前與滯后且不對稱的電流相量疊加，經調節器的接近純阻性的電流疊加使其并聯繞組的磁勢相量接近于超前η / 3相角。對應的串聯轉子的合成電勢達全速運轉的100%;貫穿于主、副兩個定子鐵心中的鼠籠型轉子，或是同轉聯結且三相繞組按同相位及相同首端方向聯接的兩繞線轉子，其每根導電條或是串聯的轉子繞組的合成電勢受控于兩定子繞組的合成磁勢及合成磁通，在兩定子的磁通數值較小變化而相位差較大變化的調節中，可產生轉子合成電勢對應變化及轉速同步變化的效果；依據異步電機的理想空載轉速正比于電磁功率而反比于轉矩，其電磁功率取決于定子磁通與轉子電流乘積的基本公式，轉子合成電勢(轉速未變化時)可較全速時具有25%-100%的變化范圍時，對應的理想空載轉速至少在50%-100%額定轉速范圍具有較高效率的變化范圍，并用內補償電容器的配合使得這種調速方法更兼適用性及經濟性。
[0008]本發明的調速及起動原理是:在三相整流橋直流端聯接可關斷器件構成的調節器，形成了用單只單向器件對三相電路中性端進行電壓調節的條件，并以其平滑的脈寬調制方式對串聯三角形聯接的雙定子繞組的三個調節端進行電壓量的控制，從而在調節端逐漸接近于零的變化中使得雙電機的轉速接近于100%額定轉速；三只電容器不僅能以其電容電流與繞組感性電流疊加作用使其三個調節端與中性端的電壓接近于相電壓值，還能以其電容電壓不能突變的特點為可關斷器件瞬間關斷時提供續流通路；調節器采用的PWM方式，是用頻率為1-1OKHz三角形載波頻率，與直流控制信號進行比較而取出頻率不變但脈寬變化的控制信號，使得Tl器件以恒頻調寬方式工作，從而在電容器移相作用使得調節端的電壓值接近相電壓值的基礎上形成調節端逐漸接近于零的調節過程；在兩繞線轉子的三相繞組經由滑環的三個接線端之間分別聯接的起動電阻，是利用起動轉矩與轉子回路的電阻值接近于成正比的特點而適用于球磨機之類的重載起動設備，并利用聯接于起動電阻兩端的三相交流接觸器使其完成重載起動后進行短接，隨著兩定子繞組電壓相量的相位差的變化，組合轉子的合成電勢值相應變化，進而促使電機的理想空載轉速變化，從而以簡易的控制電路進行較寬范圍的調速。
[0009]本發明適用于共用加長籠型轉子的雙定子電機與剛性聯結的雙繞線式電機，在電容器負向調速與調節器的正向調速中能夠在無功內補償中達到50%-100%額定轉速范圍內平滑調節的效果。本發明用整流式調節器控制三相主、副定子繞組的電壓相量，用調節串聯轉子繞組合成電勢方式來改變電磁轉矩，并用內補償電容器的移相作用對雙定子繞組進行負向調節，具有調速技術獨特、裝置造價低、功率因數較高、節能效果較顯著、簡單易行的優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發明雙定子籠型組合轉子電路原理圖；
圖2為本發明雙繞線轉子電機組合電路原理圖；
圖3為本發明雙繞線轉子單滑環電機組合電路原理圖。
【具體實施方式】
[0011]雙定子繞組聯接回路是主定子繞組Wal、Wbl、Wcl與副定子繞組Wa2、Wb2、Wc2，采用同相兩繞組的首端“.”分別相聯方式將Wal與Wa2、Wbl與Wb2、Wcl與Wc2的首端分別相聯而依次引出A2、B2、C2三個接線端，并用Wal與Wb2、Wbl與Wc2、Wcl與Wa2兩繞組末端分別相聯方式將六個結構相同的定子繞組組成閉合回路，對應引出A01、B01、C01三個調節端，還將接線端A2、B2、C2經三相交流開關Kl聯接至三個電源端Al、B1、Cl，其中主定子繞組與副定子繞組分別布置在磁路獨立的兩定子鐵心上。
[0012]雙轉子繞組回路是兩個鼠籠轉子中的導電條相互聯為兩個外端邊閉合的一體，或用整根導電條直接穿插于兩個轉子鐵心中而用兩個外端環焊聯成多相閉合回路，或是同軸的兩繞線轉子分別布置三相繞組并以同相及相同首端方式聯接成三相星形接線，并將其三個星形接線端聯接至三個滑環，或是同軸相對的兩繞線轉子用引線穿過同軸聯結的鋼管中進行聯接，或是平行排列用齒輪聯動而成剛性聯結的三相繞線轉子繞組，分別經各自的滑環及碳刷后用引線與起動電阻Rl、R2、R3聯接，并用三相交流接觸器K2的三對觸點分別聯接在三個起動電阻的兩端。
[0013]電容器是用三只單相電力電容器依次聯接在副定子繞組的AOl與B2、BOl與C2、COl與A2三對接線端之間，利用電容器電流的相量疊加作用使副定子繞組的電壓相量向滯后方向轉移。調節器是用三對整流二極管Dl與D4、D3與D6、D5與D2構成相聯點為A01、BOU COl的三個橋臂并構成三相整流橋，在其直流兩端以正端接正極方式聯接一只可關斷電力電子器件T1，并以1-10KHZ的三角形載波頻率進行恒頻調寬的脈寬調制。[0014]實施例1:采用相同結構的兩個套裝在一體機座而間隔一定距離的兩個定子鐵心、相同繞組匝數與導線截面的兩個定子繞組、貫穿在兩個定子鐵心中的其兩個外端邊與定子鐵心外端邊對齊的加長型轉子鐵心和若干根沿軸向穿過轉子鐵心并用兩個端環焊聯成籠型的轉子導電條而成雙轉繞組回路；對應于主定子三相繞組Wal、Wbl、Wcl的主轉子繞組(導電條)為Wll-Wln、對應副定子三相繞組Wa2、Wb2、Wc2的副轉子繞組(導電條)為W21-W2n，轉子導電條的根數按照常規的轉子槽數設計規范確定；三只電容器COl、C02、C03的額定電壓選擇為264V，電容器的總容量值(KVAR)與副電機功率值(KW)選擇為0.4:1。
[0015]組合接線方式如圖1所示,三相電源為工頻380V，且Al、B1、Cl順序為正相序；調節器的Tl采用絕緣柵雙極型晶體管IGBT，并用頻率為IOKNz的三角形載波PWM控制，調節器的控制環節采用現行組件。
[0016]在閉合交流接觸Kl時，主定子繞組與副定子繞組分別的兩兩串聯關系使其在起動時接近于串聯三角形的相量關系，隨著起動過程的完成，三只單相電容器的電流疊加及電壓移相作用促使主定子繞組向超前方向轉移，副定子繞組向滯后方向轉移而整體的電壓相量接近于正六邊形，也使調整節端AOl、BOl、COl較中性點O之間的電壓量接近于220V ；在同相兩定子繞組的電壓相量接近于相差2/3 π相角時，對應的兩轉子繞組(導電條)初期的合成電勢值較全速時約下降為25%-50%;在調節器Tl的導通脈沖寬度的增大中，三個調節端的電壓值逐漸接近于零，兩定子同相繞組的電壓相量也逐漸近于同相位，對應的組合電機的轉速也接近于100%額定轉速。
[0017]實施例2:采用相同型號與相同功率的兩臺繞線式異步電動機進行組合，具體將兩臺平行排列而用同步齒輪聯動形成兩轉子的剛性聯結結構。電容器的電壓值與380V交流電源相電壓值選擇為1:1的比例，三只電容器的總容量與副電機的銘牌功率值選擇為
1.2:1的數值比列。雙轉子繞組回路是在其三相主轉子繞組Wal0、Wbl0、Wcl0、與三相副轉子繞組Wa20、Wb20、Wc20之間，分別經由主轉子繞組的滑環HT1、HT3、HT5與副轉子繞組的滑環HT2、HT4、HT6而用起動電Rl、R2、R3串聯成三相的回路，其每相的兩轉子繞組按照同一電勢相位與同一首端方向并經起動電阻聯成回路，還用三相交流接觸器K2的三對觸點對三只起動電阻的兩端分別進行聯接。
[0018]如圖2所示的聯接方式，在兩轉子剛性聯結且轉向相反時，其兩電機三相轉子繞組極性相反且相序相反，對比只能采用交叉聯接方式使其每相支路保持轉子電勢的同相及相加關系。在交流開關Kl閉合后，主、副定子繞組的串聯三角形接線使其同相兩繞組的電流相量接近于相差H /3相角，對應的兩轉子的三相繞組也分別經過起動電阻形成回路；在起動電阻值選擇為繞線轉子電阻值的0.5-2倍值時，將有效降低起動電流，并使起動轉矩提高；完成起動后，交流開關K2閉合而將三個起動電阻分別短接，三只電容器的電容電流疊加作用可使主、副定子三相繞組分別發生接近于η / 6相角的電壓相位轉移而接近六邊形，對應的雙電機進入低于50%額定轉速的低速運行階段；在調速器的門極關斷晶閘管GTO(Tl)以IKHz的載波頻率工作，在增大導通脈寬中，三個調節端克服電容器的負向調節作用而逐漸接近于零，同相的主、副定子繞組的電壓相量接近于同相位，串聯轉子的合成電勢值也同步增大，組合電機的轉速逐漸接近于全速。
[0019]實施例3:采用兩個沿電機軸向放置獨立磁路且功率相等的固定不動的定子，在每個定子中嵌放有三相對稱的定子繞組，與其對應的兩個轉子鐵心上分別嵌放有三相的轉子繞組；雙轉子繞組回路是三相主轉子繞組Wal(l、wbl(l、wel(l與三相副轉子繞組Wa2(l、wb2(l、we2(l按同一電勢相位及相同首端方向分別進行串聯，并將其wal(l、Wblo, Wclo三個繞組的首端相聯成中性點，再將Wa2Q、Wb2Q、Wc20三個繞組的末端依次聯接到位于副轉子上的HT1、HT2、Ht3三個滑環上；三個滑環的引出線分別聯接至三個調節端A, B01, Ctll,還可用在其調節端聯接一只三相交流開關對其在閉合時進行三相短接。
[0020] 如圖3所述的聯接方式，其主定子繞組與副定子繞組的聯接及三只電容的聯接方式與實施例1相同。在交流開關K1投入后，同樣利用電容器的內補償作用使其主、副定子繞組的電勢相量接近于正六邊形，而用調節器使其接近于雙星形的電勢相量。在主轉子繞組與副轉子繞組聯接成串聯星形接線并經設在副轉子上的三只滑環與三個調節端相聯后，其與串聯三角形接線的定子繞組形成了既有磁路耦合又有電路聯系的相互作用的過程。轉子繞組經由定子繞組形成了兩者以基本的串聯關系共同承擔工頻電壓的特點，在其頻率相同或相近時電機轉速較小或為零；在調節器的導通脈寬逐漸的調節中，初期為六邊形電勢相量的定子繞組逐漸向雙星形過渡，三相串聯轉子繞組也在經由調節器單獨的通流中使其頻率逐漸降低，電機的轉速對應升高；在調節器的導通脈寬與截止脈寬的寬度相等時，三個調節端的交流電壓值接近1/2相電壓值，兩定子的合成磁勢接近于全速時的75%，對應的轉子繞組既受定子電勢作用而通過一定的工頻電流，也在其接近于1/2工頻頻率的轉子電勢作用下經由調節器形成產生轉矩的轉子電流，并進行轉子電磁功率的回饋；轉子繞組電勢對三對定子繞組具有從同相的一繞組進而從另一繞組出的正、負抵消而不影響定子磁勢的特點，但其定子繞組的電阻要產生使其轉子回路的電流下降并使其轉矩增大；轉子繞組電勢的頻率隨調節端電壓值的下降而相對下降，因為調節端電壓值的下降使定子與轉子之間的電聯系減弱，磁耦合使其轉子回路的感應電勢值升高且頻率下降；在調節器全導通或用交流開頭K2進行短接時，定子與轉子之間完全進入磁耦合，對應轉子電勢的頻率接近于零，電機轉速也接近于額定轉速。本例具有10%-100%額定轉速范圍內調速與轉子繞組不發熱的優點。
【權利要求】
1.一種雙異步電機轉子組合調速及聯接電路，其特征是包括雙定子繞組聯接回路、雙轉子繞組聯接回路、電容器和調節器；所述的雙定子繞組聯接回路是主定子繞組Wal、Wbl、Wcl與副定子繞組Wa2、Wb2、Wc2，采用Wal與Wa2、Wbl與Wb2、Wcl與Wc2分別的兩繞組首端相聯而對應引出三個接線端A2、B2、C2，并用Wal與Wb2、Wbl與Wc2、Wcl與Wa2兩繞組末端分別相聯方式構成閉合電路，在其相聯點引出三個調節端AO1、BO1、CO I，將三個接線端A2、B2、C2經三相交流開關Kl聯接至電源端Al、B1、Cl ;雙轉子繞組回路是兩個鼠籠轉子的導電條相互聯接而將主轉子導電條的Wl 1至Win與副轉子導電條W21-Win分別聯接而成加長型籠型結構，或是兩個繞線轉子的三相繞組WalO與Wa20、Wbl0與Wb20、Wcl0與Wc20、分別串聯而成三相串聯星形接線，并將其Wa20、Wb20、Wc20的三個末端經滑環HT1、HT2、HT3聯接至A0UB01、C01三個調節端，或是兩個三相繞線轉子的繞組WalO與Wa20、Wbl0與Wb20、WclO與Wc20分別經三相滑環HTl與HT2、HT3與HT6、HT5與HT4對應用起動電阻R1、R2、R3進行聯接而成三相相同相位與相同首端方向的閉合回路，用三相交流接觸器K2的三對觸點對三只起動電阻進行聯接；所述的調節器是用整流管Dl與D4、D3與D6、D5與D2聯成三個橋臂的其三個輸入端聯接于調節端AO1、BO1、COl的三相整流橋，在其直流兩端以正端接正極方式聯接一只可關斷電力電子器件Tl ;所述的電容器是用三只單相電容器C02、C03、COl依次聯接在AOl與B2、B01與C2、C01與A2三對接線端之間。
2.如權利要求1所述的雙異步電機轉子組合調速及聯接電路，其特征是所述的三只單相電容器C01、C02、C03的額定電壓是異步電動機額定相電壓值的1-1.2倍，總容量值與副電機額定功率值為0.4-1.2:1的比例。
3.如權利要求1所述的雙異步電機轉子組合調速及聯接電路，其特征是所述的起動電阻Rl、R2、R3的電阻值是繞線轉子電阻值的0.8-2倍。
4.如權利要求1所述的雙異步電機轉子組合調速及聯接電路，其特征是所述調節器的可關斷電力電子器件Tl是絕緣柵雙極晶體管IGBT或門極關斷晶閘管GTO，并用1-10KHZ的三角形載波頻率以恒頻調寬方式進行PWM控制。
【文檔編號】H02P25/18GK103904979SQ201410097364
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月18日 優先權日:2014年3月18日
【發明者】劉濤, 劉耀 申請人:劉建平