專利名稱：雙諧波起動和調(diào)速的交流電動機定子繞組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于交流電動機的起動和調(diào)速方法，及按該方法起動或調(diào)速的交流電動機定子繞組的聯(lián)結(jié)法及結(jié)構(gòu)。
1988年先后獲得美國和中國發(fā)明專利權(quán)的諧波起動電動機(美國專利4736147;中國專利85102382.7)于1989年上半年試制成功，投入工業(yè)運行，由于它表現(xiàn)出來的優(yōu)越起動特性和運行性能，受到現(xiàn)場工人和技術(shù)人員的高度評價。在試制這種新型電動機的過程中，發(fā)現(xiàn)有下列問題值得作進(jìn)一步研究(1)已制成的幾臺諧波起動電動機都是單諧波起動，電動機引出線為六根，需要二個三相開關(guān)，起動時合上一個開關(guān)，起動完畢把它斷開，再合上另一個開關(guān)而進(jìn)入正常運行;這樣，當(dāng)電動機離電源很遠(yuǎn)時，與傳統(tǒng)電動機比較增加的三根電纜須花費很大投資，很不經(jīng)濟(jì);同時如此一合、一拉、又一合的操作過程使開關(guān)的控制線路較為復(fù)雜，因此可靠性也較差。(2)已制成的諧波起動電動機的起動電流為2-2.5倍額定電流，如何采用新方案以進(jìn)一步把起動電流降至1.5-2倍，從而更充分發(fā)揮諧波起動的優(yōu)越性，是一個值得研究的問題。(3)單諧波起動時，若用少極數(shù)作為起動諧波，由于諧波的同步轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于基波的同步轉(zhuǎn)速，因此空載或輕載起動而又未及時從起動工況轉(zhuǎn)變?yōu)檫\行工況時，將發(fā)生嚴(yán)重超速現(xiàn)象，危及電機安全。顯然，解決上述問題，將對諧波起動電動機的推廣產(chǎn)生重大的促進(jìn)作用。
采用一個諧波和一個基波聯(lián)合起動的雙諧波起動，能解決上述三個問題，在前述專利的說明書中曾提出一些雙諧波起動方案，把定子繞組平分為二半，起動時將其一半投入電網(wǎng)，起動完畢時再把另一半也投入電網(wǎng)。但試驗表明，這些方案的起動轉(zhuǎn)矩不大，不能滿足要求，其原因在于起動時只有一半繞組被利用，而另一半被丟棄而未起作用。
本發(fā)明的目的在于提出一種新的雙諧波起動方法，起動時繞組全部被利用或只丟棄較少的部分繞組(例如三分之一及其以下)，因此能達(dá)到既解決了前述的三個問題，又能保證具有相當(dāng)大的起動轉(zhuǎn)矩。
本發(fā)明提出的雙諧波起動方法如下正常運行時采用3Y或Y+3Y聯(lián)結(jié)的定子繞組，起動時將3Y部分每相三條并聯(lián)支路中的一條支路通過開關(guān)而斷開，使得整個三相繞組變?yōu)椤骰験+△聯(lián)結(jié)，同時產(chǎn)生一個2P極的基波旋轉(zhuǎn)磁場和一個很強的2Q極諧波旋轉(zhuǎn)磁場，依靠這二個磁場來實現(xiàn)雙諧波起動。這時，若正常運行為3Y聯(lián)結(jié)，則起動時丟棄的繞組占全部繞組的三分之一;若為Y+3Y聯(lián)結(jié)，則小于三分之一。
上述雙諧波起動的定子繞組有很多種設(shè)計方法，只要能滿足下列二個基本要求便可應(yīng)用(1)正常運行的3Y或Y+3Y聯(lián)結(jié)應(yīng)保證3Y部分不產(chǎn)生環(huán)流，此時2P極的基波最強，其他諧波分量很少，并且相帶較窄，一般采用60°相帶，使得有較大的繞組分布系數(shù);(2)起動時產(chǎn)生大小不相上下的2P極基波磁場和同轉(zhuǎn)向的2Q極諧波磁場，其他諧波含量很少，不影響起動。
下面舉出一個比較普遍適用的設(shè)計方法。以正常運行時采用3Y聯(lián)結(jié)為例說明如下首先把定子繞組設(shè)計成從2P極變?yōu)?Q極的3Y/3Y聯(lián)結(jié)無環(huán)流變極繞組，具體進(jìn)行設(shè)計時可參考專利號為35103682.1的中國發(fā)明專利“消除3Y/3Y聯(lián)結(jié)法環(huán)流的交流變極電動機繞組”，如此把定子繞組劃分為九段，每段串聯(lián)的槽號數(shù)相同;按

圖1a)聯(lián)接為2P極運行;按圖1b)聯(lián)接為2Q極單諧波起動;而按圖1C)聯(lián)接便是2P極和2Q極同時存在的雙諧波起動，此時①、⑤、⑨三段被丟棄不用，整個繞組形成一個△聯(lián)接法;在三相開關(guān)S2斷開的情況下把開關(guān)S1合閘便起動，等轉(zhuǎn)速上升到接近額定值時再把開關(guān)S2合閘，便進(jìn)入正常運行工況。
圖1a)和圖1b)都各為三相對稱系統(tǒng)，即三相磁勢分別對2P極說和對2Q極說都是在空間上互差120°電角度。觀察圖1c)可見△聯(lián)結(jié)中，每相為兩段槽號反接串聯(lián)，從180°-120°＝60°，可見其合成磁勢大小應(yīng)為每段磁勢大小的2Cos30°＝ 倍，此情況無論對2P極說或?qū)?Q極說都是一樣。由此可用圖1c)所示繞組的磁勢必定同時存在很強的2P極波和2Q極波，符合雙諧波起動的二個基本要求。
上述聯(lián)結(jié)法起動時丟棄了三分之一的繞組未利用。若把圖1c)的聯(lián)結(jié)法改為圖2的聯(lián)結(jié)法，即接電網(wǎng)的三根饋電線分別與電機每相三條并聯(lián)支路中的一條支路固定地聯(lián)結(jié)在一起，而另外二條支路先聯(lián)結(jié)在一起再通過一個單相開關(guān)與前述的一條支路并聯(lián)，于是三相的上述開關(guān)構(gòu)成一個三相開關(guān)S2，正常運行時S2閉合，構(gòu)成3Y聯(lián)結(jié)，而起動時S2斷開，構(gòu)成Y+△聯(lián)結(jié)法，這時整個繞組都被利用，未丟棄任何繞組。起動過程未變，即在開關(guān)S2斷開時，把開關(guān)S1合閘便起動，而起動完畢時再把開關(guān)S2合閘，便進(jìn)入運行工況。
同理，若正常運行時為Y+3Y聯(lián)結(jié)法，則起動時改為Y+△聯(lián)結(jié)法，如圖3(丟棄少于全繞組的三分之一的部分繞組)和圖4(不丟棄任何繞組)所示;這時2Q極諧波被加強，而2P極基波則基本不變。
若用三只雙向晶閘管來代替前述各種雙諧波起動中的三相開關(guān)S2，依靠控制上述晶閘管的觸發(fā)電路，使晶閘管在起動時截止(斷開)，而在正常運行時導(dǎo)通，從而實現(xiàn)從起動工況到正常運行工況的轉(zhuǎn)換，則可省掉一個三相開關(guān)，這時只需一個三相開關(guān)用以投入電網(wǎng)。
如果更進(jìn)一步，把上述晶閘管及其觸發(fā)電路一起裝于電動機的機座上或電動機旁邊的小配電板上，并且利用延時繼電器或轉(zhuǎn)速反饋來控制其觸發(fā)電路，從而達(dá)到從起動到運行的自動轉(zhuǎn)換，則電動機只有三根引出線和只需一個接至電源的三相開關(guān)，只須合閘一次便能自動完成雙諧波起動的全過程，和常規(guī)電動機一樣地簡單、方便。圖5至圖8畫出此時的定子繞組聯(lián)結(jié)圖，其中圖5對應(yīng)于正常為3Y聯(lián)結(jié)且起動時丟棄三分之一繞組的情況，圖6對應(yīng)于正常為3Y聯(lián)結(jié)但起動時不丟繞組的情況，圖7和圖8則分別對應(yīng)于正常為Y+3Y聯(lián)結(jié)且起動時丟和不丟繞組兩情況。
本發(fā)明提出的雙諧波起動方法與其他諧波起動方法比較，存在下列優(yōu)點1、起動時不丟掉繞組或只丟掉三分之一及其以下的繞組，因此繞組被充分或較充分利用，能產(chǎn)生較大起動轉(zhuǎn)矩，滿足實際需要。
2、起動時在開關(guān)S2斷開情況下把S1合閘，起動完畢時開關(guān)S1不動，再合閘開關(guān)S2，便從起動工況轉(zhuǎn)入運行工況，實現(xiàn)不斷電轉(zhuǎn)換，因此開關(guān)控制線路簡單，操作方便，有較高的可靠性。
3、在電動機離電源配電板很遠(yuǎn)時，可把開關(guān)S2裝于電動機機座上，或裝于電動機旁邊的小配電板上，這時電動機只需三根饋電電纜接至電源，因而顯著節(jié)省投資，具有較高經(jīng)濟(jì)性。
4、與采用少極數(shù)作為起動諧波的單諧波起動比較，沒有發(fā)生超速的危險。這是因為用基波和極數(shù)較少的一個諧波聯(lián)合起動時，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過基波的同步轉(zhuǎn)速時，基波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，因此轉(zhuǎn)速不可能超過很多，保證了機組安全起動。
5、雙諧波起動時，電網(wǎng)電壓須分配給基波和諧波，使它們分別受到較低的電壓，因此起動電流遠(yuǎn)小于單諧波起動，能充分發(fā)揮諧波起動的優(yōu)越性。
6、若用三只雙向晶閘管代替開關(guān)S2，并把晶閘管及其觸發(fā)電路皆裝于電動機機座上，再利用延時繼電器或轉(zhuǎn)速反饋來控制其觸發(fā)電路，則可達(dá)到電動機只有三根引出線，只需一個接至電源的三相開關(guān)，將它合閘，電動機便起動，而于起動完畢時自動轉(zhuǎn)入正常運行工況，因此電動機的安裝和起動操作變得非常簡單、方便。
以下利用附圖和實施例對本發(fā)明所說的雙諧波起動方法及定子繞組聯(lián)結(jié)法作進(jìn)一步的說明。
圖1雙諧波起動定子繞組的設(shè)計過程，其中a)為正常運行2P極時的聯(lián)結(jié)法，b)為用2Q極作起動諧波時的單諧波起動聯(lián)結(jié)法，c)為用2P極和2Q極作雙諧波起動的聯(lián)結(jié)法。
圖2正常為3Y聯(lián)結(jié)，起動時不丟繞組的雙諧波起動定子繞組方案。
圖3正常為Y+3Y聯(lián)結(jié)，起動時被丟掉繞組少于三分之一的雙諧波起動定子繞組方案。
圖4正常為Y+3Y聯(lián)結(jié)，起動時不丟任何繞組的雙諧波起動定子繞組方案。
圖5正常為3Y聯(lián)結(jié)，如圖1c)所示，用三只雙向晶閘管代替開關(guān)S2的雙諧波起動定子繞組方案。
圖6正常為圖2所示的3Y聯(lián)結(jié)，用晶閘管代替開關(guān)S2的雙諧波起動定子繞組方案。
圖7正常為圖3所示的Y+3Y聯(lián)結(jié)，用晶閘管代替開關(guān)S2后的定子繞組方案。
圖8正常為圖4所示的Y+3Y聯(lián)結(jié)，用晶閘管代替開關(guān)S2后的定子繞組方案。
圖9Z＝72槽，2P＝6，2Q＝4，正常為3Y聯(lián)結(jié)的單諧波起動定子繞組方案，6極運行時，開關(guān)S2斷開，開關(guān)S1合閘，4極起動時，S1斷開，S2合閘。
圖10Z＝72槽，2P＝6，2Q＝4，用4，6極雙諧波起動的定子繞組方案，圖示為起動工況，S2合閘為運行工況。
實施例Z＝72槽，基波2P＝6極，取起動諧波為2Q＝4極，試求出用4、6極作雙諧波起動的繞組聯(lián)結(jié)方案。
設(shè)基波6極采用3Y聯(lián)結(jié)，先應(yīng)用中國專利85102382.7所述方法，取槽內(nèi)上下兩層的線圈匝數(shù)比為2∶1，線圈節(jié)距y＝12，從而設(shè)計出6/4極3Y/3Y聯(lián)結(jié)的無環(huán)流變極方案，找到所需九段槽號及其聯(lián)結(jié)法如圖9所示，這實際上也就是用4極起動的單諧波起動方案。于是，可進(jìn)一步求得4、6極雙諧波起動的繞組聯(lián)結(jié)方案如圖10所示，在圖9和圖10中，加方框的槽號代表的線圈匝數(shù)為未加方框者的二倍。
對圖9繞組聯(lián)結(jié)方案分別進(jìn)行對6極(按6極接電源)和4極(按4極接電源)的支路電動勢分析，則可見對6極說每相三條并聯(lián)支路的電動勢是嚴(yán)格地同相位、同大小，因此不存在環(huán)流;而對4極說每相三條并聯(lián)支路的電動勢也實際上是同相位、同大小(嚴(yán)格計算結(jié)果，相位差為0.89°，大小上相差0.26%)，因此實際上也沒有環(huán)流。根據(jù)這些結(jié)果不難證明圖10的繞組方案，無論對4極或?qū)?極說，都是三相對稱的，該繞組產(chǎn)生的磁場的4極波和6極波都相當(dāng)強，并且同轉(zhuǎn)向。對圖10繞組在起動工況進(jìn)行磁勢諧波分析表明最強的兩個磁勢諧波的幅值相對大小為4極波100%，6極波 ，其他諧波以10極波稍大為11.82%(以上三波都是同轉(zhuǎn)向)，剩下的諧波都很小，對起動沒有影響，由此可見該方案滿足雙諧波起動的要求。
顯然，本發(fā)明提出的雙諧波起動定子繞組也可用于變極調(diào)速電動機中，這時稱為雙諧波調(diào)速。在此情況下，為了達(dá)到調(diào)速的目的，雙諧波中除了2P極的基波磁場外，另一磁場應(yīng)為極數(shù)2Q大于2P的多極數(shù)磁場，這時電動機的第二個轉(zhuǎn)速是在2Q極的同步轉(zhuǎn)速附近。
權(quán)利要求
1.一種利用一個諧波和一個基波聯(lián)合起動或調(diào)速的三相交流電動機定子繞組，其特征在于正常運行時為2P極的3Y或Y+3Y聯(lián)結(jié)繞組，而起動或調(diào)速時將3Y部分每相三條并聯(lián)支路中的一條支路斷開，使得整個三相繞組變?yōu)椤骰験+△聯(lián)結(jié)，同時產(chǎn)生2P極的基波旋轉(zhuǎn)磁場和一個很強的2Q極諧波旋轉(zhuǎn)磁場，依靠這二個磁場來實現(xiàn)雙諧波起動或調(diào)速。
2.按照權(quán)利要求1所述起動或調(diào)速方法設(shè)計的定子繞組，其特征在于，每相并聯(lián)三條支路中有一條支路串聯(lián)了一個雙向晶閘管，而依靠控制上述晶閘管的觸發(fā)電路，使晶閘管在起動或調(diào)速時截止(斷開)，而在正常運行時導(dǎo)通，從而實現(xiàn)從起動或調(diào)速工況到正常運行工況的轉(zhuǎn)換，省掉了一個三相開關(guān)，這時電動機只需一個接至電源的三相開關(guān)。
3.按照權(quán)利要求2所述方法設(shè)計的定子繞組，其特征在于，所說的三個雙向晶閘管及其觸發(fā)電路皆裝于電動機的機座上或電動機旁邊的小配電板上，并且利用延時繼電器或轉(zhuǎn)速反饋來控制其觸發(fā)電路，從而實現(xiàn)從起動到運行的自動轉(zhuǎn)換，這時電動機只需三根引出線和一個接至電源的三相開關(guān)。
4.一種利用一個諧波和一個基波聯(lián)合起動或調(diào)速的三相交流電動機定子繞組，其特征在于正常運行時為2P極的3Y或Y+3Y聯(lián)結(jié)繞組，這時對3Y聯(lián)結(jié)繞組，來自電網(wǎng)的三根饋電線分別與電機每相三條并聯(lián)支路中的一條支路固定地聯(lián)結(jié)在一起，而另外二條支路先聯(lián)結(jié)在一起再通過一個單相開關(guān)與前述的一條支路并聯(lián)，對Y+3Y聯(lián)結(jié)繞組，則三根饋電線分別串聯(lián)Y部分之后再按前述方法聯(lián)結(jié)3Y部分，于是三相的上述開關(guān)構(gòu)成一個三相開關(guān)，正常運行時該三相開關(guān)閉合，而起動或調(diào)速時將上述三相開關(guān)斷開，使得整個繞組變?yōu)閅+A聯(lián)結(jié)繞組，并同時產(chǎn)生2P極基波旋轉(zhuǎn)磁場和一個很強的2Q極諧波旋轉(zhuǎn)磁場，依靠這二個磁場來實現(xiàn)雙諧波起動或調(diào)速。
5.按照權(quán)利要求4所述起動或調(diào)速方法設(shè)計的定子繞組，其特征在于，用三個雙向晶閘管來代替該方法所述的為實現(xiàn)起動或調(diào)速工況與運行工況之間的轉(zhuǎn)換而設(shè)置的三相開關(guān)，從而省掉了一個三相開關(guān)，使電動機只需一個接至電源的三相開關(guān)。
6.按照權(quán)利要求5所述方法設(shè)計的定子繞組，其特征在于，所說的三個雙向晶閘管及其觸發(fā)電路皆裝于電動機的機座上或電動機旁邊的小配電板上，并且，利用延時繼電器或轉(zhuǎn)速反饋來控制其觸發(fā)電路，從而實現(xiàn)從起動到運行的自動轉(zhuǎn)換，這時電動機只需三根引出線，和一個接至電源的三相開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種雙諧波起動或調(diào)速的新方法及其定子繞組聯(lián)結(jié)。本發(fā)明的特點是起動或調(diào)速時不丟棄繞組或只丟棄較少的部分繞組，從而保證有較大的起動轉(zhuǎn)矩，其次是起動電流特別小，沒有超速危險，操作和控制方便，可以實現(xiàn)電機出線只有三根，若配置雙向晶閘管，則只需一個接至電源的開關(guān)，和常規(guī)電動機一樣簡單。
文檔編號H02P1/26GK1049941SQ8910690
公開日1991年3月13日 申請日期1989年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1989年9月1日
發(fā)明者許實章 申請人:華中理工大學(xué)