專利名稱：帶檢測繞組的素數(shù)相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機及其串級調(diào)速法的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種帶檢測繞組的素數(shù)相繞線轉(zhuǎn)子式異步電動機及其利用該電機實現(xiàn)無級串級調(diào)速的方法。
交流異步電動機，是現(xiàn)代生產(chǎn)生活中應用最廣泛的一種動力源。其之所以得到廣泛應用，是由于它比其它電機有很多顯著的優(yōu)點。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，常常要求電機能在不同的轉(zhuǎn)速下工作，而異步電動機的缺點恰恰是調(diào)速性能差和功率因數(shù)較低，所以對調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)機械，常改用直流電動機拖動。近年來，由于極幅調(diào)制原理的發(fā)展和大功率半導體元件的應用，異步電動機的調(diào)速方法有了很大發(fā)展，但一些問題至今仍未完全解決。
目前，異步電動機的調(diào)速方法主要有四類變極調(diào)速，變頻調(diào)速，改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，電磁離合器調(diào)速。其中改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速又有三種方法，其一是改變電源電壓，其二是(繞線式)轉(zhuǎn)子串電阻，其三是串級調(diào)速。變極調(diào)速是一種較簡單且經(jīng)濟的方法，既可以適用于恒轉(zhuǎn)矩負載又可以適用于恒功率負載，但不能實現(xiàn)平滑無級調(diào)速，一般只適用于鼠籠式異步機，且電機尺寸比同容量的普通電機稍大，出線頭較多，運行性能也稍差。變頻調(diào)速從調(diào)速范圍、平滑性和調(diào)速后電機的性能方面都較好，但必須有專門的變頻電源，設備較多投資大，不宜維護且對電網(wǎng)有一定的污染。改變電源電壓調(diào)速，不但使電機的機械性能變差，效率變低，而且調(diào)速范圍一般不大；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，損耗太大，電機效率與其速度成正比降低，并且在輕載時調(diào)速范圍很小，串電阻和改變電壓調(diào)速一般用于斷續(xù)工作方式。串級調(diào)速的調(diào)速性能、運行性能及效率等都較好，但要引入一個符合要求的電勢，現(xiàn)有的幾種技術(shù)方案都較復雜，設備也龐大；如，常用方案是轉(zhuǎn)子電路經(jīng)過整流，再由逆變器把直流變?yōu)榻涣?，通過變壓器把能量送回電網(wǎng)，或直接回饋到定子中的附加繞組(這需要一種叫做“內(nèi)反饋串級調(diào)速”的電動機)。電磁離合器調(diào)速，異步電機的轉(zhuǎn)軸通過電磁離合器與生產(chǎn)機械作“軟性”連接，往往還要增加速度負反饋環(huán)節(jié)，雖然調(diào)速性能和運行性能等較好，但設備較復雜，并且不適用于恒功率負載。
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種帶檢測繞組的素數(shù)相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，并提出利用該電動機實現(xiàn)無級串級調(diào)速的方法。在不需要復雜設備的情況下，不但維持了異步電動機的諸多優(yōu)點，而且調(diào)速性能好，功率因數(shù)高，能適用于多類負載。
本發(fā)明的實現(xiàn)根據(jù)下述原理電機原理認為，三相對稱交流電源接入異步電動機的三相定子繞組，便產(chǎn)生了具有同步轉(zhuǎn)速no的旋轉(zhuǎn)磁場，從而在定子和轉(zhuǎn)子繞組中感生電動勢，轉(zhuǎn)子回路在感生電動勢作用下形成電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿磁場旋轉(zhuǎn)方向以異步轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，把電能轉(zhuǎn)化為機械能。
無論轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速如何變化，定子電流所產(chǎn)生的磁勢F1與轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的磁勢F2相對于定子是以同樣的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電動機負載運行時，F(xiàn)1與F2的合成磁勢∑F總等于空載磁勢F0。定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的極數(shù)要相等，但相數(shù)可以相等或不相等。
設三相交流電源的電壓(有效值)為U1，頻率為f1，則定子繞組的感生電動勢E1和轉(zhuǎn)子繞組的感生電動勢E28的大小分別為 其中W1、W2——分別為定子、轉(zhuǎn)子繞組的每相串聯(lián)匝數(shù)；Kdp1、Kdp2——分別為定子、轉(zhuǎn)子繞組的繞組系數(shù)；Φ——每極的主磁通量；s＝(no-n)/no——轉(zhuǎn)差率；no＝60f1/p——同步轉(zhuǎn)速；n——異步電動機的轉(zhuǎn)速；p——極對數(shù)；根據(jù)異步電動機的電磁平衡關(guān)系，先把旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子折換成等值不動的轉(zhuǎn)子，再把轉(zhuǎn)子中的各物理量折算到定子方面去，最后把激磁支路移前，得到異步電動機的等值電路如

圖1所示。
異步電動機的電勢平衡及磁勢平衡的基本方程組為 其中r1、r2——分別為定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組的電阻值；xσ1＝2πf1·Lσ1——定子繞組的漏磁感抗；xσ2s＝2πsf1·Lσ2——轉(zhuǎn)子繞組的漏磁感抗；Lσ1、Lσ2——分別為定子、轉(zhuǎn)子繞組漏磁通對應的電感量；rm——反映鐵芯中損耗的等效電阻；xm——對應于主磁通Φ的激磁電抗；Z1＝r1+jxσ1——稱為定子繞組的阻抗；Z2＝r2+jxσ2s——稱為轉(zhuǎn)子繞組的阻抗；Zm＝rm+jxm——稱為激磁阻抗；Ks＝l+Z1/Zm——稱為激磁支路移前的修正系數(shù)；I2——流過轉(zhuǎn)子繞組的電流；I2′＝I2/Ki——轉(zhuǎn)子繞組折算后的電流；E2′＝KuE2——轉(zhuǎn)子繞組折算后的感應電勢；r2′＝K·r2——轉(zhuǎn)子折算后的電阻；xσ2′＝K·xσ2＝K·xσ2s/s——轉(zhuǎn)子折算后的漏磁感抗；Ki＝m1W1Kdp1/m2W2Kdp2——電流變比；Ku＝W1Kdp1/W2Kdp2——電壓變比；K＝Ki·Ku——電阻折算系數(shù)；m1、m2——分別為定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)；上述參數(shù)對于已制成的異步機均為定值，可通過實驗或計算的方法得到。
異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩M有兩種表達式其一，M＝CM1ΦI2′·cosφ2＝CM2ΦI2·cosφ2(3)CM1＝4.44 m1pW1Kdp1/2πCM2＝4.44m2pW2Kdp2/2πcosφ2為轉(zhuǎn)子繞組的功率因數(shù)，cosφ2=r2/r22+xσ2s2]]>=r2′/r2′2+(SXσ2′)2]]>其二，M≈m1pU12r2′/s2πf1·[(r1+r2′/s)2+(xσ1+xσ2′)2]----(4)]]>根據(jù)(4)式可以給出異步電動機的機械特性曲線(M-S曲線)，如圖2所示。在電動機狀態(tài)下，0＜s＜1。se為額定轉(zhuǎn)差率，一般在0.015～0.05；sm為最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率，一般在0.1～0.2；Me為額定轉(zhuǎn)矩；Mmax為最大轉(zhuǎn)矩；Mst為起動轉(zhuǎn)矩。由(4)式可以求得異步電動機的Mmax和smMmax=m1pU124πf1·[r1+r12+(xσ1+xσ2′)2]]]>(5)smr2′r12+(xσ1+xσ2′)2]]>國家標準規(guī)定，普通三相異步電動機的過載能力Km(＝Mmax/Me)為1.8～2.2，一般的鼠籠式異步機Mst/Me＝1.0～1.8。
所謂串級調(diào)速，就是在異步電動機的(繞線式)轉(zhuǎn)子回路中引入一個電動勢，以調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。引入電動勢的頻率與轉(zhuǎn)子感生電動勢相同，相位可與轉(zhuǎn)子感生電動勢同相或反相；反相時，轉(zhuǎn)子電流減少(根據(jù)(3)式)，轉(zhuǎn)矩減小，(由(4)式可見)轉(zhuǎn)速降低；同相時則反之。
在上述原理的基礎上，可以發(fā)展完善現(xiàn)有的串級調(diào)速理論。
若在轉(zhuǎn)子回路中引入一個與轉(zhuǎn)子感生電動勢頻率相同的“反饋電動勢”Ef，其內(nèi)阻抗為Zf。根據(jù)基本方程組(2)中的第二式，轉(zhuǎn)子電流變?yōu)镮2Σ=E2s+Ef(r2+jxσ2s)+Zf=E2s+EfZ2+Zf----(6)]]>如果轉(zhuǎn)子電流I2∑與轉(zhuǎn)子感生電動勢E2s同相，那么轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)就提高到1，并且I2∑的大小變化，電動機的轉(zhuǎn)速也隨之變化。這樣，通過調(diào)節(jié)所引入的“反饋電動勢”Ef的幅值和相位，既可以調(diào)速，又可以提高轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)。
轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)既已提高到1，則由圖1所示的等值電路可見，只需在電源電壓U1的輸入端并聯(lián)一個電容器Cm，使Cm與移前的等效激磁支路(Zm+Z1)，在電源頻率f1處于并聯(lián)諧振狀態(tài)，就可以使異步電動機總的功率因數(shù)提高到1。因為對于已制造成的異步機，(Zm+Z1)為定值，所以并聯(lián)的電容Cm也為定值，不必隨轉(zhuǎn)速而變化，使得電路簡單。
引入“反饋電動勢”Ef(及其內(nèi)阻抗Zf)后，轉(zhuǎn)子電流I2∑減小并且與轉(zhuǎn)子感生電動勢E2s同相，這等效于轉(zhuǎn)子的漏磁感抗xσ2s被抵消為0，而轉(zhuǎn)子電阻r2又疊加上一個電阻值(該電阻值實際上并不消耗有功功率)，由(5)式可見，異步電動機的最大轉(zhuǎn)矩Mmax和所對應的轉(zhuǎn)差率sm都增大，所以降低轉(zhuǎn)速的同時，還可以提高其過載能力。
引入“反饋電動勢”Ef后，若使轉(zhuǎn)子電流I2∑與轉(zhuǎn)子感生電動勢E2s同相，則根據(jù)(3)式，異步機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩M所需的轉(zhuǎn)子電流I2∑大小為I2Σ=MCM2·Φ----(7)]]>聯(lián)立(6)、(7)式求得Ef=M·(Z2+Zf)CM2·Φ-sE2----(8)]]>從而，根據(jù)電動機所需輸出的轉(zhuǎn)矩M和轉(zhuǎn)差率s，可由(8)式求出所需引入的“反饋電動勢”Ef的幅值和相位。
如何在轉(zhuǎn)子回路中引入所需的“反饋電動勢”Ef呢？下面提出一種優(yōu)秀的技術(shù)方案。
如圖3所示，m2相(m2為素數(shù))轉(zhuǎn)子電路經(jīng)過全波整流，得到開路時的脈動直流電壓E2d。，由波形可見E2d具有周期性，頻率為2 m2f2。根據(jù)整流理論，ωt在區(qū)間[-π/2m2，π/2m2]內(nèi)，E2d的表達式為E2d=22cos((m2-1)π/2m2)·E2s·cosωt----(9)]]>其中，ω＝2m2ω2，ω2＝2πf2根據(jù)戴維南等效定理，圖3的電路可以等效成一個電壓源，如圖4所示。該電壓源的電動勢為E2d，等效內(nèi)阻抗為Zs，當異步機轉(zhuǎn)子m2相繞組對稱時，
Zs＝rs+jωLs＝(r2+jωLσ2)/m2(10)由于E2d的脈動幅值、頻率和相位，反映著轉(zhuǎn)子感生電動勢E2s幅值、頻率和相位，因此，只要引入一個脈動的“反饋電動勢”Efd(及其內(nèi)阻抗Zfd)，其脈動頻率和相位使得整流輸出的脈動直流電流I2∑d與E2d同相，也就保證了轉(zhuǎn)子電流I2∑與轉(zhuǎn)子感生電動勢E2s同相；調(diào)節(jié)Efd的幅值，則調(diào)節(jié)了異步機的轉(zhuǎn)速。
將E2d寫成傅里葉級數(shù)的形式為E2d=E2do·[1-Σk=1∞2coskπ(2m2k)2-1·cos(2m2kω2t)]----(11)]]>其中，E2do=22E2s·(m2/π)·sin(π/m2)(m2≥2)]]>E2do為E2d的平均值即直流分量。不同的相數(shù)m2時，E2d的直流分量E2do、電壓紋波系數(shù)γu、電壓脈動系數(shù)Su列表如下
若在圖3電路的輸出端接入“T”形LCL低通濾波器和高速大功率電子開關(guān)SW，如圖5所示。設點0對地的電壓為E0，電感器L1、L2和電容器C1、C2的阻抗分別為ZL1、ZL2、ZC1、ZC2。
(12)ZL1＝rL1+jωL1；ZL2＝rL2+jωL2ZC1＝1/jωC1； ZC2＝1/jωC22其中，rL1、rL2分別為電感器L1、L2的線圈電阻值。則當開關(guān)SW接通時，E0＝0；當開關(guān)SW斷開時，E0=ZC1//(ZC2+ZL2)Zs+ZL1+ZC1//(ZC2+ZL2)·ZC2ZC2+ZL2·E2d=E2dG---(13)]]>G=1+Zs+ZL1+ZL2ZC2+Zs+ZL1ZC1+(Zs+ZL1)ZL2ZC1ZC2]]>其中，“∥”為并聯(lián)運算符。根據(jù)網(wǎng)絡理論的置換定理，隨著開關(guān)SW的通斷，圖5虛線框2中的部分，可用一個理想電壓源(內(nèi)阻抗為0的電動勢)來置換，該電壓源的電壓為 將E2d的表達式(11)代入(14)式，利用疊加定理即可求得E0。
E0經(jīng)過L2、C1、L1構(gòu)成的低通濾波器后，給轉(zhuǎn)子整流電路引入一個等效的脈動“反饋電動勢”Efd，根據(jù)等效電源定理，其內(nèi)阻抗Zfd＝ZL1+ZL2∥ZC1。Efd瞬時值受開關(guān)SW通斷的瞬時占空比來控制，開關(guān)SW的觸發(fā)脈沖，可采用改變脈寬式或改變頻率式，脈沖頻率可在幾千Hz～幾十千Hz范圍內(nèi)選擇和變化。觸發(fā)脈沖瞬時占空比變化的角頻率應為(2m2ω2)，它決定了Efd的脈動頻率與E2d相同；觸發(fā)脈沖瞬時占空比的大小和相位決定了Efd的幅值和相位。因此，按一定的反饋控制規(guī)律，實時控制觸發(fā)脈沖的瞬時占空比變化的頻率、相位和大小，既可以使轉(zhuǎn)子電流I2∑與轉(zhuǎn)子感生電動勢E2s同相，又能實時改變I2∑的大小。事實上，與E2d同相的轉(zhuǎn)子脈動直流電流I2∑d可以按下式積分求得I2Σd(t)=fr·[∫tt+τE2dZs+ZL1+ZC1//ZL2dt+∫t+τt+TE2dZs+ZL1+ZC1//(ZL2+ZC2)dt]--(15)]]>其中，fT為開關(guān)SW的通斷頻率，τ為開關(guān)SW接通的時間。下面將I2∑d進行離散化。令{ZD=Zs+ZL1+ZC1//(ZL2+ZC2)=rD+jXDZT=Zs+ZL1+ZC1//ZL2=rT+jXT]]>則I2Σd(kT)=fT·[∫kTkT+τE2dZTdt+∫kT+τ(k+1)TE2dZDdt]]]>k＝0，1，2，……取E2d≈E2do+E2d1E2d1=24m22-1·cos(2m2ω2t);]]> A1=2(4m22-1)·|ZT|;A2=2(4m22-1)·|ZD|]]> ≈E2do·τ(rs+rL1+rL2)·T----(16)]]>+τ·A1·cos(2m2ω2kT-T)+(T-τ)·A2·cos(2m2ω2(k+1)T-D)圖5電路中的元器件可按下列條件選擇。設低通濾波器的截止頻率為fC。首先要求fC＜＜fTfc=12πL1·C1′=12πL2·C1′′;]]>C1+C1＝C1°取fT=12πL2·C2]]>則元器件選擇的相互關(guān)系為C1=L1+L2(2πfc)2·L1·L2;fc<<fT=12πL2·C2----(17)]]>電容C2主要用以防止開關(guān)斷開時的高壓沖擊，所以容量值不宜過大；D為阻尼二極管，以防止開關(guān)接通時，反向電流流過SW。
根據(jù)上述原理，一種帶檢測繞組的素數(shù)相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機由定子和轉(zhuǎn)子兩個基本部分組成；定子由機座、定子鐵芯、定子繞組三部分構(gòu)成，定子繞組為三相或單相；轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組三部分構(gòu)成。其特征是轉(zhuǎn)子繞組有一套對稱的主繞組和一個檢測繞組，主繞組為素數(shù)(m2)相——具體采用三相或五相或二相，以星形連接(對于三相異步電動機最好采用三相或五相，對于單相異步電動機最好采用二相或三相)；檢測繞組為一相，其線徑較細匝數(shù)較少，與主繞組中的任一相分布在同一個相帶內(nèi)，檢測繞組與在同一相帶內(nèi)的那一相主繞組的感生電動勢相位相同。主繞組和檢測繞組分別通過轉(zhuǎn)軸上的集電環(huán)及電刷引出接線端，檢測繞組的兩端可以各自獨立引出，如圖6(a)所示，或者一端與在同一相帶內(nèi)的那一相主繞組的一端接在一起共同引出，而另一端單獨引出，如圖6(b)所示。
利用該異步電動機，提出實現(xiàn)無級串級調(diào)速的方法，如圖7所示。在該異步電動機定子繞組的每兩相間并聯(lián)補償電容器Cm，以提高定子的功率因數(shù)(理論上可以到1)。轉(zhuǎn)子的m2相主繞組經(jīng)過m2相不控全波整流后，得到脈動直流電壓E2d，接入“T”形LCL低通濾波器和高速大功率電子開關(guān)SW形成回路。高速大功率電子開關(guān)SW可以是單個也可以多個并聯(lián)使用，其控制端G由以單片機為核心的檢測控制電路發(fā)出觸發(fā)脈沖來控制，使開關(guān)SW處于高頻通斷狀態(tài)；LCL低通濾波器中的電感L采用高頻鐵氧體磁芯，由于LCL低通濾波器的濾波作用，轉(zhuǎn)子主繞組的感生電流平滑而連續(xù)。觸發(fā)脈沖瞬時占空比的大小及其變化的頻率和相位，由檢測控制電路的核心單片機根據(jù)檢測信號和外部S端輸入的控制信號來調(diào)節(jié)。檢測信號一路是從轉(zhuǎn)子檢測繞組取出的電壓信號u，該信號反映著轉(zhuǎn)子主繞組感生電動勢的頻率和相位(且過零值對應著E2d的最大值)，并可進一步由單片機計算出轉(zhuǎn)差率s、轉(zhuǎn)速n；轉(zhuǎn)速n也可以由電磁傳感器或霍爾傳感器直接從電動機的轉(zhuǎn)軸上檢測得到。檢測信號另一路是由電流互感器接入轉(zhuǎn)子主繞組的任一相而取得的電流信號i，該信號反映著轉(zhuǎn)子主繞組感生電流的頻率、相位和幅值(頻率可以由單片機采用測周期法測量)。根據(jù)所檢測到的轉(zhuǎn)子主繞組感生電動勢和感生電流的頻率和相位，調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖瞬時占空比變化的頻率和相位，控制轉(zhuǎn)子主繞組感生電動勢和感生電流同相，從而將轉(zhuǎn)子功率因數(shù)提高到1，并提高了電動機的過載能力Km；根據(jù)輸入的所需轉(zhuǎn)速(求得轉(zhuǎn)差率s)，聯(lián)立(3)式和(4)式可以算出所需的電動機轉(zhuǎn)子主繞組的感生電流，再依據(jù)(16)式調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖瞬時占空比的大小，并利用算得(或直接檢測)的實際轉(zhuǎn)速n作為負反饋信號，控制電動機快速準確地達到所需的轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定下來，從而實現(xiàn)了平滑的無級串級調(diào)速。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有下列優(yōu)越性1、原理科學、技術(shù)先進，繼承了傳統(tǒng)串級調(diào)速的優(yōu)點，即調(diào)速性能、運行性能及效率等都較好。并且，由于采用了實時控制的高頻開關(guān)方案，使得濾波器中的電感采用高頻鐵氧體磁芯，電機定子回路的補償電容采用固定值，所以控制設備和補償裝置體積小重量輕，并且減少了對電網(wǎng)的污染；控制電路以單片機為核心，控制過程的快速性、準確性和穩(wěn)定性都很好。
2、可以實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速。降低轉(zhuǎn)速的同時，還可以提高異步機的過載能力，從而能夠適用于恒功率、恒轉(zhuǎn)矩、風機型等多類負載。
3、調(diào)速的同時可以將轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)提高到1。這樣只需采用固定值的電容器就可以將定子的功率因數(shù)補償?shù)?，從而方便地提高異步機總的功率因數(shù)(理論上可以到1)。
4、該發(fā)明的異步電動機只是增加了一個檢測繞組，結(jié)構(gòu)簡單，體積無增，保持了普通交流異步機的全部優(yōu)點，還完全可以作為普通異步機使用。
下面結(jié)合附圖以最佳實施例詳述本發(fā)明。
圖1為異步電動機的等值電路；圖2為異步電動機的機械特性曲線；圖3為異步機m2相(繞線)轉(zhuǎn)子全波整流電路及整流輸出電壓波形；圖4為與圖3電路等效的電壓源；圖5為本發(fā)明的串級調(diào)速原理簡圖；圖6為本發(fā)明的異步電動機轉(zhuǎn)子繞組電路圖；圖7為本發(fā)明的技術(shù)方案原理圖。
如圖6所示，一種帶檢測繞組的素數(shù)相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，由定子和轉(zhuǎn)子兩個基本部分組成，定子繞組采用三相。其特征是轉(zhuǎn)子繞組有一套對稱的主繞組和一個檢測繞組，主繞組(a、b、c)為三相以星形連接；檢測繞組(f)為一相，其線徑較細匝數(shù)較少，與主繞組中的c相分布在同一個相帶內(nèi)，以保證檢測繞組(f)與c相主繞組的感生電動勢頻率和相位相同。主繞組(a、b、c)通過轉(zhuǎn)軸上的集電環(huán)及電刷引出接線端A、B、C；檢測繞組(f)的兩端可以各自獨立引出接線端E、F，如圖6(a)所示，或者一端與c相主繞組的一端連接在一起共同以接線端C引出，而另一端單獨引出接線端F，如圖6(b)所示。
如圖7所示，利用本發(fā)明的帶檢測繞組的素數(shù)相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，提出實現(xiàn)無級串級調(diào)速的方法。在該異步電動機定子繞組的每兩相之間并聯(lián)電容器Cm，可以補償定子的功率因數(shù)到1。轉(zhuǎn)子的三相主繞組(a、b、c)經(jīng)過三相不控全波整流電路整流后，得到如圖3所示的脈動直流電壓E2d，接入由L1、C1、L2組成的“T”形低通濾波器和高速開關(guān)型大功率場效應管SW形成回路。高速開關(guān)型大功率場效應管SW最好是多個并聯(lián)使用，其控制端G由以單片機為核心的檢測控制電路發(fā)出觸發(fā)脈沖來控制，使SW處于高頻通斷狀態(tài)；低通濾波器中的電感L1、L2采用高頻鐵氧體磁芯，由于低通濾波器的濾波作用，轉(zhuǎn)子主繞組(a、b、c)的感生電流平滑而連續(xù)。觸發(fā)脈沖瞬時占空比的大小及其變化的頻率和相位，由檢測控制電路的核心單片機根據(jù)檢測信號和外部S端輸入的控制信號來調(diào)節(jié)。檢測信號一路是從轉(zhuǎn)子檢測繞組(f)取出的電壓信號u，該信號反映著轉(zhuǎn)子主繞組(a、b、c)感生電動勢的頻率和相位(且過零值對應著E2d的最大值)，并可進一步由單片機計算出轉(zhuǎn)差率s(＝f2/f1)、轉(zhuǎn)速n(＝60(f1-f2)/p)；檢測信號另一路是由電流互感器接入轉(zhuǎn)子c相主繞組而取得的電流信號i，該信號反映著轉(zhuǎn)子主繞組(a、b、c)感生電流的頻率、相位和幅值(其頻率由單片機的定時/計數(shù)器采用測周期法測量，設在信號i一個周期內(nèi)計數(shù)值為N，時鐘脈沖的頻率為fs，則轉(zhuǎn)子主繞組感生電流的頻率f2＝fs/N)。根據(jù)所檢測到的電壓信號u和電流信號i(它們反映著轉(zhuǎn)子主繞組感生電動勢和感生電流的頻率和相位)，調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖瞬時占空比變化的頻率和相位，控制轉(zhuǎn)子主繞組(a、b、c)感生電動勢和感生電流同相，從而將轉(zhuǎn)子功率因數(shù)提高到1，并提高了電動機的過載能力Km；根據(jù)S端輸入的所需運轉(zhuǎn)速度(求得轉(zhuǎn)差率s)，聯(lián)立(3)式和(4)式可以算出所需的電動機轉(zhuǎn)子主繞組(a、b、c)的感生電流，再依據(jù)(16)式調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖瞬時占空比的大小，并利用算得的實際轉(zhuǎn)速n作為負反饋信號，控制電動機快速準確地達到所需的轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定下來，從而實現(xiàn)了平滑的無級串級調(diào)速。設開關(guān)SW的通斷頻率為fT，低通濾波器的截止頻率為fC，則元器件選擇的相互關(guān)系為C1=L1+L2(2πfc)2·L1·L2;fc<<fT=12πL2·C2]]>電容C2主要用以防止開關(guān)斷開時的高壓沖擊，所以容量值不宜過大；另外，D為阻尼二極管，以防止開關(guān)接通時，反向電流流過SW。
權(quán)利要求
1.一種帶檢測繞組的素數(shù)相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，由定子和轉(zhuǎn)子兩個基本部分組成，定子由機座、定子鐵芯、定子繞組三部分構(gòu)成，定子繞組為三相或單相，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組三部分構(gòu)成；其特征是轉(zhuǎn)子繞組有一套對稱的主繞組和一個檢測繞組，主繞組為素數(shù)相——具體采用三相或五相或二相，以星形連接(對于三相異步電動機最好采用三相或五相，對于單相異步電動機最好采用二相或三相)；檢測繞組為一相，其線徑較細匝數(shù)較少，與主繞組中的任一相分布在同一個相帶內(nèi)；主繞組和檢測繞組分別通過轉(zhuǎn)軸上的集電環(huán)及電刷引出接線端，檢測繞組的兩端可以各自獨立引出，或者一端與在同一相帶內(nèi)的那一相主繞組的一端連接在一起共同引出，而另一端單獨引出。
2.利用權(quán)利要求1所述的一種帶檢測繞組的素數(shù)相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，提出實現(xiàn)無級串級調(diào)速的方法，首先在定子繞組的每兩相之間并聯(lián)固定值的功率因數(shù)補償電容器Cm；其特征是該異步電動機轉(zhuǎn)子的主繞組經(jīng)過不控全波整流電路整流后，接入“T”形LCL低通濾波器和高速大功率電子開關(guān)形成回路；LCL低通濾波器中的電感L采用高頻鐵氧體磁芯；高速大功率電子開關(guān)可以是單個也可以多個并聯(lián)使用，其控制端由以單片機為核心的檢測控制電路發(fā)出觸發(fā)脈沖來控制，使高速大功率電子開關(guān)處于高頻通斷狀態(tài)；觸發(fā)脈沖瞬時占空比變化的大小及其頻率和相位，由檢測控制電路的核心單片機根據(jù)檢測信號和外部輸入的控制信號來調(diào)節(jié)；檢測信號一路是電壓信號u，從轉(zhuǎn)子的檢測繞組取出，該信號反映著轉(zhuǎn)子主繞組感生電動勢的頻率和相位，并可進一步由單片機計算出轉(zhuǎn)差率s、轉(zhuǎn)速n(轉(zhuǎn)速n也可以由電磁傳感器或霍爾傳感器直接從電動機的轉(zhuǎn)軸上檢測得到)；檢測信號另一路是電流信號i，由電流互感器接入轉(zhuǎn)子主繞組的任一相而取得，該信號反映著轉(zhuǎn)子主繞組感生電流的頻率、相位和幅值；根據(jù)所檢測到的電壓信號u、電流信號i所反映的轉(zhuǎn)子主繞組感生電動勢、感生電流的頻率和相位，調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖瞬時占空比變化的頻率和相位，控制轉(zhuǎn)子主繞組感生電動勢和感生電流同相；根據(jù)外部輸入的所需運轉(zhuǎn)速度(求得轉(zhuǎn)差率s)，計算出所需的電動機轉(zhuǎn)子主繞組的感生電流，調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖瞬時占空比的大小，并利用算得(或直接檢測)的實際轉(zhuǎn)速n作為負反饋信號，控制電動機快速準確地達到所需的轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定下來，從而實現(xiàn)了平滑的無級串級調(diào)速。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶檢測繞組的素數(shù)相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機及其串級調(diào)速法。該異步機的轉(zhuǎn)子有一個檢測繞組和素數(shù)相主繞組。轉(zhuǎn)子主繞組由全波整流器、LCL低通濾波器和電子開關(guān)形成回路;根據(jù)從檢測繞組和主繞組檢測的信號,控制電子開關(guān)高頻通斷占空比的大小及其變化的頻率和相位,實現(xiàn)無級調(diào)速,同時提高過載能力和轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。本發(fā)明繼承了普通異步機和傳統(tǒng)串級調(diào)速的優(yōu)點,且控制和補償設備簡單,電網(wǎng)污染小,能適用于多類負載。
文檔編號H02K3/28GK1354545SQ00133348
公開日2002年6月19日 申請日期2000年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月17日
發(fā)明者張朝輝, 韓平 申請人:張朝輝