專利名稱：滾動調速電動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明滾動調速電動機涉及一種基于滾動調速原理的調速電動機。
現(xiàn)有的智能電動機雖然也是基于滾動調速原理，但是其專利主要偏重于滾動調速原理的闡述，還沒有找到合適的實現(xiàn)方法，而且其中智能三相電動機在滾動調速時的位移角為120°，智能單相電動機和智能直流電動機的位移角為90°，它們的位移角都較大，需要進一步細化，但是并沒有給出細化的辦法；使用的電子開關數(shù)量也較多?？傊€不能實用。
本發(fā)明的任務是要提供一種滾動調速電動機，它利用了目前技術上已經(jīng)很成熟的三相電動機作為組成部分，并能將滾動操作的位移角細化到60°，而且保證滾動操作中電動機定子繞組的合成磁動勢矢量的幅值始終不變，以形成圓形旋轉磁場，來保證調速電動機有較好的技術指標；使用開關量控制等較簡單的控制手段、使用較少的電子開關來完成將各種電網(wǎng)的電源通過連續(xù)不斷地滾動地切換操作接通到電動機的定子繞組上以達到調速和改變電動機運行特性、降低對電網(wǎng)的污染的目的。
滾動調速電動機包括普及型(完全使用半控器件)與快速型(使用了全控器件)兩類，已經(jīng)初步形成的品種系列設計有
本發(fā)明的任務是這樣完成的所有的滾動調速電動機都由電動機、控制裝置和電子開關組成。
一.單相滾動調速電動機如

圖1所示的由參數(shù)完全相同的三個定子繞組構成Y形接線的單相滾動調速電動機的電氣接線。這樣在執(zhí)行滾動操作時可以使單相交流電源產(chǎn)生的脈動磁場旋轉起來從而形成旋轉磁場。而這種旋轉磁場可以分別適用于異步和同步運行。
它們在執(zhí)行“滾動”操作時的程序步驟為1.繞組AO+(OB/OC)接通于電源L-N極；假設此時磁動勢矢量原位位置為φ＝0°；2.繞組(AO/B0)+0C接通于電源L-N極；此時磁動勢矢量位置為φ＝60°；3.繞組BO+(OA/OC)接通于電源L-N極；此時磁動勢矢量位置為φ＝120°；4.繞組(BO/CO)+OA接通于電源L-N極；此時磁動勢矢量位置為φ＝180°；5.繞組CO+(OA/OB)接通于電源L-N極；此時磁動勢矢量位置為φ＝240°；6.繞組(CO/AO)+OB接通于電源L-N極；此時磁動勢矢量位置為φ＝300°；7.繞組AO+(OB/OC)接通于電源L-N極；此時磁動勢矢量位置為φ＝360°，回到原位；8.重復第2步9.重復第3步…………其中AO表示繞組通電的方向是A端連向單相交流電源L極，O端連向單相交流電源N極；OA表示繞組通電的方向是O端連向單相交流電源L極，A端連向單相交流電源N極；“+”表示前后兩個繞組元件串聯(lián)；“/”表示前后兩個繞組元件并聯(lián)；
磁動勢矢量位置φ為從原位順時針移動的角度。如果反時針移動，則φ帶負號。
上述各程序步的合成磁動勢矢量都與其表達式中的串聯(lián)繞組元件的磁動勢矢量同方向。由此可見程序步每次順序交換都會造成各程序步的合成磁動勢矢量順序“滾動”移動，每次移動的位移角ψ＝60°。當執(zhí)行上述各程序步能使“滾動”移動的方向與電動機轉向相同時，“滾動”移動將使電動機升速；當反向執(zhí)行上述各程序步(例如從7→6→5→4→3→……)使“滾動”移動的方向與電動機轉向相反時，“滾動”移動可使電動機降速。
因為三個繞組在空間互差120°，而因為并聯(lián)電路的分流的作用使每個并聯(lián)繞組元件中流過的電流只有串聯(lián)繞組元件中的一半，設電源“滾動”后每個流過規(guī)定的電流的繞組產(chǎn)生的磁動勢矢量的幅值皆為L，故步驟1中繞組元件AO產(chǎn)生的磁動勢矢量幅值為L，而并聯(lián)繞組元件OB/OC產(chǎn)生的合成磁動勢矢量幅值為O.5L，元件AO產(chǎn)生的磁動勢矢量的方向與并聯(lián)繞組元件OB/OC產(chǎn)生的合成磁動勢矢量方向相同，因此AO+(OB/OC)產(chǎn)生的合成磁動勢矢量的幅值為1.5L。
由于每個程序步都是由一個串聯(lián)繞組元件和一個并聯(lián)繞組元件相串聯(lián)組成，由此可見執(zhí)行上述程序時每步產(chǎn)生的實際磁動勢矢量軸線移動60°，即“滾動”位移角ψ＝60°，而各步所產(chǎn)生的磁動勢的幅值都是1.5L，在“滾動”調速的過程中磁動勢將是均勻不變的。也就是說，滾動調速可以產(chǎn)生圓形旋轉磁場；而對于用電容器運行的單相電動機來說，由于很難實現(xiàn)兩相磁場矢量分量的夾角和幅值完全符合規(guī)定，所以它只能產(chǎn)生橢圓形旋轉磁場，因此其技術性能必然受到影響而有所降低。可見，滾動調速可以產(chǎn)生圓形旋轉磁場，是一個重大的性能改進。
由于單相交流電源被“滾動”地輸入電動機繞組，它所形成的旋轉磁場的實際轉速將為n+Δn，其中n為由輸入的單相交流電源的參數(shù)所決定的旋轉磁場基本轉速分量，旋轉磁場的附加“滾動”轉速分量Δn＝ψ×fψ/360°是由于執(zhí)行了“滾動”操作而形成的分量，而式中fψ表示“滾動”位移角ψ發(fā)生的頻率。因為ψ和fψ都是可由控制裝置加以控制的變量，故智能交流單相電動機可以準確調速和改變其運行特性。
由于在上述調速過程中并不改變電動機的結構特征，因此在滾動調速過程中電動機機械特性的斜率沒有改變；但是，由于滾動操作中基本轉速n與滾動轉速Δn的合成改變了旋轉磁場的轉速，也就改變了機械特性與轉速縱軸的交點，改變了理想空載轉速n0，使機械特性產(chǎn)生了沿縱軸的上下平行移動。因為受到電動機散熱條件的限制，在額定轉速以上的是恒功率調節(jié)，在額定轉速以下的可以是恒轉矩調節(jié)。而且，由于滾動調速是依靠改變位移角ψ發(fā)生的頻率fψ來實現(xiàn)調速的，而調速時頻率fψ可以按照自然數(shù)逐級調節(jié)，其改變可以很小，因此滾動調速可以基本上實現(xiàn)無級調速。并且只要穩(wěn)定頻率fψ就可以實現(xiàn)穩(wěn)速。
當將上述程序步的順序反過來執(zhí)行即可實現(xiàn)反向滾動。
從上述操作過程還可見，相鄰的兩個調速開關例如K1K2的斷-通間隔很短，為了保證在使用雙向可控硅作為調速開關時相鄰的兩個調速開關其斷-通切換不會產(chǎn)生相間短路，因此K1K2的斷-通間隔時間應≥電源的半個周期(10ms)；如果斷-通間隔時間取10ms，程序步的時間取6.7ms，則“滾動”轉速最高極限為1500轉/分。如果要進一步提高滾動轉速，則要引入全控器件構成的加速開關。
單相滾動調速電動機還有一個特殊的運行狀態(tài)即在電動機利用滾動調速方法啟動到一定轉速以后，只要電磁力矩已經(jīng)大于靜阻力矩而可以產(chǎn)生動態(tài)加速力矩，就可以停止?jié)L動操作而保持電源的固定接通，則電動機將在單相脈振磁場中在加速力矩的驅動下繼續(xù)加速直到達到電動力矩與負載力矩相平衡，實現(xiàn)在與其電源相對應的自然特性的某點穩(wěn)定運行。在此狀態(tài)下，調速開關不執(zhí)行滾動操作，而只由三個調速開關持續(xù)接通。由于開關停止切換，因此它對應著調速開關最輕松的工作條件。對于許多需要調速的生產(chǎn)機械來說，正常狀態(tài)往往是不調速的，調速只是在出現(xiàn)了不常情況時短時發(fā)生的，例如調節(jié)泵等等。在這樣性質的負載下使用單相滾動調速電動機可以使其調速開關獲得最輕松的工作條件，并且還消除了對電網(wǎng)和環(huán)境的污染。
對于屬于上述情況的生產(chǎn)機械，由于正常工作中可以停止?jié)L動操作從而避免電子開關的通斷損耗造成的發(fā)熱和對電網(wǎng)的污染，而且正常工作方式是經(jīng)常發(fā)生的，因此使用單相滾動調速電動機時它的調速開關比變頻器的工作條件將得到明顯地改善。
這甚至意味著對于無須調速的許多生產(chǎn)機械，也可以從單相滾動調速電動機的此一特征中得到好處因為使用滾動操作實現(xiàn)軟啟動時不僅可以得到降低機械沖擊、延長機械的使用壽命、降低啟動電流對電網(wǎng)的沖擊和污染的效益，而且正常工作時可以使用滾動調速電動機的長期接通的工作方式，它與一般電動機的性質完全相同。這將為單相滾動調速電動機贏得廣大的市場。
因為當單相電源電壓為220V時的調速電動機定子相繞組承受的最高電壓只有146V，這樣的電動機需要重新設計。如果想避免重新設計電動機，可以把現(xiàn)有定子繞組Y形接線的三相電動機拆開中心點后，改接成Δ形接線的三相電動機，則符合直接在220V單相電源中正常運行的條件，故可按照圖2接線利用220V的單相電源實行滾動調速。當然，對于定子繞組額定電壓為380V的Δ形接線的電動機，可以按照圖2直接在380V的單相電壓下進行滾動調速。
而且，由于定子繞組為Δ形接線，在調速開關通斷操作時定子繞組始終存在閉合的放電回路，因此調速開關的操作不會引起明顯的過電壓、過電流。圖2這種定子繞組為Δ形接線的單相滾動調速電動機在抗電磁污染和降低電子開關的開關損耗上將有更好的性能指標。
單相滾動調速電動機本身即可以獲得可以調節(jié)制動強度的制動狀態(tài)，而無須外加專門的制動裝置。方法就是停止?jié)L動操作和逆變操作并使雙向可控硅僅能導通單方向電流，也就是使單相電流只有半波能夠流通而產(chǎn)生直流磁場；在此強度可調的直流磁場的作用下，智能單相電動機的轉子將產(chǎn)生強度可控的制動力矩，這種制動作用的強度將與制動時電動機的轉速的高低成正比，而使電動機很快制動。而且，這個直流磁場的強度是可以調節(jié)的，方法就是控制半波電流的導通角，或者控制導通的半波的密度?？梢?，利用此制動力矩還可以防止智能單相電動機發(fā)生“自轉”，即實現(xiàn)交流伺服電動機的控制和輸出轉速、轉角(行程)的功能。
二.直流滾動調速電動機直流滾動調速電動機(圖3)是直接從單相滾動調速電動機推廣而得。它們在硬件結構上基本沒有區(qū)別，只要將電子開關選擇為適合于直流操作的全控器件如IGBT即可；當然，軟件上要增加將直流逆變成交流的軟件(例如PWM模塊)。它同樣能使用滾動操作進行調速。
與單相滾動調速電動機一樣，直流滾動調速電動機定子繞組也有Y形接線和Δ形接線兩種形式。定子繞組Δ形接線的直流滾動調速電動機的原理圖與圖2相似，而其性能與圖3電動機相似。為了改善電子開關的工作條件，直流滾動調速電動機還可以采用圖12的原理圖，此時全控器件移到電動機中心點，而電動機定子繞組引出端處由雙向可控硅的調速開關負責在全控器件切斷負載的情況下?lián)Q接定子繞組的接線。由于采用了這種接線圖，滾動調速時的諧波污染也將降低。
三.三相滾動調速電動機三相滾動調速電動機(圖4、圖5、圖7、圖8)也是直接從單相滾動調速電動機推廣而得。如圖4所示，在三相電網(wǎng)中它在進行滾動調速時要先將開關K7斷開，在除去三相電源中的一相后，再按照滾動操作規(guī)律將K1～K6有選擇地接通，使電動機在所剩下的單相電源(線電壓)之下按照單相滾動調速電動機的方式進行滾動調速操作。
當不需要滾動調速操作時，可以將調速開關K5K6斷開，將K7接通，而K1～K4適當?shù)赜羞x擇地接通，則三相滾動調速電動機將可按照普通三相電動機同樣地實現(xiàn)正向或反向的正常運行。由于這種正常運行的狀態(tài)，是在對稱的三相電源加到對稱的三相定子繞組上，形成的三相定子磁場完全對稱的情況下運行的。而在作單相滾動調速運行時的三個定子繞組所承受的電壓不同，是單相電壓在三個定子繞組上的不平等分壓，因此產(chǎn)生的定子磁場是不完全對稱的。當然，在完全對稱的定子磁場中運行才會有更高的效率。圖5有與圖4相同的性能。
圖7也是利用單相滾動調速原理進行調速的三相滾動調速電動機，它與圖4不同之處是圖4的電動機只能按照由接線決定的單相方式在由線路圖決定的單相電源中進行滾動調速，而圖7的電動機可以由程序選定和改變與單相(線)電源的接線，故可在任意選定的單相(線)電源中進行滾動調速，因此圖7的電動機可以達到調節(jié)三相電網(wǎng)負載以達到三相平衡的目的。
圖8也是利用單相滾動調速原理進行調速的三相滾動調速電動機，它與圖7的不同僅僅是它的定子繞組是Δ形接線而已，它有與圖7相似的性能。
對于圖6所示的由定子繞組為雙Y形接線的三相滾動調速電動機，它的12個調速開關分成四組，每組三個調速開關同時動作以完成將一組Y形繞組進行切換的程序步的操作，這是它獨具的重要特征。它的連接方式是調速開關K1K5K9接通時使第一組Y形繞組按照原位接通三相電源；調速開關K2K6K10接通時使第一組Y形繞組接通從原位按照正序方向旋轉120°后的正序三相電源；調速開關K3K7K11接通時使第二組Y形繞組按照原位接通三相電源；調速開關K4K8K12接通時使第二組Y形繞組接通從原位按照正序方向旋轉240°后的正序三相電源。
同一組繞組在換接三相電源時一定要注意保證有足夠的間隔時間以避免發(fā)生電源短路。
在不需調速時，只須選擇其中一組(或兩組)Y形繞組按照正序接通三相電源，電動機即可按照正向旋轉的基本轉速而正常運行，而只有當同時將K1K5K9和K3K7K11接通時可以獲得最大(為其它接通方式的兩倍)的電磁力矩，但是為了避免力矩的波動，調速操作過程中應該避免同時將K1K5K9和K3K7K11接通。當需要電動機反轉時，應該利用調速開關的重新組合將三相電源中的任意兩相互換位置，即可實現(xiàn)反轉；例如正轉時為K1K5K9(或同時和K3K7K11)接通，則反轉時改為將K1K6K12(或同時和K4K7K10)接通即可實現(xiàn)反轉；同時，由此可見，只需將五個調速開關K1K5K9K6K12按照可以接通電動機的啟動電流設置為啟動開關，負責電動機的啟動和停止，而其它調速開關只需按照可以接通電動機的額定電流設置即可。而如果理由將程序反向執(zhí)行來進行反轉，則只需要將K1K5K9(或K3K7K11)三個調速開關按照可以接通電動機的啟動電流設置為啟動開關。
在需要調速時，可按照下述“滾動操作”程序進行操作1.將調速開關K3K7K11接通，使第二組Y形繞組接通原位三相電源，并假設此時電動機的轉向為順時針方向(否則，可以交換電源的兩相來進行調整)，并假設它的磁動勢矢量位于三相電源的原位的位置上，其磁動勢矢量的幅值為L；2.將調速開關K3K7K11和K2K6K10同時接通，使第二組Y形繞組接通原位三相電源，并使第一組Y形繞組與按照順時針方向旋轉120°后三相電源接通(它的磁動勢矢量也將按照所接通的三相電源的位置從原位旋轉120°)，它們二者的合成磁動勢矢量將位于從三相電源的原位按照順時針方向旋轉60°的位置、即位移角ψ＝60°的位置上而其合成磁動勢矢量的幅值也為L；3.將調速開關K3K7K11斷開、調速開關K2K6K10保持接通，使第一組Y形繞組與按照順時針方向旋轉120°后的正序三相電源保持接通，它的磁動勢矢量將位于從三相電源的原位按照順時針方向旋轉120°的位置、即又產(chǎn)生位移角ψ＝60°的位置上，而其磁動勢矢量的幅值也為L；4.將調速開關K2K6K10和K4K8K12同時接通，使第一組繞組保持接通按照順時針方向旋轉120°后的正序三相電源，并使第二組繞組與按照順時針方向旋轉240°后的正序三相電源接通，它們二者形成的合成磁動勢矢量將位于從三相電源的原位按照順時針方向旋轉180°的位置、即第三次產(chǎn)生位移角ψ＝60°的位置上，而其合成磁動勢矢量的幅值也為L；5.將調速開關K2K6K10斷開、調速開關K4K8K12保持接通，使第二組Y形繞組保持與按照順時針方向旋轉240°后的正序三相電源接通，它的磁動勢矢量將位于從三相電源的原位按照順時針方向旋轉240°即第四次產(chǎn)生位移角ψ＝60°的位置，而其磁動勢矢量的幅值也為L；6.將調速開關K1K5K9和K4K8K12同時接通，使第一組Y形繞組與原位的正序三相電源接通，并使第二組Y形繞組接通按照順時針方向旋轉240°后的正序三相電源，它們的合成磁動勢矢量將位于從三相電源的原位按照順時針方向旋轉300°即第五次產(chǎn)生位移角ψ＝60°的位置，而其合成磁動勢矢量的幅值也為L；7.將調速開關K4K8K12斷開，K1K5K9保持接通，它的磁動勢矢量將回到三相電源的原位(0°)即第六次產(chǎn)生位移角ψ＝60°時所對應的位置，而其磁動勢矢量的幅值也為L；通過以上六步程序操作，磁動勢矢量完成了360°的旋轉，回到了原位；然后，經(jīng)過K4K8K12斷開延時(相當于交流電源的半個周期即10ms)后同時將K1K5K9斷開K3K7K11接通，使第二組Y形繞組保持與原位正序三相電源接通，這時定子繞組與電源的連接才真正的回到程序步1；并且它至少應該保持10ms后使電流可靠地過零后才能進行接通K2K6K10的下一步操作。由此程序步可見，滾動操作的程序步的長度應該不短于20ms；8.重復程序2及以下各步…………當執(zhí)行上述“滾動”程序后，如果“滾動”方向與電動機轉向相同，則電動機轉速將會因“滾動”而上升，如果“滾動”方向與電動機轉向相反則電動機轉速將會因“滾動”而下降；換句話說，如果執(zhí)行上述“滾動”程序后電動機轉速上升，則將原執(zhí)行的程序的順序反向執(zhí)行(如按7→6→5→4→3→……執(zhí)行程序步)后，電動機轉速就會下降。這說明，改變執(zhí)行“滾動”程序的方向是控制電動機“滾動”升速還是減速的方法。
由于三相交流電源被“滾動”地輸入電動機繞組，它所形成的旋轉磁場的實際轉速將為n+Δn，其中n為由輸入的三相交流電源的參數(shù)所決定的旋轉磁場基本轉速分量，旋轉磁場的附加“滾動”轉速分量Δn＝ψ×fψ/360°是由于執(zhí)行了“滾動”操作而形成的分量，而式中fψ表示“滾動”位移角ψ發(fā)生的頻率。因為ψ和fψ都是可由控制裝置加以控制的變量，故三相滾動調速電動機可以準確調速和改變其運行特性。
由于在上述調速過程中并不改變電動機的結構特征，因此在滾動調速過程中電動機機械特性的斜率沒有改變；但是，由于滾動操作中基本轉速n與滾動轉速Δn的合成改變了旋轉磁場的轉速，也就改變了機械特性與轉速縱軸的交點，改變了理想空載轉速n0，使機械特性產(chǎn)生了沿縱軸的上下平行移動。因為受到電動機散熱條件的限制，在額定轉速以上的是恒功率調節(jié)，在額定轉速以下的可以是恒轉矩調節(jié)。而且，由于滾動調速是靠改變位移角ψ發(fā)生的頻率fψ來實現(xiàn)調速的，而調速時fψ的改變可以很小，因此滾動調速基本可以實現(xiàn)無級調速。而只要穩(wěn)定頻率fψ就可以實現(xiàn)穩(wěn)速。
從上述操作過程可見，每個程序步所得磁動勢矢量的幅值都等于L而不存在波動，也就是說滾動調速可以產(chǎn)生圓形旋轉磁場，證明這種調速過程中將能有均勻平穩(wěn)而無波動的磁動勢矢量和電磁力矩；而旋轉磁場轉速的高低可用改變程序步轉換的快慢(即如5→6→7→……程序步執(zhí)行中每個“→”所代表的時間間隔)來調節(jié)；由于調速過程中被操作的電路始終都存在有并聯(lián)通路，執(zhí)行了并聯(lián)通路操作法，故調速過程對電網(wǎng)造成的電壓、電流沖擊被控制為很低。
從分析上述操作過程還可見，由于應用了雙向可控硅，在每組Y形接線的定子繞組被雙向可控硅從電源切斷時，三個繞組是在電流分別過零時分別被切斷的首先是某相電流先過零而被從相電壓220V下切斷，剩下的兩相繞組變成相互串聯(lián)著接通于380V的單相電壓下，也就是說每相繞組只在190V的電壓下降壓運行，然后在電流過零時再同時被切斷。可見，由于應用了雙向可控硅進行滾動調速，每組Y形接線的定子繞組被從電源切斷時都有兩相的雙向可控硅的工作條件得到了改善。
從上述操作過程還可見，為了保證在使用雙向可控硅時其斷-通切換不會產(chǎn)生相間短路，相鄰的兩個調速開關的斷-通間隔最短為≥電源的1個周期(20ms)；如果程序步取20ms，則“滾動”轉速最高可以達到500轉/分。對于額定轉速為750轉/分的智能電動機調速范圍為1250～250轉/分。
如果要進一步提高轉速，則要引入全控器件IGBT等構成的加速開關，如圖9、圖10所示。
定子繞組雙Δ形接線的三相滾動調速電動機在三相電網(wǎng)中運行的電氣接線圖可由圖6類推得出。
圖9至圖12為快速型滾動調速電動機，它們的特征是在前述圖1至圖8的電動機中引入了全控器件例如IGBT構成的加速開關。加速開關可以快速切斷回路電流，使?jié)L動操作的頻率比使用雙向可控硅的普及型滾動調速電動機提高1000倍，甚至滾動轉速可以達到150萬轉/分，其他技術性能指標也將相應地得到提高。其中圖10和圖12由于將加速開關設置在電壓和電流基本為零的電動機的中心點處，使它對電網(wǎng)的諧波污染也將降低。圖10中電子開關的工作條件還能得到改善。
以下按照附圖的排列順序分別進行解說。
圖1所示為由定子繞組Y形接線的普及型單相滾動調速電動機的電氣接線圖。由于這種設計所用的電子開關數(shù)量較少，而且進行滾動操作時定子繞組的合成磁動勢矢量的幅值能夠保持不變，合成磁動勢矢量每程序步的位移角都很小、很均勻，才60°，這將有利于提高滾動調速電動機的性能，而且它的方式便于解說智能電動機的滾動調速原理，因此選擇這種接線圖作為基本模式，并從此推廣出其他種種接線圖。它的滾動轉速可以達到1500轉/分。
圖2所示為由定子繞組Δ形接線的單相滾動調速電動機的電氣接線圖。它的性能基本與圖1相同，相應的滾動轉速可以達到1500轉/分。
圖3所示為由定子繞組Y形接線的直流滾動調速電動機的電氣接線圖。因為是在直流系統(tǒng)中操作，故調速開關必須用IGBT之類的全控器件。為了降低對電網(wǎng)的污染，直流滾動調速電動機還可采用圖12的接線圖，使加速開關IGBT在電動機的中心點處工作，而采用雙向可控硅的調速開關在電動機的出線端負責在無負載的條件下與IGBT配合完成電路的換接。這種設計也與圖12的接線圖一樣具有降低滾動操作對電網(wǎng)的污染等效果。
圖4所示為由定子繞組Y形接線的三相滾動調速電動機的電氣接線圖。這種電動機在調速時按照單相方式在由線路圖決定的單相電源中進行滾動調速，相應的滾動轉速可以達到1500轉/分，而在不調速時按照普通三相電動機的方式運行。由于在三相運行時電子開關處于停止切換的狀態(tài)，故可以避免通斷損耗引起的電子開關的發(fā)熱和對電網(wǎng)的污染。
圖5所示為由定子繞組Δ形接線的三相滾動調速電動機的電氣接線圖，相應的滾動轉速可以達到1500轉/分。它的性能基本與圖4相同。
圖6所示為由定子繞組為雙Y形接線的三相滾動調速電動機的電氣接線圖，相應的滾動轉速可以達到500轉/分。定子繞組雙Δ形接線的三相滾動調速電動機在三相電網(wǎng)中運行的電氣接線圖可由此類推得出。
圖7所示為由定子繞組Y形接線的三相滾動調速電動機的電氣接線圖。這種電動機在調速時按照單相方式在由程序選定的單相電源中進行滾動調速，而在不調速時按照普通三相電動機的方式運行。由于這種電動機在調速時可以通過程序選定在三相電網(wǎng)的任意兩相中運行，因此可以起到平衡三相電網(wǎng)的負載的作用。而由于在不調速時它按照普通三相電動機的方式運行，電子開關處于停止切換的狀態(tài)，故可以避免通斷損耗引起的電子開關的發(fā)熱和對電網(wǎng)的污染。
圖8所示為由定子繞組Δ形接線的三相滾動調速電動機的電氣接線圖。它的性能基本與圖7相同。
圖9所示為由定子繞組為雙Y形接線并且增加了加速開關的快速型三相滾動調速電動機的電氣接線圖。定子繞組雙Δ形接線并且增加了加速開關的快速型三相滾動調速電動機在三相電網(wǎng)中運行的電氣接線圖可由此類推得出。
圖10所示為由定子繞組為雙Y形接線并且將加速開關移動到中心點的快速型三相滾動調速電動機的電氣接線圖。由于雙向可控硅構成的調速開關只在加速開關切斷電流后起換接電路的作用，加速開關在電動機中心點進行三相平衡的滾動操作，而在三相平衡的時候中心點的電流特別是電壓基本為零，因此在這種環(huán)境中加速開關切換電路時的通斷損耗引起的發(fā)熱將會降低，顯著地改善了電子開關的工作條件；由于定子繞組的隔離，加速開關切換電路產(chǎn)生的諧波向電網(wǎng)的傳輸也將被電抗性的定子繞組所阻止，從而起到顯著降低對電網(wǎng)的污染的效果。這將是此種類型調速電動機的顯著特征。
圖11所示為由定子繞組為Y形接線并且增加了加速開關的快速型三相滾動調速電動機的電氣接線圖。定子繞組Δ形接線并且增加了加速開關的快速型三相滾動調速電動機的電氣接線圖可由此類推得出。
圖12所示為由定子繞組為Y形接線并且將加速開關移動到中心點的快速型三相滾動調速電動機的電氣接線圖。與圖10一樣，由于電路的切換都在電動機中心點進行，故本設計也具有降低滾動操作對電網(wǎng)的污染的效果。圖11、12作為快速型改造的示范，所有的普及型機型都可以參照圖11、12找到進行快速型改造的途徑。
本發(fā)明滾動調速電動機的優(yōu)點是采用了簡單的滾動調速原理和開關量控制，避免了建模和采用模擬量、數(shù)字量等等所帶來的一系列具體問題，使控制系統(tǒng)結構簡單實用；所使用的電子開關數(shù)量較少，硬件、軟件都比較簡單，條件允許時還可以采用成本較低的半控器件雙向可控硅，因此成本低廉；開發(fā)出了在電動機中心點進行滾動操作的快速型機型，不但可以顯著降低對電網(wǎng)的污染，而且有的還可以顯著地降低電子開關的發(fā)熱，顯著地改善電子開關的工作條件。
由于在上述調速過程中并不改變電動機的結構特征，因此在滾動調速過程中電動機機械特性的斜率沒有改變；但是，由于滾動操作改變了旋轉磁場的轉速，也就改變了機械特性與轉速縱軸的交點，改變了理想空載轉速，使機械特性產(chǎn)生了沿縱軸的上下平行移動。因為受到電動機散熱條件的限制，在額定轉速以上的是恒功率調節(jié)，在額定轉速以下的可以是恒轉矩調節(jié)。能夠在四象限運行；滾動調速所能達到的最高轉速達到1500轉/分，調速范圍達到0～3000轉/分，可以滿足一般生產(chǎn)機械的要求；如果引入全控器件IGBT來加快切換速度，則性能指標還可顯著地提高；由于滾動調速電動機的轉速是由基本轉速分量和滾動轉速分量所合成，因此可以根據(jù)運行的需要對兩個轉速分量分別利用。例如在需要調速時引入滾動轉速分量，在不需調速時可以只運用基本轉速分量。而如果只用基本轉速分量時，由于電子開關停止切換，開關損耗和諧波污染將都不會發(fā)生。這些特征將使?jié)L動調速電動機的實用產(chǎn)生經(jīng)濟效益和社會效益。
本發(fā)明滾動調速電動機的實現(xiàn)方式可以有兩種考慮對于一般的運行要求，可以選擇雙向可控硅作為調速開關，這樣元器件的成本低一點，控制、保護線路也簡單一些，滾動轉速最高可以達到1500轉/分，調速范圍最高可以達到0～3000轉/分，這種指標可以滿足普通生產(chǎn)機械的調速要求；如果要求更高一些，就建議引入IGBT之類的全控器件特別是在定子繞組Y形接線的電動機的中心點處引入IGBT之類的全控器件來加快電子開關對電路的切換過程，由于IGBT的關斷速度比市電中的雙向可控硅要快上千倍，因此可以顯著地提高滾動轉速，而調速精度、低速特性、調速范圍等等性能指標也將相應地改善；特別是在電動機的中心點處引入IGBT使電子開關的通斷損耗引起的發(fā)熱或對電網(wǎng)污染的顯著降低將明顯優(yōu)于變頻調速。但是控制、保護措施要求相對的高一些。這樣，目前滾動調速電動機所采用的電子開關數(shù)量雖然較多而成本較高，但是隨著產(chǎn)品的批量化投產(chǎn)和模塊化改造，電子器件的成本一定會顯著降低。
權利要求
1.滾動調速電動機是一種基于滾動調速原理的調速電動機，它由電動機、控制裝置和電子開關所組成；滾動調速電動機其特征是通過對電子開關的連續(xù)切換，可將在空間對稱分布的電動機定子繞組連續(xù)不斷地改接于電網(wǎng)的三相、單相或者直流電源，使電動機定子繞組中的合成磁動勢矢量增加了一個在空間連續(xù)不斷的旋轉的轉速分量；而且，與滾動操作的每個程序步所對應的此合成磁動勢矢量在空間產(chǎn)生的位移角均為60°，與每個程序步所對應的此矢量的幅值皆相等，可見滾動操作所產(chǎn)生電動機定子繞組的合成磁動勢矢量在空間的運動軌跡基本上是一個圓形的旋轉磁場，此旋轉磁場的轉速由與電網(wǎng)電壓的頻率等參數(shù)決定的基本轉速分量和以滾動操作所決定的可以調節(jié)大小并可以控制方向的滾動轉速分量所合成；控制和調節(jié)這個滾動轉速分量的大小和方向，就可實現(xiàn)對電動機的轉速和其他性能指標的控制和調節(jié)。
2.權利要求1所述的滾動調速電動機，其特征是其中電動機的定子繞組應該采取為Y形接線、Δ接線，或者為雙Y形接線、雙Δ接線之類在空間對稱分布的結構形式；其中快速型滾動調速電動機的定子繞組采取為Y形接線或者為雙Y形接線時，電子開關可以設置在電動機的中心點，因而可以得到更好的性能；而滾動調速電動機的轉子形式可以不限，可為同步或者異步轉子。
3.權利要求1所述的滾動調速電動機，其特征是其中的電子開關可以全部由雙向可控硅之類的半控器件組成，也可由全控器件和半控器件共同組成，或者全部由全控器件組成；那些使用了全控器件的機型由于加快了電路的切換速度，其滾動轉速、調速范圍等等技術經(jīng)濟指標可以提高。
4.權利要求1所述的滾動調速電動機，其特征是其中的控制裝置可以選用單片機之類信號處理裝置，它可向電子開關發(fā)出開關量控制信號來對其進行通斷控制，以達到各種調控目的。
5.權利要求1所述的滾動調速電動機，其特征是其中的合成磁動勢矢量的兩個轉速分量都可以分別控制來達到不同的目的，如在基本轉速分量上迭加上滾動轉速分量就可以調速，而如果取消滾動轉速分量就可以基本轉速長期穩(wěn)定運行。
全文摘要
滾動調速電動機由電動機、控制裝置和電子開關組成，使用較少的電子開關能將滾動操作的位移角細化到60°，以形成圓形旋轉磁場，來完成將各種電網(wǎng)的電源通過連續(xù)不斷地滾動地切換操作接通到電動機的定子繞組上以達到調速和改變電動機運行特性、保證電動機有較好的技術指標，并降低對電網(wǎng)的污染等目的。由定子繞組Y形接線的普及型單相滾動調速電動機在單相電網(wǎng)中運行的電氣接線如圖所示。這種設計相應的滾動轉速以達到1500轉/分，這將有利于提高滾動調速電動機的性能，而且，它的方式便于解說智能電動機的滾動調速原理，因此，選擇這種接線圖作為基本模式，并從此推廣出其他種接線圖。
文檔編號H02P21/00GK1489281SQ02131109
公開日2004年4月14日 申請日期2002年10月9日 優(yōu)先權日2002年10月9日
發(fā)明者黃群, 黃 群 申請人:黃群, 黃 群