专利名称：一种三相感应电动机及其调速方法
技术领域：
本发明涉及多级调速的电力拖动(传动)技术领域，具体是指一种三相感应电动机及其调速方法。
背景技术：
目前，三相感应电动机主要有如下五种调速方法变频调速、变极调速、串级调速、电磁滑差离合器调速和调压调速。变频调速虽有良好的调速平滑性，但它给电网带来不容忽视的谐波污染，这种污染已经成为一种公害，同时，谐波对三相感应电动机本身也带来损耗增加、效率降低、功率因数下降等不良影响。变极调速虽然成本低廉、无谐波污染，但调速级数太少，使其应用受到限制。串级调速虽然有良好的性能，但装置复杂、成本高昂，难以在中、小容量的三相感应电动机中获得应用。电磁滑差离合器调速虽然成本较串级调速低，但效率较低、低速静差率大、过载能力小，而且为双机组合结构，体积大，成本仍然偏高。调压调速需要附加调压装置(如变压器、饱和电抗器等)，使成本增加；若调压装置采用电力电子设备，则还会带来谐波污染及对三相感应电动机本身产生影响等危害。
发明内容本发明就是为了解决上述现有技术中存在的缺陷，提供一种成本低、效率高、可靠性高、无谐波污染、可多级调速的三相感应电动机及其调速方法。
本发明是通过如下技术方案来实现的三相感应电动机含一个定子和一个转子，定子上有相轴固定不动的定相绕组和相轴可以移动的动相绕组，转子上最多一套绕组，定相绕组和动相绕组各产生一个旋转磁场，这两个有空间相位差的旋转磁场在转子导条中产生相应的有时间相位差的两个感应电势，通过改变动相绕组的出线，来移动动相绕组的相轴，从而改变两个旋转磁场之间的空间相位差，进而改变转子导条中两个感应电势之间的时间相位差，因而改变转子导条中的合成感应电势和电流，从而改变三相感应电动机的电磁转矩和转子的转速。每改变一次动相绕组的出线，就得到一个新的转速。本发明的调速方法可以称为变线移相调速法，为有级调速。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果相对于变频调速、串级调速、电磁滑差离合器调速和调压调速等调速方式而言，本发明的变相调速几乎可以说是“零调速装置”，因为它没有附加如变压器、饱和电抗器、电力电子调压器、变频器等电磁或电力电子装置，它所需要的调速装置与变极调速类似，即只需要开关及其控制装置。这样一来，就带来成本低、可靠性高、无谐波污染、无谐波对三相感应电动机本身的影响等优势和有益效果。相对于变极调速而言，虽然同为有级调速，但本发明的调速级数大大增加。本发明没有任何有害效果。
图1是zt为偶数时动相绕组的槽号相位图；图2是zt为偶数时动相绕组的出线图；图3是zt为奇数时动相绕组的槽号相位图；图4是zt为奇数时动相绕组的出线图；图5是定子绕组的出线—电源连接示意图；图6是动相绕组各出线与电源的连接方案图；图7是36槽4极三相感应电动机动相绕组的槽号相位图；图8是36槽4极三相感应电动机动相绕组的出线图；图9是36槽4极三相感应电动机定子绕组的出线—电源连接示意图；图10是36槽4极三相感应电动机动相绕组各出线与电源的连接方案图；图11是36槽8极三相感应电动机动相绕组的槽号相位图；图12是36槽8极三相感应电动机动相绕组的出线图；图13是36槽8极三相感应电动机定子绕组的出线-电源连接示意图；图14是36槽8极三相感应电动机动相绕组各出线与电源的连接方案图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。
1.定子绕组的结构、相带、接法和出线根数(1)定相绕组的结构、相带、接法和出线根数定相绕组可以采用双层迭绕或波绕结构，迭绕时可以选用短距绕组，也可以采用单层等元件、交叉或同心结构；采用60°相带；可以接成星形接法(即Y接法)，也可以接成三角形接法(即Δ接法)；每相一根出线，共三根出线。
(2)动相绕组的结构、相带、接法和出线根数动相绕组采用双层迭绕结构，迭绕时可以选用短距绕组；采用120°相带；接成三角形接法(即Δ接法)。动相绕组的出线根数与定子的槽数和极数有关。记三相感应电动机的槽数为z，极数为2p，单元绕组数为t，单元绕组的槽数为zt，则t＝GCD(z，p)，GCD(z，p)表示求z和p的最大公约数(Greatest Common Devisor)。由于动相绕组采用双层结构，故动相绕组共有z个线圈，动相绕组的单元绕组共有zt个线圈。由于动相绕组采用120°相带，故在槽号相位图上只考虑正槽号，而不考虑负槽号，否则会导致槽号的重复使用。由于动相绕组的单元绕组数为t，且只考虑正槽号，故动相绕组的最大并联支路数为t，最小并联支路数为1。设动相绕组每相的实际并联支路数为b(显然，b∈[1，t]，而且b应能整除t)，则t/b是动相绕组每相每条支路中具有相同相位的正槽号的个数，记之为g，动相绕组每相每条并联支路含(t/b)×(zt/3)＝g×(zt/3)个正槽号，亦即g×(zt/3)个线圈。下面分两种情况来确定出线根数。
①zt为偶数时的出线根数当zt为偶数时画出槽号相位图如图1所示。此时槽号相位图含zt列、2t行，其中，上面t行是正槽号，下面t行是负槽号。由于不考虑负槽号，故图1’上对负槽号未加区别而仅用“-”来表示它的存在。zt为偶数时各并联支路的出线情况如图2所示。图2是根据图1绘制的。为图面清晰起见，在绘制图2时已设t＝4，b＝2，从而g＝t/b＝2。虽然如此，下面仍以最一般的情形来介绍图2的具体绘制方法。
第一步，在图1第ig+1行中每一个正槽号所代表线圈的首端都安排一根出线，这样一来，第ig+1行上有zt根出线，每一行上的zt根出线都自左至右依次标记为1，2，3，……，zt，i＝0，1，2，3，……，b-1，如图2所示。第二步，把图1第j列中第ig+1行、第ig+1行、……、第ig+g行上的g个正槽号所代表的g个线圈按照首尾相连的接法串联起来，j＝1，2，3，……，zt，i＝0，1，2，3，……，b-1，如图2所示。显然，如果b＝t，导致g＝1，那么这一步是不必做的，因为此时所说的“g个线圈”变成1个线圈，无需串联。第三步，把图1第j列第ig+g行的正槽号所代表线圈的尾端，与第j+1列第ig+1行的正槽号所代表线圈的首端连起来，j＝1，2，3，……，zt-1，i＝0，1，2，3，……，b一1，如图2所示。第四步，把图2中序号同为j的b根出线相连，形成一根出线，序号仍然编为j，j＝1，2，3，……，zt。第五步，把图1第zt列第g、2g、3g、……、bg行正槽号所代表的b个线圈的尾端相连，作为各个并联支路的尾端，之后再与1号出线相连。至此，动相绕组形成一个由b条并联支路组成的回路。由上述过程可知，动相绕组上共有zt根出线。
②zt为奇数时的出线根数当zt为奇数时画出槽号相位图如图3所示。此时槽号相位图含2zt列、t行，其中奇数列是正槽号，偶数列是负槽号。由于不考虑负槽号，故图3上对负槽号未加区别而仅用“-”来表示它的存在。zt为奇数时各并联支路的出线情况如图4所示。图4是根据图3绘制的。为图面清晰起见，在绘制图4时已设t＝4，b＝2，从而g＝t/b＝2。虽然如此，下面仍以最一般的情形来介绍图4的具体绘制方法。
第一步，在图3第ig+1行中每一个正槽号所代表线圈的首端都安排一根出线，这样一来，第ig+1行上有zt根出线，每一行上的zt根出线都自左至右依次标记为1，2，3，……，zt，i＝0，1，2，3，……，b-1，如图4所示。第二步，把图3第j列中第ig+1行、第ig+2行、……、第ig+g行上的g个正槽号所代表的g个线圈按照首尾相连的接法串联起来，j＝1，3，5，……，2zt-1，i＝0，1，2，3，……，b-1，如图4所示。显然，如果b＝t，导致g＝1，那么这一步是不必做的，因为此时所说的“g个线圈”变成1个线圈，无需串联。第三步，把图3第j列第ig+g行的正槽号所代表线圈的尾端与第j+2列第ig+1行的正槽号所代表线圈的首端连起来，j＝1，3，5，……，2zt-3，i＝0，1，2，3，……，b-1，如图4所示。第四步，把图4中序号同为j的b根出线相连，形成一根出线，序号仍然编为j，j＝1，2，3，……，zt。第五步，把图3第2zt-1列第g、2g、3g、……、bg行正槽号所代表的b个线圈的尾端相连，作为各个并联支路的尾端，之后再与1号出线相连。至此，动相绕组形成一个由b条并联支路组成的回路。由上述过程可知，动相绕组上共有zt根出线。
由上可知，无论zt是奇数还是偶数，动相绕组上都有zt根出线。
2.连接方案由1中(2)已知动相绕组上有zt根出线。A、B、和C三相上各有zt/3根。A相绕组上的zt/3根出线的序号依次标记为1，2，……，zt/3；B相绕组上的zt/3根出线的序号依次标记为1+zt/3，2+zt/3，……，2zt/3；C相绕组上的zt/3根出线的序号依次标记为1+zt/3，2+zt/3，……，zt。把这zt根出线分为zt/3组，每组3根出线，组1出线号1，zt/3+1，2zt/3+1；组2出线号2，zt/3+2，2zt/3+2；组3出线号3，zt/3+3，2zt/3+3，……；组zt/3出线号zt/3，2zt/3，zt。z槽2p极三相感应电动机定子绕组的出线与电源连接示意图如图5所示。图5中，n就是动相绕组的出线组数，它等于zt/3。每一组出线与三相电源都取三种连接方案(具体取法是设某一组中的三根出线分别标记为1，2和3，电源的三相分别标记为U、V和W，则取该组出线与电源的三种连结方案为1接U，2接V，3接W；3接U，1接V，2接W；2接U，3接V，1接W。另外的三种连接方案不取)，故动相绕组与电源之间一共取3×zt/3＝zt种连接方案，各连接方案序号记为1，2，3，……，zt，详细情况如图6所示。
3.调速方法调速是通过改接动相绕组的出线来实现的。这里对动相绕组出线的改接包括两种情形第一种是换组，是指将动相绕组连接电源的某一组出线换成动相绕组的另一组出线；第二种是换相，是指保持动相绕组连接电源的某组出线不变，但改变该组中每一根出线的相属。动相绕组各出线与电源的连接方案如图6所示。
4.理论调速级数不考虑负载因素的影响所得到的调速级数称为理论调速级数。
在调速时，定相绕组各相相轴的位置是固定的，动相绕组各相相轴的位置是变动的。定子两绕组对应相的相轴之间有空间相位差(讨论定子两绕组对应相的相轴之间的空间相位差时，可以固定考察三相中的任意一相)，而且，这个空间相位差因动相绕组与电源连接的不同而异。记α为槽号相位图上的格距电角，当zt为偶数时，α＝360°/zt；当zt为奇数时，α＝360°/(2zt)；记β为动相绕组任一相之相轴与定相绕组对应相之相轴之间的空间相位差。设当动相绕组采用连接方案1时，β＝0°，即对应相的相轴同相位，下面分zt为偶数和奇数两种情况进行说明。
(1)zt为偶数时的理论调速级数当zt为偶数且动相绕组采用连接方案k时，β＝(k-1)×α，k＝1，2，……，zt。k＝1时，β＝0°；k＝2时，β＝α；k＝3时，β＝2α；……；k＝zt-1时，β＝360°-2α，相当于-2α；k＝zt时，β＝360°-α，相当于-α。
可见，当k从1变到zt时，定相和动相两绕组对应相的相轴之间的空间相位差从0°变到α，逐渐增加，直到360°-α。由于相距α和相距360°-α对转子转速的影响是一样的(360°-α相当于-α，因为影响转子中感应电势，从而最终影响转子转速的，是定相和动相两绕组对应相相轴之间空间相位差的大小，与谁超前谁滞后没有关系)，故k＝2等效于k＝zt，k＝3等效于k＝zt-1，……。一般地，有k＝s等效于k＝zt-s+2，s＝2，3，4，……，zt/2，即这一过程一直持续到k＝zt/2等效于k＝zt/2+2，此时，一共有zt/2+1种不同的情况(分别是k＝1，2，3，……，zt/2，zt/2+1)，即三相感应电动机具有zt/2+1种不同的转速。
(2)zt为奇数时的理论调速级数当zt为奇数且动相绕组采用连接方案k时，β＝(k-1)×(2α)，k＝1，2，……，zt。k＝1时，β＝0°；k＝2时，β＝2α；k＝3时，β＝4α；……；k＝zt-1时，β＝360°-4α，相当于-4α；k＝zt时，β＝360°-2α，相当于-2α。
可见，当k从1变到zt时，定相和动相两绕组对应相的相轴之间的空间相位差从0°变到2α，逐渐增加，直到360°-2α。由于相距2α和相距360°-2α对转子转速的影响是一样的(360°-2α相当于-2α，因为影响转子中感应电势，从而最终影响转子转速的，是定相和动相两绕组对应相相轴之间空间相位差的大小，与谁超前谁滞后没有关系)，故k＝2等效于k＝zt，k＝3等效于k＝zt-1，……。一般地，有k＝s等效于k＝zt-s+2，s＝2，3，4，……，(zt+1)/2，即这一过程一直持续到k＝(zt+1)/2等效于k＝(zt+3)/2，此时，一共有(zt+1)/2种不同的情况(分别是k＝1，2，3，……，(zt+1)/2)，即三相感应电动机具有(zt+1)/2种不同的转速。
由上分析可见，zt种连接方案并非每一种都对应着不同的速度，其所对应的调速级数等于zt/2+1(当zt为偶数时)或(zt+1)/2(当zt为奇数时)，如果引用记号[x]表示小于或等于x的最大整数(x为任意实数)，则上述两种情形可统一为[zt/2]+1，即无论zt是奇数还是偶数，调速级数皆为[zt/2]+1。
5.实际调速级数本发明的实际调速级数与负载的种类有关。对于风机类负载而言，实际调速级数可望达到理论调速级数，即等于动相绕组之单元绕组槽数的一半加1(当单元绕组槽数为偶数时)或单元绕组槽数加1的一半(当单元绕组槽数为奇数时)。譬如，三相感应电动机定子为36槽2极，其动相绕组之单元绕组槽数为18槽，则调速级数为19级；又譬如，三相感应电动机定子为36槽8极，其动相绕组之单元绕组槽数为9槽，则调速级数为5级。对于恒转矩类负载而言，实际调速级数将比理论调速级数略少。
6.转子结构三相感应电动机的转子可以为笼型转子、绕线型转子、实心转子。如为笼型或绕线型转子，则转子上绕组的套数为一套；如为实心转子，则转子上没有绕组。转子可以采用内转子结构，也可以采用外转子结构。
7.出线开关及其控制三相感应电动机出线与电源之间的开关可以是带触点式开关，如接触器；也可以是电力电子器件，如固态继电器；还可以是光电器件，如光控继电器。三相感应电动机出线与电源之间的开关可以通过可编程序控制器、单片机、数字信号处理器(DSP)等来进行控制。
下面分两种情形(动相绕组的单元绕组槽数zt为偶数和奇数)给出本发明的两个实施例。
实施例一zt为偶数时的实施例(以定子36槽4极三相感应电动机为例)1.定子绕组的结构、相带、接法和出线根数(1)定相绕组的结构、相带、接法和出线根数定相绕组采用双层迭绕结构，节距取y1＝8槽距，采用60°相带，三角形接法(即Δ接法)，每相一根出线，共三根出线。定相绕组的具体设计与普通的单速三相感应电动机的定子绕组设计无异，此略。
(2)动相绕组的结构、相带、接法和出线根数动相绕组采用双层迭绕结构，节距取y1＝8槽距，采用120°相带，三角形接法(即Δ接法)。槽数z＝36槽，极数2p＝4极，单元绕组数t＝GCD(z，p)＝GCD(36，2)＝2。单元绕组槽数zt＝z/t＝36/2＝18。动相绕组共有36个线圈，动相绕组的单元绕组共有18个线圈。取并联支路数b＝2，因此g＝t/b＝2/2＝1。动相绕组每相每条并联支路含(t/b)×(zt/3)＝g×(zt/3)＝1×(18/3)＝6个正槽号，亦即6个线圈。画出36槽4极三相感应电动机动相绕组的槽号相位图，如图7所示。画出36槽4极三相感应电动机动相绕组的出线图，如图8所示。注意，图8中，并联支路数b＝2，每相每条支路有相同相位的正槽号的个数g＝t/b＝2/2＝1。
2.连接方案由1中的(2)已知动相绕组上有zt＝18根出线。A、B、和C三相上各有6根。A相绕组上的6根出线的序号依次标记为1，2，3，4，5，6；B相绕组上的6根出线的序号依次标记为7，8，9，10，11，12；C相绕组上的6根出线的序号依次标记为13，14，15，16，17，18。把这18根出线分为6组，每组3根出线，组1出线号1，7，13；组2出线号2，8，14；组3出线号3，9，15；组4出线号4，10，16；组5出线号5，11，17；组6出线号6，12，18。36槽4极三相感应电动机定子绕组出线与三相电源的连接示意图如图9所示。图9中，动相绕组的出线组数为6。动相绕组每一组出线与三相电源都可取三种连接方案，故动相绕组与电源之间的连接方案一共有3×zt/3＝zt＝18种连接方案，各连接方案序号记为1，2，3，……，18，详细情况如图10所示。
3.调速方法采用换组和换相两种方法来改接动相绕组出线与电源的连接，即可实现调速。各种连接方案见图10。
4.理论调速级数槽号相位图上的格距电角α＝360°/zt＝360°/18＝20°。设当动相绕组采用连接方案1时，动相绕组任一相之相轴与定相绕组对应相之相轴之间的空间相位差β＝0°，即对应相的相轴同相位，则当动相绕组采用连接方案k时，β＝(k-1)×α＝(k-1)×20°，k＝1，2，……，18。k＝1时，β＝0°；k＝2时，β＝20°；k＝3时，β＝40°；……；k＝zt-1＝18-1＝17时，β＝360°-40°，相当于-40°；k＝zt＝18时，β＝360°-20°，相当于-20°。
可见，当k从1变到18时，定相和动相两部分相轴之间的夹角从0°变到20°，逐渐增加，直到360°-20°。k＝2等效于k＝18，k＝3等效于k＝17，……，这一过程一直持续到k＝zt/2＝18/2＝9等效于k＝zt/2+2＝18/2+2＝11，此时，一共有10种不同的情况(分别是k＝1，2，3，……，9，10)，即三相感应电动机具有10种不同的转速。
如上所述，即可较好地实现本发明。
实施例二zt为奇数时的实施例(以定子36槽8极三相感应电动机为例)1.定子绕组的结构、相带、接法和出线根数(1)定相绕组的结构、相带、接法和出线根数定相绕组采用双层迭绕结构，节距取y1＝4槽距，采用60°相带，三角形接法(即Δ接法)，每相一根出线，共三根出线。定相绕组的具体设计与普通的单速三相感应电动机的定子绕组设计无异，此略。
(2)动相绕组的结构、相带、接法和出线根数动相绕组采用双层迭绕结构，节距取y1＝4槽距，采用120°相带，三角形接法(即Δ接法)。槽数z＝36槽，极数2p＝8极，单元绕组数t＝GCD(z，p)＝GCD(36，4)＝4。单元绕组槽数zt＝z/t＝36/4＝9。动相绕组共有36个线圈，动相绕组的单元绕组共有9个线圈。取并联支路数b＝2，因此g＝t/b＝4/2＝2。动相绕组每相每条并联支路含(t/b)×(zt/3)＝g×(zt/3)＝2×(9/3)＝6个正槽号，亦即6个线圈。画出36槽8极三相感应电动机动相绕组的槽号相位图，如图11所示。画出36槽8极三相感应电动机动相绕组的出线图，如图12所示。注意，图12中，并联支路数b＝2，每相每条支路有相同相位的正槽号的个数g＝t/b＝4/2＝2。
2.连接方案由1中的(2)已知动相绕组上有zt＝9根出线。A、B、和C三相上各有3根。A相绕组上的3根出线的序号依次标记为1，2，3，；B相绕组上的3根出线的序号依次标记为4，5，6；C相绕组上的3根出线的序号依次标记为7，8，9。把这9根出线分为3组，每组3根出线，组1出线号1，4，7；组2出线号2，5，8；组3出线号3，6，9。36槽8极三相感应电动机定子绕组出线与三相电源的连接示意图如图13所示。图13中，动相绕组的出线组数为3。每一组出线与三相电源都可取三种连接方案，故动相绕组与电源之间的连接方案一共有3×zt/3＝zt＝9种连接方案，各连接方案序号记为1，2，3，4，5，6，7，8，9，详细情况如图14所示。
3.调速方法采用换组和换相两种方法来改接动相绕组出线与电源的连接，即可实现调速。各种连接方案见图14。
4.理论调速级数槽号相位图上的格距电角α＝360°/(2zt)＝360°/(2×9)＝20°。设当动相绕组采用连接方案1时，动相绕组任一相之相轴与定相绕组对应相之相轴之间的空间相位差β＝0°，即对应相的相轴同相位，则当动相绕组采用连接方案k时，β＝(k-1)×(2α)＝(k-1)×40°，k＝1，2，……，9。k＝1时，β＝0°；k＝2时，β＝40°；k＝3时，β＝80°；……；k＝zt-1＝9-1＝8时，β＝360°-80°，相当于-80°；k＝zt＝9时，β＝360°-40°，相当于-40°。
可见，当k从1变到9时，定相和动相两部分相轴之间的夹角从0°变到40°，逐渐增加，直到360°-40°。k＝2等效于k＝9，k＝3等效于k＝8，k＝4等效于k＝7，k＝5等效于k＝6，此时，一共有5种不同的情况(分别是k＝1，2，3，4，5)，即三相感应电动机具有5种不同的转速。
如上所述，即可较好地实现本发明。
权利要求
1.一种三相感应电动机，含一个定子和一个转子，其特征是，定子上有相轴固定不动的定相绕组和相轴可以移动的动相绕组。
2.根据权利要求1所述的一种三相感应电动机，其特征是，定子的定相绕组为单层或双层结构，定子的动相绕组为双层结构。
3.根据权利要求1所述的一种三相感应电动机，其特征是，定子的定相绕组采用60°相带，可以接成星形接法或三角形接法；定子的动相绕组采用120°相带，接成三角形接法。
4.根据权利要求1所述的一种三相感应电动机，其特征是，定子的定相绕组每相一根出线，共三根出线；定子的动相绕组的出线根数等于动相绕组的单元绕组槽数zt，这zt根出线，以3根为一组，分为n组。
5.一种三相感应电动机的调速方法，其特征是，通过改变定子的动相绕组与三相电源的连接，来移动动相绕组的相轴，从而改变三相感应电动机的电磁转矩和转子的转速。
6.根据权利要求5所述的一种三相感应电动机的调速方法，其特征是，改变定子的动相绕组与三相电源的连接可以通过换组来实现。
7.根据权利要求5所述的一种三相感应电动机的调速方法，其特征是，改变定子的动相绕组与三相电源的连接还可以通过换相来实现。
全文摘要
本发明是一种三相感应电动机及其调速方法,可以称为变线移相调速法。三相感应电动机含一个定子和一个转子,定子上有相轴固定不动的定相绕组和相轴可以移动的动相绕组,定相绕组和动相绕组各产生一个旋转磁场,这两个有空间相位差的旋转磁场在转子导条中产生相应的有时间相位差的两个感应电势,通过改变动相绕组的出线,来移动动相绕组的相轴,从而改变两个旋转磁场之间的空间相位差,进而改变转子导条中两个感应电势之间的时间相位差,因而改变转子导条中的合成感应电势和电流,从而改变三相感应电动机的电磁转矩和转子的转速。本发明成本低、效率高、无谐波污染,可以实现多级调速。
文档编号H02K17/12GK1367567SQ0211491
公开日2002年9月4日 申请日期2002年3月1日 优先权日2002年3月1日
发明者程小华 申请人:华南理工大学