专利名称：电液式异步电动机无级调速系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种异步电动机只工作在工频电源下的电气液压式异步电动机无级调速系统。
能进行无级调速运行是对电动机的一项重要性能要求，很多生产工艺流程要求电动机能进行较大范围的无级调速运行。由于直流电动机具有优良的调速性能，因此，在以前是采用以直流电动机为主构成直流调速系统。这种直流调速系统至今仍在一些场合采用。但因为直流电动机结构复杂，具有机械式换向器，故其运行可靠性差，维护困难且容量很难做得太大。因此，人们转向对以异步电动机为主构成的交流无级调速系统的研究。在电力电子技术和控制技术的推动下，以变频调速和串级调速为主要方向的交流无级调速系统发展十分迅速。目前，以异步电动机和变频器为主构成的交流无级调速系统在技术上已比较成熟，控制方式也趋多样化。
但由于传统结构的异步电动机无级调速系统原理本身的原因，目前所知的各种交流无级调速系统具有明显的缺点，因而难以大面积推广。这些缺点是1)调速系统的价格不可能大幅度地降低。由于变频调速方法是用电力电子器件将工频电源整成直流、再逆变成可调频率的交流电源，串级调速方法是将绕线式异步电动机的转子电压整成直流再逆变成工频交流后接于电网中，因而所用的大功率元器件很多，结构和控制都很复杂，价格很高，如再加上平波电抗器和补偿电容器时，体积也很庞大；2)推广困难。由于这类交流调速系统的结构和控制都很复杂，因而在使用现场需由受过专门训练的技术人员进行管理维护，工矿企业一般的电工胜任不了这一工作，因而限制了其应用。特别是当调速运行不是由于生产工艺流程的需要而只是起节电作用的场合(压缩机、风机和水泵等)，由于设备造价和维护管理这两个原因使得节电在经济上不合算而放弃使用异步电动机调速运行的方式；3)对电网产生谐波污染。由于在整流和逆变过程中会产生高次谐波注入电网，因而对电网产生谐波污染。如要减轻这种污染就要加装不同谐波次数的滤波器，这就更增大了装置的体积和造价；4)高转速时特性变软。受电动机额定容量的限制，变频调速当电动机运行于额定转速以上时只能进行恒功率调速而不能进行恒转矩调速，使电动机的机械特性变软；5)一套变频调速装置不能在同一工作现场对不同转速的多台电动机同时进行调速。
本发明的目的是以新的技术方案的实施，使异步电动机在定子绕组只接入工频交流电源的情况下就可使其进行恒速和无级调速运行；当对异步电动机进行无级调速时，不论异步电动机运行在何种转速下其机械特性都保持硬度很高的固有特性。而且，使得这种新的交流无级调速系统的结构和控制都比较简单，价格便宜，管理和维修容易，又可使这种调速系统在同一工作现场同时调节多台异步电动机的不同转速，以实现异步电动机之间的转速互调。
实现本发明的技术方案如下在传统的三相异步电动机的转子结构、定子铁芯及定子三相绕组的结构不变的前提下，取消需调速运行的异步电动机定子部分固定在机座中的传统结构方式，而改成如说明书附图2所示的方式，即将定子部分改为具有转轴并使定子转轴在两端有轴承支撑的结构形式。在定子转轴中有三个彼此绝缘的导电滑环，定子绕组原来的三个电源接线端现改接到三个导电滑环中。电网的三相工频交流电源通过三个与导电滑环滑动接触的电刷引入三相定子绕组中，如说明书附
图1所示。这样，本来定子固定在机座中不能转动的传统三相异步电动机就变成了定子可以转动的调速异步电动机了，在这种调速异步电动机的定子转轴的一端通过联轴器3接入一台液压马达5，液压马达通过液压管路6与一液压控制系统7联接，这样就组成电液式异步电动机无级调速系统。
当只对一台调速异步电动机进行恒速运行和无级调速运行控制时，液压系统的组成及控制方式如说明书附图3所示。当调速异步电动机只需进行恒速运行时，调速电动机的定子应在空间不转动，液压系统不需对液压马达进行调速，因此，说明书附图3中的液压马达14应处于锁定状态。此时，只须使附图3中的三位四通电磁换向阀7处于中位即可将液压马达14锁定。而附图3中的液压泵电动机4可处于断电停机状态或空载运行状态。此时调速电动机13定子转轴所接的液压马达14的泄漏补油由单向阀15实现。
当说明书附图3中的调速电动机13需在高于额定转速下无级调速运行时，使电磁换向阀7处于左位工作状态，液压系统以手动或自动的控制方式通过调速阀11使调速电动机的液压马达14处于正向(与调速电动机转子转向相同)无级调速工作状态，通过调速阀11开度的调整，使液压马达的转速等于对调速电动机所要求的转速与电动机的额定转速之差。此时，调速电动机定子绕组产生的旋转磁场对于定子绕组的转速仍为由电源频率和电动机极对数所决定的同步转速，而定子绕组所产生的旋转磁场的空间转速则为同步转速加上液压马达的转速，从而调速电动机转子的转速就升高到所要求的转速。在这种运行调节过程中调速电动机的一切电气参数基本上不变，因而它从电网中取得的功率也基本上不变，其机械特性也保持原来的固有特性不变。在负载转矩不变时由于转速升高使负载功率增加的部分则由液压系统提供。
当要求调速电动机在低于额定转速下无级调速时，可使说明书附图3中的电磁换向阀7处于右位工作状态，液压系统通过调速阀8使与调速电动机13的定子转轴联接的液压马达14在调速电动机定子的反向驱动下处于液压泵工作状态，通过调速阀8的开度调整可控制处于油泵工作状态的液压马达14的反向转速，从而控制调速电动机13的定子反向转速，使其反向转速等于电动机的额定转速与对其所要求的转速之差。此时，定于绕组产生的旋转磁场的转速对于定子绕组仍为同步转速，而定子旋转磁场的空间转速则降低，因而调速电动机的转子转速也就降低。由于在这种低转速下，调速电动机的电气参数和机械特性以及从电网取得的功率都基本上不变，在负载转矩不变时，由于转速降低，负载功率减少使调速电动机的功率大于它所接的负载的功率。这部分过剩功率通过处于液压泵工作状态的液压马达14及液压系统驱动刚性联接在液压泵电动机4的另一轴伸处的液压马达19，使其以高于液压泵电动机4的同步转速的速度旋转，使液压泵电动机4处于异步发电机运行状态，从而将调速电动机的过剩功率又以电功率的形式返送回电网。
当在同一工作现场需对多台不同转速的异步电动机同时进行无级调速时，每台调速电动机都采用如说明书附图2所示的调速异步电动机，此时液压控制系统的组成如说明书附图4所示。整个液压控制系统只需一台液压泵电动机及一台液压泵，液压系统所需的容量由整个负载系统所需的最大功率与所有调速电动机额定功率之和的差值决定。说明书附图4是以两台调速电动机为控制对象而设计的，当调速电动机的台数多于二台时，其联接及控制方式可参照附图4进行。
当说明书附图4中的两台调速电动机15和16都只需恒速运行时，可使图中的电磁换向阀8和24处于中位状态以锁定液压马达14和17，此时调速电动机15和16的定子在空间固定不动，液压系统及调速电动机的工作状态都与单台调速电动机恒速运行时的使状态相同。
当两台调速电动机都需在高于额定转速下无级调速运行时，可使电磁换向阀8及24都处于左位工作状态，调速阀11按调速电动机15所要求的转速来控制液压马达14，从而驱动调速电动机15的定子部分正向旋转并进行无级调速；调速阀19也按调速电动机16所需的转速使液压马达17驱动调速电动机16的定子正向旋转。各台调速电动机的工作状态及液压系统的工作状态都与说明书附图3所示的单台调速电动机在高于额定转速下无级调速时的状态一样。
当两台调速电动机都需在低于额定转速下无级调速时，说明书附图4中的电磁阀8及24处于右位工作状态，液压系统通过调速阀9使与调速电动机15的定子转轴联接的液压马达14在调速电动机15的定子的反向驱动下处于液压泵工作状态，而其转速则由调速阀9进行调整；电磁阀24也处于右位工作状态，液压系统通过调速阀22使与调速电动机16的定子转轴联接的液压马达17在调速电动机16的定子驱动下处于液压泵工作状态，其转速也在调速阀22的控制下按调速电动机所需的转速决定。在这种情况下，两台调速电动机的过剩功率都通过与液压泵电动机3刚性联接的液压马达30驱动油泵电动机3以异步发电机的方式运行，以回收两台调速电动机在低速运行下的过剩功率。
当说明书附图4中的调速电动机15转速需调整到高于额定转速运行而调速电动机16的转速需调整到低于额定转速运行时，则电磁换向阀8处于左位工作状态而电磁换向阀24则处于右位工作状态，此时液压马达14在调速阀11的控制下处于正向旋转状态，而液压马达17在调速阀22的控制下处于液压泵工作状态，在调速电动机16的定子驱动下反向旋转，液压马达14的正向转速及液压马达17的反向转速按照两台调速电动机的转速要求分别由调速阀11及22进行控制。当转速上调的电动机所需补充的功率恰好等于转速下调的电动机的过剩功率时，液压泵4由液压马达30驱动而工作，液压泵电动机3处于空转状态；当转速上调的电动机所需补充的功率大于转速下调的电动机的过剩功率时，液压泵电动机3处于电动运行状态，为向液压马达14提供功率而工作的液压泵4所需的功率由来自转速下调而产生过剩功率的电动机16的定子驱动液压马达17以液压泵方式工作而向液压马达30提供的功率，不足部分由液压泵电动机4从电网取得功率补充。当转速上调的电动机15所需补充的过剩功率小于转速下调的电动机16的过剩功率时，液压马达30从处于液压泵工作状态的液压马达17取得的功率除供给油泵4工作之外，多余部分则拖动液压泵电动机3以异步发电机方式运行，以将过剩功率送回电网。为了实现上述各种工作状态，液压马达30采用变量液压马达，液压泵4也采用变量液压泵，当调速电动机15的转速需下调而调速电动机16的转速需上调时，液压系统的工作状况与上述的工作状态类同。
与目前国内外已有的各种异步电动机无级调速系统相比，电液式异步电动机无级调速系统具有以下的优点1)结构简单，因而造价也低；2)控制和维护管理简单，在运行现场一般的技术工人就可胜任控制和维护管理工作，因此运行费用较低；3)调速电动机在各种不同的运行转速下都具有近似于满载时的效率和功率因数，因而整个调速系统的总效率较高；4)由于没有整流和逆变环节，因此不会对电网产生谐波污染；5)调速电动机在各种运行状态下其电气参数都基本上不变，因而其机械特性也不变，仍为很硬的固有机械特性，这样调速静差率较小；6)可用同一套液压系统联接几台调速电动机，以实现对几台各具不同转速的电动机同时实现无级调速运行；7)在调速电动机制动运行时可通过液压电动机回收负载系统的动能。与现有的纯粹液压无级调速系统相比，在负载功率相同的条件下，电液式异步电动机无级调速系统所需配备的液压系统的容量要比纯粹液压无级调速系统的容量小很多，而且调速电动机的转速可调范围是纯粹液压调速系统转速可调范围的两倍，总效率也比纯粹液压调速系统的效率高许多。
说明书附图1是电液式异步电动机无级调速系统的原理示意图。图中1-调速异步电动机底座；2-调速异步电动机；3-联轴器；4-液压马达支座；5-液压马达；6-液压管路；7-液压控制系统。说明书附图2是调速异步电动机的结构示意图。图中，1-转子轴伸；2-定子轴承盖；3-定子轴承；4-定子端盖；5-转子轴承；6-定子；7-电源接线端子；8-电刷；9-导电滑环；10-定子轴伸；11-导电滑环绝缘；12-定子轴承支座；13-电动机底座。说明书附图3是对单台调速异步电动机进行调速控制时的液压控制系统原理图。图中1-油箱；2-滤油器；3-变量液压泵；4-液压泵电动机；5-单向阀；6-压力表；7-三位四通电磁换向阀；8-反向调速阀；9、10-单向阀；11-正向调速阀；12-压力表；13-调速异步电动机；14-调速电动机用的液压马达；15-单向阀；16-二位二通电磁换向阀；17-压力表；18-先导式溢流阀；19-回收功率用变量液压马达；20-单向阀。说明书附图4是多电动机无级调速系统的液压控制系统的原理图。图中1-油箱；2-滤油器；3-液压泵电动机；4-变量液压泵；5-单向阀；6-压力表；7-二位二通电磁换向阀；8-三位四通电磁换向阀；9、11-调速阀；10、12-单向阀；13-压力表；14、17-调速电动机用液压马达；15、16-调速异步电动机；18-压力表；19、22-调速阀；20、21、23-单向阀；24-三位四通电磁换向阀；25、26-二位二通电磁换向阀；27-压力表；28-先导式溢流阀；29-单向阀；30-回收功率用变量液压泵。
在异步电动机的生产厂家结合异步电动机的制造是实现本发明的最好方式。由说明书附图3和附图4中可以看出，本发明所采用的液压控制系统中使用的液压元件都是普通的标准化批量生产的液压元件，液压控制系统所采用的控制方式也是传统的控制方式，因此液压控制系统部分的实现只需加工出油箱、液压集成块和连接板等，再外购标准的液压元件与液压辅件加以装配即可。调速异步电动机的转子结构、定子铁芯冲片及三相定子绕组等的结构与传统的异步电动机的结构相同。由说明书附图2可以看出，将传统的异步电动机改制成调速异步电动机，只需改变异步电动机的定子的支撑方式及电源的引入方式。因此，如用现成的传统异步电动机加以改造时则加工量较大且成本较高。如结合异步电动机的制造实现本发明时，只需将定子外壳和机座分开铸造，原来的前端盖改为附图2中标号4所示的结构形式，后端盖则改成具有轴伸的，如附图2中标号10所示的结构形式，从而实现定、转子都相对于机座的转动及定、转子之间能相对转动，再在定子轴伸中加上导电滑环、电刷和电源引出线即可。由此可见，电动机的生产厂家不需添置任何新设备，利用现有的机械加工条件就完全满足生产电液式异步电动机无级调速系统中的所有零、部件所需的机械加工要求，因而实现起来也最容易。
权利要求
1.一种电液式异步电动机无级调速系统，其特征是将异步电动机的定子部分做成具有转轴，定子转轴通过机座和轴承的支撑而可以正、反向转动。定子转轴通过联轴器接一台液压马达，通过一液压系统的控制，使液压马达既可锁定使异步电动机的定子不转动，又可使液压马达拖动异步电动机的定子转轴正向旋转或液压马达由定子驱动而反向旋转，且其转速无级可调。当异步电动机的定子绕组通过定子转轴的电刷和导电滑环加上工频交流电源之后，异步电动机既可恒速旋转，也可在液压系统的控制下进行无级调速。
2.根据权利要求1所述的电液式异步电动机无级调速系统，其所用的液压系统的特征是液压电动机采用具有二个转子轴伸的电动机，其中一个轴伸接一台液压油泵，另一个轴伸接一台变量液压马达。当调速电动机转速需上调时，液压泵电动机从电网取得功率驱动液压泵及液压系统工作；当调速电动机转速需下调时，通过液压系统的控制，使调速电动机的定子旋转且其转向与转子的转向相反，与调速电动机定子转轴相联接的液压马达以液压泵方式运行，驱动联接在液压泵电动机另一轴伸处的变量液压马达旋转且使液压泵电动机的转子转速高于同步转速，液压泵电动机以异步发电机的方式运行。
3.根据权利要求1所述的电液式异步电动机无级调速系统，当用于对两台或两台以上的异步电动机同时进行调速时，其特征是所有的调速电动机的定子都具有转轴，每一台调速电动机的定子转轴都接有一台液压马达，所有与调速电动机定子转轴相联接的液压马达都接在同一液压系统中。当所有的调速电动机的转速都需上调时，由同一台液压泵电动机从电源取得功率驱动液压泵工作，通过液压控制系统驱动各台调速电动机的液压马达以各自所需的转速使调速电动机的定子正向旋转；当所有的调速电动机的转速都需下调时，通过液压系统的控制使所有与调速电动机定子转轴相联接的液压马达以液压泵方式反向旋转，共同驱动接在液压泵电动机另一轴伸处的液压马达转动，驱动液压泵电动机以异步发电机方式运行。当部分调速电动机的转速需上调而另一部分调速电动机的转速需下调时，通过液压系统的控制，使转速下调部分电动机定子转轴的液压马达以液压泵方式运行，驱动转速上调部分电动机定子转轴中的液压马达工作，整个系统为实现预定转速时功率不足部分由液压泵电动机驱动液压泵而得到补足；当功率过剩时则将过剩功率驱动液压泵电动机所联接的液压马达旋转，使液压泵电动机以异步发电机的方式运行。
全文摘要
电液式异步电动机无级调速系统是一种异步电动机定子具有由液压系统控制的液压马达驱动的转轴、通过液压系统对电动机定子转速的控制而实现异步电动机恒速或无级调速运行的系统，液压系统的液压泵电动机依调速电动机工作状态的不同既可电动运行又可异步发电运行。这种调速系统可用于对单台或多台异步电动机同时进行不同转速范围的无级调速，以解决传统交流无级调速系统造价高控制复杂，对电网有谐波污染及高速运行时特性变软等问题。
文档编号H02P7/00GK1149787SQ9610052
公开日1997年5月14日 申请日期1996年3月31日 优先权日1996年3月31日
发明者施汉基, 张世亮 申请人:施汉基, 张世亮