专利名称：磁控式无级调压变速器的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁控式无级调压变速器。
技术背景现有技术中，负载电动机的实用调速和软启动有以下方式一. 调速方式1. 无级调频变速通过半导体器件改变电源的输入频率，实现电动机的稳定启动和变速。 此方式的优点是电机启动和变速平稳，缺点是电动机的工作电流必须全部流经半导体功率元 件，产生半导体结点的功率损耗，系统的附加能耗达到10 35%;2. 自耦调压变速通过电磁式自耦调压器改变电动机的输入电压，改变电动机的旋转磁 场与转子之间的磁通密度和转速差，实现电机的启动和无级变速。此方式的优点是电机可以 缓冲启动和平稳变速，该调压器的功耗比例小于变频器；缺点是存在着主回路磨擦接触点， 调压器易损坏；3. 电磁无级调速转子线圈用直流控制。优点是电动机启动和变速平稳，缺点是转子电 流通过滑环输入，维护麻烦。二. 软启动方式以上调频方式的器件在参数选择适当时，可以兼顾电动机的软启动功能；以下为专用的 软启动方式1. 星形/三角形切换启动通过切换开关，实现电动机在星形接线的相电压下启动，而 切换在三角形接线的线电压下加速和运行。此方式的优点是启动器的功耗小于变频器；缺点 是切换瞬时断电，存在两次冲击；2. 变极切换启动通过开关切换，实现电动机在多磁极对数下启动，少磁极对数下加速 至额定转速运行。其优点是合理的接线方式可以增大低速方式的启动转矩，缺点与星形/三角 形切换启动相似。3. 变频启动采取无级变频方式起动电机，其构造比无级调频变速器稍微简单，但抗启 动电流冲击的性能较差；其它优缺点与无级调频变速器相似。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种磁控式无级调压变速器，其以高节能、抗冲击、 运行稳定、制造和运行成本相对低廉的特点和优势，可以广泛用于需要缓冲启动和平稳变速 的交直流电动机。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案本发明提供的磁控式无级调压变速器，硬件由磁控变抗器、控制单元和开关组成，其中 所述磁控变抗器，其主线圈的输入端连接启动开关的主电源，其主线圈输出端连接短接开关的下主触点和负载电动机，启动开关和短接开关的跳合闸线圈分别连接控制单元的对应控制 口；其调磁线圈和主线圈绕在相同磁路的铁芯上，且调磁线圈最大磁势相对于主线圈磁势的 反相位分量大于其它分量,.调磁线圈的电流大小由三极管T1控制。 本发明与传统的软启动器和变速器相比，具有以下的主要效果①实现电动机的软启动并限制启动电流；②可以进行磁控式无级变速调整；③显著降低 电动机启动变速系统的有功损耗比例；④运行稳定；⑤抗冲击性能强；⑥使用寿命长；⑦制 造和运行成本相对低廉。
图1是本发明的电气系统示意图。
具体实施方式
本发明采用以下的技术方案① 磁控式无级调压变速器由磁控变抗器、控制单元和开关组成。其中磁控变抗器的主 线圈的输入端连接启动开关的主电源，其主线圈输出端连接短接开关和负载电动机，两个开 关的跳合闸线圈分别连接控制单元的对应控制口；② 对磁控变抗器按最大稳态电流限制值所需的电抗值设计主线圈和铁芯；③ 磁控变抗器同时设计与主线圈相同磁路的调磁线圈，其感应电流的大小由控制单元通 过调磁电路的两个三极管控制；利用调磁线圈的感应电流磁势含有与主线圈磁势的相位相差 180"的分量的关系，部分抵销或者接近全部抵销主线圈的磁势，从而改变变抗器的综合磁通 量、主线圈的等效电抗值和感性电压降，实现对负载电动机输入电压、功率和变速的控制。下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。 一.磁控式无级调压变速器的结构如图l所示由磁控变抗器、控制单元和开关组成。其中磁控变抗器的主线圈6的输 入端连接启动开关10的主电源，其主线圈输出端连接短接开关3的下主接点和负载电动机 12，启动开关10跳合闸线圈连接控制单元1的控制口 Pl、 P2，短接开关3的跳合闸线圈连 接控制单元的控制口 P3、 P4。上述调磁线圈5和主线圈6绕在相同磁路的铁芯上，且调磁线圈最大磁势相对于主线圈 磁势的反相位分量大于其它分量，调整调磁线圈的感应电流的大小，相应改变磁控器的磁通 量和电压降。对于负载电动机12，如果有特殊要求，其主回路还应在电动机之前串联整流桥或者可控 桥2，其中可控桥的控制线源自控制单元l。磁控变抗器(简称磁控器)由调磁线圈5，主线圈6，调磁电路，整体铁芯或者分体铁芯 7和8组成。调磁电路中设有行程开关的常开接点4、常闭接点9，其由控制线分别连接控制单元的 控制口P7和P8;设有三级管T1，其集电极相接于整流器ll的输出端，发射极相接与整流器 11的输入端，整流器的另两端分别与调磁线圈5的两端相联接。三级管Tl的基极和发射极 分别由控制线连接控制单元P5和P6。所述的调磁线圈5，其感应电动势形成的电流回路所产生的磁势建议为A^厶安距，其中， 调磁线圈匝数A^由公式(0. 3 0. 7)^= (0. 3 0. 7)4.44,22/2^^〃确定。该公式中，调磁 电流/2在运行中可调整的范围建议为0 Ay;/i^安培。(与权5相同)所述的主线圈6，其电流所产生的磁势为A^/,安匝，其中，/,为电动机的实际工作电流； 主线圈W的匝数由公式(O. 3 0. 7)t/e= (0. 3 0. 7)4.44 /^ 〃确定。该公式中，"为 电动机额定工作电压；/为主电源频率；工为电动机额定工作电流；5为本磁控器铁芯的横截 面积；A^为本磁控器铁芯的导磁率；/为本磁控器铁芯闭合磁路的长度。本发明控制单元可采用模拟技术或者数字技术的产品，其由控制电源、模拟或者数字控 制电路、显不-器(或者信号灯)和按键(或者按钮)组成；本发明磁控式无级调压变速器在运行中电磁量变化的特征是在电动机启动阶段，磁控器主线圈的稳态感性电压降在30% 70%额定电压之间，启动电流被削减；在电动机初速启动完成之后，通过操作控制单元1，使消磁线圈内的感应电流值受控改变，其磁势部分地或全 部地抵消主线圈的磁势，使磁控器铁芯的综合磁通量改变，从而磁控器主线圈的电抗值和电压降发生改变，电动机的电压、功率和转速相应被平稳改变；在磁控电流调至最大值之后， 再操作控制单元1的额定运行键1-4，合上短接开关3 (或者对于分体铁芯的设计方案，设计 电磁机构使磁控器的活动铁芯与固定铁芯逐渐分离至设定值，则磁控器主线圈的运行电抗值 和电压降逐渐减至极小)，电动机的实际工作电压就为系统供电电压。 图l中L为单相或者三相电源的火线，N为零线。二. 磁控式无级调压变速器的应用本发明提供的磁控式无级调压变速器，其在单相电源的启动器和变速器中的用途。 本发明提供的磁控式无级调压变速器，其在三相电源的启动器和变速器中的用途。该变 速器可由=.套单项磁控式调压变速器组合而成。三. 下面结合图1简述本发明使负载电动机12启动运行、变速和停止运行的操作过程1. 使负载电动机12启动运行的方案① 在负载电动机12启动前， 一体或者分体的铁芯都在闭合状态，调磁线圈5回路的三极 管处于截止状态；此状态下主线圈6的感抗最大；② 在负载电动机12启动时，按下启动键1-1 (或远方控制操作)，控制单元先驱动进线 开关10合闸，主回路电源被引入主线圈6;然后驱动主控开关3合闸，负载电动机12 被串联在主线圈6的电气回路；因此时主线圈6的感抗最大，故负载电动机i2在最低电压下 启动，转速最低；此时，调磁线圈5存在着感应电动势；2. 使负载电动机12变速运行的方案③ 若需负载电动机12转速上升，可以手动操作升速键1-2 (或远方控制操作)，LL控制 单元控制三极管Tl导通和逐渐增大基极电流，使得调磁线圈5的感应电势通过三级管Tl的 集电极和发射极形成回路电流，此电流与流经主线圈6的电流在相位上相差约180度，两种 电流所产生的磁势正好相减，即调磁线圈5电流所产生的磁势由小至大逐渐抵消主线圈6电 流所产生的磁势，其抵消过程就是由小至大地无级调压的过程。当磁势接近完全抵消时，磁控器主线圈的电压降接近最小，此时负载电动机12在次额定 电压和次额定转速下运行；④ 若需负载电动机转速调低，可以手动操作降速键l-3 (或远方控制操作)，让控制单元 控制三级管Tl减小消磁线圈回路的电流，从而增大主线圈6的电感性电压降，实现负载电动 机12转速对应下降；3. 使负载电动机12以额定参数运行的方案⑤ 若需负载电动机12的转速进一步升至额定值，可按下额定运行键l-4 (或远方控制操 作)，控制单元通过控制口P3、 P4驱动短接开关3合闸；紧接着，控制单元使调磁线圈回路 的三极管恢复至截止状态。这样，就保证了负载电动机12在全电压和额定转速下运行。若不采用短接开关的设计，而采取分体式铁芯结构，控制单元可驱动另外配套设计的机 电机构将分体铁芯7和分体铁芯8分离，使得两铁芯之间的气隙达到设定值；行程开关的常 开接点4、常闭接点9分别连接控制单元的控制口 P7、 P8,两接点的开关状态分别与两铁芯的 运动位置相关，用来限制两铁芯相对位移的行程；此时，闵两铁芯之间的气隙的导磁系数极 小，使得主线圈6的感抗、电压降和功耗极小，可以保证负载电动机12在全电压和额定转速 下运行。4. 使负载电动机12停止运行的方案⑥ 软停机负载电动机12停运操作时，按下停止键1-5 (或远方控制操作)，在调磁回路的三极管Tl处于饱和导通和启动开关处于合闸状态下，控制单元顺序驱动短接开关3跳闸、 三极管反向调磁使磁控器逐渐增至最大电压降、启动开关10跳闹，负载电动机12因断电停 运；对于无短接开关而采取铁心分体运行的设计方案，控制单元1顺序驱动电磁机构将分体 铁芯7和8逐渐闭合、调磁电流由人到小至三极管T1截止、再跳开启动开关IO，负载电动 机12因断电停运； 硬停机按下紧急停机按钮1-6，控制单元同时驱动调磁三极管饱和导通(消除磁控 器的自感电势)、短接开关3和启动开关IO跳闸，然后调磁三极管截止复位；对于无短接开关而采取铁心分体运行的设计方案，控制单元1先驱动启动开关io跳闸停 机；然后驱动铁芯7和8、三极管T复位，为负载电动机12的下一次启动作好准备。四.本发明的基本参数控制、节电分析与性能说明1.起动状态在负载电动机启动时，磁控器的铁心可在闭合位置，调磁回路在截止状态；此时，磁控 器的电抗值最大。考虑到电动机负载启动需要一定的功率，设为(0.3 0.7) &，则磁控器和电动机的电压降可由下式估算<formula>formula see original document page 6</formula> (公式组l) 在公式组l中，231为磁控器电抗；Zm为电动机的实际负载阻抗；/,为实际工作电流；^ 为额定电压；^为电动机的额定负载阻抗；人为额定工作电流。则磁控器的计算阻抗值为<formula>formula see original document page 7</formula>考虑到电动机在负载下启动需有功率富裕量，可取磁控器的最大阻抗为 <formula>formula see original document page 7</formula> (公式2)而电动机在启动初始时的冲击电流主要取决于磁控器和电动机的次暂态电抗X: 、 Z二和 线圈电阻i e。，故启动瞬时，电动机的次暂态冲击电流为<formula>formula see original document page 7</formula> (公式3)此次暂态电流瞬时值(在合闸后的0.02秒即一个工频周期以内)可以达到3 6倍的额 定电流，有利于电动机的负载启动。在次暂态瞬时过后，电动机的阻抗需要数秒时间后才能 以指数函数的关系相对缓慢地逐渐增大至额定负载阻抗，在此过程中，磁控器所流过的启动电流可不小于下式的估算值<formula>formula see original document page 7</formula> (公式4)在公式4中，f为电动机的启动时间；々为时间系数，由试验决定。由公式4可见，在次暂态以后的启动过程中，电机的持续电流仍维持不小于由约3.0 1.4倍渐变至约0.8 0.6倍的额定电流值，继续有利于克服包括电动机在启动时的静态磨擦、负载和惯性转矩，且电流最终稳定于低速设定值；若需进一步增大或者减小启动功率，则可根据实际要求相应减小或者增大磁控器的最大电抗值。在电动机的启动阶段，磁控器的调磁回路处于基本断开的状态，磁控器的有功损耗仅存在于磁控器主线圈的相对微小的铜损和铁损；在恰当选择主线圈的匝数和线径时，其有功损耗率/^//。为<formula>formula see original document page 7</formula> (公式5)在公式5中，A/T/。为主线圈有功损耗率；i co为主线圈电阻；i w为主开关触头的接触 电阻；A&为磁控器铁损；CO—为功率因数。可见其功耗甚小。(若主回路增加双向可控硅作静态控制，则其损耗应另行计算)。2.调磁状态负载电动机在铁芯闭合状态启动后，其转速达到初速，然后，通过自动或者手动操作逐渐调磁升速或变速。此时，磁控器的有功损耗为<formula>formula see original document page 7</formula> (公式6)在公式6中A"w为调磁回路三级管c-e结的电压降；M、 A^分别为主线圈、调磁线圈 的匝数；/,、 /2分别为主电流、调磁电流。 由公式6可见 磁控器的损耗与/2 二AWA^相关；若在电动机启动后，磁控器的电压降为(0.3 0.5) C4，其视在功率比例相同，且基本为无功功率(功率角p趋近于90";若电动机在额定方式下运行(磁控器的电压降被磁控消除)，则磁控器的有功损耗率也同比例减小， 即可实现APS% =(0.3 0.7) 5"e cos^ = (0.3 0.7) C/e/e cosp S 2%按用调磁线圈完全消除磁控器的电压降来计算，磁控器的相关参数可按下式选择 [/s-(0.3 0. 7) t/e -AAA,,2/^^"-*^/!,;/^^"/ (公式7)在公式7中^为磁控器的电压降；/为电源频率；S为铁心截面积；/^为铁心导磁率； /为磁路长度；/,和/2则可分别折算两侧线圈的线径。② 具体设计时，只要将磁控器两侧线圈的匝数、变比和线径选择恰当，则线圈的铜损和三级管的功率损耗也就相应较小；③ 从动态的角度说，磁控器在调磁状态下，随着调磁电流iz的增加，磁控三极管的有功 损耗At/w A相应增大，但磁控器的铁损因磁通量的减小而相应减小。在调磁运行方式下，运行人员可将电动机转速在启动后的初速至接近额定转速之间任意 调节。3. 额定转速状态磁控器经过调磁增速使电动机接近额定转速之后，若需保持电动机在全电压额定转速下运行，可以用短接开关将磁控器短接的方法实现；此方法下，磁控器微损耗。对于无短接开关而采用分体铁芯磁控器的设计，可以继续通过另外配套设计的电磁机构使铁心分体和逐渐增大空气间隙至设定值、调磁二极管截止，从而使磁控器的电感、电抗、铁损和电压降的数值小至可以忽略不计，电动机达到额定电压和额定转速。此状态下，磁控器的有功损耗仅为主线圏的铜损，其损耗率进一歩小到 AP￡ %《0.2%相比之下，现有最先进的电子调频变速器的有功损耗率为-APe, % = [(AL/Z// + At/恥历+ △"， )/, /尸。]x 100%》5% (公式8)在公式8中Af/a为整流损耗；Af7^w为变频损耗；A(7，波形整理损耗；P。为负载电动机的总启动功率，在额定转速时，此项为额定功率。4. 结论:在主回路无特别要求加整流桥或可控桥的情况下，本发明在电动机初级启动期间，其有功损耗可不大于O. 5%;在调磁变速期间，其有功损耗可不大于2%;在额定转速期间，其有功损耗可不大于0. 2%。可见本发明的节电作用十分明显。本发明还具有可实现电动机的软启动、进行磁控式无级变速调整、运行稳定、抗冲击性 能强、使用寿命长、制造和运行成本相对低廉的突出优点。因此，本发明可以成为一种高性能、低成本、高节能的新型的电动机启动器和变速器。
权利要求
1.一种磁控式无级调压变速器，其特征是硬件由磁控变抗器、控制单元和开关组成，其中所述磁控变抗器，其主线圈(6)的输入端连接启动开关(10)的主电源，其主线圈(6)的输出端连接短接开关(3)的下主触点和负载电动机(12)，启动开关(10)和短接开关(3)的跳合闸线圈分别连接控制单元的对应控制口；其调磁线圈(5)和主线圈(6)绕在相同磁路的铁芯上，且调磁线圈最大磁势相对于主线圈磁势的反相位分量大于其它分量；调磁线圈(5)的电流大小由三极管(T1)控制。
2. 根据权利要求1所述的磁控式无级调压变速器，其特征在于磁控变抗器由调磁线圈 (5)、主线圈(6)、调磁电路、分体铁芯(7、 8)或者整体铁芯组成，调磁电路中设有行程开关的常开接点(4)、常闭接点(9)，其由控制线分别连接控制 单元的控制口 (P7、 P8);设有三级管(Tl)，其集电极相接于整流器(11)的输出端，其发 射极相接与整流器(11)的输入端，其基极和发射极分别由控制线连接控制单元(P5、 P6); 整流器的另两端分别与调磁线圈(5)的两端相联接，。
3. 根据权利要求1或2所述的磁控式无级调压变速器，其特征在于所述的主线圈(6)， 其电流所产生的磁势为7V,/,安匝，其中，A为电动机的实际工作电流；主线圈M的匝数由公式①确定<formula>formula see original document page 2</formula> (公式①) 在公式①中^为电动机额定工作电压；/为主电源频率；^为电动机额定工作电流；S为本磁控器铁芯的横截面积；/V为本磁控器铁芯的导磁率；/为本磁控器铁芯闭合磁路的长度。午.根据权利要求1或2所述的磁控式无级调压变速器，其特征在于所述的调磁线圈(5)， 其感应电动势形成的电流回路所产生的磁势为7\^2/2安匝，其中，调磁线圈匝数A^由公式②确 定<formula>formula see original document page 2</formula> (公式②) 在公式②中，调磁电流/2在运行中可调整的范围为0 7V^/A^安培。 7.磁控式无级调压变速器在单相电源的启动器和变速器中的用途。 6.磁控式无级调压变速器在三相电源的启动器和变速器中的用途。
全文摘要
本发明磁控式无级调压变速器由磁控变抗器、控制单元和开关组成，其中所述磁控变抗器，其主线圈(6)的输入端连接启动开关(10)的主电源，该主线圈输出端连接短接开关(3)的下主触点和负载电动机(12)；启动开关(10)和短接开关(3)的跳合闸线圈分别连接控制单元的对应控制口；其调磁线圈(5)和主线圈(6)绕在相同磁路的铁芯上，且调磁线圈最大磁势相对于主线圈磁势的反相位分量大于其它分量；调磁线圈(5)的电流大小由三极管(T1)控制。本发明具有可实现电动机的软启动、进行磁控式无级变速调整、运行稳定、抗冲击性能强、使用寿命长、制造和运行成本相对低廉以及显著降低调压变速系统的功率损耗比例等优点。
文档编号H02P1/42GK101237205SQ20081004694
公开日2008年8月6日 申请日期2008年2月28日 优先权日2008年2月28日
发明者辉 彭, 李自品, 舒乃秋, 骆德昌 申请人:武汉大学