專利名稱：交流電動機的三波起動方法及其繞組的聯(lián)結(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于交流電動機的起動方法，及其電動機定子繞組的聯(lián)結(jié)方法。
本發(fā)明的發(fā)明人于1985年首次申請的發(fā)明專利“諧波起動方法及按該方法起動的電動機”于1988年先后獲得中國和美國的發(fā)明專利(中國專利號85102382.7，美國專利號4736147)。與此同時，該新型電動機開始進入工業(yè)應(yīng)用，至今11年。
11年來，從技術(shù)的改進來看可分為兩個階段，從產(chǎn)品的更新?lián)Q代說即為兩代。第一代諧波起動電動機是單諧波起動，即起動時只有一個諧波而沒有基波，因此從諧波起動過渡到基波運行必須切斷電源而帶來很多嚴(yán)重缺點，如斷電時電機轉(zhuǎn)速急劇下降，再合上電源就發(fā)生很大的沖擊電流等。為克服這些缺點，本發(fā)明的發(fā)明人于1989年9月申請了發(fā)明專利“雙諧波起動和調(diào)速的交流電動機定子繞組”，提出利用基波和一個諧波進行雙波聯(lián)合起動，從而實現(xiàn)了從諧波起動轉(zhuǎn)為正常運行的不斷電轉(zhuǎn)換。使諧波起動電動機進入第二代。上述的雙諧波起動專利于1997年1月獲得專利發(fā)明權(quán)(專利號為ZL89106903.8)。
第二代諧波起動電動機于1992年開始在工業(yè)上應(yīng)用，7年來的實踐說明，這種雙諧波起動電動機仍存在下列缺點必須改進1)對8極電動機，起動轉(zhuǎn)矩很難提高，雖經(jīng)多次修改繞組方案，仍很難突破，起動轉(zhuǎn)矩總是低于1.4倍；2)對4極、6極電動機，則由于采用多極數(shù)諧波(高次諧波)起動，起動后轉(zhuǎn)速不可能達到電動機的額定轉(zhuǎn)速，勢必在起動半途便須從諧波起動轉(zhuǎn)換到基波起動，以至起動電流突然上升到額定電流的5-7倍。此時，若電動機的供電變壓器的容量不大，或供電線路上開關(guān)的跳閘電流整定得不夠大，則往往發(fā)生跳閘事故。
為解決上述兩個問題，本發(fā)明提出一個“三波起動”新方法電動機出線6根，分接兩個三相開關(guān)，當(dāng)把第一個開關(guān)投入電網(wǎng)而進入起動工況時，定子繞組產(chǎn)生三個極數(shù)不同的磁動勢波聯(lián)合進行起動；這三個磁動勢波的旋轉(zhuǎn)方向必須相同，其中一個的極數(shù)是電動機的工作極數(shù)稱為基波，第二個是極數(shù)比基波的少一對極的低次諧波，起動轉(zhuǎn)矩主要靠它產(chǎn)生，稱為主諧波，第三個是極數(shù)比基波的多一對極或二對極的高次諧波，稱為副諧波；起動時三波密切配合，開始時主要依靠主、副諧波的作用，隨著轉(zhuǎn)速的上升基波也越來越大地發(fā)揮作用，因此起動后能使轉(zhuǎn)速一直上升而達到電動機額定轉(zhuǎn)速附近，此時將第二個開關(guān)投入電網(wǎng)，把主、副諧波消除，并加強基波，在基波單獨作用下平穩(wěn)地過渡到正常運行，沒有任何電流的沖擊就完成了起動的全過程。由此可見本發(fā)明提出的“三波起動”是一個比較完善的理想的起動方法。
實現(xiàn)上述三波起動的關(guān)鍵是定子繞組的聯(lián)結(jié)方法，其基本要求是當(dāng)合上第一個開關(guān)時，定子繞組按起動工況聯(lián)結(jié)，產(chǎn)生三波起動所需的三個不同極數(shù)的磁動勢波；而當(dāng)起動完畢時再合上第二個開關(guān)，使定子繞組改為按運行工況聯(lián)結(jié)，而消除前述的主、副諧波，使電動機過渡到只有基波的正常運行。
本發(fā)明提出四種定子繞組聯(lián)結(jié)方法來滿足上述要求，即大小雙星/大星聯(lián)結(jié)法、三星/三角形聯(lián)結(jié)法、2大1小三星/三角形聯(lián)結(jié)法和復(fù)合四星/(星-三角)聯(lián)結(jié)法。
一、大小雙星/大星聯(lián)結(jié)法把定子繞組按正規(guī)60°相帶繞組分配給三相的槽號聯(lián)結(jié)成結(jié)構(gòu)不同的兩個星形聯(lián)結(jié)，兩星形串聯(lián)的線圈數(shù)和線圈匝數(shù)不相等，稱為大小雙星，每相串聯(lián)線圈數(shù)多的一個星形聯(lián)結(jié)稱為大星，用Yd表示，而每相串聯(lián)線圈數(shù)少的一個稱為小星，用Ys表示。若大小雙星每相串聯(lián)的線圈數(shù)分別為Cd和cs’線圈匝數(shù)分別為td和ts’線匝的截面積分別為Sd和Ss’則應(yīng)滿足cdtd=csts和tdSd=tsSs，以使Yd和Ys每相匝數(shù)相等，并且兩種線圈的外觀尺寸相同。在具體分配槽號給雙星時，必須使Yd和Ys對應(yīng)兩相由基波磁場感應(yīng)的電動勢同相位。這時Yd和Ys的電動勢必定滿足同相位、同大小的并聯(lián)條件，因此電動機運行時，可把大小雙星并聯(lián)地接于電網(wǎng)，它們聯(lián)合產(chǎn)生基波磁動勢。起動時則丟棄小星Ys’只把大星Yd投入電網(wǎng)，而由Yd產(chǎn)生三波起動所需的三種極數(shù)的磁動勢波，分配槽號給Yd時必須保證能達到此目的。
大小雙星/大星聯(lián)結(jié)法適用于任何極對數(shù)的三相電動機，無論是整數(shù)槽繞組，還是分?jǐn)?shù)槽繞組都能采用。由于對應(yīng)于兩個星形，每相只有兩條并聯(lián)支路。既適用于低壓電機，更適用于高壓電機。
大小雙星聯(lián)結(jié)的通用接線圖如

圖1所示，Ad、Bd、Cd三段是大星Yd三相所占槽號，其首端用UQ、VQ、WQ作標(biāo)記。As、Bs、Cs三段是小星Ys三相所占槽號，其首端用U、V、W作標(biāo)記。六段的末端連接在一起而構(gòu)成中性點。每段旁邊的空心箭頭表示接線方向，即沿箭頭方向接線時，正槽號為順接，負(fù)槽號為反按。起動時操作過程為在U、V、W三點從電網(wǎng)斷開的條件下，把UQ、VQ、WQ三點投入電網(wǎng)，電動機便開始起動和升速，當(dāng)轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速附近時，再把U、V、W三點分別投入UQ、VQ、WQ三點所接入的電網(wǎng)，便完成起動過程。
對雙層繞組，每個槽號代表一個線圈。從上述可見采用大小雙星實現(xiàn)三波起動時，中心任務(wù)就是如何把定子全部槽號分配給大小雙星的六段繞組，下面舉出五個實施例。
實施例1 定子槽數(shù)Z1=72的8極電動機。該電機定子每相的最大并聯(lián)支路數(shù)a=8，即按正規(guī)60°相帶繞組排列時，每相有8個同相位、同大小的相帶，稱為“等相帶”，每個等相帶串聯(lián)3個槽號?，F(xiàn)將每相的6個等相帶共3×6=18個槽號串聯(lián)為一段作為大星Yd的三相繞組Ad、Bd、Cd，把每相剩下的2個等相帶共3×2=6個槽號串聯(lián)為一段而構(gòu)成小星Ys的三相繞組As、Bs、Cs。為滿足cdtd=csts和tdSd=tsSs條件，取大星每線圈匝數(shù)為小星每線圈匝數(shù)的1/3，而其匝截面積為小星匝截面積的3倍。這樣就確定了大小雙星聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)型式。
最后，把72個槽號具體地分配給上述結(jié)構(gòu)的6段繞組，以保證當(dāng)大星Yd單獨接入電網(wǎng)時產(chǎn)生三波起動法所需的6極、8極和10極三種磁動勢波。不同的分配方案，將使三種磁動勢波的含量大小不同，因此獲得不同的起動特性。下面舉出一個較好的方案作為示例，其6段繞組所占槽號如下Ad19，20，21，37，38，39，55，56，57，-10，-11，-12，-28，-29，-30，-46，-47，-48Bd7，8，25，26，27，43，44，45，63，-16，-17，-18，-34，-35，-36，-52，-53，-54。
Cd13，14，15，31，32，33，49，50，51，-4，-22，-23，-24，-40，-41，-42，-59，-60。
As1，2，3，-64，-65，-66。
Bs9，61，62，-70，-71，-72。
Cs67，68，69，-5，-6，-58。
取定子線圈節(jié)距y1=8，對該方案進行諧波分析表明當(dāng)Ad、Bd、Cd構(gòu)成的Yd單獨接入電網(wǎng)時，產(chǎn)生的最強三個磁動勢波幅值的相對大小是6極主諧波36.77％，8極基波100％，10極副諧波21.17％，都是正轉(zhuǎn)波，滿足三波起動的要求。把該方案應(yīng)用于一臺130kW8極電動機，通過電磁計算可求得采用三波起動時獲得的起動電流Ist=2.91倍、起動轉(zhuǎn)距Tst=1.8倍的很好的起動性能。
實施例2在上述的Z1=72槽8極電動機例子中，還可采用下述的大小雙星的結(jié)構(gòu)型式。即改為大星Yd每相由5個等相帶共3×5=15個槽號串聯(lián)而成，小星Ys每相由3個等相帶共3×3=9個槽號串聯(lián)而成。相應(yīng)地大小星每線圈匝數(shù)之比改為3∶5，而匝截面積之比為5∶3。
按上述結(jié)構(gòu)型式設(shè)計的一個新方案的6段繞組所占槽號如下Ad3，19，20，21，37，38，39，-10，-11，-12，-28，-29，-30，-46，-47。
Bd7，8，25，26，27，43，45，-16，-17，-18，-34，-35，-36，-54，-71。
Cd13，14，15，31，32，33，50，51，67，-4，-22，-23，-24，-41，-42。
As1，2，55，56，57，-48，-64，-65，-66。
Bs9，44，61，62，63，-52，-53，-70，-72。
Cs49，68，69，-5，-6，-40，-58，-59，-60。
取y1=10，可求得當(dāng)大星Yd單獨接入電網(wǎng)時，產(chǎn)生的最強三個磁動勢波的幅值為6極主諧波55.69％，8極基波100％，10極副諧波23.92％，皆為正轉(zhuǎn)波，滿足三波起動的要求。該方案應(yīng)用于一臺380kW8極6kV高壓電動機時，獲得的起動特性為Ist=3.26倍，Tst=1.91倍。
實施例3 Z1=84的8極電動機。該電動機為每極每相槽數(shù)84/(3×8)=7/2的分?jǐn)?shù)槽繞組，其每相的最大并聯(lián)支路數(shù)為a=8/2=4。因此每相只有4個等相帶，每個等相帶串聯(lián)7個槽號。這時只有一種大小雙星結(jié)構(gòu)，即大星Yd每相由3個等相帶的7×3=21個槽號串聯(lián)構(gòu)成，而小星Ys每相由1個等相帶的7個槽號串聯(lián)構(gòu)成，大、小星的線圈匝數(shù)之比為1∶3，而匝截面積之比為3∶1。
下面列出按上述結(jié)構(gòu)型式設(shè)計的一個方案的大小雙星6段繞組所占槽號Ad1，22，23，24，25，43，44，45，46，65，66，67，-12，-13，-14，-33，-34，-35，-54，-55，-56。
Bd8，9，10，29，30，31，32，50，51，52，53，74，-19，-20，-21，-40，-41，-42，-61，-62，-63。
Cd15，16，17，18，36，37，38，39，57，58，59，60，-5，-26，-27，-28，-47，-48，-49，-69，-70。
As2，3，4，64，-75，-76，-77。
Bs11，71，72，73，-82，-83，-84。
Cs78，79，80，81，-6，-7，-68。
取y1=10，可求得當(dāng)大星Yd單獨接入電網(wǎng)時，產(chǎn)生的三波起動所需三個磁動勢波的幅值為6極主諧波37.83％，8極基波100％，10極副諧波19.06％。該在案應(yīng)用于一臺245kW8極電動機時，獲得的起動特性為Ist=3.11倍，Tst=1.93倍。
實施例4 Z1=72的6極電動機。該電動機每相的最大并聯(lián)支路數(shù)為a=6，因此每相有6個等相帶，每個等相帶串聯(lián)4個槽號。這時只有一種大小雙星結(jié)構(gòu)，即大星Yd每相由4個等相帶的4×4=16個槽號串聯(lián)構(gòu)成，而小星Ys每相由2個等相帶的4×2=8個槽號串聯(lián)構(gòu)成，大、小星的線圈匝數(shù)之比為1∶2，而匝截面積之比為2∶1。
按上述結(jié)構(gòu)型式設(shè)計的一個方案的大小雙星6段繞組所占槽號如下Ad25，26，27，28，49，50，51，52，-13，-14，-15，-37，-38，-39，-40，-64。
Bd9，10，33，34，35，36，59，60，-21，-22，-23，-24，-45，-46，-47，-48。
Cd17，18，19，20，41，42，43，44，-5，-29，-30，-31，-32，-54，-55，-56。
As1，2，3，4，-16，-61，-62，-63。
Bs11，12，57，58，-69，-70，-71，-72。
Cs65，66，67，68，-6，-7，-8，-53。
取y1=11，可求得當(dāng)大星Yd單獨接入電網(wǎng)時，產(chǎn)生的三波起動所需三個磁動勢波的幅值為4極主諧波52.77％，6極基波100％，8極副諧波22.21％。該方案應(yīng)用于一臺550kW6極6kV高壓電動機時，獲得的起動特性為Ist=3.60倍，Tst=2.08倍。
實施例5 Z1=72的4極電動機。該電動機每相的最大并聯(lián)支路數(shù)為a=4，因此每相有4個等相帶，每個等相帶串聯(lián)6個槽號，可采用下述的大小雙星結(jié)構(gòu)大星Yd每相由3個等相帶的6×3=18個槽號串聯(lián)構(gòu)成，而小星Ys每相由1個等相帶的6個槽號串聯(lián)構(gòu)成，大、小星的線圈匝數(shù)之比為1∶3，而匝截面積之比為3∶1。
按上述結(jié)構(gòu)型式設(shè)計的一個方案的大小雙星6段繞組所占槽號如下Ad4，5，6，37，38，39，40，41，42，-19，-20，-21，-22，-23，-24，-55，-56，-57。
Bd13，14，15，16，17，18，49，50，51，52，53，54，-31，-32，-33，-34，-35，-36，。
Cd25，26，27，28，29，30，-7，-8，-9，-10，-11，-12，-43，-44，-45，-46，-47，-48。
As1，2，3，-58，-59，-60。
Bs-67，-68，-69，-70，-71，-72。
Cs61，62，63，64，65，66。
取y1=14，可求得當(dāng)大星Yd單獨接入電網(wǎng)時產(chǎn)生的最強三個磁動勢波的幅值為2極主諧波35.72％，4極基波100％，6極副諧波21.08％，皆為正轉(zhuǎn)波，滿足三波起動的要求。該方案應(yīng)用于一臺30kW4極電動機時，獲得的起動特性為Ist=3.83倍，Tst=1.87倍。
二、用于72槽4極的特殊結(jié)構(gòu)的大小雙星/大星聯(lián)結(jié)法對72槽4極電動機，除了采用上述的通用于各種極數(shù)的大小雙星聯(lián)結(jié)法外，尚有下述的一種獨特聯(lián)結(jié)法，其原理如圖2所示。
圖2a為72槽4極繞組，按正規(guī)60°相帶繞組分配三相槽號時，每相4個等相帶24個槽號在4極相位圖上的布置情況(圖中每個○代表一個槽號)?，F(xiàn)將其中一個等相帶的6個槽號分成2個小組第一小組為自左至右觀察的第二和第五兩個槽號，第二小組為剩下來的第一、第三、第四和第六共4個槽號。再將每相第一小組的2個槽號與一個等相帶的6個槽號，共8個槽號串聯(lián)為一段繞組，構(gòu)成小星Ys的As、Bs、Cs三相。而將每相第二小組的4個槽號與剩下的2個等相帶共16個槽號串聯(lián)為一段繞組，構(gòu)成大星Yd的Ad、Bd、Cd三相，如圖2b所示。這時大星每線圈的匝數(shù)應(yīng)為小星者的一半，而其截面積應(yīng)為小星者的2倍。
觀察圖2b可見由4極基波磁場感應(yīng)于大小雙星對應(yīng)兩相的電動勢Ed和Es必定嚴(yán)格地同相位。至于大小上可計算如下，設(shè)小星每線圈4匝，大星每線圈2匝，每匝的電動勢為1V，則得Es=2(4cos 5°+8cos 15°+4cos 25°)=30.6748331VEd=2(6cos 5°+4cos 15°+6cos 25°)=30.55743643VEs-EdEs=30.6748331-30.5574364330.6748331=0.003827133]]>可見電動勢Ed和Es在大小上只相差0.3827％，在工程實際應(yīng)用上可認(rèn)為Ed和Es同大小。于是，Ed和Es同相位、同大小，因此大小雙星可以并聯(lián)地接于電網(wǎng)。
此外，從上述大小雙星的結(jié)構(gòu)型式，可用電路理論嚴(yán)格證明小星Ys每相的漏阻抗與大星Yd每相的漏阻抗之比為2∶1。于是，從電流分配與漏阻抗成反比可見，大小雙星并聯(lián)地接于電網(wǎng)時，通過小星的電流與通過大星的電流之比為1∶2。
這種特殊結(jié)構(gòu)的大小雙星/大星聯(lián)結(jié)法，為72槽4極電動機增加了一個新的聯(lián)結(jié)法，便于進行方案比較，下面舉出一個實施例。
實施例6 Z1=72槽4極電動機，采用上述的特殊結(jié)構(gòu)的大小雙星/大星聯(lián)結(jié)法設(shè)計的一個新方案的6段繞組所占槽號如下Ad1，2，3，4，6，37，39，40，41，42，-55，-56，-57，-58，-59，-60。
Bd16，18，49，50，51，52，53，54，-31，-33，-67，-68，-69，-70，-71，-72。
Cd28，30，61，62，63，64，65，66，-7，-8，-9，-43，-45，-46，-47，-48。
As5，38，-19，-20，-21，-22，-23，-24。
Bs13，14，15，17，-32，-34，-35，-36。
Cs25，26，27，29，-10，-11，-12，-44。
取y1=14，可求得當(dāng)大星Yd單獨接入電網(wǎng)時，產(chǎn)生的最強三個磁動勢波的幅值為2極主諧波40.94％，4極基波100％，6極副諧波23.79％，皆為正轉(zhuǎn)波，滿足三波起動的要求。該方案與實施例5的比較，可見主諧波幅值有較大提高，副諧波幅值也有所提高。將該方案應(yīng)用于實施例5所用的同一臺30kW4極電動機時，獲得的起動特性為Ist=3.67倍，Tst=2.17倍，可見其起動特性遠(yuǎn)比三、三星/三角形聯(lián)結(jié)法把定子繞組按正規(guī)60°相帶繞組分配給三相的槽號聯(lián)結(jié)成三個星形聯(lián)結(jié)，起動時則通過開關(guān)操作丟棄其中一個星形而把剩下兩個星形改變?yōu)槿切温?lián)結(jié)，而由后者產(chǎn)生三波起動所需的三種極數(shù)的磁動勢波。這種連接法的特點是所有線圈的匝數(shù)和結(jié)構(gòu)都相同，屬于工藝性很好的等元件繞組。
圖3是該聯(lián)結(jié)法通用于各種極對數(shù)電動機的接線圖。每相所占槽號分為三段，即A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3。把它們連接成三個星形Y1其三相為A1、B1、C1；Y2其三相為A3、B2、C2；Y3其三相為A3、B3、C3。運行時三星并聯(lián)接于電網(wǎng)。起動時，在U、V、W三個端點從電網(wǎng)斷開的條件下，把UQ、VQ、WQ三個端點投入電網(wǎng)，此時A2、A3、B1、B2、C3、C1六段串聯(lián)成一三角形。
下面就6極、4極、8極電動機三種情況分別進行分析。
1)6極電動機的三星/三角形聯(lián)結(jié)法對6極電動機，a=6，每相有6個等相帶，可平分為3段繞組，每段由2個等相帶的槽號串聯(lián)構(gòu)成。顯然，這時所得3段繞組對6極基波說必定符合同相位、同大小的并聯(lián)條件。因此圖3所示3個星形聯(lián)結(jié)Y1、Y2、Y3對6極基波說都是對稱三相聯(lián)結(jié)，它們并聯(lián)接于電網(wǎng)時，從電網(wǎng)每相流入三星的電流必定是同相位、同大小，其情況與正規(guī)60°相帶繞組的完全一樣，這是最理想的情況。
在此情況下，只要把繞組設(shè)計成起動時的三角形聯(lián)結(jié)投入電網(wǎng)時產(chǎn)生三波起動所需的三種極數(shù)的磁動勢波就達到目的。下面舉出一個實施例。
實施例7 Z1=72槽6極電動機，采用上.述的三星/三角形聯(lián)結(jié)法設(shè)計的一個方案的9段繞組所占槽號如下A125，26，27，28，-13，-14，-15，-16。
A21，2，3，4，-61，-62，-63，-64。
A349，50，51，52，-37，-38，-39，-40。
B1-69，-70，-71，-72，57，58，59，60。
B2-45，-46，-47，-48，33，34，35，36。
B3-21，-22，-23，-24，9，10，11，12。
C1-55，-56，41，42，43，44，-29，-30。
C2-31，-32，17，18，19，20，-5，-6。
C3-7，-8，65，66，67，68，-53，-54。
從圖3可見，起動時僅UQ、VQ、WQ三點單獨接入電網(wǎng)，此時構(gòu)成的三角形聯(lián)結(jié)三個邊串聯(lián)的槽號如下UQ-VQA2-B2=1，2，3，4，-61，-62，-63，-64，45，46，47，48，-33，-34，-35，-36。
VQ-WQB1-C1=-69，-70，-71，-72，57，58，59，60，55，56，-41，-42，-43，-44，29，30。
WQ-UQC3-A3=-7，-8，65，66，67，68，-53，-54，-49，-50，-51，-52，37，38，39，40。
取y1=9，可求得起動時構(gòu)成的三角形聯(lián)結(jié)單獨接入電網(wǎng)時，產(chǎn)生的最強三個磁動勢波的幅值為4極主諧波99.27％，6極基波100％，10極副諧波18.25％皆為正轉(zhuǎn)波，滿足三波起動的要求。該方案用于一臺30kW6極電動機時，獲得的起動特性為Ist=3.22倍，Tst=1.94倍。
2)4極電動機的三星/三角形聯(lián)結(jié)法對4極電動機，a=4，即每相只有4個等相帶，不可能平分為3段繞組，因此無法構(gòu)成三條同相位、同大小的并聯(lián)支路。常用對稱繞組的每相槽數(shù)都是3的倍數(shù)，因此都可平分為三，使三條支路所占槽號數(shù)相等，再在具體分配槽號時，盡量做到三支路對4極基波說很接近同相位、同大小。
一般說，每相三段繞組的相位結(jié)構(gòu)型式可以各不相同。這時九段繞組構(gòu)成三個不同的星形聯(lián)結(jié)Y1、Y2、Y3，但每個星形自己卻都是三相對稱的。這是因為構(gòu)成每個星形三相的三段繞組對4極基波說仍然是嚴(yán)格地同大小而在相位上互差120°。在此情況下，三星形并聯(lián)運行時，每個星形三相電流是對稱的，但從電網(wǎng)每相流入三星形的電流卻是不同相位、也不同大小。這就引起定子繞組產(chǎn)生很多額外的諧波磁場，顯著影響電動機的運行性能，產(chǎn)生噪音、振動，降低過載能力。
為降低上述影響，最好的情況是每相三并聯(lián)支路的槽號由4極基波磁場感應(yīng)的電動勢，在相位上嚴(yán)格同相位。在大小上有二條支路相等，只有第三條支路在大小上存在較小差別。下面用一個具體例子說明。
實施例8 Z1=72槽的4極電動機，采用三星/三角形聯(lián)結(jié)法設(shè)計的一個方案的9段繞組所占槽號如表1所示。
從表1可見對4極基波說每相三支路嚴(yán)格同相位，第一和第三支路同大小，第二支路稍微小一點。具體計算結(jié)果第二支路只比其他兩支路小O.7654％。這就大大削弱了前述的額外諧波磁場，使電動機具有優(yōu)良的運行性能從圖3可見，起動時僅UQ、VQ、WQ三點單獨接入電網(wǎng)。此時構(gòu)成的三角形三個邊串聯(lián)的槽號如下UQ-VQA2-B2=1，3，4，6，-55，-57，-58，-60，-49，-51，-52，-54，31，33，34，36。
VQ-WQB1-C1=50，53，-67，-68，-69，-70，-71，-72，-26，-29，43，44，45，46，47，48。
WQ-UQC3-A3=-8，-11，61，62，63，64，65，66，56，59，-37，-38，-39，-40，-41，-42。
表1 72槽4極電動機采用3Y/△聯(lián)結(jié)法的9段繞組所占槽號 取y1=11，從上列三角形三相槽號可分析出起動時產(chǎn)生的三個最強的磁動勢波的幅值為2極主諧波98．81％，4極基波100％，8極副諧波14.09％,滿足三波起動的要求。該方案用于一臺30 kW 4極電動機時，獲得的起動特性為Ist=3．79倍，Tst=2．02倍。
3)8級電動機的三星/三角形聯(lián)結(jié)法8級電動機的三星/三角形聯(lián)結(jié)法與4級電動機的相似，因此前面對4級電動機的分析可全部用于8級電動機，只是具體數(shù)字不同，這里不再重復(fù)。下面舉一例說明。
實施例9 Z=72的8級電動機，采用3Y/△聯(lián)結(jié)法，仿照表1可列出1個可行方案，如表2所示。
從表2可見對8級基波說每相三條支路嚴(yán)格地同相位，第2和第3支路同大小，但第1支路的大小則比其他兩條支路的大些。具體計算結(jié)果表明第1支路的大小比其他兩條支路的大1.5791％。這個數(shù)字不算大，但已有相當(dāng)?shù)姆至苛耍瑢嶋H運用時，必須根據(jù)具體情況作進一步分析。
從圖3可見起動時該方案構(gòu)成的三角形聯(lián)結(jié)三個邊串聯(lián)的槽號如下UQ-VQ: A2-B2=-1O，57，1，2，3，-64，-65，-66，52，54，-43，-44，-45，34，35，-63.
VQ-WQ: B1-C1=8，-53，61，62，9，-70，-71，-72，-32，59，-49，-50，60，40，41，42.
WQ-UQ: C3-A3=-58，51，67，68，69，-4，-5，-6，46，48，-37，-38，-39，-55，-56，30.
表272槽8極電動機采用3Y/△聯(lián)結(jié)法的9段繞組所占槽號 取y1=8，從上列三角形三相槽號可分析出起動時產(chǎn)生的三個最強的磁動勢波的幅值為6極主諧波88.81％，8極基波100％，12極副諧波15.55％，皆為正轉(zhuǎn)波，滿足三波起動的要求。該方案用于一臺130 kW 8極電動機時，獲得的起動特性為Ist=3.34倍，Tst=1.83倍。
四、2大1小三星/三角形聯(lián)結(jié)法把定子繞組每相所占槽號連接成三條對基波說同相位，同大小的支路，三條支路串聯(lián)的線圈數(shù)(即槽號數(shù))有兩條支路相同，而第三條支路的則較小，結(jié)合三相便構(gòu)成2大1小的三個星形，運行時三星形并聯(lián)于電網(wǎng)，起動時通過開關(guān)操作丟棄小星形而把兩個大星形改為三角形聯(lián)結(jié)投入電網(wǎng)，以由后者產(chǎn)生三波起動法所需三種極數(shù)的磁動勢波。
這時采用圖4的接線圖，圖中A1、B1、C1為小星三相，A2、B2、C2為一個大星三相，而A3、B3、C3為另一個大星三相。起動時，U、V、W三點從電網(wǎng)斷開，把UQ、VQ、WQ三點投入電網(wǎng)。起動完畢，再把U、V、W三點分別投入UQ、VQ、WQ三點所接的電網(wǎng)三相。
2大1小三星/三角形聯(lián)結(jié)法適合用于8級采用整數(shù)槽繞組的電動機，此時每相有a=8個等相帶，可把六個等相帶分配給2個大星，每相串聯(lián)3個等相帶的槽號，而把剩下的兩個等相帶分配給小星，每相串聯(lián)2個等相帶的槽號。下面舉一實例說明。
實施例10 Z=72的8級電動機。采用2大1小三星/三角形聯(lián)結(jié)法設(shè)計的一個方案的九段繞組的槽號分配如下A119，20，21，-28，-29，-30。
A21，2，3，-10，-11，-12，-64，-65，-66。
A337，38，39，55，56，57，-46，-47，-48。
B125，26，27，-16，-17，-36。
B27，8，9，61，62，-18，-70，-71，-72。
B343，44，45，63，-34，-35，-52，-53，-54。
C113，32，33，-22，-23，-24。
C214，15，67，68，69，-4，-5，-6，-58。
C331，49，50，51，-40，-41，-42，-59，-60。
九段繞組按圖4接線，起動時小星三相被斷開，剩下兩個大星構(gòu)成的三角形聯(lián)結(jié)三個邊串聯(lián)的槽號為UQ-VQA2-B3=1，2，3，-10，-11，-12，-64，-65，-66，-43，-44，-45，-63，34， 35，52，53，54。
VQ-WQB2-C3=7，8，9，61，62，-18，-70，-71，-72，-31，-49，-50，-51，40，41，42，59，60。
WQ-UQC2-A3=14，15，67，68，69，-4，-5，-6，-58，-37，-38，-39，-55，-56，-57，46，47，48。
取y1=8，進行諧波分析，可求得起動時產(chǎn)生的主、副諧波和基波的磁動勢的幅值為6極主諧波88.01％，8極基波100％，12極副諧波13.79％皆為正轉(zhuǎn)波，滿足三波起動的要求。該方案用于一臺130kW8極電動機時，獲得的起動特性為Ist=3.29倍，Tst=1.71倍。
五、復(fù)合四星/(量-三角)聯(lián)結(jié)法在上述的2大1小三星/三角形聯(lián)結(jié)中，構(gòu)成每相2大星的兩條并聯(lián)支路所串聯(lián)的槽號對基波磁場說必定是同相位、同大小。因此可將兩并聯(lián)中的一部分槽號移到并聯(lián)組外面，把移出的槽號串聯(lián)為一條支路與剩下來的并聯(lián)組串聯(lián)，如圖5所示。圖5中A4、B4、C4便是分別從圖4中的A2、A3、B2、B3和C2、C3移出來的槽號。這樣移動必須遵循下列條件①必須成對移出，每次從第2支路和第3支路各移出一個符號；②被移出一對槽號對基波說必須是同相位；③被移出一對槽號原來是并聯(lián)，現(xiàn)改為串聯(lián)，因此每個槽號代表的線圈的匝數(shù)為原來匝數(shù)的一半，而匝截面積應(yīng)為原來者的2倍。只要符合這3個條件，便可用電路理論嚴(yán)格證明移動后的繞組對基波磁場說仍然與原來繞組等效，即不影響電動機的運行性能。比較圖4和圖5可見，起動時U、V、W三點與電網(wǎng)斷開，原來圖4變?yōu)槿切温?lián)結(jié)，而圖5變?yōu)樾?三角形聯(lián)結(jié)，其中星形的三相為A4、B4、C4。這就構(gòu)成(Y-2Y)Y/(Y-△)的復(fù)合四星/(星-三角)聯(lián)結(jié)法。
只要符合前述3個條件，從并聯(lián)組中移出多少對槽號和移出哪些槽號都沒有限制，可按需要任意選取。由此可見這種(Y-2Y)Y/(Y-△)聯(lián)結(jié)的可能不同方案是極其眾多的，實際應(yīng)用時必須多設(shè)計幾個方案，以便從中優(yōu)選最佳方案。
現(xiàn)從實施例10所示的2大1小三星/三角形聯(lián)結(jié)演變?yōu)?Y-2Y)Y/(Y-△)聯(lián)結(jié)，作為示例。
實施例11分析實施例10中每相2大星的槽號，可發(fā)現(xiàn)在A2、A3兩段中，槽號-10，-11，-12與槽號55，56，39對8極基波說同相位，因此可把它們移出A2、A3，而作為A4段所串聯(lián)槽號。同理可從B2、B3段移出槽號-18，7，8和槽號63，-62，-35作4為B4段所串聯(lián)槽號。而從C2、C3段可移出槽號14，15，-4和槽號-69，-60，31作為C4段所串聯(lián)槽號。于是，獲得新方案12段繞組串聯(lián)的槽號如下A119，20，21，-28，-29，-30。
A21，2，3，-64，-65，-66。
A337，38，57，-46，-47，-48。
A439，55，56，-10，-11，-12。
B125，26，27，-16，-17，-36。
B29，61，62，-70，-71，-72。
B343，44，45，-34，-53，-54。
B47，8，63，-18，-35，-52。
C113，32，33，-22，-23，-24。
C267，68，69，-5，-6，-58。
C349，50，51，-40，-41，-42。
C414，15，31，-4，-59，-60。
起動時構(gòu)成的Y-△聯(lián)結(jié)如圖6所示，圖6中三角形三個邊串聯(lián)的槽號如下UQ-VQA2-B3=1，2，3，-64，-65，-66，-43，-44，-45，34，53，54。，VQ-WQB2-C3=9，61，62，-70，-71，-72，-49，-50，-51，40，41，42。
WQ-UQC2-A3=67，68，69，-5，-6，-58，-37，-38，-57，46，47，48。
取y1=8，通過諧波分析可求得起動時由Y-△聯(lián)結(jié)產(chǎn)生的三個最強磁動勢波的幅值大小為6極主諧波72.90％，8極基波100％，12極副諧波16.89％，皆為正轉(zhuǎn)波，滿足三波起動的要求。將該方案用于與實施例10相同的一臺130kW8極電動機，獲得的起動特性為Ist=2.89倍，Tst=1.81倍。所得結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于實施例10所得者。
上面是從2大1小三星/三角形聯(lián)結(jié)而演變出(Y-2Y)Y/(Y-△)聯(lián)結(jié)。其實，從3Y/△聯(lián)結(jié)中，凡是每相有兩條支路所串聯(lián)槽號對基波說是同相位、同大小，都可仿照上述方法而演變出(Y-2Y)Y/Y-△)聯(lián)結(jié)法。對6極電動機的3Y/△聯(lián)結(jié)，由于3Y中每相三條支路對基波說嚴(yán)格地同相位、同大小，都可仿照上述方法而演變?yōu)?Y-2Y)Y/(Y-△)聯(lián)結(jié)。對實施例8和實施例9所示的3Y/△聯(lián)結(jié)法，由于3Y聯(lián)結(jié)每相中都有兩條支路對基波說嚴(yán)格地同相位、同大小，因此也能仿照上述方法而演變出(Y-2Y)Y/(Y-△)聯(lián)結(jié)。由此可見，(Y-2Y)Y/(Y-△)聯(lián)結(jié)法可普遍地應(yīng)用于各種極對數(shù)的三波起動電動機中。
關(guān)于轉(zhuǎn)子繞組的連接法，本發(fā)明的發(fā)明人曾在已授權(quán)的兩個發(fā)明專利“轉(zhuǎn)子變極繞組聯(lián)結(jié)的多段組合法”(專利號88106495.5)，和“異步電動機轉(zhuǎn)子繞組的疊加聯(lián)結(jié)法”(專利號ZL89106902.X)中作了詳細(xì)論述，有“并聯(lián)聯(lián)結(jié)法”和“串聯(lián)聯(lián)結(jié)法”兩種不同的方法。并聯(lián)聯(lián)結(jié)法用于起動時只有一種極數(shù)的諧波磁動勢，而串聯(lián)聯(lián)結(jié)法則用于有兩種極數(shù)以上的諧波磁動勢。本發(fā)明提出的三波起動方法，利用三種極數(shù)(一個基波和兩個諧波)的磁動勢起動，因此轉(zhuǎn)子繞組必須采用串聯(lián)聯(lián)結(jié)法。
采用并聯(lián)聯(lián)結(jié)法時須焊接很多并聯(lián)銅環(huán)，而采用串聯(lián)聯(lián)結(jié)法時將轉(zhuǎn)子線圈串聯(lián)成若干個閉合回路，取消了并聯(lián)銅環(huán)，使制造工藝大大簡化，既節(jié)省銅材又減少制造工時。
從以上所述可總結(jié)出本發(fā)明提出的三波起動方法及其繞組聯(lián)結(jié)法與當(dāng)前諧波起動電動機采用的雙波(一個基波和一個諧波)起動方法相比較，有以下突出優(yōu)點1)對8極電動機顯著提高起動轉(zhuǎn)矩，雙波起動時的起動轉(zhuǎn)矩很難超過1.4倍，三波起動時則可達到1.8-2.0倍。
2)對6極和4極電動機，采用雙波(一個基波和一個高次諧波)起動時，轉(zhuǎn)速不能達到額定轉(zhuǎn)速，半途就須切換到基波起動，產(chǎn)生很大切換電流，往往引起跳閘事故，采用三波起動，則起動后轉(zhuǎn)速可直達額定轉(zhuǎn)速附近，而徹底地消除了切換電流。
3)三波起動的轉(zhuǎn)子繞組采用串聯(lián)聯(lián)結(jié)法，消除雙波起動時所用的并聯(lián)銅環(huán)，簡化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)而降低電機成本。
4)本發(fā)明提出的大小雙星聯(lián)結(jié)法，使定子繞組每相只有兩條并聯(lián)支路，為諧波起動電動機向高壓電機發(fā)展創(chuàng)造了很好的條件。
5)本發(fā)明提出的定子繞組采用了等元件線圈或準(zhǔn)等元件線圈(外觀尺寸相同)，便于制造和嵌線，特別是線圈節(jié)距Y1的大小可按設(shè)計需要任意選取，而有利于設(shè)計。
下面對本說明書附圖作一說明圖1大小雙星聯(lián)結(jié)的通用于各種極對數(shù)的聯(lián)結(jié)圖。
圖272槽4極電動機定子繞組采用特殊的大小雙星聯(lián)結(jié)的原理圖。圖2a為每相24個槽號按4極相位排列的形式，圖2b為如何把24個槽號分為兩組。
圖3三星/三角形連接的接線圖。
圖42大1小三星/三角形連接的接線圖。
圖5復(fù)合四星/(星-三角)連接的接線圖。
圖6起動時為(星-三角)連接的各段繞組連接情況。
權(quán)利要求
1.一種交流電動機的起動方法，其特征在于，起動時定子繞組按起動工況聯(lián)結(jié)，而產(chǎn)生三個極數(shù)不同、但旋轉(zhuǎn)方向相同的磁動勢波，其中一個是電動機工作極數(shù)的基波，第二個是極數(shù)比基波的少一對極的低次諧波，第三個是極數(shù)比基波的多一對極或兩對極的高次諧波，這三個磁動勢波聯(lián)合一起而把電動機起動，并使其轉(zhuǎn)速一直上升到電動機的額定轉(zhuǎn)速附近，此時再通過開關(guān)操作，使定子繞組轉(zhuǎn)換為按運行工況聯(lián)結(jié)，而消除前述的高、低次諧波，使電動機在基波的單獨作用下正常運行，為了能實現(xiàn)上述起動方法，電動機的轉(zhuǎn)子繞組必須采用串聯(lián)接法，以使起動時三個磁動勢波都起作用。
2.一種交流電動機定子繞組聯(lián)結(jié)的方法，其特征在于，把定子繞組聯(lián)結(jié)成結(jié)構(gòu)不同的兩個星形聯(lián)結(jié)，兩星形串聯(lián)的線圈數(shù)和線圈匝數(shù)不相等，稱為大小雙星，用Yd表示串聯(lián)線圈數(shù)多的一個星形，Ys表示串聯(lián)線圈數(shù)少的一個星形，設(shè)大小雙星每相串聯(lián)的線圈數(shù)分別為cd和cs，線圈匝數(shù)分別為td和ts’線匝的截面積分別為Sd和Ss，則應(yīng)滿足cdtd=csts和tdSd=tsSs，以使Yd和Ys每相匝數(shù)相等，并且兩種線圈的外觀尺寸相同，具體分配槽號給雙星時，還必須使Yd和Ys對應(yīng)兩相由基波磁場感應(yīng)的電動勢同相位，電動機運行時，大小雙星并聯(lián)地接于電網(wǎng)，這時只產(chǎn)生基波磁動勢，起動時則丟棄小星Ys’只讓大星Yd接入電網(wǎng)而產(chǎn)生權(quán)利要求1所述三波起動法所需的三種極數(shù)的磁動勢波。
3.一種將權(quán)利要求2所述的大小雙星聯(lián)結(jié)法用于72槽4極電動機的定子繞組聯(lián)結(jié)法，其特征在于，小星Ys每相由一個等相帶的6個槽號，和按基波相位排列時，位于自左至右觀察的第二和第五兩個槽號，共8個槽號構(gòu)成，而大星Yd每相由2個等相帶的12個槽號，和相位上位于第一、第三、第四和第六的4個槽號，共16個槽號構(gòu)成，這時大星每線圈的匝數(shù)應(yīng)為小星者的一半，而其截面積應(yīng)為小星者的2倍，按此結(jié)構(gòu)型式把定子槽號分配給各段繞組，以達到當(dāng)Yd單獨接入電網(wǎng)時，產(chǎn)生權(quán)利要求1所述三波起動法所需的三種極數(shù)的磁動勢波。
4.一種交流電動機定子繞組聯(lián)結(jié)的方法，其特征在于，采用等元件線圈把定子繞組聯(lián)結(jié)成3個星形聯(lián)結(jié)，每個星形聯(lián)結(jié)的三個相繞組對基波磁場說是嚴(yán)格地三相對稱，當(dāng)電動機運行時，3個星形并聯(lián)地接于電網(wǎng)，當(dāng)起動時，通過開關(guān)操作，丟棄其中一個星形聯(lián)結(jié)，并使剩下兩個星形聯(lián)結(jié)構(gòu)成一個三角形聯(lián)結(jié)接入電網(wǎng)，以產(chǎn)生權(quán)利要求1所述三波起動法需要的三種極數(shù)的磁動勢波。該聯(lián)結(jié)法稱為三星/三角形聯(lián)結(jié)法。
5.一種將權(quán)利要求4所述三星/三角形聯(lián)結(jié)法用于極數(shù)為6t(其中t=1，2，3，…等整數(shù))的電動機的定子繞組聯(lián)結(jié)法，其特征在于，3個星形的結(jié)構(gòu)型式完全一樣，對應(yīng)相的三段繞組對基波說同相位、同大小，因此運行時電網(wǎng)每相流入三個星形聯(lián)結(jié)的三個電流同相位、同大小，依靠槽號分配合理來保證起動時的三角形聯(lián)結(jié)產(chǎn)生權(quán)利要求1所述三波起動法需要的三種極數(shù)的磁動勢波。
6.一種將權(quán)利要求4所述的三星/三角形聯(lián)結(jié)法用于72槽4極電動機的定子繞組聯(lián)結(jié)法，其特征在于，每相三條支路按4極基波相位排列的情況為有兩條支路同相位、同大小、每一條支路都包含一個等相帶的6個槽號和自左至右觀察時的第二和第五兩個槽號，第三條支路則包含第一、第三、第四和第六各2個槽號，第三條支路與其他兩條支路同相位，但大小上比其他兩條支路的小0.7654％，按上述相位的結(jié)構(gòu)型式，把72個槽號分配給上述各段繞組，以保證起動時產(chǎn)生權(quán)利要求1所述三波起動法所需的3種不同極數(shù)的磁動勢波。
7.一種將權(quán)利要求4所述的三星/三角形聯(lián)結(jié)法用于72槽8極電動機的定子繞組聯(lián)結(jié)法，其特征在于，每相三條支路按8極基波相位排列的情況為有兩條支路同相位、同大小、每一條支路都包含2個等相帶的6個槽號和左右兩個(即第一和第三)槽號，第三條支路則包含2個等相帶的6個槽號和2個位于等相帶中間的槽號，第三條支路與其他兩條支路同相位，但大小上比其他兩條支路的大1.5791％按上述相位的結(jié)構(gòu)型式，把72個槽號分配給上述各段繞組，以保證起動時產(chǎn)生權(quán)利要求1所述三波起動法所需的3種不同極數(shù)的磁動勢波。
8.一種交流電動機定子繞組聯(lián)結(jié)的方法，其特征在于，把定子繞組聯(lián)結(jié)成2大1小的三個星形聯(lián)結(jié)，三個星形的每相匝數(shù)相同，兩個大星形每相串聯(lián)的線圈數(shù)相同并且較多，而小星形每相串聯(lián)線圈數(shù)則較少，為使每相匝數(shù)相同，三星形的線圈匝數(shù)與其所在一相的串聯(lián)線圈數(shù)成反比，為使所有線圈的外觀尺寸相同，線匝截面積與線圈匝數(shù)成反比，具體分配槽號時應(yīng)使三星形對應(yīng)相的三條支路對基波說同相位、同大小，因此運行時三星形可并聯(lián)接于電網(wǎng)，起動時，通過開關(guān)操作丟棄小星形，并把兩個大星形改接成一個三角形聯(lián)結(jié)，繞組設(shè)計時必須正確分配槽號以達到上述三角形聯(lián)結(jié)單獨投入電網(wǎng)時產(chǎn)生三波起動法所需三種極數(shù)的磁動勢波
9.4種分別按照權(quán)利要求5、6、7和8所述方法聯(lián)結(jié)的定子繞組(都按三星/三角形聯(lián)結(jié)，其每相三并聯(lián)支路中都至少存在兩條支路，其串聯(lián)槽號數(shù)K相同，并且對基波說同相位、同大小)，其特征在于，每相從同相位、同大小的兩條并聯(lián)支路中抽出N對槽號(每條支路N個槽號，其中N=1、2、3.…一直到比K小1的整數(shù))移到并聯(lián)組外面串聯(lián)為一條支路，再與剩下來的并聯(lián)組串聯(lián)，如此移出必須遵循下列條件移出的每對槽號對基波說同相位，移出的每個槽號代表的線圈匝數(shù)減一半，而匝截面積增加一倍，于是獲得一個運行時與原繞組等效的復(fù)合四星聯(lián)結(jié)，即(Y-2Y)Y聯(lián)結(jié)，而起動時由原來的三角形聯(lián)結(jié)變?yōu)閅-△聯(lián)結(jié)。
10.3種分別按照權(quán)利要求3、6、7所述方法聯(lián)結(jié)的定子繞組，其特征在于把槽數(shù)和電動機極數(shù)增加到原來的t倍，t=2，3，4--等整數(shù)，相應(yīng)地，最后所得各段繞組的槽號數(shù)也增加到等于原來的t倍。
全文摘要
本發(fā)明提出一種交流電動機的三波起動方法及其繞組的聯(lián)結(jié)方法。三波起動利用基波、一個低次諧波、一個高次諧波共三個磁動勢波聯(lián)合起動,從而達到提高起動轉(zhuǎn)矩、消除半途發(fā)生的切換電流和簡化轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)而降低電機成本。為實現(xiàn)三波起動而提出大小雙星、兩種三星和復(fù)合四星等定子繞組聯(lián)結(jié)法。這些聯(lián)結(jié)都采用等元件線圈,有利于設(shè)計和制造。大小雙星聯(lián)結(jié)每相只有兩條并聯(lián)支路,為把這種起動方法用于高壓電動機創(chuàng)造了很好條件。
文檔編號H02P1/26GK1283891SQ9911659
公開日2001年2月14日 申請日期1999年8月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月10日
發(fā)明者許實章 申請人:薛蕃鈺