採用與負載相關的星形接法或三角形接法的異步電動機的製作方法

2023-10-04 01:56:34

專利名稱：採用與負載相關的星形接法或三角形接法的異步電動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於為異步電動機供電的裝置和一種控制異步電動機的星形接觸器及三角形接觸器的方法。
背景技術：
電動機驅動系統往往以部分負載運行，亦即，在轉速一定的情況下，所應用的負載轉矩小於電動機的額定轉矩。如果負載轉矩低於電動機一半的額定負載，該電動機(例如異步電動機)的效率就會大幅下降。在此情況下，驅動系統的電力需求就會高得不成比例，從而發生浪費能源的情況。通過降低電動機的供電電壓可以顯著改善這一情況。舉例而言，可以通過對半導體(晶閘管、IGBT)進行脈衝調製來降低電動機的有效電壓。軟起動器是通過對晶閘管進 行相位截止控制來控制電動機有效電壓。變頻器則是以原有的電網周期對IGBT進行脈衝調製(ON-OFF)(脈衝寬度調製)。這裡也能藉助電動機阻抗的電感來降低電動機有效電壓。這種方法主要應用於磁通控制型變頻器。以上兩種方法的優點是可以在相當寬的電壓範圍內對電動機有效電壓進行與負載相關的調節。此外，當電動機上的機械負載達到約50%至100%時，根本不需要對電動機電壓實施主動調節，因為電動機的效率在這個範圍內幾乎不發生變化(以15kW的電動機為例，只有I. 7%左右)。上述兩種方法的缺點在於，對電網電壓進行脈衝調製需要使用功率半導體。功率半導體不但成本相當高，最主要的是內損也很大。這就會使得原本可以節約下來的一部分能量以這樣一種能量損耗方式被消耗掉(視電流強度而定，佔電動機功率的3%至10% )。另外，電網電壓的脈衝調製會導致電動機內的損耗上升，從而有損於電能質量(電磁兼容性，簡稱EMC)。

發明內容
本發明的目的是在使異步電動機保持較大負載範圍的同時改善異步電動機的效率。本發明用以達成上述目的的解決方案為一種如權利要求I所述的裝置，即一種用於一異步電動機的裝置，其中，所述裝置包括一星形接觸器、一三角形接觸器和一邏輯單元，所述星形接觸器和所述三角形接觸器用於為所述異步電動機提供電壓，其中，所述邏輯單元可為所述異步電動機控制所述星形接觸器和所述三角形接觸器，所述邏輯單元可根據所述異步電動機的當前電動機負載為所述異步電動機控制所述星形接觸器和/或所述三角形接觸器；本發明用以達成上述目的的另一解決方案為一種如權利要求10所述的方法，即一種藉助一邏輯單元控制一星形接觸器和一三角形接觸器的方法，所述星形接觸器和所述三角形接觸器用於為一異步電動機提供電壓，其中，所述邏輯單元根據所述異步電動機的當前電動機負載為所述異步電動機控制所述星形接觸器和/或所述三角形接觸器。本發明的有利改進方案由從屬權利要求2至9以及11至14給出。
通過控制電動機繞組的供電電壓可以改善該電動機的效率。作為對電網電壓進行脈衝調製的替代方案，本發明通過對電動機繞組進行星-三角轉換來(分兩級)影響電動機(尤其是異步電動機)的電動機繞組上的有效電壓水平。在相應的負載範圍(特定而言低於電動機額定負載的50% )內，通過自動轉換到星形模式可以將電動機繞組上的電壓降低42%左右(I/根[3])，具體方法是每電路各串聯兩個電動機繞組。藉此可在所述異步電動機相應的較低部分負載範圍內大幅提高效率(見圖I)。星形接法和三角形接法之間的轉換基於所述異步電動機的當前電動機負載。所述邏輯模塊了解當前電動機負載或表徵當前電動機負載的值，在此情況下，邏輯模塊就可以根據當前電動機負載或表徵當前電動機負載的值對所述星形接觸器和/或所述三角形接觸器進行控制。所謂控制就是將星形接觸器和/或三角形接觸器連接到異步電動機上，以及/或者從異步電動機上斷開星形接觸器和/或三角形接觸器。藉此使網絡拓撲結構發生變化，進而使電動機繞組上的有效電壓發生變化。 對所述星形接觸器和/或所述三角形接觸器進行控制的時間點優選由所述異步電動機的電動機負載的至少一個電動機負載閾值定義。為此，這至少一個電動機負載閾值存儲在所述邏輯單元內，以便與當前電動機負載進行比較。每次在所述星形接觸器和所述三角形接觸器之間實施轉換操作時，特定而言都是對兩接觸器進行依次控制(一個接觸器接通，另一接觸器斷開)。優選有意識地斷開第一接觸器，經過一段延遲時間後接通第二接觸器。因此在這一操作結束後，總是只有一個接觸器(星形接觸器或三角形接觸器)保持接通狀態。上述裝置的優點主要在於，所述星形接觸器和所述三角形接觸器技術上簡單得多，最主要是成本低了很多。此外還能避免相當高的半導體損耗。另一優點是電網中的諧波含量相對較低。另外，電動機中也不會產生任何的附加損耗。根據本發明的一種有利實施方式，所述裝置進一步包括用於檢測所述異步電動機的電動機電流的電流測量構件，其中，所述邏輯單元可根據所述電流測量構件所檢測到的電動機電流為所述異步電動機控制所述星形接觸器和/或所述三角形接觸器。根據電動機電流可推斷出當前電動機負載。可以確定至少一個電動機負載閾值，該閾值對應於所述星形接觸器和/或所述三角形接觸器的接通/斷開。這至少一個電動機負載閾值特定而言定義一負載點(轉換點)，在該負載點上，所述邏輯單元向所述接觸器(星形接觸器和/或三角形接觸器)中的至少一個接觸器輸出一個實施轉換操作的控制信號。為了檢測電動機電流，優選在所述異步電動機的每個相上都設置電流測量構件，並將其與所述邏輯單元耦合。除電動機電流外，也可用其他值來測定當前電動機負載和轉換點。舉例而言，可以根據電動機的功率因數推斷出當前電動機負載，在此情況下，所述邏輯單元將根據功率因數確定所述電動機負載閾值及轉換點。所述邏輯單元也可從上級組件或控制系統(例如SPS)的信息中獲得關於對所述星形接觸器或三角形接觸器實施轉換操作(接通和/或斷開)的指令，並對星形接觸器和三角形接觸器進行相應控制。亦即，為邏輯單元提供輸入信號，根據該輸入信號可推斷出當前電動機負載(特定而言介於所述異步電動機的電動機額定負載的30%與50%之間)。如果所述星形接觸器或三角形接觸器由上級組件或控制系統獨立/直接控制，就將邏輯單元設置在該上級組件或控制系統中。但優選方案是，所述星形接觸器、所述三角形接觸器和所述邏輯單元包含在同一設備內。根據本發明另一種有利的實施方式，所述邏輯單元可在所述異步電動機達到一第一電動機負載閾值時，將所述三角形接觸器斷開，隨後將所述星形接觸器接通，所述第一電動機負載閾值低於所述異步電動機的電動機額定負載的50%。亦即,所述第一電動機負載閾值介於電動機額定負載的0%與50%之間。根據本發明另一種有利的實施方式，所述第一電動機負載閾值介於所述異步電動機的電動機額定負載的30%與40%之間。所述第一電動機負載閾值例如為所述異步電動機的電動機額定負載的35%。根據本發明另一種有利的實施方式，所述邏輯單元可在所述異步電動機達到一第二電動機負載閾值時，將所述星形接觸器斷開，隨後將所述三角形接觸器接通，所述第二電動機負載閾值大於所述異步電動機的電動機額定負載的30%。亦即，所述第二電動機負載閾值介於電動機額定負載的30%與100%之間。 根據本發明另一種有利的實施方式，所述第二電動機負載閾值介於所述異步電動機的電動機額定負載的30%與40%之間。所述第二電動機負載閾值特定而言大於等於所述第一電動機負載閾值。因此，星形接法(電動機負載處於電動機額定負載的0%至50%範圍內)和三角形接法(電動機負載處於電動機額定負載的30%至100%範圍內)之間的動態自識別式轉換主要是通過對電動機電流進行檢測以及藉助於可將星形接觸器或三角形接觸器接通和/或斷開的所述邏輯模塊而實現的。所述第一和第二電動機負載閾值可以是相同的電動機負載閾值，可介於電動機額定負載的30%與50%之間，例如為相應異步電動機的電動機額定負載的40%。可以通過不同的方式將由所述裝置操作的異步電動機的電動機額定負載、電動機額定電流、額定功率因數和/或電動機額定功率傳輸給所述裝置，特別是傳輸給所述邏輯單元。舉例而言，可以將該值直接輸入所述裝置或與所述裝置相連的組件(例如HMI、可攜式電腦、SPC、PLC)。也可以通過對所述異步電動機進行測量式分析來測定上述表徵該電動機的變量(示教)。另外也可以在製造所述邏輯單元時就將上述值中的一或多項存儲在邏輯單元內。根據本發明另一種有利的實施方式，所述第一電動機負載閾值和/或所述第二電動機負載閾值之間存在滯後。根據本發明另一種有利的實施方式，所述裝置進一步包括一用於為所述異步電動機接通和斷開所述供電電壓的主接觸器。


下文將藉助附圖所示的實施例對本發明及其實施方案進行詳細說明，其中圖I為一異步電動機的兩條效率特性曲線的比較圖；以及圖2為一異步電動機與一主接觸器、三角形接觸器及星形接觸器之間的接線示意圖。
具體實施例方式圖I為一異步電動機的兩條效率特性曲線1、2的比較圖。附圖所示的效率特性曲線1、2基於一臺額定功率為15kW的四極異步電動機。橫軸3為電動機的當前負載佔其額定負載的百分比。縱軸4為該異步電動機用百分數表示的效率。第一效率特性曲線I反映的是該異步電動機採用星形接法時的效率。第二效率特性曲線2反映的是該異步電動機採用三角形接法時的效率。可以看出，在電動機負載低於40 %的情況下，所述異步電動機採用星形接法時的效率遠遠高於採用三角形接法時的效率。圖2為一異步電動機13與一主接觸器6、三角形接觸器7及星形接觸器8之間的接線示意圖。該圖還藉助邏輯單元9示出了電動機電流檢測系統和接觸器控制系統的基本結構。接觸器6、7、8的基本結構，即接觸器6、7、8的數量及其與主電流路徑14(從左到右分別為LI、L2、L3)、第一電動機繞組末端15 (從左到右分別為Ul、VI、Wl)和第二電動機繞組末端16(從左到右分別為U2、V2、W2)之間的連接與傳統的星-三角起動器並無二致。藉助於主接觸器6可將該異步電動機上的主電流路徑14的供電電壓接通或斷開。
異步電動機13與三角形接觸器7及星形接觸器8相連，因此，通過對三角形接觸器7和星形接觸器8進行通斷操作可以改變電動機繞組的網絡拓撲結構，進而達到降低或提高異步電動機13的電動機繞組上的供電電壓這一目的。傳統的星-三角起動器是根據時間來自動地從星形接觸器8切換到三角形接觸器7,而本發明則是藉助於邏輯單元9根據電動機負載對三角形接觸器7和星形接觸器8進行控制，該邏輯單元將異步電動機13的當前電動機負載作為輸入變量予以分析。「當前電動機負載」也可以指表徵異步電動機13的電動機負載的值。異步電動機13的電動機額定電流對於邏輯單元9優選是已知的。本實施例利用異步電動機13的當前電動機電流測定異步電動機13的當前電動機負載。為此，異步電動機13和主接觸器6之間的主電流路徑14各具有一個電流測量構件5。電流測量構件5與邏輯單元9連接的方式使其可將電動機電流或表徵電動機電流的值作為邏輯單元9的輸入變量傳輸給該邏輯單元。電動機電流的測定同樣可以只在一個相上進行，這樣就只需使用一個主電流路徑14上的電流測量構件5。分析的主電流路徑14(相)數量越多，對異步電動機13的監測就越精確。作為補充或替代方案，邏輯單元9的輸入參數也可以是異步電動機13的額定電動機電流和功率因數。邏輯單元9可藉助第一控制連接10對主接觸器6進行控制，以便為異步電動機13接通或斷開供電電壓。邏輯單元9可藉助第二控制連接11為異步電動機13接通或斷開星形接觸器8。邏輯單元9可藉助第三控制連接12為異步電動機13接通或斷開三角形接觸器7。邏輯單元9可根據當前電動機電流推斷出異步電動機13上的當前電動機負載。因此，邏輯單元9可根據異步電動機13的當前電動機負載或者根據一個表徵異步電動機13的當前電動機負載的值對星形接觸器8和/或三角形接觸器7進行相應控制。在本實施例中，邏輯單元9中存儲有異步電動機13的第一電動機負載閾值，該閾值對應於三角形接觸器7的斷開和接下來星形接觸器8的接通。一旦測定的電動機負載低於這個第一電動機負載閾值，三角形接觸器7就會被斷開，經過一定的延遲時間(大約20ms至200ms)後，星形接觸器8會被接通。由邏輯單元9進行相應的控制。第一電動機負載閾值介於異步電動機13的電動機額定負載的30%與40%之間。在本實施例中,第一電動機負載閾值為電動機額定負載的30%,因此,當測定的電動機負載低於第一電動機負載閾值，即低於電動機額定負載的30%時，三角形接觸器7就會被斷開，接著星形接觸器8就會被接通。邏輯單元9中還存儲有第二電動機負載閾值，當測定的電動機負載超過這個值時，星形接觸器8就會被斷開，經過一定的延遲時間(大約20ms至200ms)後，三角形接觸器7會被接通。這個第二電動機負載閾值同樣介於異步電動機13的電動機額定負載的30%與40%之間。在本實施例中，當測定的電動機負載超過異步電動機13的電動機額定負載的40%時，星形接觸器8就會被斷開，接著三角形接觸器7就會被接通。相應的電動機負載閾值優選可由使用者設定。舉例而言，使用者可以設定相應的電動機負載，進而得出相應的電動機負載閾值，或者確定異步電動機13的電動機負載額定值，並將該電動機負載額定值的某個百分數值定義為電動機負載閾值。因此，在第二電動機負載閾值以上的範圍內，異步電動機13僅以三角形模式工作(三角形接觸器7接通)。在第一電動機負載閾值以下的範圍內，異步電動機13僅以星形 模式工作(星形接觸器8接通)。星形模式和三角形模式之間的轉換是自動進行的，無需使用者介入。轉換點優選有5%至10%的滯後，以免在外部機械負載意外處於某一電動機負載閾值範圍內時，出現連續實施轉換操作的情況。需要指出的是，上述原理同樣適用於包含六個繞組的電動機。此時可對相關負載做進一步的細分。此外，原則上僅單相測量就可檢測電動機電流。但是，通過兩相或三相測量可以提高精確度。作為結構方面的替代方案，也可以利用例如電子過載繼電器或上級控制系統中既有的電動機電流測量裝置來檢測電動機電流。採用三相電動機電流測量時，邏輯單元9還可用作過載保護設備。另外還可藉助其他的合適開關裝置(軟起動器、晶閘管開關、繼電器等等)實現接觸器6、7、8的開關過程。此外，例如邏輯單元9還可以整合在既有的控制系統(例如過載繼電器)、通用的監測設備(例如西門子公司的Simocode)、上級控制系統(例如SPS、西門子公司的Simocode)中。
權利要求
1.一種用於一異步電動機(13)的裝置，其中，所述裝置包括一星形接觸器(8)、一三角形接觸器(7)和一邏輯單元(9)，所述星形接觸器和所述三角形接觸器用於為所述異步電動機(13)提供電壓，其中，所述邏輯單元(9)可為所述異步電動機控制所述星形接觸器(8)和所述三角形接觸器(7)，其特徵在於， 所述邏輯單元(9)可根據所述異步電動機(13)的當前電動機負載為所述異步電動機(13)控制所述星形接觸器(8)和/或所述三角形接觸器(7)。
2.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述裝置進一步包括一用於檢測所述異步電動機(13)的電動機電流的電流測量構件(5)，其中，所述邏輯單元(9)可根據所述電流測量構件(5)所檢測到的電動機電流為所述異步電動機(13)控制所述星形接觸器(8)和/或所述三角形接觸器(7)。
3.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的裝置，其中，所述邏輯單元(9)可在所述異步電動機(13)達到一第一電動機負載閾值時，將所述三角形接觸器(7)斷開，隨後將所述星形接觸器(8)接通，所述第一電動機負載閾值低於所述異步電動機(13)的電動機額定負載的50%。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中，所述第一電動機負載閾值介於所述異步電動機(13)的電動機額定負載的30%與40%之間。
5.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的裝置，其中，所述邏輯單元(9)可在所述異步電動機(13)達到一第二電動機負載閾值時，將所述星形接觸器(8)斷開，隨後將所述三角形接觸器(7)接通，所述第二電動機負載閾值大於所述異步電動機(13)的電動機額定負載的30%。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中，所述第二電動機負載閾值介於所述異步電動機(13)的電動機額定負載的30%與40%之間。
7.根據權利要求4或5和6或7所述的裝置，其中，所述第一電動機負載閾值和/或所述第二電動機負載閾值之間存在滯後。
8.根據上述權利要求中任一項權利要求所述的裝置，其中，所述裝置進一步包括一用於為所述異步電動機接通和斷開所述供電電壓的主接觸器(6)。
9.一種異步電動機(13),包括一如權利要求I至8中任一項權利要求所述的裝置。
10.一種藉助一邏輯單元(9)控制一星形接觸器(8)和一三角形接觸器(7)的方法，所述星形接觸器和所述三角形接觸器用於為一異步電動機(13)提供電壓，其特徵在於， 所述邏輯單元(9)根據所述異步電動機(13)的當前電動機負載為所述異步電動機(13)控制所述星形接觸器(8)和/或所述三角形接觸器(7)。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，至少一個電流測量構件(5)檢測所述異步電機(13)的電動機電流，所述邏輯單元(9)根據所檢測到的電動機電流對所述星形接觸器(8)和/或所述三角形接觸器(7)進行控制。
12.根據權利要求10至11中任一項權利要求所述的方法，其中，所述邏輯單元(9)在所述異步電動機(13)達到一第一電動機負載閾值時，將所述三角形接觸器(7)斷開，隨後將所述星形接觸器(8)接通，所述第一電動機負載閾值低於所述異步電動機(13)的電動機額定負載的50%,優選介於所述異步電動機(13)的電動機額定負載的30%與40%之間。
13.根據權利要求10至12中任一項權利要求所述的方法，其中，所述邏輯單元(9)在所述異步電動機(13)達到一第二電動機負載閾值時，將所述星形接觸器(8)斷開，隨後將所述三角形接觸器(7)接通，所述第二電動機負載閾值大於所述異步電動機(13)的電動機額定負載的30%，優選介於所述異步電動機(13)的電動機額定負載的30%與40%之間。
14.根據權利要求12和13所述的方法，其中，所述第一電動機負載閾值和/或所述第二電動機負載閾值具有一滯後。
全文摘要
本發明涉及一種用於一異步電動機(13)的裝置和一種控制一異步電動機(13)的一星形接觸器(8)及一三角形接觸器(7)的方法。為了在使所述異步電動機(13)保持較大負載範圍的同時改善該異步電動機的效率，本發明提出如下解決方案所述裝置包括一星形接觸器(8)、一三角形接觸器(7)和一邏輯單元(9)，所述星形接觸器和所述三角形接觸器用於所述異步電動機(13)，所述邏輯單元(9)可為所述異步電動機(13)控制所述星形接觸器(8)和所述三角形接觸器(7)，其中，所述邏輯單元(9)可根據所述異步電動機(13)的當前電動機負載為所述異步電動機(13)控制所述星形接觸器(8)和/或所述三角形接觸器(7)。
文檔編號H02P25/18GK102811018SQ201110149920
公開日2012年12月5日 申請日期2011年6月3日 優先權日2011年6月3日
發明者安德烈亞斯·克雷奇馬爾, 李明 申請人:西門子公司