CN102811018A - 采用与负载相关的星形接法或三角形接法的异步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于一异步电动机(13)的装置和一种控制一异步电动机(13)的一星形接触器(8)及一三角形接触器(7)的方法。为了在使所述异步电动机(13)保持较大负载范围的同时改善该异步电动机的效率，本发明提出如下解决方案：所述装置包括一星形接触器(8)、一三角形接触器(7)和一逻辑单元(9)，所述星形接触器和所述三角形接触器用于所述异步电动机(13)，所述逻辑单元(9)可为所述异步电动机(13)控制所述星形接触器(8)和所述三角形接触器(7)，其中，所述逻辑单元(9)可根据所述异步电动机(13)的当前电动机负载为所述异步电动机(13)控制所述星形接触器(8)和/或所述三角形接触器(7)。

Description

采用与负载相关的星形接法或三角形接法的异步电动机

技术领域

本发明涉及一种用于为异步电动机供电的装置和一种控制异步电动机的星形接触器及三角形接触器的方法。

背景技术

电动机驱动系统往往以部分负载运行，亦即，在转速一定的情况下，所应用的负载转矩小于电动机的额定转矩。如果负载转矩低于电动机一半的额定负载，该电动机(例如异步电动机)的效率就会大幅下降。在此情况下，驱动系统的电力需求就会高得不成比例，从而发生浪费能源的情况。

通过降低电动机的供电电压可以显著改善这一情况。举例而言，可以通过对半导体(晶闸管、IGBT)进行脉冲调制来降低电动机的有效电压。软起动器是通过对晶闸管进行相位截止控制来控制电动机有效电压。变频器则是以原有的电网周期对IGBT进行脉冲调制(ON-OFF)(脉冲宽度调制)。这里也能借助电动机阻抗的电感来降低电动机有效电压。这种方法主要应用于磁通控制型变频器。以上两种方法的优点是可以在相当宽的电压范围内对电动机有效电压进行与负载相关的调节。此外，当电动机上的机械负载达到约50％至100％时，根本不需要对电动机电压实施主动调节，因为电动机的效率在这个范围内几乎不发生变化(以15kW的电动机为例，只有1.7％左右)。

上述两种方法的缺点在于，对电网电压进行脉冲调制需要使用功率半导体。功率半导体不但成本相当高，最主要的是内损也很大。这就会使得原本可以节约下来的一部分能量以这样一种能量损耗方式被消耗掉(视电流强度而定，占电动机功率的3％至10％)。另外，电网电压的脉冲调制会导致电动机内的损耗上升，从而有损于电能质量(电磁兼容性，简称EMC)。

发明内容

本发明的目的是在使异步电动机保持较大负载范围的同时改善异步电动机的效率。

本发明用以达成上述目的的解决方案为一种如权利要求1所述的装置，即一种用于一异步电动机的装置，其中，所述装置包括一星形接触器、一三角形接触器和一逻辑单元，所述星形接触器和所述三角形接触器用于为所述异步电动机提供电压，其中，所述逻辑单元可为所述异步电动机控制所述星形接触器和所述三角形接触器，所述逻辑单元可根据所述异步电动机的当前电动机负载为所述异步电动机控制所述星形接触器和/或所述三角形接触器；本发明用以达成上述目的的另一解决方案为一种如权利要求10所述的方法，即一种借助一逻辑单元控制一星形接触器和一三角形接触器的方法，所述星形接触器和所述三角形接触器用于为一异步电动机提供电压，其中，所述逻辑单元根据所述异步电动机的当前电动机负载为所述异步电动机控制所述星形接触器和/或所述三角形接触器。

本发明的有利改进方案由从属权利要求2至9以及11至14给出。

通过控制电动机绕组的供电电压可以改善该电动机的效率。作为对电网电压进行脉冲调制的替代方案，本发明通过对电动机绕组进行星-三角转换来(分两级)影响电动机(尤其是异步电动机)的电动机绕组上的有效电压水平。

在相应的负载范围(特定而言低于电动机额定负载的50％)内，通过自动转换到星形模式可以将电动机绕组上的电压降低42％左右(1/根[3])，具体方法是每电路各串联两个电动机绕组。借此可在所述异步电动机相应的较低部分负载范围内大幅提高效率(见图1)。

星形接法和三角形接法之间的转换基于所述异步电动机的当前电动机负载。所述逻辑模块了解当前电动机负载或表征当前电动机负载的值，在此情况下，逻辑模块就可以根据当前电动机负载或表征当前电动机负载的值对所述星形接触器和/或所述三角形接触器进行控制。所谓控制就是将星形接触器和/或三角形接触器连接到异步电动机上，以及/或者从异步电动机上断开星形接触器和/或三角形接触器。借此使网络拓扑结构发生变化，进而使电动机绕组上的有效电压发生变化。

对所述星形接触器和/或所述三角形接触器进行控制的时间点优选由所述异步电动机的电动机负载的至少一个电动机负载阈值定义。为此，这至少一个电动机负载阈值存储在所述逻辑单元内，以便与当前电动机负载进行比较。

每次在所述星形接触器和所述三角形接触器之间实施转换操作时，特定而言都是对两接触器进行依次控制(一个接触器接通，另一接触器断开)。优选有意识地断开第一接触器，经过一段延迟时间后接通第二接触器。因此在这一操作结束后，总是只有一个接触器(星形接触器或三角形接触器)保持接通状态。

上述装置的优点主要在于，所述星形接触器和所述三角形接触器技术上简单得多，最主要是成本低了很多。此外还能避免相当高的半导体损耗。另一优点是电网中的谐波含量相对较低。另外，电动机中也不会产生任何的附加损耗。

根据本发明的一种有利实施方式，所述装置进一步包括用于检测所述异步电动机的电动机电流的电流测量构件，其中，所述逻辑单元可根据所述电流测量构件所检测到的电动机电流为所述异步电动机控制所述星形接触器和/或所述三角形接触器。

根据电动机电流可推断出当前电动机负载。可以确定至少一个电动机负载阈值，该阈值对应于所述星形接触器和/或所述三角形接触器的接通/断开。这至少一个电动机负载阈值特定而言定义一负载点(转换点)，在该负载点上，所述逻辑单元向所述接触器(星形接触器和/或三角形接触器)中的至少一个接触器输出一个实施转换操作的控制信号。为了检测电动机电流，优选在所述异步电动机的每个相上都设置电流测量构件，并将其与所述逻辑单元耦合。

除电动机电流外，也可用其他值来测定当前电动机负载和转换点。举例而言，可以根据电动机的功率因数推断出当前电动机负载，在此情况下，所述逻辑单元将根据功率因数确定所述电动机负载阈值及转换点。所述逻辑单元也可从上级组件或控制系统(例如SPS)的信息中获得关于对所述星形接触器或三角形接触器实施转换操作(接通和/或断开)的指令，并对星形接触器和三角形接触器进行相应控制。亦即，为逻辑单元提供输入信号，根据该输入信号可推断出当前电动机负载(特定而言介于所述异步电动机的电动机额定负载的30％与50％之间)。如果所述星形接触器或三角形接触器由上级组件或控制系统独立/直接控制，就将逻辑单元设置在该上级组件或控制系统中。但优选方案是，所述星形接触器、所述三角形接触器和所述逻辑单元包含在同一设备内。

根据本发明另一种有利的实施方式，所述逻辑单元可在所述异步电动机达到一第一电动机负载阈值时，将所述三角形接触器断开，随后将所述星形接触器接通，所述第一电动机负载阈值低于所述异步电动机的电动机额定负载的50％。亦即，所述第一电动机负载阈值介于电动机额定负载的0％与50％之间。

根据本发明另一种有利的实施方式，所述第一电动机负载阈值介于所述异步电动机的电动机额定负载的30％与40％之间。所述第一电动机负载阈值例如为所述异步电动机的电动机额定负载的35％。

根据本发明另一种有利的实施方式，所述逻辑单元可在所述异步电动机达到一第二电动机负载阈值时，将所述星形接触器断开，随后将所述三角形接触器接通，所述第二电动机负载阈值大于所述异步电动机的电动机额定负载的30％。亦即，所述第二电动机负载阈值介于电动机额定负载的30％与100％之间。

根据本发明另一种有利的实施方式，所述第二电动机负载阈值介于所述异步电动机的电动机额定负载的30％与40％之间。

所述第二电动机负载阈值特定而言大于等于所述第一电动机负载阈值。

因此，星形接法(电动机负载处于电动机额定负载的0％至50％范围内)和三角形接法(电动机负载处于电动机额定负载的30％至100％范围内)之间的动态自识别式转换主要是通过对电动机电流进行检测以及借助于可将星形接触器或三角形接触器接通和/或断开的所述逻辑模块而实现的。

所述第一和第二电动机负载阈值可以是相同的电动机负载阈值，可介于电动机额定负载的30％与50％之间，例如为相应异步电动机的电动机额定负载的40％。

可以通过不同的方式将由所述装置操作的异步电动机的电动机额定负载、电动机额定电流、额定功率因数和/或电动机额定功率传输给所述装置，特别是传输给所述逻辑单元。举例而言，可以将该值直接输入所述装置或与所述装置相连的组件(例如HMI、便携式电脑、SPC、PLC)。也可以通过对所述异步电动机进行测量式分析来测定上述表征该电动机的变量(示教)。另外也可以在制造所述逻辑单元时就将上述值中的一或多项存储在逻辑单元内。

根据本发明另一种有利的实施方式，所述第一电动机负载阈值和/或所述第二电动机负载阈值之间存在滞后。

根据本发明另一种有利的实施方式，所述装置进一步包括一用于为所述异步电动机接通和断开所述供电电压的主接触器。

附图说明

下文将借助附图所示的实施例对本发明及其实施方案进行详细说明，其中：

图1为一异步电动机的两条效率特性曲线的比较图；以及

图2为一异步电动机与一主接触器、三角形接触器及星形接触器之间的接线示意图。

具体实施方式

图1为一异步电动机的两条效率特性曲线1、2的比较图。附图所示的效率特性曲线1、2基于一台额定功率为15kW的四极异步电动机。横轴3为电动机的当前负载占其额定负载的百分比。纵轴4为该异步电动机用百分数表示的效率。第一效率特性曲线1反映的是该异步电动机采用星形接法时的效率。第二效率特性曲线2反映的是该异步电动机采用三角形接法时的效率。可以看出，在电动机负载低于40％的情况下，所述异步电动机采用星形接法时的效率远远高于采用三角形接法时的效率。

图2为一异步电动机13与一主接触器6、三角形接触器7及星形接触器8之间的接线示意图。该图还借助逻辑单元9示出了电动机电流检测系统和接触器控制系统的基本结构。接触器6、7、8的基本结构，即接触器6、7、8的数量及其与主电流路径14(从左到右分别为L1、L2、L3)、第一电动机绕组末端15(从左到右分别为U1、V1、W1)和第二电动机绕组末端16(从左到右分别为U2、V2、W2)之间的连接与传统的星-三角起动器并无二致。借助于主接触器6可将该异步电动机上的主电流路径14的供电电压接通或断开。

异步电动机13与三角形接触器7及星形接触器8相连，因此，通过对三角形接触器7和星形接触器8进行通断操作可以改变电动机绕组的网络拓扑结构，进而达到降低或提高异步电动机13的电动机绕组上的供电电压这一目的。

传统的星-三角起动器是根据时间来自动地从星形接触器8切换到三角形接触器7，而本发明则是借助于逻辑单元9根据电动机负载对三角形接触器7和星形接触器8进行控制，该逻辑单元将异步电动机13的当前电动机负载作为输入变量予以分析。“当前电动机负载”也可以指表征异步电动机13的电动机负载的值。异步电动机13的电动机额定电流对于逻辑单元9优选是已知的。本实施例利用异步电动机13的当前电动机电流测定异步电动机13的当前电动机负载。为此，异步电动机13和主接触器6之间的主电流路径14各具有一个电流测量构件5。电流测量构件5与逻辑单元9连接的方式使其可将电动机电流或表征电动机电流的值作为逻辑单元9的输入变量传输给该逻辑单元。电动机电流的测定同样可以只在一个相上进行，这样就只需使用一个主电流路径14上的电流测量构件5。分析的主电流路径14(相)数量越多，对异步电动机13的监测就越精确。

作为补充或替代方案，逻辑单元9的输入参数也可以是异步电动机13的额定电动机电流和功率因数。

逻辑单元9可借助第一控制连接10对主接触器6进行控制，以便为异步电动机13接通或断开供电电压。逻辑单元9可借助第二控制连接11为异步电动机13接通或断开星形接触器8。逻辑单元9可借助第三控制连接12为异步电动机13接通或断开三角形接触器7。

逻辑单元9可根据当前电动机电流推断出异步电动机13上的当前电动机负载。因此，逻辑单元9可根据异步电动机13的当前电动机负载或者根据一个表征异步电动机13的当前电动机负载的值对星形接触器8和/或三角形接触器7进行相应控制。在本实施例中，逻辑单元9中存储有异步电动机13的第一电动机负载阈值，该阈值对应于三角形接触器7的断开和接下来星形接触器8的接通。一旦测定的电动机负载低于这个第一电动机负载阈值，三角形接触器7就会被断开，经过一定的延迟时间(大约20ms至200ms)后，星形接触器8会被接通。由逻辑单元9进行相应的控制。第一电动机负载阈值介于异步电动机13的电动机额定负载的30％与40％之间。在本实施例中，第一电动机负载阈值为电动机额定负载的30％，因此，当测定的电动机负载低于第一电动机负载阈值，即低于电动机额定负载的30％时，三角形接触器7就会被断开，接着星形接触器8就会被接通。逻辑单元9中还存储有第二电动机负载阈值，当测定的电动机负载超过这个值时，星形接触器8就会被断开，经过一定的延迟时间(大约20ms至200ms)后，三角形接触器7会被接通。这个第二电动机负载阈值同样介于异步电动机13的电动机额定负载的30％与40％之间。在本实施例中，当测定的电动机负载超过异步电动机13的电动机额定负载的40％时，星形接触器8就会被断开，接着三角形接触器7就会被接通。

相应的电动机负载阈值优选可由使用者设定。举例而言，使用者可以设定相应的电动机负载，进而得出相应的电动机负载阈值，或者确定异步电动机13的电动机负载额定值，并将该电动机负载额定值的某个百分数值定义为电动机负载阈值。

因此，在第二电动机负载阈值以上的范围内，异步电动机13仅以三角形模式工作(三角形接触器7接通)。在第一电动机负载阈值以下的范围内，异步电动机13仅以星形模式工作(星形接触器8接通)。星形模式和三角形模式之间的转换是自动进行的，无需使用者介入。转换点优选有5％至10％的滞后，以免在外部机械负载意外处于某一电动机负载阈值范围内时，出现连续实施转换操作的情况。

需要指出的是，上述原理同样适用于包含六个绕组的电动机。此时可对相关负载做进一步的细分。此外，原则上仅单相测量就可检测电动机电流。但是，通过两相或三相测量可以提高精确度。作为结构方面的替代方案，也可以利用例如电子过载继电器或上级控制系统中既有的电动机电流测量装置来检测电动机电流。采用三相电动机电流测量时，逻辑单元9还可用作过载保护设备。另外还可借助其他的合适开关装置(软起动器、晶闸管开关、继电器等等)实现接触器6、7、8的开关过程。此外，例如逻辑单元9还可以整合在既有的控制系统(例如过载继电器)、通用的监测设备(例如西门子公司的Simocode)、上级控制系统(例如SPS、西门子公司的Simocode)中。

Claims (14)

1.一种用于一异步电动机(13)的装置，其中，所述装置包括一星形接触器(8)、一三角形接触器(7)和一逻辑单元(9)，所述星形接触器和所述三角形接触器用于为所述异步电动机(13)提供电压，其中，所述逻辑单元(9)可为所述异步电动机控制所述星形接触器(8)和所述三角形接触器(7)，其特征在于，

所述逻辑单元(9)可根据所述异步电动机(13)的当前电动机负载为所述异步电动机(13)控制所述星形接触器(8)和/或所述三角形接触器(7)。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置进一步包括一用于检测所述异步电动机(13)的电动机电流的电流测量构件(5)，其中，所述逻辑单元(9)可根据所述电流测量构件(5)所检测到的电动机电流为所述异步电动机(13)控制所述星形接触器(8)和/或所述三角形接触器(7)。

3.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中，所述逻辑单元(9)可在所述异步电动机(13)达到一第一电动机负载阈值时，将所述三角形接触器(7)断开，随后将所述星形接触器(8)接通，所述第一电动机负载阈值低于所述异步电动机(13)的电动机额定负载的50％。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一电动机负载阈值介于所述异步电动机(13)的电动机额定负载的30％与40％之间。

5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中，所述逻辑单元(9)可在所述异步电动机(13)达到一第二电动机负载阈值时，将所述星形接触器(8)断开，随后将所述三角形接触器(7)接通，所述第二电动机负载阈值大于所述异步电动机(13)的电动机额定负载的30％。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第二电动机负载阈值介于所述异步电动机(13)的电动机额定负载的30％与40％之间。

7.根据权利要求4或5和6或7所述的装置，其中，所述第一电动机负载阈值和/或所述第二电动机负载阈值之间存在滞后。

8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的装置，其中，所述装置进一步包括一用于为所述异步电动机接通和断开所述供电电压的主接触器(6)。

9.一种异步电动机(13)，包括一如权利要求1至8中任一项权利要求所述的装置。

10.一种借助一逻辑单元(9)控制一星形接触器(8)和一三角形接触器(7)的方法，所述星形接触器和所述三角形接触器用于为一异步电动机(13)提供电压，其特征在于，

所述逻辑单元(9)根据所述异步电动机(13)的当前电动机负载为所述异步电动机(13)控制所述星形接触器(8)和/或所述三角形接触器(7)。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，至少一个电流测量构件(5)检测所述异步电机(13)的电动机电流，所述逻辑单元(9)根据所检测到的电动机电流对所述星形接触器(8)和/或所述三角形接触器(7)进行控制。

12.根据权利要求10至11中任一项权利要求所述的方法，其中，所述逻辑单元(9)在所述异步电动机(13)达到一第一电动机负载阈值时，将所述三角形接触器(7)断开，随后将所述星形接触器(8)接通，所述第一电动机负载阈值低于所述异步电动机(13)的电动机额定负载的50％，优选介于所述异步电动机(13)的电动机额定负载的30％与40％之间。

13.根据权利要求10至12中任一项权利要求所述的方法，其中，所述逻辑单元(9)在所述异步电动机(13)达到一第二电动机负载阈值时，将所述星形接触器(8)断开，随后将所述三角形接触器(7)接通，所述第二电动机负载阈值大于所述异步电动机(13)的电动机额定负载的30％，优选介于所述异步电动机(13)的电动机额定负载的30％与40％之间。

14.根据权利要求12和13所述的方法，其中，所述第一电动机负载阈值和/或所述第二电动机负载阈值具有一滞后。

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