專利名稱：具有感應電機的能量轉(zhuǎn)換裝置以及操作這種裝置的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種將電能轉(zhuǎn)換成機械能和將機械能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，具體涉及一種包含感應電機的裝置和相關的操作方法。
眾所周知，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步速度時，感應電機適合于用作馬達，而在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步速度時，適合于用作發(fā)電機，對此無論起感應作用的是定子還是轉(zhuǎn)子都不是重要的，而且大家還知道，定子和轉(zhuǎn)子二者均可以連接于AC電網(wǎng)。
非同步電機的主要缺點是，它們受限于在同步速度附近工作。
因此本發(fā)明的目的是提供一種裝置，這種裝置可以在兩倍于同步速度的速度下操作繞制轉(zhuǎn)子的非同步馬達，而且定子和轉(zhuǎn)子均并聯(lián)于三相電線。
本發(fā)明的主要優(yōu)點是，對于一定的規(guī)格和一定重量的鐵和銅，本電機可以發(fā)出兩倍或者更大量的可用功率。這是因為電機的轉(zhuǎn)動速度兩倍于同步速度，而且電機雙重連接于電網(wǎng)電線。
這樣，感應電機可以用作為發(fā)電機或者用作為同步馬達。
下面參照附圖詳細說明本發(fā)明的一些實施例，從這些說明中，技術(shù)人員可以明顯看出本發(fā)明裝置的其它優(yōu)點和特征，這些附圖是

圖1是示意圖，示出本發(fā)明的第一實施例，此實施例的感應電機轉(zhuǎn)子通過降壓變壓器和開關并聯(lián)；圖2-5是裝置起動操作時，上述電機的向量示意圖；圖6-8是在用作發(fā)電機時，具有恒定歐姆負載和可變轉(zhuǎn)子電壓的上述電機的向量圖；圖9-11是在用作發(fā)電機時，具有可變歐姆負載和恒定轉(zhuǎn)子電壓的上述電機的向量圖；圖12是示意圖，示出本發(fā)明第二實施例，該第二實施例的感應電機定子通過開關并聯(lián)；
圖13-15是在裝置起動操作時，上述第二實施例相關的向量圖；圖17和18是示意圖，分別示出具有突出磁極轉(zhuǎn)子和圓滑磁極轉(zhuǎn)子的感應電機的變型例；圖19示出兩個線圈串聯(lián)形成四個磁極的線路圖；圖20是類似于上圖的線路圖，示出兩個線圈并聯(lián)形成兩個磁極；圖21示出線路圖，該線路圖用于通過雙擲選擇開關將定子從四個磁極切換到兩個磁極；圖22是類似于上圖的線路圖，用于通過雙擲選擇開關將轉(zhuǎn)子從四個磁極切換到兩個磁極；圖23是示意圖，示出本發(fā)明的第三實施例，該實施例包括通過切換電流形成的自動起動馬達；圖24是示意圖，示出本發(fā)明裝置的第四實施例，該裝置包括通過切換繞組形成的自動起動馬達；圖25是示意圖，示出本裝置的第五實施例，該裝置包括僅通過在定子中切換電流形成的自動起動馬達；下面參考圖1，從圖中可以看出，本發(fā)明裝置的第一實施例包括繞制轉(zhuǎn)子的感應電機，該電機通過相應的三相連接線CS和CR使其定子S和轉(zhuǎn)子R連接于三相電網(wǎng)線L，在此裝置中，在轉(zhuǎn)子的連線CR上配置降壓變壓器T，而在電機和變壓器T之間配置開關P，進行并聯(lián)。
該轉(zhuǎn)子R由馬達M轉(zhuǎn)動，該馬達可使轉(zhuǎn)子達到速度2n，其中“n”是同步速度，單位為r/m，即n＝60*f/p，其中“f”是頻率，單位為赫，“p”是磁極對的數(shù)目。馬達M的存在按照圖2-5向量圖所述操作方法可以達到轉(zhuǎn)子的并聯(lián)。
向定子輸送電壓VS可以在定子中產(chǎn)生電動勢ES和在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生電動勢ER，對于磁通量S，兩種電動勢均產(chǎn)生90°延遲，如圖2所示。同時在定子中產(chǎn)生感應器磁場，該磁場以同步速度n順時針轉(zhuǎn)動，由此感應器磁場以順時針切割速度n掃過轉(zhuǎn)子繞組。
使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動降低了切割速度n，直至在轉(zhuǎn)子達到速度n時切割速度等于零，由此也降低了電動勢ER，直至其值等于零。然而一當轉(zhuǎn)子速度超過n時，該切割速度又沿反時針方向回升，還產(chǎn)生相反符號的ER。最后當轉(zhuǎn)子達到轉(zhuǎn)速2n時，該切割速度達到絕對值n，并且電動勢達到數(shù)值ER(圖3)。
通過調(diào)節(jié)降壓變壓器T和馬達M的速度，可以使轉(zhuǎn)子R的電動勢值等于降壓變壓器T的電壓，并與該電壓同步。然后閉合開關P，使轉(zhuǎn)子R并聯(lián)，在這些條件下，轉(zhuǎn)子R既不吸收也不產(chǎn)生電流(圖4)。
最后斷開馬達M，使電機繼續(xù)由其自身的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動而轉(zhuǎn)動，這種轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生是因為轉(zhuǎn)子R受到某種延遲作用(由摩擦產(chǎn)生的)，而在產(chǎn)生這種延遲時，電動勢ER也相對于電壓VR發(fā)生某個角度δ的相位延遲(圖5)。因此電流IR流過轉(zhuǎn)子R，該電流產(chǎn)生同相位的磁通量R，該磁通量產(chǎn)生感應磁場，并且同樣繞順時針方向和與感應器磁場相同的速度轉(zhuǎn)動，這兩個磁場本身的分布可以形成能夠補償阻力轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩。
因此，這樣連接和操作的本感應電機實際上可用作為以同步速度轉(zhuǎn)動的異步馬達，即好象該電機是同步馬達。事實上存在兩種轉(zhuǎn)動磁場，在這種磁場中如果兩個磁極不對準，則會產(chǎn)生趨向于重新對準磁極的吸引力。
應當注意到，在上述向量圖中，ER和ES只是分別在轉(zhuǎn)子R和定子S中由定子磁通量S感應的電動勢，因此它們總是與上述磁通量成90°相移，由轉(zhuǎn)子磁通量R感應的電動勢，為清楚起見沒有表示出來。
下面參考圖6-11，圖中示出機器用作發(fā)電機的操作，即該發(fā)電機具有馬達M，該馬達繼續(xù)驅(qū)動轉(zhuǎn)子R，將機械能轉(zhuǎn)換成電能?？梢郧宄闯觯统Ｒ?guī)同步感應電機的情況一樣，形成一種安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子R的速度超過設定極限時，可以停止感應電機的操作。
在用作具有純電阻負載的發(fā)電機時，轉(zhuǎn)子R產(chǎn)生與電動勢ER同相的電流IR，由此產(chǎn)生橫向于感應器的感應磁場。對于純電感負載或者電容負載，轉(zhuǎn)子R相對于ER產(chǎn)生90°延遲或者超前的相移，因而產(chǎn)生使感應器去磁化或者磁化的感應磁場。
在保持電阻負載恒定而改變電壓VR時，在定子S和轉(zhuǎn)子R兩個磁通量之間的角度β便產(chǎn)生變化。如果VR等于ER，則角度β約等于90°，并且電流IR幾乎與電動勢ER同相，因而感應電機發(fā)出有功功率(圖6)。
如果VR大于ER使β角增加，IR相對ER具有超前相移，則除有功功率而外，該感應電機還產(chǎn)生具有電容特性的無功功率(圖7)。如果VR小于ER使角度β降低，并且IR相對于ER具有延遲的相移，使得除有功功率而外，該感應電機還發(fā)出具有電感特性的無功功率(圖8)。
增加電阻負載和保持恒定的電壓VR將造成從轉(zhuǎn)子R產(chǎn)生的有功功率(圖9和10)變化到同樣一種功率加上由定子S產(chǎn)生的另外功率，該定子用于從電源吸收磁化電流IM。
該電流IM與電流IS相加形成總電流IST，該總電流對于較小的值由電源提供，在超過給定的負載后，該電流IST達到這樣一種數(shù)值和相移，使得可以接納與電動勢ES同相位的分量，如圖11所示。在這些條件下，定子S提供可與轉(zhuǎn)子R產(chǎn)生功率相加的功率。
同樣，當感應電機作為馬達操作時，結(jié)果是轉(zhuǎn)子R吸收電流IR，該電流在感應電機作為發(fā)電機操作時，幾乎與感應電機提供的電流完全反相。保持負載為常數(shù)而改變電壓VR可使角度β改變，并且設定VR等于ER時，該角度β達到約90°，并且存在橫向于感應器的感應磁場，即感應電機從電源吸收有功功率。
在設定ER大于VR時，角度β增加，并且產(chǎn)生感應器磁化感應磁場，因此除有功功率而外，還發(fā)生吸收電容特性的無功功率。通過設定VR小于ER可以降低角度β，并產(chǎn)生去磁化的感應磁場，因此除有功功率而外，還吸收電容特性的無功功率。
通過增加機械負載和保持電壓VR恒定，可從轉(zhuǎn)子R吸收的有功功率改變到同樣的功率加上定子吸收的功率。
圖12示意示出本發(fā)明第二實施例，該實施例不同于上述第一實施例之處僅在于并聯(lián)開關P配置在定子的連線CS上，而不是配置在轉(zhuǎn)子的連線CR上。圖13-16的向量圖類似地示出定子并聯(lián)的操作步驟。
由電網(wǎng)線L通過降壓變壓器T向轉(zhuǎn)子R供電產(chǎn)生電動勢ER和ES，這兩個電動勢相對于轉(zhuǎn)子的磁通量R具有90°延遲的相移，如圖13所示。同時在轉(zhuǎn)子R中產(chǎn)生感應器磁場，該磁場在反時針方向以同步速度n轉(zhuǎn)動。
當轉(zhuǎn)子R由于兩種轉(zhuǎn)動即轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)動磁場的轉(zhuǎn)動，而在沿順時針方向達到速度2n時，磁通量在順時針方向的切割速度等于同步速度n，而電動勢ES改變符號(圖14)。
通過調(diào)節(jié)降壓變壓器T和馬達M可以使定子S的電動勢值等于電網(wǎng)電線的電壓，并與該電壓同步，通過同步操作，閉合開關P便可以實現(xiàn)定子的并聯(lián)。最后，斷開馬達M，該感應電機將繼續(xù)受到其自身轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動而轉(zhuǎn)動(圖16)。
應當注意到，在這種情況下，在向量圖中，上述ER和ES也僅僅是分別在轉(zhuǎn)子R和定子S中由轉(zhuǎn)子磁通量R感應的電動勢，這樣，它們總是與上述磁通量形成90°相位差。為了清楚圖的表示，沒有示出由轉(zhuǎn)子磁通量S感應的相應電動勢。
在定子S并聯(lián)的第二實施例中得到的結(jié)果，因此是作用反轉(zhuǎn)。即，定子S的磁場是感應的轉(zhuǎn)動磁場，而轉(zhuǎn)子R的磁場是感應器磁場，但是可以看出，在作用于轉(zhuǎn)子R轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩類型和感應電機的作用之間具有同樣關系。
應當注意到，雖然感應電機的結(jié)構(gòu)是如上所述的繞制轉(zhuǎn)子的異步馬達的結(jié)構(gòu)，但是在本裝置中，最好將定子S中溝槽的數(shù)目增加到等于轉(zhuǎn)子R上溝槽的數(shù)目，從而達到磁通量S成比例地增加，這樣便得到效率的全面增加。
另外，該感應電機具有突出磁極的轉(zhuǎn)子或者圓滑的轉(zhuǎn)子，如圖17-18示意示出。
具有突出磁極轉(zhuǎn)子R′的感應電機不同于常規(guī)發(fā)電機之處在于，對于各個磁極對，轉(zhuǎn)子R′具有附加的磁極，不同之處還在于，磁極的繞組由三相系統(tǒng)供電，如圖17所示。因此在轉(zhuǎn)子R′中，取決于突出磁極的數(shù)量和這些磁極如何彼此連接以及如何和電網(wǎng)線的連接，在轉(zhuǎn)子R′中產(chǎn)生兩個磁極或者四個磁極等的轉(zhuǎn)動磁場。相反，定子S具有與繞制轉(zhuǎn)子異步馬達定子結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)。
用于很耐用發(fā)電機的具有圓滑轉(zhuǎn)子R″的感應電機不同于常規(guī)發(fā)電機之處在于，該感應電機具有三個或者六個磁極，而不是兩個或者四個磁極。繞組裝在深的溝槽中，該溝槽用金屬鍵密封。圖18示出具有三個圓滑磁極的轉(zhuǎn)子R″，該轉(zhuǎn)子用一個磁極對產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動磁場。在這種情況下，定子S也具有常規(guī)結(jié)構(gòu)。
如上面已經(jīng)看出的，具有這些種結(jié)構(gòu)的感應電機可以作為發(fā)電機或者同步馬達操作。
上述實施例的其它變型是關于利用切換電流或者切換繞組達到自動起動馬達的那些變型。
參考圖19-22，從圖中可以看出，當向具有兩個線圈的繞組的兩個端點1和2供電時，如果兩個線圈串聯(lián)，則可以得到四個磁極(圖19)。相反，如果線圈并聯(lián)(圖20)，使得一個線圈中的電流與前一圖中的方向相反，發(fā)生電流的切換，則磁極的數(shù)目減小到兩個。
整個馬達的繞組包括在定子中的三個相同相線和轉(zhuǎn)子中的相等數(shù)目的相線。這些相線分別由串聯(lián)或者并聯(lián)的兩個線圈形成。如果兩個線圈串聯(lián)，則三個相線連接成δ形，如果線圈并聯(lián)，則連接成星形。通過雙擲選擇開關D1或者D2，則三個相線可以從δ形改變到星形，或從星形改變到δ形，如圖21-22所示。圖22中E表示起動變阻器，而X表示馬達軸。在轉(zhuǎn)子中除開作為同步馬達操作的三個環(huán)形線路外還需要配置另外三個環(huán)路，以便向轉(zhuǎn)子輸送相電。
兩個線圈繞組是最簡單的組合，然而可以使用更復雜的組合。可采用線圈的數(shù)目是2的倍數(shù)的繞組。
圖23示出的第三實施例中，示出通過切換電流自動起動馬達所需的連接和部件。
為了進行并聯(lián)，將定子S和轉(zhuǎn)子R切換到星形連接位置，使兩個定子開關I1和I2置于閉合位置。利用圖中未示出的用軸線X表示的馬達，可以起動轉(zhuǎn)子R，使其克服最小的磁阻位置，通過逐步脫開起動變阻器E，使轉(zhuǎn)子R達到幾乎接近于作為同步馬達操作時得到的轉(zhuǎn)動磁場速度兩倍的速度。
在這一點，可以在降壓變壓器T的VR和轉(zhuǎn)子R的電動勢ER之間進行比較。因為ER是VR的幾分之一，所以可以采用小的變壓器來得到與ER相當?shù)腣R，當指示器顯示最小振幅值的拍頻時，將選擇開關D3切換到δ連接位置。
這種操作完成了圖23所示的并聯(lián)，并且馬達作為同步馬達操作。最好在切換到并聯(lián)之前，調(diào)節(jié)電壓VR，使其實際上等于在δ連接中得到轉(zhuǎn)子電動勢ER的電壓值。
在圖24所示的第四實施例中，示出通過切換繞組自動起動馬達所需的連接和部件。在這種情況下，該馬達具有四個分開的三相繞組，其中的兩個繞組一個在定子S上，而另一個在轉(zhuǎn)子R上，這兩個繞組相對于其它兩個繞組只有一半的磁極數(shù)和一半的每磁極溝槽數(shù)。頭兩個繞組用于馬達的異步操作模式，而后兩個繞組用于同步操作模式。
為了能夠達到并聯(lián)，連接具有一半數(shù)目磁極的繞組，然后閉合兩個定子開關I1和I2。所用的過程與上述例子中說明的過程相同，一直到確定利用選擇開關D4連接于兩倍數(shù)目磁極繞組的時刻。這種操作可以實現(xiàn)圖24所示的并聯(lián)，并且馬達操作為同步馬達。
最后，在圖25所示的第五實施例中，示出僅通過切換定子中的電流得到自動起動馬達所需的連接和部件。在這種情況下，僅需要三個環(huán)形電路將馬達作為同步馬達操作。
事實上，為了能夠達到并聯(lián)，只需將定子S切換到星形連接位置。而轉(zhuǎn)子R仍保持連接在δ模式。然后閉合兩個開關I1和I2，操作與上面相同，直至將選擇開關D5切換到δ連接，達到圖25所示并聯(lián)和使馬達操作為同步馬達的時刻。
可以清楚看出，本發(fā)明裝置的上述實施例只是容易進行各種變型的例子。具體是，在定子的供電線上或者轉(zhuǎn)子的供電線上方便地配置降壓變壓器T，而且定子電壓和轉(zhuǎn)子電壓之比可以從1改變到10。
另外，可以明顯看出，磁極和/或者溝槽和/或者繞組的數(shù)目取決于制造要求和操作要求，可以不同于上述例子中所示的數(shù)目。
權(quán)利要求
1.一種將電能轉(zhuǎn)換成機械能和將機械能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，包括繞制轉(zhuǎn)子的感應電機和馬達(M)，前者具有定子(S)和轉(zhuǎn)子(R)，該定子和轉(zhuǎn)子二者均通過相應的連接線(CS、CR)連接于同樣的三相輸電線(L)，后者連接于轉(zhuǎn)子(R)，其特征在于，上述馬達(M)能夠使轉(zhuǎn)子(R)的轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速的兩倍，并且，該裝置包括降壓變壓器(T)和至少一個開關(P)，該變壓器和開關配置在上述連接線(CS、CR)上，使得可以實現(xiàn)定子(S)或者轉(zhuǎn)子(R)的并聯(lián)。
2.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，在轉(zhuǎn)子(R)的連接導線(CR)上，配置一降壓變壓器(T)和一開關(P)，該開關(P)位于感應電機和該降壓變壓器(T)之間。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在轉(zhuǎn)子(R)的連接導線(CR)上，配置降壓變壓器(T)，而在定子(S)的連接導線(CS)上配置開關(P)。
4.如權(quán)利要求1或者2或者3所述的裝置，其特征在于，該定子(S)和轉(zhuǎn)子(R)具有同樣數(shù)目的溝槽。
5.如上述權(quán)利要求中一項或者多項所述的裝置，其特征在于，定子(S)的電壓與轉(zhuǎn)子(R)的電壓之比可以從1到10。
6.如上述權(quán)利要求中一項或者多項所述的裝置，其特征在于，該轉(zhuǎn)子(R)是磁極突出的轉(zhuǎn)子。
7.如權(quán)利要求1-5中一項或多項所述的裝置，其特征在于，該轉(zhuǎn)子(R)是磁極圓滑的轉(zhuǎn)子。
8.如上述權(quán)利要求中一項或者多項所述的裝置，其特征在于，它還包括在定子(S)和轉(zhuǎn)子(R)的各個連接導線(CS、CR)上的連接于降壓變壓器(T)的變壓器、起動變阻器(E)、開關(I1、I2)以及雙擲選擇開關(D1；D2)，該選擇開關適合于在定子(S)和轉(zhuǎn)子(R)的三相線之間從δ連接改變到星形連接以及反向改變的連接。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，可以用有關雙擲選擇開關(D3)切換定子(S)和轉(zhuǎn)子(R)中的電流，由此可使感應電機作為自動起動的同步馬達操作。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，可以用有關雙擲選擇開關(D4)切換定子(S)和轉(zhuǎn)子(R)中的繞組，由此可使感應電機作為自動起動的同步馬達操作。
11.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，只用有關雙擲選擇開關(D5)切換定子(S)中電流，由此可使感應電機作為自動起動的同步馬達操作。
12.如上述權(quán)利要求中一項或多項所述的操作裝置的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a)打開裝在連接導線(CS，CR)上的開關(P)，該連接導線連接于感應電機的部件即轉(zhuǎn)子(R)或者定子(S)，在這些部件中將產(chǎn)生感應磁場；b)利用馬達(M)使轉(zhuǎn)子(R)以同步速度的兩倍速度轉(zhuǎn)動；c)調(diào)節(jié)馬達(M)的速度和降壓變壓器(T)，使受感應部件中的電動勢等于供電線(L)或者配置在感應電機和供電線(L)之間的降壓變壓器(T)的電壓，并使它們同步；d)閉合開關(P)，進行并聯(lián)。
全文摘要
一種將電能轉(zhuǎn)換成機械能和進行相反轉(zhuǎn)換的裝置，該裝置包括繞制轉(zhuǎn)子的感應電機，該電機具有定子(S)和轉(zhuǎn)子(R)，二者均通過相應的連接導線(CS，CR)連接于同樣的三相線(L)，該裝置還包括連接于轉(zhuǎn)子(R)的能夠使轉(zhuǎn)子以兩倍同步速度轉(zhuǎn)動的馬達(M)以及降壓變壓器(T)和開關(P)，該變壓器和開關配置在連接導線(CS，CR)上，使得可以執(zhí)行定子(S)或者轉(zhuǎn)子(R)的并聯(lián)。結(jié)果，該感應電機在同樣尺寸和同樣鐵和銅的重量條件下，可以發(fā)出兩倍可用功率，因為感應電機的轉(zhuǎn)速是同步速度的兩倍，并連接于三相電源線。這樣，該感應電機可以用作為發(fā)電機，或者用作為同步馬達。
文檔編號H02P9/00GK1650510SQ03809572
公開日2005年8月3日 申請日期2003年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月28日
發(fā)明者彼德羅·馬達萊娜 申請人:彼德羅·馬達萊娜