[发明专利]多相电动马达

说明书

技术领域

本发明涉及多相电感应机、马达和发电机。更具体地，本发明涉及感应马达或发电机，其在非常高的功率因数下，在宽负载范围内操作，而不会牺牲重要的马达特性，例如效率和扭矩，同时甚至改进这些性能中的某些性能。

背景技术

三相AC感应马达是工业应用中使用的主要马达类型。感应马达消耗全世界产生的电能的30%到40%，在某些发达国家消耗高达70%。由于其广泛的使用，感应马达的能量消耗参数被强有力地管制。通过具体的标准控制其中的一些参数。例如，马达效率通过标准EPACT92和EISA2007-MG1Premium而得到良好的理解、讨论和控制。

另一个极其重要的能量消耗参数是功率因数（“PF”）。PF被定义为用kW表示的所消耗的实际功率大小与用KVA表示的由负载消耗的表观功率大小的比。效率和PF的组合限定了马达在其运转和产生特定轴功率时所用的电流大小。感应马达的PF还没有受到美国联邦标准的管制，即使在大多数电气设施系统中，感应马达是以无功千伏安（“kVAR”）为单位测量的无功功率要求的主要创建者。对于大多数电气设施系统（如果不是全部电气设施系统）而言，作为kVAR的无功功率要求的最明显的来源大部分是由具有低PF的感应马达产生的。在消费者的无功功率要求超出了某个阈值的情况下，许多设施需要向工业消费者或类似的消费者收取罚金。这些电气设施中的许多对PF小于.95到.85的马达进行处罚。

保持感应马达的PF尽可能高的另一个动机是无功功率对传动和分布线损耗的影响。这些损耗与总电流的平方成比例，该总电流的平方与PF成反比。设施对于其消费者能够容忍的最小阈值PF通常由该设施设定。最小阈值PF的值可以随着设施不同而变化，并且可以通过负载和时间而变化。

表1

典型的最小阈值PF是.95。然而，典型的感应马达的PF显著低于.95，如表1所示。表1取自网站The Engineering Toolbox（工程工具箱），并且其名称为“PF for a Three Phase Electrical Motor（用于三相电动马达的PF）”，可以获取自http://www.engineeringtoolbox.com/power-factor-electrical-motor-d_654.html。从表1中可以看到，PF随着马达负载而变化，在大多数情况下，当马达在其全负载参数以下使用时，现代感应马达的PF下降。另外，大多数感应马达在小于全负载的情况下操作。

如今，大多数通用的PF修正方法在大型设备的进入点或者在设施公司期望的位置处采用电容器组合安装。电源变压器和感应马达之间的电缆承载无功功率。电缆的无功功率将与给定的感应马达的PF成反比地增加电缆中的损耗。例如，80%的PF意味着比单位PF高44%的电缆损耗。与马达自身损耗相比，这些电缆损耗可能是非常显著的，因此，提高马达PF对于整体节能是非常重要的。因此，重要的是不仅仅考虑马达自身的效率，而是要考虑包括电缆损耗的整体系统效率。因此，系统效率在本文中限定为马达输出功率除以马达输入功率加电缆损耗的和。

如图1a和1b中的阴影箭头所示，所消耗的有功功率或实际功率在图1a和1b所示的两种情况下是相同的。为了修正所示的马达的PF，作为补偿可以增加局部电容器。增加电容器允许图1b的系统提供更多的实际功率。

通过局部电容器向马达提供无功功率的方法存在若干问题，包括：1）来自与马达直接连接的电容器的瞬态电流可能经过马达的保护装置，尤其是因为补偿的马达的全负载设定相对于马达没有补偿的情况将减小。2）对于中到高惯量负载，紧接着马达关闭之后，感应马达的自激励可能导致安全问题（需要额外的继电器开关来避免这些问题）。3）与主电力线直接连接的电容器可能使得谐波失真问题成倍增加，原因是用于高谐波的电容器阻抗小于用于基本频率的阻抗，谐波问题对于整流器或可变速驱动器而言是普遍的。为了解决这个问题，可能需要昂贵的整流器来修正这些问题。4）PF的波动，尤其是对于不断变化的马达载荷，导致需要始终监测和调整电容器提供的kVAR。提供这种监测和调整的设备可能是非常昂贵的。5）在局部电容器失效的情况下，可能发生短路接地。这种类型的短路可能导致安装在设施应用或局部安装应用（例如如图2所示的）中的电容器组合的重大损伤。