用于启动和停止AC感应电动机的设备和方法
阅读：1010发布：2021-03-31
专利汇可以提供用于启动和停止AC感应电动机的设备和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于控制AC感应 电动机 的启动和停止的设备(10，110，510，610)，包括：具有第一、第二和第三腿部(21，22，23，41，42，43，121，122，123，141，142，143，521，522，523，541，542，543)的第一导磁部分(20，40，120，140，520，540，620，640)；具有第四、第五和第六腿部(21，22，23，41，42，43，121，122，123，141，142，143，521，522，523，541，542，543)的第二导磁部分(20，40，120，140，520，540，620，640)；将第一和第二导磁部分(20，40，120，140，520，540，620，640)分开的非 磁性 间隔件(30，130，530，630)；缠绕在第一和第四腿部(21，23，41，43，121，123，141，143，521，523，541，543)周围的第一AC功率相绕组(90，100，190，191，192)；缠绕在第三和第六腿部(21，23，41，43，121，123，141，143，521，523，541，543)周围的第二AC功率相绕组(90，100，190，191，192)；缠绕在第一导磁部分(20，40，120，140，520，540，620，640)周围的第一对DC激励控制绕组(50，60，70，80，150，160，170，180，550，560，570，580，650，660，670，680)；以及缠绕在第二导磁部分(20，40，120，140，520，540，620，640)周围的第二对DC激励控制绕组(50，60，70，80，150，160，170，180，550，560，570，580，650，660，670，680)。，下面是用于启动和停止AC感应电动机的设备和方法专利的具体信息内容。
1.用于控制AC感应电动机的启动和停止的设备，所述设备包括：
具有第一、第二和第三腿部的第一导磁部分；
第二导磁部分，所述第二导磁部分相对于所述第一导磁部分设置，使得所述第二导磁部分的磁控流量与所述第一导磁部分的磁控流量具有相反的磁场极性，所述第二导磁部分具有第四、第五和第六腿部；
非磁性间隔件，所述非磁性间隔件将所述第一和第二导磁部分分开，以防止在所述第一和第二导磁部分之间的磁控流量抵消；
缠绕在所述第一和第四腿部周围的第一AC功率相绕组；
缠绕在所述第三和第六腿部周围的第二AC功率相绕组；
安装在所述第一导磁部分周围的第一对DC激励控制绕组；以及
安装在所述第二导磁部分周围的第二对DC激励控制绕组；
其中在前半周期中，磁功率流量对抗所述第一导磁部分中的所述磁控流量，且磁功率流量有助于所述第二导磁部分中的磁控流量，并且在后半周期中，磁功率流量有助于所述第一导磁部分中的磁控流量且磁功率流量对抗第二导磁部分中的磁控流量，使得AC功率相绕组的阻抗通过在完整功率周期中每个导磁部分中相等量和对称变化的密度的结合磁通来改变，以生成具有来自于每个AC功率相绕组的对称波形的平衡电压。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括缠绕在所述第二和第五腿部周围的第三AC功率相绕组。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述DC激励控制绕组都具有相同数量的匝数。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，每个导磁部分包括：
连接每个腿部的上部部分的上部叉杆轭；以及
连接每个腿部的下部部分的下部叉杆轭。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，每个AC功率相绕组具有大致相等的磁饱和水平。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述每个AC功率相绕组是具有多个电压抽头的单个连续绕组。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述每个AC功率相绕组是至少两个分离线圈，每个线圈具有多个电压抽头。
8.根据权利要求7所述的设备，还包括连接在AC功率相绕组的被选电压抽头之间的中心开关，且通过断开所述中心开关，所述下部线圈从所述电路断开并减少在所述AC功率相绕组的绝缘体上的应力。
9.根据权利要求1所述的设备，还包括第三导磁部分，所述第三导磁部分省略DC激励控制绕组。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述第三导磁部分具有气隙且由非磁性间隔件隔离，以防止在第一和第二导磁部分之间抵消磁控流量。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述DC激励控制绕组是用于感应所述导磁部分中的磁控流量的多个控制绕组，且所述导磁部分中的磁控流量流具有大致相等的磁通密度且所述第一导磁部分中的磁通与所述第二导磁部分中的磁通相反地流动。
12.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第一对DC激励控制绕组缠绕在位于所述第一和第二腿部之间以及所述第二和第三腿部之间的所述第一导磁部分的所述上部叉杆轭周围；且所述第二对DC激励控制绕组缠绕在位于所述第四和第五腿部之间以及所述第五和第六腿部之间的所述第二导磁部分的所述上部叉杆轭周围。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述第一对DC激励控制绕组串连连接且供给DC电流，且所述DC电流感应磁控流量，以在所述第二腿部中向上流动且在所述第一和第三腿部中向下流动。
14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述第二对DC激励控制绕组串连连接且供给DC电流，且所述DC电流感应磁控流量，以在所述第五腿部中向下流动且在所述第四和第六腿部中向上流动。
15.根据权利要求1所述的设备，还包括：
至AC功率相绕组的输入连接，用于连接到三相AC功率系统；
从所述AC功率相绕组的被选降压抽头至负载的输出连接；
至每个AC功率相绕组的公共连接，用于连接到公共电路点；以及
至每对DC激励控制绕组的输入连接。
16.根据权利要求7所述的设备，还包括：
附加的电压抽头，所述电压抽头位于邻近零电压抽头的每个AC功率相绕组上；
其中第一附加电压抽头高于零电压抽头在匝数的5％处；以及
第二附加电压抽头和辅助绕组连接成低于零电压抽头在匝数的5％处。
17.根据权利要求7所述的设备，还包括：
附加的电压抽头，所述电压抽头位于邻近100％电压抽头的每个AC功率相绕组上；
其中第一附加电压抽头低于100％电压抽头在匝数的95％处；以及
第二附加电压抽头和辅助绕组连接成高于100％电压抽头在匝数的5％处。
18.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，附加降压值针对用作自耦变压器的第一启动阶段进行选择且所述多个电压抽头是以5％电压增量。
19.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备是具有以CI叠片形式的磁芯组件的单相结构。
用于启动和停止AC感应电动机的设备和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及用于控制AC感应电动机的启动和停止的设备和方法。
背景技术
[0002] AC感应电动机是用于向驱动装置提供动力的电动机类型。AC感应电动机是稳固的、可靠的、便宜的且在世界范围内是标准化的。启动AC感应电动机需要在电动机启动器设备的成本、启动性能和供电局的规范方面作出相当大的牺牲。
[0003] 启动电动机的基本方法是通过闭合接触器以允许电动机以全值电压启动，从而用作直接启动器。虽然这是紧凑且便宜的方法，但这不是最好的使用方法。直接启动的特征在于六至八倍于电动机的全负载电流值的涌入电流浪涌，从而导致瞬态电涌以及驱动装置上的机械应力。这导致以不受控的方式快速脱离并加速至全值速度。
[0004] 对液压泵的效应是由施加在旋转部件上的机械应力，继而是液压系统中的冲击。这可包括引起在吸入侧抽吸成真空的高初始流率、泵腔和在泵排出口的压力脉动。在例如传输机(由电动机驱动)的机械负载中发现有类似的效应，机械负载在经受突然撞击或严酷的应用扭矩时，可导致负载位移、传输带打滑或破裂。
[0006] 为了维持供电的连续性和质量，供电设施采用限制kW级别电动机的业务规则和规范，该电动机可与直接启动方法相关联且可影响其它电功率消费者。
[0007] 对于从35kW至高达5000kW的大型电动机，供电局可能需要应用降低的涌入电流启动，以将启动电流浪涌限制到较低值。
[0008] 虽然存在以降压启动电动机的多种变型，但是现有技术自耦变压器Korndorfer电路是用于启动大型电动机的常规方法。因为降压启动器可提供具有极小线电流的最大启动扭矩；这是因为自耦变压器的主级和次级绕组的匝数的变压比率。
[0010] 在从第一启动阶段的受迫过渡期间，技术资料将现有技术自耦变压器Korndorfer电路识别为快速上升时间电压浪涌的生成器。示出的信息显示：报告的高电压应力故障主要用于中压电动机启动器，且发生在电动机启动阶段期间，例如承载故障的过载错误或是防止电动机加速到全值速度的操作错误。当发生受迫过渡时，启动序列由控制电路中的保护继电器停止，且所有的开关都停用。
[0011] 在电动机启动阶段期间针对受迫过渡的技术资料中报告的试验程序结果显示这种高电压浪涌的程度。当自耦变压器启动器被迫在其到达接近全值速度之前过渡，启动器生成相对于线电压的0％抽头上的高电压。80％抽头生成有害高电压，且最低电压相对有利地位于50％抽头上。
[0012] 现有技术不区分为何高电压浪涌产生在受迫过渡处或如何降低生成高电压浪涌的风险。给出的唯一结论是安装用于减少电压浪涌的幅值的装置，例如施用分布式金属氧化物电涌放电器以防止生成有害电压水平。现有技术并不识别在受迫过渡期间生成高电压浪涌的物理过程。电涌放电器并不限制与真空电路断电器相关的多个再起弧。适当尺寸的C-R(电容-电阻)浪涌抑制器消除多个再起弧和电压渐升。电涌放电器限制电压浪涌的幅值但是不修正其升高速率。电容充分地减少升高的速率、降低浪涌阻抗且可减少TRV(瞬态恢复电压)以防止多个再起弧。
[0013] 通过检查现有技术Korndorfer降压启动器的示意电路，可以看出在过渡时，从次级绕组供给的电动机电流被传输到主级绕组电路。“星”接触器的触点的分离动作使得电动机电流从“次级”绕组供给瞬间改变(180电角度)至“主级”绕组供给，这是非常快速的dv/dt事件。
[0014] 在过渡处快速上升时间(dv/dt)电压浪涌的幅值是十分重要的，因为每个电压峰值可导致在氧化绕组绝缘材料时的微观“针孔”故障或部分放电。反复启动电动机也引起局部损坏。局部损坏通过电晕放电逐渐破坏聚合物绝缘体。这发生在绝缘材料中的填充气隙由于绕组匝数之间的电场快速变化而电离时。除了部分放电之外，绝缘故障还可与一些极化和/或空间电荷相关。
[0015] 启动时的过载状况可意味着电动机不可能达到操作速度且保护继电器将脱扣电路。所有的开关将停用且功率由“受迫过渡”断开。高电动机电流浪涌和升压变压器连接是意外事件，产生有害绕组闪络或烧坏。也取决于星点开关触点分开处的电压波形的瞬时角度位置。
[0016] 从第一启动阶段过渡的随机切换意味着：采用现有技术启动器的升压自耦变压器连接，受迫过渡将最终产生有害电压浪涌。因此，与随机切换相比，“受控切换”是期望的和有利的。
发明内容
[0017] 在第一优选方面，提供一种用于控制AC感应电动机的启动和停止的设备，所述设备包括：
[0018] 具有第一、第二和第三腿部的第一导磁部分；
[0020] 非磁性间隔件，所述非磁性间隔件将所述第一和第二导磁部分分开，以防止在所述第一和第二导磁部分之间的磁控流量抵消；
[0021] 缠绕在所述第一和第四腿部周围的第一AC功率相绕组；
[0022] 缠绕在所述第三和第六腿部周围的第二AC功率相绕组；
[0023] 安装在所述第一导磁部分周围的第一对DC激励控制绕组；以及
[0024] 安装在所述第二导磁部分周围的第二对DC激励控制绕组；
[0025] 其中在前半周期期间，磁功率流量对抗所述第一导磁部分中的所述磁控流量，且磁功率流量有助于所述第二导磁部分中的磁控流量，并且在后半周期期间，磁功率流量有助于所述第一导磁部分中的磁控流量且磁功率流量对抗第二导磁部分中的磁控流量，使得AC功率相绕组的阻抗通过在完整功率周期期间每个导磁部分中相等量和对称变化的密度的结合磁通来改变，以生成具有来自于每个AC功率相绕组的对称波形的平衡电压。
[0026] 所述设备还可包括缠绕在所述第二和第五腿部周围的第三AC功率相绕组。
[0027] 所述DC激励控制绕组都可具有相同数量的匝数。
[0028] 每个导磁部分可包括：
[0029] 连接每个腿部的上部部分的上部叉杆轭，以及
[0030] 连接每个腿部的下部部分的下部叉杆轭。
[0031] 每个AC功率相绕组可具有大致相等的磁饱和水平。
[0032] 所述AC功率相绕组可以是具有多个电压抽头的单个连续绕组。
[0033] 所述AC功率相绕组可以是至少两个分离线圈，每个线圈具有多个电压抽头。
[0034] 所述设备还可包括连接在AC功率相绕组的被选电压抽头之间的中心开关，且通过断开所述中心开关，所述下部线圈从所述电路断开并减少在所述AC功率相绕组的绝缘体上的应力。
[0035] 所述设备还可包括第三导磁部分，所述第三导磁部分省略DC激励控制绕组。
[0036] 所述第三导磁部分可具有气隙且由非磁性间隔件隔离，以防止在第一和第二导磁部分之间抵消磁控流量。
[0037] 所述DC激励控制绕组可以是用于感应所述导磁部分中的磁控流量的多个控制绕组，且所述导磁部分中的磁控流量流具有大致相等的磁通密度且所述第一导磁部分中的磁通与所述第二导磁部分中的磁通相反地流动。
[0038] 所述第一对DC激励控制绕组可缠绕在位于所述第一和第二腿部之间以及所述第二和第三腿部之间的所述第一导磁部分的所述上部叉杆轭周围；且所述第二对DC激励控制绕组缠绕在位于所述第四和第五腿部之间以及所述第五和第六腿部之间的所述第二导磁部分的所述上部叉杆轭周围。
[0039] 所述第一对DC激励控制绕组串连连接且供给DC电流，且所述DC电流感应磁控流量，以在所述第二腿部中向上流动且在所述第一和第三腿部中向下流动。
[0040] 所述第二对DC激励控制绕组串连连接且供给DC电流，且所述DC电流感应磁控流量，以在所述第五腿部中向下流动且在所述第四和第六腿部中向上流动。
[0041] 所述设备还包括：AC功率相绕组的输入连接，用于连接到三相AC功率系统；
[0042] 从所述AC功率相绕组的被选降压抽头至负载的输出连接；
[0043] 至每个AC功率相绕组的公共连接，用于连接到公共电路点；以及
[0044] 至每对DC激励控制绕组的输入连接。
[0045] 所述设备还可包括：附加的电压抽头，所述电压抽头位于邻近零电压抽头的每个AC功率相绕组上；
[0046] 其中第一附加电压抽头高于零电压抽头在匝数的5％处；以及
[0047] 第二附加电压抽头和辅助绕组连接成低于零电压抽头在匝数的5％处。
[0048] 所述设备还包括：附加的电压抽头，所述电压抽头位于邻近100％电压抽头的每个AC功率相绕组上；
[0049] 其中第一附加电压抽头低于100％电压抽头在匝数的95％处；以及[0050] 第二附加电压抽头和辅助绕组连接成高于100％电压抽头在匝数的5％处。
[0051] 附加降压值针对用作自耦变压器的第一启动阶段进行选择且所述多个电压抽头是以5％电压增量。
[0052] 所述设备室具有以CI叠片形式的磁芯组件的单相结构。
[0054] 本发明逐渐增加的阻抗以及改良的磁芯组件对称地降低了电动机端子的可用电压。这允许以可控方式从电动机全负载递减来停止电动机。
[0055] 本发明至少一个实施例的另一优势在于：对第二阶段中电抗器阻抗值的连续可变控制允许采用针对可变电抗器/自耦变压器设备的给定物理尺寸的更广范围的kW级别电动机，从而允许更大的灵活性。
[0056] 本发明至少一个实施例的又一优势在于：在第一步骤具有降压自耦变压器启动器，其产生比任何其它类型降压启动器更多的线电流扭矩/安培；且在第二启动步骤具有降压电抗器设备，其包括DC控制的改良装置。改良的磁芯组件允许可变电抗器控制连接的平滑转换和加速。
[0057] 本发明的一个特征是DC控制绕组对相反地串联连接，使得由AC功率相绕组引起的这些DC控制绕组中任何感应AC抵偿且得到的经过激励电路的电压大致为零。
[0058] 本发明的其它特征在于，制造所需的物理构造和电气工程并不偏离现有技术自耦变压器启动器中所使用的典型变压器构造技术。换句话说，该构造可采用3线圈组绕组，识别为每相具有一组线圈的“Y形(星点)”构造。这允许在三相之间共用平衡负载或在中心相不包括线圈组绕组中使用2线圈组绕组。这导致与上述3线圈组构造相比的稍微不平衡。2线圈组绕组被识别为“开口三角形”构造。使用2线圈自耦变压器设计没有明显的缺点，因为启动电流在每相中大致平衡。
[0059] 本发明至少一个实施例的优势在于，提供一种新式设备和方法，该设备和方法通过包括将冗余绕组在过渡时从电路断开的中心开关电路来使得这种电压浪涌最小化，用于：
[0060] 1.2级自耦变压器启动器，第一启动级用于降压启动阶段且第二级在电动机端子处是全值电压；和
[0061] 2.3级自耦变压器启动器，第一启动级用于降压启动阶段且第二启动级用于具有控制电抗器阻抗的机构的可变电抗器阶段以及第三级在电动机端子处是全值电压。
[0062] 本发明至少一个实施例的另一优势在于，中心开关可能是“受控开关”(这是本领域技术人员熟知的术语)，其中开关触点的分离可能针对电压波形的预定角度位置进行控制。
[0063] 本发明至少一个实施例的另一优势在于，使得第一启动阶段具有额外的可用的附加降压抽头，以使得可用电动机扭矩与给定负载更好地匹配，并允许系统阻抗中的任何改变并补偿在电动机启动期间的供应电压暂降。采用现有技术的启动器，用户通常可用几组抽头以提供降压的不同值(NEMA标准是全值线电压的80％、65％和50％)。启动器制造商可提供除了NEMA优选50％、65％和80％的抽头以外的抽头。应用工程师常犯的错误是不允许系统阻抗的变化、电动机启动扭矩需求的变化、由制造偏差引起的较低电动机启动扭矩、由温度变化引起的负载扭矩需求变化或阀泄漏。
[0064] 通过选择在100％电压抽头处的抽头和选择在0％电压抽头处的抽头，依照本发明的+5％和-5％增量来改善现有技术启动器的抽头设置之间的15％电压增量。九个降压设置是可用的且允许将电动机启动电压优选调节至所需最小电动机扭矩或启动电流值。
[0065] 本发明至少一个实施例的另一优势在于，在功率中断之后提供将关键性安全电动机重新激活到连续加工厂以最小化生产损失的手段。将仍在旋转的电动机的功率随机重新闭合可产生高瞬时扭矩和电流，该瞬时扭矩和电流动态压迫电动机绝缘体、驱动轴、联接和驱动设备。电动机的相电压的这种随机重新应用可能是有害的。在重新闭合的瞬间添加定子电阻通过限制电磁重新闭合瞬态的长度来减少峰值扭矩。可变电抗器阻抗的增加将会改变定子时间常数值并因此减少任何轴共振瞬态。
[0066] 对于更高幅值的电压暂降，由惯性和负载特性确定的驱动速度可进一步衰减，用于恢复电压的时间延迟窗可需要用于不重要驱动器的负载卸除和在加工制造设施中时间交错的再加速计划表。再启动序列的可行性可由本发明的电动机启动特性来支持，第一启动阶段用作降压自耦变压器的能力是提供使驱动器再加速的扭矩的最有效手段，该自耦变压器用最少的电流指令产生最高启动扭矩，第二阶段作为可变主级电抗器启动器通过在转换时将电动机电流浪涌限制在第三级的全值电压而有助于电网的电压恢复。
[0067] 将可变电抗器应用于第二启动阶段允许电抗器阻抗被设置成适合于所需的第二阶段降压。这可能减少对设备的磁芯中的气隙和设备无负载磁化电流相应减少的需要。
[0068] 本发明至少一个实施例的优势在于，提供一种通过应用中心切换手段在多个启动阶段之间切换序列期间采用降低生成高电压浪涌的风险的手段的降压启动器的设备和方法，其在不会形成任何升压变压器连接的情况下从第一启动阶段平缓地转换到第二电抗器阶段，该升压变压器连接可能采用随机切换方法而引起在现有技术降压电动机启动器的“受迫过渡”期间的有害闪络。附图说明
[0069] 现将参考附图来说明本发明的示例，在附图中：
[0070] 图1是用于根据本发明第一实施例的多相感应电动机启动器的2线圈可变电抗器/自耦变压器设备的透视图；
[0071] 图2是图1中的设备的电气图；
[0072] 图3是图1中的磁芯的分解图；
[0073] 图4是图1中的磁芯的分解图，示出了磁控流量的流动方向；
[0074] 图5是用于根据本发明第二实施例的多相感应电动机启动器的3线圈可变电抗器/自耦变压器设备的透视图；
[0075] 图6是图5中的设备的电气图；
[0076] 图7是图5中的设备的示意性电路图；
[0077] 图8是用于根据本发明第三实施例的多相感应电动机启动器的3线圈可变电抗器/自耦变压器设备的透视图；
[0078] 图9是图8中的设备的电气图；
[0079] 图10是图8中的设备的示意性电路图；
[0080] 图11是用于根据本发明第四实施例的多相感应电动机启动器的2线圈可变电抗器/自耦变压器设备的透视图；
[0081] 图12是图11中的设备的电气图；
[0082] 图13是图11中的设备的示意性电路图；
[0083] 图14是根据本发明第五实施例的具有+5％和-5％的电压抽头的单个连续线圈AC功率相绕组组件的电气图；
[0084] 图15是将现有技术的电压抽头与图14中多个附加断开电路的电压抽头进行比较的图表；
[0085] 图16是多绕组AC功率相组件的透视图，其中附加+5％和-5％的电压抽头位于0％和100％连接处；
[0086] 图17是电动机启动电流的图形，其从第一启动阶段过渡到全值电压；以及[0087] 图18是具有中心切换的2线圈自耦变压器的示意性电路图。
具体实施方式
[0088] 参考图1，示出了根据第一实施例的2线圈可变电抗器/自耦变压器设备10的透视图。设备10用于电动机启动器(未示出)中，以将启动电流提供给多相感应电动机。设备10可用于启动并以减速方式停止电动机。设备10通常包括具有磁性属性的磁芯组件，磁芯组件从配置成“EI”设置的变压器铁芯叠片组装。在另一实施例中，设备10是具有以“CI”叠片形式的磁芯组件的单相结构。设备10具有至少两个导磁部分或部件芯20、40，该导磁部分或部件芯由具有带有明显忨点的磁化曲线的磁性材料制成。第一和第二部件芯20、40由非磁性间隔件30分开。第一部件芯20相对于第二部件芯40配置，使得第一部件芯20的磁控流量具有与第二部件芯40的磁控流量相反的磁场极性。这允许对称控制至感应电动机的AC输出波形。磁芯组件的部件通过上部托架11和下部托架12固定到位。
[0089] 每个部件芯20、40具有三个腿部。第一部件芯20具有两个侧向腿部21、23和中心腿部22。第二部件芯40也具有两个侧向腿部41、43和中心腿部42。侧向腿部21、23、41、43具有相等的截面面积且具有安装于其上的AC相线圈的相应AC功率相绕组90、100。
AC功率相绕组90、100具有类似于现有技术的自耦变压器的电压抽头。第一AC功率相绕组
90缠绕在侧向腿部21、41的周围。第二AC功率相绕组100缠绕在侧向腿部23、43的周围。
AC功率相绕组90、100通过侧向腿部21、23、41、43中的磁通而互连，AC功率相绕组90、100安装于侧向腿部21、23、41、43上。
AC功率相绕组90、100具有类似于现有技术的自耦变压器的电压抽头。第一AC功率相绕组
90缠绕在侧向腿部21、41的周围。第二AC功率相绕组100缠绕在侧向腿部23、43的周围。
AC功率相绕组90、100通过侧向腿部21、23、41、43中的磁通而互连，AC功率相绕组90、100安装于侧向腿部21、23、41、43上。
[0090] 一对DC激励线圈70、80安装在第一部件芯20周围。另一对DC激励线圈50、60安装在第二部件芯40周围。DC激励线圈对50、60、70、80允许每个部件芯20、40中的磁控流量变化。第一部件芯20的DC激励线圈70、80串联连接且彼此具有相同数量的匝数。第二部件芯40的DC激励线圈50、60串联连接且具有与第一部件芯20的DC激励线圈70、80相同数量的匝数。DC激励线圈50、60、70、80的绕组通过相应部件芯20、40中的磁通而互连，DC激励线圈50、60、70、80的绕组安装在部件芯20、40周围。因此，第一部件芯20具有一组DC激励线圈70、80，而第二部件芯40具有一组DC激励线圈50、60。每对DC激励线圈50、60、70、80以相反的极性连接。
[0091] 第一部件芯20的DC激励线圈70、80和第二部件芯40的DC激励线圈50、60连接到DC源，用于感应磁控流量以在每个部件芯20、40中流动，是因为它们形成闭合磁场电路。在部件芯20、40中磁控流量的流动方向是彼此相反的，使得在DC激励线圈50、60、70、80中由AC功率相绕组90、100感应的任何AC抵偿且得到的经过激励DC控制电路的电压大致为零。在前半周期中，磁功率流量对抗第一部件芯20中的磁控流量，且磁功率流量有助于第二部件芯40中的磁控流量。在后半周期中，磁功率流量有助于第一部件芯20中的磁控流量，且磁功率流量对抗第二部件芯40中的磁控流量。这使得在完整功率周期中，通过每个部件芯20、40中相等量和对称变化的结合磁通密度引起AC功率相绕组90、100的阻抗改变，从而得到具有来自于每个AC功率相绕组90、100的对称波形的平衡电压。
[0092] 参考图2，示出了图1中的设备的电气图。提供至每个AC功率相绕组90、100的输入连接200，用于连接到AC功率系统。存在从AC功率相绕组90、100的被选电压抽头至负载的输出连接210。提供至每个AC功率相绕组90、100的公共点连接220，用于连接到公共星点。提供至安装于部件芯20、40上的每对DC激励线圈50、60、70、80的输入连接230。
[0093] 图3示出了图1中的磁芯的分解图。磁性部件芯20、40的设置可具有大致相等的磁饱和水平。
[0094] 图4是图1中的磁芯的分解图，示出了磁控流量的流动方向。磁控流量通过每个部件芯20、40的流动方向以箭头指示。当第一部件芯20通过施加DC激励而激励时，感应磁控流量，该磁控流量沿着中心腿部22以向上的方向流动。当施加DC激励时，第二部件芯40感应磁控流量，该磁控流量沿着其中心腿部42向下流动。由于非磁性间隔件30夹在部件芯20、40之间，所以任何磁耦合降低且防止两个相等且相反的磁控流量抵消。
[0095] AC功率相绕组90、100的阻抗取决于磁芯组件的导磁性。当DC施加到DC激励线圈50、60、70、80时，每个部件芯20、40中的磁控流量会变化。到DC激励线圈50、60、70、80的DC增加将导致AC功率相绕组90、100的阻抗由于芯饱和增加而降低。这降低了磁芯组件的导磁性和AC功率相绕组90、100的阻抗。
[0096] 施加到DC激励线圈50、60、70、80的DC幅值在期望电参数方面变化，该期望电参数由基于微处理器的电动机保护继电器控制器提供。在启动电动机的每个阶段中，控制器监视电动机相电流。控制器具有用来存储第一预定电流值的存储器，第一预定电流值指示启动的电动机，且当在预定过渡时间/电流值之后电动机已经启动以使得电动机启动器切换至用作可变电抗器的随后第二阶段后，控制器能够将电流大小与第二预定电流值比较。在电动机已经达到接近运行速度以使得电动机启动器切换到全供给电压之后，控制器将电流大小与第三预定电流值比较。在第一启动时间段内，控制器针对从自耦变压器连接的过渡切换数字输出。在用作可变电抗器单元的第二启动时间段内，控制器还控制针对部件芯
20、40的DC激励操作控制模拟DC输出信号。在启动和停止指令期间的减速中，电动机控制器针对在变化速率方面的期望电动机运行参数操作模拟DC输出信号。
20、40的DC激励操作控制模拟DC输出信号。在启动和停止指令期间的减速中，电动机控制器针对在变化速率方面的期望电动机运行参数操作模拟DC输出信号。
[0097] DC磁控流量的幅值使部件芯20、40饱和。这继而严格控制磁芯组件的导磁性并因而严格控制AC功率相绕组90、100的阻抗。
[0098] AC功率相绕组90、100和DC控制绕组50、60、70、80相对于磁芯组件布置，使得AC和DC感应在磁芯组件的每个腿部21、22、23、41、42、43中的AC磁控流量和DC磁控流量。当AC分别具有正值和负值时，这些磁通有助于彼此或反抗于彼此。
[0099] DC控制绕组对50、60、70、80相反地串联连接，使得由AC功率相绕组90、100感应的这些DC控制绕组50、60、70、80中的任何AC抵偿。经过激励电路的任何得到电压大致为零。
[0100] 参考图5，示出了根据第二实施例的3线圈可变电抗器/自耦变压器设备110。设备110用于电动机启动器中，以提供启动电流给多相感应电动机(未示出)。设备110可用于启动电动机和以减速方式停止电动机。
[0101] 设备110包括磁芯材料变压器叠片的磁芯组件，该磁芯材料具有带有明显忨点的磁化曲线。设备110被组装成典型的EI结构，具有至少两个部件芯120、140。第一部件芯120和第二部件芯140分别具有三个腿部121、122、123和141、142、143。部件芯120、140由非磁性间隔件130分开。一对DC激励线圈170、180缠绕在第一部件芯120周围。另一对DC激励线圈150、160缠绕在第二部件芯140周围。
[0102] 所有三对腿部121、141和122、142以及123、143具有相应的AC功率相绕组190、191、192。三个绕组190、191、192具有类似于现有技术的自耦变压器的电压抽头。第一AC功率相绕组190缠绕在第一侧向腿部121、141周围。第二AC功率相绕组191缠绕在中心腿部122、142周围。第三AC功率相绕组192缠绕在第三侧向腿部123、143周围。AC功率相绕组190、191、192的绕组由腿部121、122、123、141、142、143中的磁通互连，AC功率相绕组190、191、192安装在腿部121、122、123、141、142、143上。
[0103] 参考图6，示出了图5的设备110的电气图。提供至每个AC功率相绕组190、191、192的输入连接300，用于连接到AC功率系统。提供从AC功率相绕组的被选电压抽头至负载的输出连接310。提供至每个AC功率相绕组190、191、192的公共点连接320，用于连接到公共星点。提供至每对DC激励线圈150、160、170、180的输入连接330，DC激励线圈150、
160、170、180安装在部件芯120、140上。
160、170、180安装在部件芯120、140上。
[0104] 现有技术降压％与对应的启动电流值和扭矩值％之间的关系在下表中示出，同样也在图6中示出：
[0105]电压抽头 启动电流 启动扭矩
50％ 50％ 25％
65％ 65％ 42％
80％ 80％ 64％
50％ 50％ 25％
65％ 65％ 42％
80％ 80％ 64％
[0106] 参考图7，示出了图5的设备110的示意性电路图。系统400包括类似于现有技术Korndorfer闭路过渡结构的电路。系统400具有连续(单个)的三个(单线圈)AC功率相绕组190、191、192。系统400还具有带有星开关408、409、410的公共点。还具有主开关401、旁通接触器402以及电动机过载继电器403。电动机过载继电器403可能是热或电子继电器。存在变压器触点404、405、406。变压器触点404、405、406可能是固态类型或电机械类型的触点。
[0107] 参考图8-10，示出了根据第三实施例的3线圈可变电抗器/自耦变压器设备510。转到图9，示出了图8中的设备510的示意性电路图。系统500具有用于每个AC功率相绕组的至少两个分隔线圈。该两个线圈是具有多个电压抽头的上部线圈593、594、595；以及具有与上部线圈593、594、595相同数量的匝数的下部线圈596、597、598。存在包括至少两个部件芯520、540的磁芯组件。一对DC激励线圈570、580缠绕在第一部件芯520周围。另一对DC激励线圈550、560缠绕在第二部件芯540周围。提供至AC功率相绕组的每个上部线圈593、594、595的输入连接300，用于连接到AC功率系统。
[0108] 提供从AC功率相绕组的上部线圈593、594、595被选电压抽头至负载和至中心切换端子的输出连接310。提供至AC功率相绕组的每个下部线圈596、597、598的公共点连接320，用于连接到公共星点。提供至每对DC激励线圈550、560、570、580的输入连接330，DC激励线圈550、560、570、580安装在第一和第二部件芯520、540上。提供至中心切换端子的输入连接315。中心切换端子允许电路从第一启动阶段的自耦变压器连接切换到第二启动阶段的可变电抗器连接。还存在主开关501、旁通接触器502和电动机过载继电器503。电动机过载继电器503可能是热或电子继电器。存在变压器触点505、506、507。变压器触点
505、506、507可能是固态类型或电机械类型的触点。系统500还具有硬连线的公共点。
505、506、507可能是固态类型或电机械类型的触点。系统500还具有硬连线的公共点。
[0109] 参考图11-13，示出了根据第四实施例的2线圈可变电抗器/自耦变压器设备610。系统600包括类似于现有技术Korndorfer闭路过渡结构的电路，其中两个分离线圈用于每个AC功率相绕组690A、690B、691A、691B。两个线圈是具有多个电压抽头的上部线圈690A、690B；以及具有相同数量的匝数的下部线圈691A、691B。存在中心切换端子，以允许电路从第一启动阶段的自耦变压器连接切换至第二启动阶段的可变电抗器连接。还存在主开关601、旁通接触器602以及电动机过载继电器603。电动机过载继电器603可能是热或电子继电器。存在变压器触点605、606、607。变压器触点605、606、607可能是固态类型或电机械类型触点。系统600还具有硬连线的公共点。
[0110] 参考图14，示出了单个连续绕组，具有在80％、65％和50％处的多个电压抽头。附加抽头提供在零电压抽头上方或下方。上部抽头在+5％绕组连接处制得，且附属5％绕组匝数被添加在零电压抽头的下方。在100％电压抽头处提供类似成对的5％电压抽头，且附属5％绕组匝数被添加在100％电压抽头的上方。通过选择合适的抽头，针对九(9)个减少的电压设置可在三(3)个现有技术断开电路电压抽头可按照邻近抽头之间相等的5％电压增量来改变。
[0111] 参考图15和16，用于连接至中心切换装置的多绕组相组件包括邻近零电压抽头和100％电压抽头的多个5％电压抽头。连接线路894重新定位在其它抽头上，以使连接适合于中心切换器，如图15所示。
[0112] 参考图17，从自耦变压器的次级绕组供给的电动机启动电流1在第一启动阶段图示地示出，且示出了从自耦变压器的主级绕组供给的电动机电流的快速变化。来自于次级绕组的供给的变化以180度相变成为主级供给3。这是非常高的dv/dt事件2，且会导致生成采用随机切换手段的有害浪涌电压。
[0113] 参考图18，示出了图13中的设备的示意性电气电路。中心开关704在80％抽头处连接，以便使用双极切换手段。通过经由在公共“星”点处的第二相连接而仍连接到线电压，包括线圈B、C、D的断开绕组被防止浮动。断开绕组还可通过电涌放电器/抑制单元708的连接而固定在中心开关704的负载侧。
[0114] 本领域技术人员应当理解的是，在不偏离由广泛说明的本发明的范围或精神的前提下，可对在具体实施例中示出的本发明作出各种变化和/或变型。因此，本实施例应当被认为在所有方面是描述性而非限制性的。
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