一种稀土永磁电动机及其控制方法 【技术领域】
本发明涉及电动机技术领域，特别涉及一种稀土永磁电动机及其控制方法。
背景技术
稀土永磁电动机，在额定电压下运行时，即便是空载工况，其功率因数也能达到0.8以上。由于稀土永磁电动机功率因数高，这样不但电机本身的铜耗显著降低，也减小了输电线路上的损耗，因此稀土永磁电动机的应用范围越来越广。
但是，现有的稀土永磁电动机在供电电压相对于额定电压发生偏差情况下，其空载电流会显著增大，轻载运行性能显著变坏。例如一台380V 22kW的稀土永磁电动机，当电源电压等于感应电势(380伏)时，空载电流仅仅1.5安培左右，而当电源电压降至360伏或者增加到400伏时，空载电流可能达到12～15安培。这就说明，电压虽然仅仅变化了大约5％，空载电流却可能增加8-10倍。
在稀土永磁电动机驱动抽油机的情况下，在每个冲程中的大部分时间都属于轻载运行。在其轻载运行的情况下，功率因数也随着供电电压的变化而发生显著变化。例如当负载是额定功率1/3的时候，如果供电电压也是380V左右，那么它的功率因数可以接近0.958；而一旦供电电压从380V变为340V或4200V，功率因数就会降至只有0.7，甚至0.5左右，如图1所示，。该图为表示负载是为额定功率的1/3时稀土永磁电动机的功率因数与供电电压之间的关系的曲线图。可见稀土永磁电动机的性能，无论是空载还是负载，对供电电压都非常敏感。
油田的供电线路一般长达10km甚至更长，在较长供电线路情况下，供电线路的首端和末端的电压差别较大。大量实测表明，对于安装额定电压为380伏电动机的供电系统，首端电压通常达到410-420伏，而末端却只有350-360伏左右。因此，现有的稀土永磁电动机在油田的供电线路中，功率因数会大幅降低，这样不仅使电机本身的损耗增加，也增加了供电线路及变压器的损耗。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种稀土永磁电动机及其控制方法，能够自适应供电电压，达到较高的功率因数。
本发明实施例提供一种稀土永磁电动机，包括三相定子绕组，所述三相定子绕组中的每相定子绕组的出线端除了首尾两端的出线端以外，具有至少一个抽头，出线端的不同连接对应不同的感应电势。
优选地，当所述三相定子绕组是星形接法时，所述抽头从每相定子绕组的首端部位引出；
所述三相定子绕组的尾端出线端连接在一起构成中性点；
电源线连接定子绕组首端不同的出线端对应不同的感应电势。
优选地，当所述三相定子绕组是星形接法时，所述抽头从每相定子绕组的尾端部位引出；
电源线连接所述三相定子绕组首端的出线端，定子绕组尾端的出线端接在一起构成中性点，尾端的出线端的不同连接。
优选地，当所述三相定子绕组是星形接法时，所述抽头从每相定子绕组的首尾两端分别引出；
所述三相定子绕组首端的一组出线端连接电源线；首端剩余的出线端空置；
所述三相定子绕组尾端的一组出线端连接中性点；尾端剩余的出线端空置。
优选地，所述抽头为一个、二个、三个或四个。
优选地，出线端的不同连接所对应的感应电势与电动机额定电压的差是额定电压的k(2～6)％；其中k为所述抽头的个数。
本发明实施例还提供一种控制所述稀土永磁电动机的方法，包括以下步骤：
首次安装稀土永磁电动机时，检测当前的供电电压，选择与所述供电电压对应的感应电势；
由所述感应电势选择并连接对应的出线端。
优选地，还包括：
监测供电电压与当前感应电势是否匹配，如果不匹配，则判断供电电压与当前感应电势的差值是否大于供电电压与相邻档位感应电势的差值，如果是，则选择并连接相邻档位的感应电势对应的出线端；如果否，则保持不变。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的稀土永磁电动机，在每相定子绕组设置多个出线端，这样出线端不同对应定子绕组的匝数不同，当永磁电动机转子旋转时，在定子绕组上就会产生不同的感应电势。因此，可以通过连接不同的出线端来使稀土永磁电动机适应不同的供电电压。这样，当供电电压变化时，可以使稀土永磁电动机自适应供电电压的变化，感应电势与供电电压总是相匹配的，从而提高稀土永磁电动机的功率因数。
【附图说明】
图1是现有技术中稀土永磁电动机负载是额定功率1/3时的功率因数与供电电压的关系曲线图；
图2是本发明提供地稀土永磁电动机实施例一示意图；
图3是本发明提供的稀土永磁电动机实施例二示意图；
图4是本发明提供的稀土永磁电动机实施例三示意图；
图5是本发明中稀土永磁电动机负载是额定功率1/3时的功率因数与供电电压的关系曲线图；
图6是本发明提供的稀土永磁电动机的控制方法实施例一流程图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
由于稀土永磁电动机的感应电势与供电电压是否匹配，严重地影响该电机运行时的功率因数，因此，本发明通过调节稀土永磁电动机的感应电势来适应外界的供电电压。
稀土永磁电动机实施例一：
参见图2，该图为本发明提供的稀土永磁电动机实施例一示意图。
本实施例提供的稀土永磁电动机，包括三相定子绕组，分别为A相定子绕组、B相定子绕组和C相定子绕组。所述三相定子绕组中的每相定子绕组具有至少三个出线端，出线端不同的连接对应不同的感应电势。
下面以每个定子绕组具有五个出线端为例进行说明。如图2所示，A相定子绕组201具有的五个出线端分别是A、X1、X2、X3和X4；B相定子绕组具有的五个出线端分别是B、Y1、Y2、Y3和Y4；C相定子绕组具有的五个出线端分别是C、Z1、Z2、Z3和Z4。
根据电机的工作原理，三相定子绕组是对称的，因此，A-X1、B-Y1和C-Z1对应的线圈匝数是相同的，其他以此类推，在此不再赘述。下面以A相定子绕组为例进行说明。可以理解的是，电源加在A相定子绕组的哪个出线端时，也同样加在B相定子绕组和C相定子绕组对应的出线端。
图2所示的定子绕组可以对应4个档位的电压，对应的出线端组合分别是A-X1、A-X2、A-X3、A-X4。
例如，以UN表示稀土永磁电动机的额定电压，UN可以为380V、660V或1140V等等，可以根据工作场合选择稀土永磁电动机的型号。
当电源加在三相定子绕组的A-X1、B-Y1和C-Z1上时，假设对应的感应电势是96％UN，则对应的供电电压可以是从低于94％UN到98％UN。当电源加在三相定子绕组的A-X2、B-Y2和C-Z2上时，对应的感应电势是UN，则对应的供电电压可以是(98％～102％)UN。对应的供电电压是UN。当电源加在三相定子绕组的A-X3、B-Y3和C-Z3上时，对应的感应电势是104％UN，则对应的供电电压可以是(102％～106％)UN对应的供电电压是104％UN。当电源加在三相定子绕组的A-X4、B-Y4和C-Z4上时，对应的感应电势是108％UN，则对应的供电电压大于106％UN对应的供电电压是108％UN。
需要说明的是，稀土永磁电动机的供电电压的档位可以根据实际需要选择不同的档位，档位的个数也可以根据需要设定，例如，每相定子绕组可以设置三个出线端、四个出线端、五个出线端或六个出线端等等。
出线端的不同连接所对应的感应电势与电动机额定电压的差是额定电压的k(2～6)％；其中k为所述抽头的个数。
本发明提供的稀土永磁电动机，在每相定子绕组设置多个出线端，这样出线端不同对应定子绕组的匝数不同，当永磁电动机转子旋转时，在定子绕组上就会产生不同的感应电势。因此，可以通过连接不同的出线端来使稀土永磁电动机适应不同的供电电压。这样，当供电电压变化时，可以使稀土永磁电动机自适应供电电压的变化，稀土永磁电动机的感应电势与供电电压相匹配，进而提高稀土永磁电动机的功率因数。
稀土永磁电动机实施例二：
参见图3，该图为本发明提供的稀土永磁电动机实施例二示意图。
一般永磁电机的定子绕组均是采用星形连接方式。
本实施例提供的稀土永磁电动机，所述出线端从每相定子绕组的首端引出；所述三相定子绕组的末端接在一起构成中性点；电源线连接定子绕组首端不同的出线端对应不同的感应电势。
下面以每相定子绕组具有四个出线端为例进行说明。
如图3所示，每相定子绕组的末端连接在一起构成中性点N。这样，中性点可以在电机壳体内部短接，不需要再将定子绕组的末端引出到电机壳体外部的接线盒。
A相相定子绕组的四个出线端分别为：A、A1、A2和A3；B相相定子绕组的四个出线端分别为：B、B1、B2和B3；C相相定子绕组的四个出线端分别为：C、C1、C2和C3。
电源线通过连接不同的出线端可以得到不同的感应电势，进而对应不同的供电电压。
例如，电源线可以连接三相定子绕组的A、B和C，此时，对应的绕组的线圈匝数是最多的，因此，对应的感应电势最大，对应的供电电压也最大。以此类推，当电源线连接三相定子绕组的A3、B3和C3时，对应的绕组的线圈匝数是最少的，感应电势也最小，对应的供电电压也最小。
本实施例提供的稀土永磁电动机的定子绕组的出线端设置在首端，通过调节电源线连接不同的出线端就可以改变对应的供电电压。这样，可以在电机内部将定子绕组的末端连接在一起形成中性点，不用在电机壳体外部再调节中性点的连接方式。与将抽头设置在中性点附近的图2相比，其优点是引出线较少。例如在都具备四档调压的情况下，引出线从图2的15根减少为12根。
稀土永磁电动机实施例三：
继续参见图2，该图为本发明提供的稀土永磁电动机实施例三示意图。
本实施例提供的稀土永磁电动机，所述出线端从每相定子绕组的尾端引出；电源线连接所述三相定子绕组的首端，定子绕组尾端不同的出线端接在一起构成中性点。
如图2所示。本实施例是将电源线连接在定子绕组首端固定不动，通过将末端的不同出线端连接在一起构成中性点。中性点连接的出线端不同，对应的感应电势不同。
电源线连接三相定子绕组的首端A、B和C。
中性点连接不同组别的X、Y和Z，就可以构成不同的感应电势。A相相定子绕组尾端的出线端为X4、X3、X2和X1，B相相定子绕组尾端的出线端为Y4、Y3、Y2和Y1，C相相定子绕组尾端的出线端为Z4、Z3、Z2和Z1。
当中性点连接X4、Y4和Z4时，对应的感应电势是最大的，供电电压也是最大的。以此类推，当中性点连接X1、Y1和Z1时，对应的感应电势是最小的，供电电压也是最小的。
本实施例提供的稀土永磁电动机，电源线的连接方式固定不变，将三相定子绕组的末端出线端引到壳体外部，通过连接不同的出线端来构成中性点，从而使其与供电电压相匹配。
稀土永磁电动机实施例四：
参见图4，该图为本发明提供的稀土永磁电动机实施例五示意图。
本实施例提供的稀土永磁电动机的出线端从每相定子绕组的首尾两端分别引出；定子绕组首端的出线端连接电源线，尾端的出线端连接中性点。
如图4所示，A相相定子绕组的首端的出线端为A1和A2，末端的出线端为X1和X2；B相相定子绕组的首端的出线端为B1和B2，末端的出线端为Y1和Y2；C相相定子绕组的首端的出线端为C1和C2，末端的出线端为Z1和Z2。
电源线连接每相定子绕组的首端的出线端，中性点连接每相定子绕组的末端的出线端。这样，既可以固定中性点的连接方式，通过调节电源线连接的首端的出线端来改变感应电势；也可以固定电源线的连接方式，通过调节中性点连接的末端的出线端来改变感应电势。当然，也可以既调节电源线连接方式又改变中性点连接方式来调节感应电势。
图4所示的定子绕组可以对应4个档位的电压，对应的出线端组合分别A1-X1、A1-X2、A2-X1和A2-X2。
例如，电源线连接三相定子绕组首端的接线端分别为A1、B1和C1不变，中性点可以连接三相定子绕组的末端的出线端X1、Y1和Z1，这样对应最大的感应电势；中性点也可以连接三相定子绕组的末端的出线端X2、Y2和Z2，这样对应较小的感应电势。电源线连接三相定子绕组首端的接线端分别为A2、B2和C2不变，中性点可以连接三相定子绕组的末端的出线端X2、Y2和Z2，这样对应最小的感应电势。
下面结合附图5详细说明一下本发明的有益效果。
参见图5，该图为本发明实施例提供的稀土永磁电动机的供电电压与功率因数曲线图。
本发明实施例提供的一台四档调压的稀土永磁电动机(四档电压的设计值分别为365V、380V、395V、410V)，当负载是额定功率1/3的时候，通过实测得到功率因数随电压变化如图6所示。
图5中的最上方的用黑色粗实曲线表示的曲线是本实施例中实测的功率因数随电压变化的曲线，。从该曲线可以看出，当电源电压在350V到415V范围变化时，功率因数均大于0.96。这是因为，在电源电压位于不同范围时，相应地改变了当然，在测试的过程中根据供电电压的不同对应改变定子绕组的出线端的连接方式使永磁电机的感应电势与电源电压总是相匹配。
图5中下方的用虚曲线表示的曲线，是常规的永磁电动机实测的单一电压情况下，功率因数随供电电压变化的曲线。可以看出，当供电电压是380V时，其功率因数达到0.96以上；而一旦供电电压从380V变为350V或415V，功率因数就会降至0.76与0.55左右。图5中下方的粗虚曲线，是实测的稀土永磁电动机固定在单一额定电压(380V)下，功率因数随电压变化的曲线。
从图中可以明显看出，采用本发明实施例提供的稀土永磁电动机，可以在很宽的供电电压范围内均能得到很高的功率因数，从而解决了现有的稀土永磁电动机对供电电压敏感的问题。
基于以上稀土永磁电动机，本发明实施例还提供一种稀土永磁电动机的控制方法，下面结合附图详细进行说明。
参见图6，该图为本发明提供的稀土永磁电动机的控制方法实施例一流程图。
S601：首次安装稀土永磁电动机时，检测当前的供电电压，选择与所述供电电压对应的感应电势。
由于供电电压因为各种因素可以存在浮动，从而与稀土永磁电动机的额定电压不匹配，因此，实时监测稀土永磁电动机的供电电压，选择与监测的供电电压相匹配的感应电势。
S602：由所述感应电势选择对应的出线端。
预先将感应电势与出线端的组合的逻辑对应关系做成表格，可以通过查表选择对应的出线端，从而将稀土永磁电动机的定子绕组按照选择的出线端进行连接，使供电电压与感应电势相匹配，提供永磁电机的功率因数。
需要说明的是，稀土永磁电动机在运行过程中也要实时监测供电电压与当前的感应电势是否相匹配，如果不匹配，则判断供电电压与当前感应电势的差值是否大于供电电压与相邻档位感应电势的差值，如果是，则选择并连接相邻档位的感应电势对应的出线端；如果否，则保持不变。
本实施例提供的稀土永磁电动机的控制方法，基于稀土永磁电动机的三相定子绕组具有多个出线端，不同的出线端对应不同的感应电势。监测稀土永磁电动机的供电电压，根据监测到的供电电压通过查表选择与供电电压对应的出线端，将电源线连接到选择的出线端上，使供电电压与电机的感应电势相匹配，从而提供稀土永磁电动机的功率因数。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。