ТРЕХФАЗНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1999 года по МПК H02P5/28 H02K17/12 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для мощных синхронных и асинхронных трехфазных электрических машин, имеющих параллельные ветви в обмотке статора.

Известно устройство [1] , содержащее электрическую машину с двумя параллельными ветвями обмотки статора, в котором с целью упрощения схемы пуска, исключения пусковых сопротивлений, реакторов др. сначала к сети подключается одна из обмоток (из одной ветви), а после разворота машины параллельно ей подключается вторая ветвь, что обеспечивает пуск электрической машины.

Недостатком этого устройства является то, что при коротком замыкании в сети оно быстро тормозится как за счет механической нагрузки на валу, так и за счет электрического тормозного момента от тока машины, идущего от нее к месту короткого замыкания. В результате при восстановлении напряжения после исчезновения режима короткого замыкания самозапуск машины может оказаться невозможным.

Известен также двухскоростной асинхронный двигатель с двумя или несколькими обмотками статора, питающийся от одной сети, наиболее близкий к предлагаемому устройству, принятому нами за прототип [2].

Основным недостатком такой машины является то, что при обрыве фазы, наличии режима короткого замыкания она оказывается в несимметричном режиме работы, что снижает ее надежность.

Целью изобретения является повышение надежности и устойчивости при коротком замыкании в сети, обрыве фазы питания и других переходных процессах.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем трехфазную электрическую машину из двух статорных обмоток (или двух параллельных ветвей обмоток статора) и общего ротора, каждая из упомянутых обмоток подключена к независимому источнику питания с одинаковыми напряжениями, частотой тока и чередованием фаз.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается наличием новых узлов и связей (два источника, раздельное подключение статорных обмоток) и связями с остальными элементами.

Таким образом, заявленное устройство является новым, т.к. не известно из уровня техники.

Сравнение заявленного устройства с другими техническими решениями показывает, что при введении новых узлов с указанными связями с другими элементами появляются новые свойства, такие как устойчивая работа при коротком замыкании в сети, обрыве фазы питания и других переходных процессах.

Это позволяет сделать вывод о том, что техническое решение имеет изобретательский уровень, т.к. оно для авторов явным образом не следует из уровня техники.

На фиг. 1 изображена структурно-принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - схема замещения для асинхронной машины в предложенном режиме, на фиг. 3 - зависимость мощности и статической устойчивости от нагрузочного угла для синхронной машины.

Устройство (фиг. 1) содержит два независимых источника электропитания U₁ и U₂, две независимые статорные обмотки 1 и 2, соединенные, например, по схеме "звезда", ротор машины 3 - общий. Для асинхронной машины схема замещения в таком режиме, т.е. при наличии двух независимых источников представлена на фиг. 2, где U₁ и U₂ - фазные напряжения источников U₁ и U₂; I₁ - ток в обмотке статора; I₀ - ток намагчивания; r₁ - активное сопротивление обмотки статора; X₁ - реактивное сопротивление рассеяния обмотки статора; r₀, X₀ - приведенное активное сопротивление ротора; X'₂ - приведенное реактивное сопротивление обмотки ротора; S - скольжение, R₂/S - электрическое сопротивление, эквивалентное механической работе электродвигателя; I'₂ - приведенный ток ротора.

Из теории электрических машин известно, что электромагнитный момент асинхронной машины выражается формулой

где ω₁ - круговая частота вращения магнитного поля машины.

В приведенной схеме электромагнитный момент машины создается двумя ее статорными обмотками, каждая из которых несет нагрузку, равную 50% нагрузки машины.

Устройство, изображенное на фиг. 1, работает следующим образом. При пуске к источнику подключается одна из обмоток статора. После разворота машины подключается к своему источнику другая обмотка. Этим исключается необходимость в пусковых сопротивлениях, реакторах и других элементах, т.е. упрощается схема пуска электрической машины. В нормальных условиях каждая из обмоток статора нагружена на половину общей нагрузки. При коротком замыкании в сети, например, источника U₁, обмотка 1 подпитывает место короткого замыкания непосредственно, а обмотка 2 - через электромагнитную связь между ними, т.е. указанными выше обмотками.

Кроме того, обмотка 2, получая по-прежнему питание от источника U₂, обеспечивает вращающий электромагнитный момент на валу двигателя, интенсивность торможения которого снижается. После отключения, устранения режима короткого замыкания и восстановления напряжения в сети источника U₁ двигатель разворачивается под действием обеих обмоток до скорости, обусловленной его нагрузкой на валу. Таким образом обеспечивается большая устойчивость при режимах короткого замыкания и самозапуск электрической машины как асинхронной, так и синхронной.

Для синхронной трехфазной машины электромагнитный момент (мощность) выражается следующей формулой

где P - мощность машины;
U_ф - напряжение на одной фазе обмотки статора;
E - ЭДС машины;
X - реактивное синхронное сопротивление фазы машины;
θ - угол раствора между осями полей статора и ротора (нагрузочный угол).

В соответствии с существующими стандартами машина имеет 2 - 2,5 кратный запас по статической устойчивости, т.е. при номинальном режиме θ 25 - 30^o. Т. е. при кратковременном увеличении нагрузки на валу машины в 2 раза или снижении напряжения в сети до 50% от номинального синхронная машина не выпадает их синхронизма.

В предлагаемом устройстве даже при потере питания одной из обмоток статора из-за короткого замыкания в сети одного из источников или кратковременного отключения вторая обмотка, оставаясь подключенной к другому источнику, работает с допустимой перегрузкой и обеспечивает вращающий электромагнитный момент, достаточный, чтобы синхронный двигатель не выпал из синхронизма.

Выражение для статической устойчивости синхронной машины можно получить, если взять производную dP/dθ, т.е.

Графически зависимости P = f(θ) и dP/dθ = f(θ) изображены на фиг. 3. Из графиков видно, что чем меньше нагрузка двигателя, тем больше его статическая устойчивость при перегрузках.

Таким образом, в предложенном устройстве обеспечивается увеличение устойчивости, улучшение показателей надежности машины по сравнению с существующими техническими решениями.

Приведенные данные и сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.

Источники информации:
1. Вешеневский С.Р. Расчет характеристик и сопротивлений для электродвигателей. - М.: ГЭИ, 1955, с. 265.

2. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода. - М.: ГЭИ, 1953, с. 376, фиг. 8-6.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для мощных синхронных и асинхронных трехфазных электрических машин, имеющих параллельные ветви обмотки статора. Сущность изобретения: в устройстве, содержащем трехфазную электрическую машину из двух статорных обмоток или двух параллельных обмоток статора и общего ротора, каждая из упомянутых обмоток подключена к независимому источнику питания с одинаковыми напряжениями, частотой тока и чередованием фаз. При пуске к источнику подключается одна из обмоток статора. После разворота машины подключается к своему источнику другая обмотка. При потере питания одной из обмоток статора, например из-за короткого замыкания в сети одного из источников или кратковременного отключения, вторая обмотка, оставаясь подключенной к другому источнику, обеспечивает работоспособность электрической машины. Изобретение позволяет повысить надежность и устойчивость при коротком замыкании в сети. 3 ил.

Трехфазная электрическая машина, содержащая две статорные обмотки или две параллельные ветви обмотки статора и общий ротор, отличающаяся тем, что указанные обмотки подключены каждая к независимому источнику питания с одинаковыми напряжениями, частотой тока и чередованием фаз.