МНОГОФАЗНЫЙ АКСИАЛЬНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ РЕГУЛЯТОР Российский патент 2003 года по МПК H02M5/10 H01F29/04 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к индукционным регуляторам, и может быть использовано, например, для регулирования напряжения.

Известна конструкция индукционного регулятора (см. Костенко М.П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. Ч.2. - Л.: Энергия, 1973, с.389-390), представляющего собой обычную асинхронную машину цилиндрического исполнения с фазным заторможенным ротором. Такой индукционный регулятор содержит статор и ротор с соответствующими трехфазными обмотками, корпус, подшипниковые щиты и самотормозящуюся червячную передачу, позволяющую оператору вращать ротор относительно неподвижного статора на необходимый угол с целью изменения величины выходного напряжения. При этом за первичную обмотку принимается обычно обмотка ротора, за вторичную - обмотка статора. При поворачивании ротора величина выходного напряжения плавно изменяется.

Однако конструкция такого индукционного регулятора сложна из-за необходимости штамповки листов магнитопроводов статора и ротора. Кроме того, стоимость такого индукционного регулятора велика из-за большого расхода электротехнической стали, связанного с высоким процентом ее отходов при штамповке.

Наиболее близким к изобретению по физической сущности и достигаемому результату является аксиальный индукционный регулятор (см. патент 2168785, 2001, БИ 28, авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М., Сингаевский Н.А. и др.), содержащий два тороидальных магнитопровода с пазами, в которые уложены первичная и вторичная трехфазные обмотки, начала которых электрически соединены между собой посредством скользящих контактов, а тороидальный магнитопровод с первичной обмоткой, соединенной в "звезду", выполнен подвижным относительно тороидального магнитопровода с вторичной обмоткой, для чего установлена червячная передача, жестко связанная с подвижным магнитопроводом, причем между тороидальными магнитопроводами имеется воздушный зазор, необходимый для их взаимного перемещения, а вторичная обмотка выполнена имеющей возможность подключения к нагрузке.

Существенным недостатком такого аксиального индукционного регулятора является сложность конструкции, вызванная необходимостью взаимного перемещения магнитопроводов, наличие воздушного зазора между магнитопроводами, приводящее к увеличению магнитного сопротивления, а следовательно, к увеличению токов, необходимых для создания требуемого магнитного потока (тока намагничивания), то есть к увеличению требуемого сечения проводов обмоток и соответственно к ухудшению массогабаритных показателей регулятора, увеличению его стоимости и увеличению потерь энергии. Кроме того, существенным недостатком аксиального индукционного регулятора с поворотным ротором является наличие большого осевого (аксиального) электромагнитного усилия, вызванного в результате притяжения магнитопроводов ротора и статора. Это усилие ведет к преждевременному выходу из строя подшипниковых узлов, что уменьшает надежность работы индукционного регулятора в целом.

Данное изобретение решает задачу упрощения конструкции и технологии изготовления индукционного регулятора, уменьшения расхода материалов на его изготовление, повышения надежности его работы, улучшения его массогабаритных показателей и уменьшения стоимости.

Для этого тороидальный магнитопровод с первичной обмоткой, соединенной в "звезду", выполняется неподвижным относительно тороидального магнитопровода со вторичной трехфазной обмоткой, а первичная обмотка выполняется многофазной с числом фаз, большим шести и кратным трем (9, 12 и т.д., то есть m= 3k, где m - число фаз первичной обмотки, k=3, 4...), причем коммутатор выполняется с углом поворота, обеспечивающим при его повороте подключение группы фаз указанной первичной многофазной обмотки к соответствующим фазам вторичной трехфазной обмотки и трехфазной питающей сети.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого многофазного аксиального индукционного регулятора в разрезе, на фиг.2 - схема соединения его обмоток, на фиг.3 - ЭДС и токи в одной обмотке, на фиг.4 - векторная диаграмма.

Многофазный аксиальный индукционный регулятор содержит (см. фиг.1): неподвижный тороидальный магнитопровод 1 с первичной многофазной, например, двенадцатифазной обмоткой 2, неподвижный тороидальный магнитопровод 3 с вторичной трехфазной обмоткой 4, начала соответствующих фаз которой электрически соединены с началами фаз первичной многофазной обмотки 2 посредством трехфазного электромеханического коммутатора 5 со скользящими контактами 6 (см. фиг. 2), корпус 7. Трехфазный электромеханический коммутатор 5 скользящими контактами 6 обеспечивает при его повороте подключение группы фаз первичной многофазной обмотки 2 к соответствующим фазам трехфазной питающей сети и к соответствующим фазам вторичной трехфазной обмотки 4.

Многофазный аксиальный индукционный регулятор работает следующим образом. При подключении соответствующих фаз первичной многофазной обмотки 2 неподвижного тороидального магнитопровода 1 к трехфазной питающей сети напряжением U₁ в магнитопроводах многофазного аксиального индукционного регулятора создается вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с вторичной трехфазной обмоткой 4 неподвижного тороидального магнитопровода 3, наводит в ней систему ЭДС. При подключении посредством контактов 6 коммутатора 5 первой фазы W₁ ¹ (фиг.2) первичной многофазной обмотки 2 многофазного аксиального индукционного регулятора к началу первой фазы W₂ ¹ (фиг.2) вторичной трехфазной обмотки 4 пространственные оси соответствующих фаз первичной и вторичной обмоток (W₁ ¹ и W₂ ¹, и W₂ ², и W₂ ³) совпадают. Здесь m - число фаз первичной обмотки; нижний индекс: 1 - первичная обмотка, 2 - вторичная обмотка; верхний индекс - номер фазы в обмотке. При этом магнитный поток (см. фиг. 3) одновременно набегает на подключенные фазы первичной обмотки 2 и фазы вторичной обмотки 4 и наводит в них ЭДС , совпадающие по фазе и одинаково направленные относительно обмоток. При этом вектор ЭДС действует согласно с вектором напряжения . Поэтому напряжение (см. фиг. 4) на зажимах потребляющей сети представляет собой арифметическую сумму U₁ и Е₂: U₂=U_2max=U₁+E₂, так как соответствующие фазы первичной и вторичной обмоток 2 и 4 электрически соединены между собой, как указано выше.

При повороте рукоятки коммутатора (на фиг.1 она не показана, как не имеющая отношения к существу изобретения), жестко связанной с коммутатором 5 на угол α_i = i•2π/m, где i=0, 1, 2, 3... - номер шага угла поворота (и соответственно группы фаз первичной многофазной обмотки 2) коммутатора, коммутатор 5 контактами 6 подключает i-ю группу фаз первичной многофазной обмотки 2 к соответствующим фазам вторичной обмотки 4
(W₁ ⁱ⁺¹ к W₂ ¹, к W₂ ², к W₂ ³).

Это приводит к соответствующему повороту вектора ЭДС (см. фиг.4) вторичной трехфазной обмотки 4 относительно вектора напряжения подаваемого на первичную обмотку 2 из питающей сети. При m четном возможен поворот коммутатора на угол α=180^o. При таком угле поворота коммутатора 5 получим U₂= U_2min= U₁-E₂. Геометрическое место концов вектора , а значит, и при изменении угла α от 0 до 360^o есть круг, описанный из точки А, как из центра, радиусом Е₂.

Результирующее выходное напряжение многофазного аксиального индукционного регулятора при повороте коммутатора 5 относительно магнитопроводов 1 и 3 (см. фиг.1) на угол от 0 до 180^o изменяется по величине от U₂=U_2min=U₁-E₂ до U₂=U_2max=U₁+E₂ и определяется по формуле:

где - угол поворота коммутатора 5.

Так, при равенстве по величине между собой напряжения U₁ и ЭДС E₂ выходное напряжение U₂ будет определяться по формуле:

и изменяться по величине от нуля до 2U₁.

При этом осуществляется дискретное регулирование напряжения. Требуемая точность регулирования определяется числом фаз m первичной многофазной обмотки.

Предлагаемое изобретение, выполняя функцию индукционного регулятора, как и прототип, в отличие от него позволяет:
- существенно упростить конструкцию регулятора, сложность которой в регуляторе-прототипе вызвана необходимостью взаимного перемещения его магнитопроводов, а следовательно, необходимостью выполнения высоконапряженных подшипниковых узлов;
- повысить коэффициент мощности и коэффициент полезного действия регулятора, низкая величина которых в регуляторе-прототипе вызвана наличием необходимого для взаимного перемещения его магнитопроводов воздушного зазора между магнитопроводами, приводящего к увеличению магнитного сопротивления, а следовательно, к увеличению потерь энергии;
- повысить надежность работы индукционного регулятора, снизить его стоимость и упростить технологию его изготовления за счет отсутствия подшипниковых щитов, неизбежно имеющихся в индукционных регуляторах с поворотным ротором.

В сравнении с известной конструкцией индукционного регулятора, основанного на использовании асинхронных машин цилиндрического исполнения с фазным заторможенным ротором многофазный аксиальный индукционный регулятор позволяет также значительно упростить технологию изготовления магнитопроводов, значительно сократить при этом расход электротехнической стали. Так, при мощности 5 кВт расход стали с учетом конструкции магнитопроводов и отсутствия подшипниковых щитов уменьшается на 35-40%, а срок эксплуатации регулятора увеличивается по крайней мере в три раза. При этом для индукционного регулятора указанной выше конструкции ток намагничивания уменьшается более чем в два раза за счет сведения на "нет" воздушного зазора магнитной системы регулятора.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, для регулирования напряжения. Технический результат заключается в упрощении конструкции и технологии изготовления, уменьшении расхода материалов, повышении надежности его работы, улучшении массогабаритных показателей и уменьшении стоимости. Тороидальный магнитопровод имеет первичную многофазную обмотку, соединенную в "звезду". Он установлен неподвижно относительно тороидального магнитопровода со вторичной трехфазной обмоткой. Первичная многофазная обмотка выполнена с числом фаз, кратным трем от шести и выше. Начала фаз обеих обмоток электрически соединены со скользящими контактами коммутатора, позволяющего подключать соответствующие фазы первичной многофазной обмотки к соответствующим фазам трехфазной питающей сети и к началам соответствующих фаз вторичной трехфазной обмотки. Фазы вторичной обмотки подключены к нагрузке. 4 ил.

Многофазный аксиальный индукционный регулятор, содержащий два тороидальных магнитопровода с пазами, в которых уложены первичная и трехфазная вторичная обмотки, отличающийся тем, что тороидальный магнитопровод с первичной обмоткой, соединенной в "звезду", выполнен неподвижным относительно тороидального магнитопровода со вторичной трехфазной обмоткой, а первичная обмотка выполнена многофазной с числом фаз, большим шести и кратным трем, причем коммутатор выполнен с углом поворота, обеспечивающим при его повороте подключение группы фаз указанной первичной многофазной обмотки к соответствующим фазам вторичной трехфазной обмотки и трехфазной питающей сети.