СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2006 года по МПК H02P1/50 H02K17/26 H02K19/14 

Изобретение относится к синхронным машинам, а более конкретно к устройствам управления пуском и синхронизацией синхронных машин, главным образом двигателей.

Синхронные двигатели находят широкое применение для привода турбомеханизмов. В приводе насосов сельхозмелиорации и в других областях к ним предъявляется требование максимальной простоты конструкции и эксплуатации. Это требование в определенной мере отвечает синхронная машина по авторскому свидетельству СССР №1694038, Н 02 К 19/12, 1995 г.

К недостаткам этой машины следует отнести наличие двух выпрямительных устройств и трех трехфазных обмоток в пазах статора, сдвинутых в пространстве машины на определенный угол, что, как следствие, завышает массогабаритные показатели и усложняет конструкцию и эксплуатацию двигателя. Кроме того, при работе машины третья статорная обмотка имеет наведенную вращающимся магнитным полем ЭДС и не может быть выведена из работы с целью изменения компаундирующих свойств машины закорачиванием ее коммутационным аппаратом.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому устройству является двигатель по авт. свид. СССР №688964 «Синхронная электрическая машина», Н 02 К 19/12, 1979 г. Это устройство, принятое за прототип, содержит основную и дополнительную трехфазные статорное обмотки, вторые выводы первой из которых соединены в общую точку, трехфазный неуправляемый выпрямитель, выводы переменного тока которого соединены с вторыми выводами дополнительной трехфазной статорной обмотки, а выводы постоянного тока через первый ключ соединены с выводами обмотки возбуждения синхронного двигателя, шунтированной цепью, составленной из последовательно соединенных второго ключа и резистора.

Как показал опыт практического применения этой машины в качестве двигателя на сельхозмелиоративных объектах Краснодарского края, ее существенным недостатком является ненадежное втягивание в синхронизм (синхронизация). Проведенные в Кубанском государственном аграрном университете теоретические и экспериментальные исследования показали, что основной причиной этого является проявляющееся при грубой синхронизации сильное токовое компаундирование двигателя.

Технической задачей является повышение надежности синхронизации двигателя за счет ослабления степени токового компаундирования.

Решение задачи достигается тем, что синхронная машина, содержащая основную и дополнительную трехфазные статорные обмотки, первые выводы которых присоединены через основной выключатель к трехфазной сети, вторые выводы основной обмотки соединены в общую точку, трехфазный неуправляемый выпрямитель, выводы переменного тока которого соединены с вторыми выводами дополнительной трехфазной статорной обмотки, а выводы постоянного тока через второй выключатель соединены с обмоткой возбуждения синхронного двигателя, зашунтированной цепью, составленной из последовательно включенных размыкающего контакта третьего выключателя и резистора, имеет трехфазный дроссель, включенный между вторыми выводами дополнительной трехфазной обмотки и входом выпрямителя, при этом дроссель шунтирован замыкающими контактами третьего выключателя.

По данным патентной и научно-технической литературы не выявлена заявляемая совокупность признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критериям «изобретательский уровень» и «новизна». Заявляемое решение может быть реализовано в электроприводе турбомеханизмов и других устройств, что отвечает критерию «промышленная применимость».

На чертеже представлена принципиальная схема соединения обмоток и устройств управления синхронной машины.

Через основной выключатель 1 две ветви 2 и 3 статорной обмотки машины присоединены к источнику электроэнергии (трехфазной сети). Обмотка 2 соединена звездой, а обмотка 3 включена как проходная последовательно с трехфазным дросселем 4 выпрямителем 5, замыкающим контактом второго выключателя 6 и обмоткой возбуждения 7, расположенной на роторе. Обмотка возбуждения 7 шунтирована цепью, составленной из размыкающего контакта 8 третьего выключателя и резистора 9. Дроссель 4 шунтирован замыкающими контактами выключателя 8. Дроссель 4, выключатели 6, 8 и резистор 9 предназначены для управления двигателем при пуске и синхронизации.

Синхронная машина имеет на роторе пусковую (демпферную) обмотку традиционной конструкции в виде беличьего колеса (на чертеже эта обмотка не показана).

На чертеже представлены контактные выключатели, хотя выключатели могут быть и бесконтактными, выполняющими аналогичные функции. Отметим также, что в настоящем описании использован термин «выключатель» как синоним термина «ключ», использованного в описании прототипа, поскольку последний реже используется в технической литературе.

В установившемся режиме синхронный двигатель работает следующим образом. Выключатели 1, 6 и замыкающие контакты выключателя 8 находятся в закрытом (проводящем) состоянии, а размыкающий контакт выключателя 8 - в открытом (не проводящем). Обмотки статора 2, 3 и возбуждения 7 обтекаются токами, причем ток возбуждения является выпрямленным током статорной обмотки 3. Токи обмоток 2 и 3 создают вращающееся магнитное поле, которое будучи сцепленным с магнитным полем обмотки возбуждения увлекает за собой ротор.

Остановка двигателя производится отключением основного выключателя 1.

При изменении механической нагрузки двигателя происходит изменение тока в статорных обмотках 2 и 3, и вследствие указанной зависимости токов обмоток 3 и 7 изменяется и ток возбуждения, реализуя тем самым свойство автоматического регулирования возбуждения (АРВ). При этом заданный закон АРВ обеспечивается параметрами всех трех обмоток 2, 3 и 7, которые должны оптимизироваться по выполнении этого закона АРВ.

Пуск и синхронизация двигателя производятся следующим образом.

Предварительно контакты выключателей приводятся в положение, представленное на чертеже, т.е. контакты выключателей 1, 6 и замыкающие контакты 8 в открытом состоянии, размыкающий контакт выключателя 8 - в закрытом. Обмотка возбуждения 7 отключена от выпрямителя 5 и включена на разрядный резистор 9. Для прямого асинхронного пуска двигателя контакты основного выключателя 1 замыкаются, в результате чего по обмотке 2 протекает пусковой ток, который создает в двигателе вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле наводит в пусковой короткозамкнутой обмотке ротора ЭДС и ток и заставляет ротор разгоняться в направлении вращения поля. Двигатель разгоняется как асинхронный и завершает разбег, достигнув подсинхронной скорости при скольжении s=2÷5%.

Далее, для синхронизации двигателя замыкается контакт выключателя 6, в обмотке статора 3 и возбуждения 7, дросселе 4 и выпрямителе 5 протекает ток. Величина тока в названной цепи ограничивается дросселем 4, причем часть выпрямленного тока ответвляется в резистор 9, а оставшаяся часть составляет ток обмотки возбуждения 6 и создает магнитный поток возбуждения, заставляющий ротор втягиваться в синхронизм, сцепляясь своими силовыми линиями с вращающимся магнитным полем, создаваемым токами трехфазных обмоток 2 и 3. После синхронизации двигателя контакты выключателя 8 переключаются и двигатель переходит в установившийся режим работы, при котором дроссель 4 и резистор 9 не обтекаются токами (выведены из работы).

Включение дросселя 4 на период синхронизации последовательно в цепь обмотки возбуждения 7 снижает амплитуду колебания тока возбуждения при качаниях ротора, вызванных «проскальзыванием» полюсов поля статора, и возбуждения при несовпадении полярности этих полей в момент включения контактов выключателей 2 и 7. В результате предотвращается эффект «опрокидывания» двигателя при синхронизации и обеспечивается надежное втягивание двигателя в синхронизм. Экспериментально установлено, что двигатель надежно втягивается в синхронизм при моменте на валу 60% от номинального.

Решение подобной технической задачи за счет изменения параметров статорных обмоток машины невозможно, поскольку эти параметры определяются исходя из необходимости обеспечения заданного закона АРВ, рассчитываются для синхронного режима работы двигателя и не могут быть шунтированы при работе машины. По этой причине параметры обмоток двигателя не могут обеспечить оптимальный коэффициент компаундирования при синхронизации двигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах управления пуском и синхронизацией синхронных машин, главным образом двигателя специальной конструкции. Техническим результатом является повышение надежности синхронизации двигателя за счет ослабления степени токового компаундирования. Синхронная машина содержит основную и дополнительную трехфазные статорные обмотки, первые выводы которых присоединены через основной выключатель к трехфазной сети, вторые выводы основной обмотки соединены в общую точку, трехфазный неуправляемый выпрямитель, выводы переменного тока которого соединены с вторыми выводами дополнительной трехфазной статорной обмотки, а выводы постоянного тока через второй выключатель соединены с обмоткой возбуждения синхронного двигателя, зашунтированной цепью, составленной из последовательно включенных размыкающего контакта третьего выключателя и резистора. Имеется трехфазный дроссель, включенный между вторыми выводами дополнительной трехфазной обмотки и входом выпрямителя, при этом дроссель шунтирован замыкающими контактами третьего выключателя. 1 ил.

Синхронная машина, содержащая основную и дополнительную трехфазные статорные обмотки, первые выводы которых присоединены через основной выключатель к трехфазной сети, вторые выводы основной обмотки соединены в общую точку, трехфазный неуправляемый выпрямитель, выводы переменного тока которого соединены с вторыми выводами дополнительной трехфазной статорной обмотки, а выводы постоянного тока через второй выключатель соединены с обмоткой возбуждения синхронного двигателя, зашунтированной цепью, составленной из последовательно включенных размыкающего контакта третьего выключателя и резистора, отличающаяся тем, что имеет трехфазный дроссель, включенный между вторыми выводами дополнительной трехфазной обмотки и входом выпрямителя, при этом дроссель шунтирован замыкающими контактами третьего выключателя.