СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H02P1/50 H02K17/26 H02K19/14 

Изобретение относится к синхронным электродвигателям, а более конкретно к устройствам управления пуском синхронных 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. Этим требованиям отвечает синхронный двигатель по авторскому свидетельству СССР №1694038, Н 02 К 19/12, 1995 г. К недостаткам этого двигателя 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.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому двигателю является двигатель по а.с. 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 - с выводами обмотки возбуждения синхронного двигателя, зашунтированной цепью, составленной из последовательно соединенных второго ключа и резистора.

Как показал опыт практического применения указанного двигателя на объектах Краснодарского края, его существенным недостатком является ненадежное втягивание в синхронизм (синхронизация). Проведенные в Кубанском государственном аграрном университете теоретические и экспериментальные исследования показали, что основной причиной этого является сильно выраженное компаундирование двигателя в переходных режимах и, в частности, при синхронизации. Успешное втягивание двигателя в синхронизм гарантировано происходит при совпадении полярности магнитных осей поля трехфазной обмотки и поля возбуждения. Если в момент включения обмотки возбуждения полярность этих полей противоположна, то двигатель «опрокидывается», т.е. резко снижает скорость вплоть до остановки. При промежуточных состояниях магнитных осей поля трехфазной обмотки и обмотки возбуждения при включении обмоток на синхронизацию возникают качания ротора с вероятностью успешной синхронизации примерно 80%. Применение устройств точной синхронизации двигателя гарантирует успешность синхронизации, но значительно усложняет привод. Отметим, что в мировой практике доминирующее положение занимает так называемая грубая синхронизация синхронных двигателей, когда обмотка возбуждения подключается к устройству питания после достижения подсинхронной скорости в произвольный момент времени.

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

Решение задачи достигается тем, синхронный электродвигатель, содержащий основную и дополнительную трехфазные статорные обмотки, первые выводы которых присоединены через выключатели к трехфазному источнику электроэнергии, вторые выводы основной обмотки соединены в общую точку, трехфазный неуправляемый выпрямитель, вывод переменного тока которого соединены с вторыми выводами дополнительной трехфазной статорной обмотки, а выводы постоянного тока через первый выключатель - с выводами обмотки возбуждения синхронного двигателя, зашунтированной цепью, составленной из последовательно соединенных второго выключателя и резистора, имеет трехфазный дроссель, подключенный к входу выпрямителя через собственный выключатель.

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 синхронного двигателя.

Через выключатели 1 и 2 статорные обмотки двигателя, выполненные как две ветви 3 и 4, присоединяются к трехфазному источнику электроэнергии. Обмотка 3 соединена звездой, а обмотка 4 включена как проходная последовательно с выпрямителем 5 и обмоткой возбуждения 6, расположенной на роторе. Выключатели 7, 8 и резистор 9 предназначены для управления обмоткой возбуждения 6 при пуске и синхронизации. На вход выпрямителя 5 через выключатель 10 подключен трехфазный дроссель 11. Двигатель имеет на роторе пусковую обмотку традиционной конструкции в виде беличьего колеса (на чертеже эта обмотка не показана). На чертеже в качестве примера 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, 2 и 7 находятся в закрытом (проводящем) состоянии, а выключатели 8 и 10 в открытом (не проводящем). Обмотки статора 3, 4 и возбуждения 6 обтекаются токами, причем ток возбуждения является выпрямленным током статорной обмотки 4. Токи обмоток 3 и 4 создают вращающееся магнитное поле, которое будучи сцепленным с магнитным полем обмотки возбуждения увлекает за собой ротор. При изменении механической нагрузки двигателя происходит изменение тока в статорных обмотках 3 и 4, и вследствие указанной зависимости токов обмоток 4 и 6 изменяется и ток возбуждения, реализуя тем самым свойство автоматического регулирования возбуждения (АРВ). При этом заданный закон АРВ обеспечивается параметрами всех трех обмоток 3, 4 и 6, которые оптимизируются по указанному критерию.

Пуск и синхронизации двигателя производятся следующим образом. Предварительно контакты выключателей приводятся в положение, указанное на чертеже, т.е. контакты выключателей 1, 2 и 7 в открытом состоянии, выключателей 8 и 10 - в закрытом. Обмотка возбуждения включена на разрядный резистор 9 и отключена от выпрямителя 5. Для прямого асинхронного пуска двигателя контакты выключателя 1 замыкаются, в результате чего по обмотке 3 протекает ток (пусковой), который создает в двигателе вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле наводит ток в пусковой короткозамкнутой обмотке ротора, который заставляет ротор разгоняться в направлении вращения поля. Двигатель разгоняется как асинхронный и завершает разбег, достигнув подсинхронной скорости (скольжение s=2-5%). Далее, для совершения синхронизации двигателя замыкаются контакты выключателей 2 и 7, в обмотках статора 4 и возбуждения 6 протекают токи, причем часть тока обмотки 4 ответвляется в дроссель 11, другая часть после выпрямителя ответвляется в цепь резистора 9, а оставшаяся часть составляет ток обмотки возбуждения 6 и создает магнитный поток возбуждения, заставляющий ротор двигателя втягиваться в синхронизм, сцепляясь своими силовыми линиями с силовыми линиями вращающегося магнитного поля, создаваемого токами трехфазных обмоток 3 и 4. После синхронизации двигателя контакты выключателей 8 и 10 размыкаются и двигатель переходит в установившийся режим работы.

За счет включения дросселя 11 параллельно цепи «выпрямитель-обмотка возбуждения» уменьшается коэффициент компаундирования схемы, снижается амплитуда 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. За счет этого предотвращается эффект «опрокидывания» двигателя в ходе синхронизации и обеспечивается надежное втягивание двигателя в синхронизм. Решение подобной технической задачи за счет изменения параметров обмоток двигателя невозможно, поскольку эти параметры определяются исходя из необходимости обеспечения заданного закона АРВ и рассчитываются для синхронного режима работы двигателя. По этой причине параметры обмоток двигателя не могут обеспечить оптимальный коэффициент компаундирования в переходном процессе при синхронизации двигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах управления пуском синхронных двигателей специальной конструкции. Техническим результатом является повышение надежности синхронизации двигателя за счет снижения степени компаундирования. Синхронный электродвигатель содержит основную и дополнительную трехфазные статорные обмотки, первые выводы которых присоединены через выключатели к трехфазному источнику электроэнергии, 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 первый выключатель - с выводами обмотки возбуждения синхронного двигателя, зашунтированной цепью, составленной из последовательно соединенных второго выключателя и резистора, и имеет трехфазный дроссель, подключенный к входу выпрямителя через собственный выключатель. 1 ил.

Синхронный электродвигатель, содержащий основную и дополнительную трехфазные статорные обмотки, первые выводы которых присоединены через выключатели к трехфазному источнику электроэнергии, 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 первый выключатель - с выводами обмотки возбуждения синхронного двигателя, зашунтированной цепью, составленной из последовательно соединенных второго выключателя и резистора, отличающийся тем, что имеет трехфазный дроссель, подключенный к входу выпрямителя через собственный выключатель.