СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ДВОЙНОЙ ОБМОТКОЙ НА СТАТОРЕ Российский патент 2008 года по МПК H02K19/12 

Изобретение относится к синхронным машинам, а более конкретно к способам и устройствам управления синхронизацией синхронного двигателя с двойной обмоткой на статоре.

Синхронные двигатели находят широкое применение для привода турбомеханизмов. В приводе насосов сельхозмелиорации и в других областях к ним предъявляются требования минимальной сложности конструкции и затрат при эксплуатации. Этим требованиям отвечает синхронный двигатель по авторскому свидетельству СССР №1694038, Н02К 19/12, 1995 г.

К недостаткам этой машины следует отнести наличие двух выпрямительных устройств и трех трехфазных обмоток в пазах статора, что, как следствие, повышает массогабаритные показатели и усложняет конструкцию и эксплуатацию двигателя. Третья статорная обмотка отрицательно влияет на процесс синхронизации двигателя, поскольку увеличивает степень компаундирования системы возбуждения.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому устройству является двигатель по авт. свид. СССР №688964 «Синхронная электрическая машина», Н02К 19/12, 1979 г. Запуск машины в режиме двигателя производят в два этапа: асинхронный разбег до подсинхронной скорости и последующая синхронизация двигателя. Синхронизацию двигателя осуществляют способом подключения обмотки возбуждения к источнику питания, состоящему из сети, дополнительной трехфазной обмотки статора и трехфазного мостового выпрямителя. Трехфазная цепь источника питания симметрична.

Как показал опыт практического применения этого способа синхронизации на двигателях сельхозмелиоративных насосов в Краснодарском крае, его существенным недостатком является низкая надежность. При включении обмотки возбуждения иногда вместо синхронизации происходит резкое торможение двигателя. Возникающие при этом динамические усилия воздействуют на элементы конструкции двигателя, снижая его конструктивную надежность. Последующие запуски двигателя усложняют его эксплуатацию.

Проведенные в Кубанском государственном аграрном университете исследования показали, что одной из основных причин неуспешной синхронизации является сильное токовое компаундирование системы возбуждения двигателя. Обнаружено, что при отключении на период синхронизации одной фазы дополнительной обмотки двигателя надежность синхронизации увеличивается. Использование неуправляемого выпрямителя на диодах не позволяет эффективно решать задачу отключения указанной обмотки для повышения надежности синхронизации двигателя.

Технической задачей является повышение надежности синхронизации синхронного двигателя с двойной обмоткой на статоре за счет снижения степени токового компаундирования системы возбуждения и асимметрии токов в дополнительной трехфазной обмотке при синхронизации.

Решение задачи достигается тем, что способ синхронизации синхронного двигателя с трехфазной обмоткой и дополнительной трехфазной обмоткой на статоре путем подключения обмотки возбуждения к источнику питания, состоящему из электрической сети, выключателя, упомянутой дополнительной трехфазной статорной обмотки и трехфазного выпрямителя после достижения двигателем подсинхронной скорости, предусматривает использование в одной из фаз выпрямителя тиристоров, управляемых в ключевом режиме, при этом на период синхронизации их переводят в непроводящее состояние, обеспечивая отключение одной из фаз дополнительной трехфазной статорной обмотки в цепи обмотки возбуждения, с последующим переключением тиристоров в проводящее состояние по завершении синхронизации.

Положительный результат от применения указанного способа синхронизации и соответствующего изменения конструкции выпрямителя синхронного двигателя для его реализации достигается тем, что при отключении с помощью тиристоров одной фазы дополнительной статорной обмотки на период синхронизации снижается степень компаундирования системы возбуждения, а также изменяется магнитное поле двигателя. Оба эти фактора повышают надежность вхождения двигателя в синхронизм.

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 трехфазная статорная обмотка машины 2 и дополнительная трехфазная статорная обмотка 3 присоединены к источнику электроэнергии (трехфазной сети). Обмотка 2 соединена звездой, а обмотка 3 включена как проходная последовательно с трехфазным выпрямителем 4, состоящим из двух тиристоров 5 и 6 и неуправляемых диодов 7...10, замыкающим контактом второго выключателя 11 и обмоткой возбуждения 12, расположенной на роторе. Обмотка возбуждения 12 шунтирована цепью, составленной из размыкающего контакта 13 и резистора 14. Синхронная машина имеет на роторе пусковую (демпферную) обмотку традиционной конструкции в виде беличьей клетки (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», используемого в описании прототипа, как более часто используемый в технической литературе.

В установившемся режиме синхронный двигатель работает следующим образом. Контакты выключателей 1, 11 находятся в закрытом (проводящем) состоянии, а размыкающий контакт выключателя 13 в открытом (непроводящем). Обмотки статора 2, 3 и возбуждения 12 обтекаются токами, причем ток возбуждения является выпрямленным током дополнительной статорной обмотки 3. Токи обмоток 2 и 3 создают вращающееся магнитное поле, которое, будучи сцепленным с магнитным полем обмотки возбуждения, обеспечивает электромагнитный момент и синхронное вращение ротора.

Пуск и синхронизация двигателя производятся следующим образом.

Предварительно контакты выключателей приводятся в положение, представленное на чертеже, т.е. контакты выключателей 1, 11 в открытом состоянии, размыкающий контакт выключателя - 13 в закрытом. Обмотка возбуждения 12 отключена от выпрямителя 4 и включена на разрядный резистор 14. Состояние тиристоров 5 и 6 (открытые или закрытые) при разгоне двигателя не имеет значения. 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 обеспечивает разбег ротора в направлении вращения поля. Двигатель разгоняется как асинхронный и завершает разбег, достигнув подсинхронной частоты вращения при скольжении s=2÷5%.

Далее для синхронизации двигателя тиристоры 5 и 6 переводятся в непроводящее (закрытое) состояние при ручном или автоматическом управлении, замыкается контакт выключателя 11, в дополнительной обмотке статора 3 и возбуждения 12 и выпрямителе 4 протекает ток. Величина тока в названной цепи ограничивается закрытыми тиристорами 5 и 6. Часть выпрямленного тока ответвляется в резистор 14, а оставшаяся часть составляет ток обмотки возбуждения 12 и создает магнитный поток возбуждения, заставляющий ротор втягиваться в синхронизм, сцепляясь своими силовыми линиями с вращающимся магнитным полем трехфазных обмоток 2 и 3. После завершения синхронизации двигателя контакты выключателя 13 размыкаются, тиристоры 5 и 6 переводятся в проводящее (открытое) состояние и двигатель переходит в синхронный режим работы с симметричными фазными токами.

Выключение тиристоров 5 и 6 на период синхронизации создает неполнофазное включение дополнительной обмотки 3, снижает ток возбуждения и степень компаундирования системы возбуждения, чем уменьшает амплитуду качаний ротора, вызванного «проскальзыванием» полюсов поля статора, и возбуждения при несовпадении полярности этих полей в момент включения контакта выключателя 11. 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 при 3...6 периодах колебания ротора.

Перевод тиристоров из непроводящего в проводящее состояние является типовой задачей и здесь подробно не рассматривается.

Создать неполнофазный режим включения обмотки 3 можно и другими способами, например, с помощью дополнительного коммутатора, однако последний усложняет устройство управления двигателем.

Остановка двигателя производится отключением основного выключателя 1.

Изобретение относится к синхронным машинам, а более конкретно к способам и устройствам управления синхронизацией синхронного двигателя с двойной обмоткой на статоре. Технический результат заключается в повышении надежности синхронизации синхронного двигателя с двойной обмоткой на статоре за счет снижения степени токового компаундирования системы возбуждения и асимметрии токов в дополнительной трехфазной обмотке при синхронизации. Способ синхронизации синхронного двигателя с трехфазной обмоткой и дополнительной трехфазной обмоткой на статоре путем подключения обмотки возбуждения к источнику питания, состоящему из электрической сети, выключателя, упомянутой дополнительной трехфазной статорной обмотки и трехфазного выпрямителя после достижения двигателем подсинхронной скорости, при этом в одной из фаз выпрямителя используют тиристоры, управляемые в ключевом режиме, при этом на период синхронизации их переводят в непроводящее состояние, обеспечивая отключение одной из фаз дополнительной трехфазной статорной обмотки в цепи обмотки возбуждения, с последующим переключением тиристоров в проводящее состояние по завершении синхронизации. 1 ил.

Способ синхронизации синхронного двигателя с трехфазной обмоткой и дополнительной трехфазной обмоткой на статоре путем подключения обмотки возбуждения к источнику питания, состоящему из электрической сети, выключателя, упомянутой дополнительной трехфазной статорной обмотки и трехфазного выпрямителя после достижения двигателем подсинхронной скорости, отличающийся тем, что в одной из фаз выпрямителя используют тиристоры, управляемые в ключевом режиме, при этом на период синхронизации их переводят в непроводящее состояние, обеспечивая отключение одной из фаз дополнительной трехфазной статорной обмотки в цепи обмотки возбуждения, с последующим переключением тиристоров в проводящее состояние по завершении синхронизации.