УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИВЕДЕНИЯ ВО ВРАЩЕНИЕ МАШИН-ОРУДИЙ Советский патент 1938 года по МПК H02K41/00 

В основном авторском свидетельстве №42629 было описано устройство для приведения во вращение машин-орудий, выполненное в виде сегментного статора многофазного асинхронного двигателя, приставного к цилиндрической детали приводимой машины-орудия.

Настоящее изобретение имеет целью выполнение подобного приводного устройства весьма тихоходным при обычной частоте тока (50 герц).

Для этого, согласно изобретению, последовательно с фазами сегментного статора, выполняемого с увеличенной линейной нагрузкой, включены конденсаторы, емкостное сопротивление которых взято близким к индуктивному сопротивлению обмотки статора.

Помимо указанной цели, такое включение конденсаторов в цепь сегментного статора дает возможность получения пусковых характеристик, подобных, в зависимости от расчета конденсаторов, пусковым характеристикам шунтового или компаундного двигателей, и возможность уменьшения пускового тока. Одновременно конденсаторы повышают коэффициент мощности сети.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором фиг. 1-3 изображают различные возможные схемы включения конденсаторов, а фиг. 4-7 - векторные диаграммы.

Последовательно с фазными обмотками статора предлагаемого устройства включены конденсаторы С, емкостные сопротивления которых выбираются согласно указанному ниже расчету. Через R обозначен коротко-замкнутый ротор машины.

В зависимости от условий конденсаторы С могут быть установлены как на самом статоре, так и вне его, например, на полу за распределительным щитом рядом с выключателем машины.

Режим работы машины при применении конденсаторов будет существенно отличаться от режима работы обычной асинхронной машины, особенно при пуске. Эти отличия уясняются из векторных диаграмм, из которых фиг. 4 относится к обычной асинхронной машине, а фиг. 5-7- к предлагаемому приводу.

На диаграммах имеются следующие обозначения:

U - фазное напряжение сети,

- емкостное, т.е. отрицательное падение напряжения в надлежаще выбранном конденсаторе,

- омическое падение напряжения в обмотке статора,

- индуктивное падение напряжения в обмотке статора (или же в другом масштабе - поток рассеяния статора).

Вектор U₁ - напряжение на зажимах статора, а вектор Е - в определенном масштабе полезный магнитный поток, т.е. поток, вступающий в ротор машины.

Из диаграммы фиг. 5 видно, что конденсатор дает возможность противодействовать резким снижениям магнитного потока в зазоре.

Здесь возможны два случая.

Одним из них является случай, так называемого, резонанса напряжений, когда

где:

- реактивное емкостное сопротивление конденсатора (в омах),

- круговая частота питающего тока, численно равная обычной его частоте, увеличенной в 2% раз,

- реактивное индуктивное сопротивление обмотки статора машины (в омах),

L₁ - самоиндукция обмотки статора (в генри),

С - емкость конденсатора (в фарадах).

В этом случае индуктивное сопротивление статора будет полностью уравновешено емкостным и вершина вектора полезного магнитного потока будет перемещаться, по мере разгона машины, в узких пределах от В к А (фиг. 5), т.е. амплитуда изменения полезного магнитного потока статора от точки короткого замыкания до точки холостого хода будет ничтожно мала. Вследствие этого мы получим пуск и все последующие переходные режимы к нормальному почти при полном, а не при резко сниженном полезном магнитном потоке машины.

Роль и значение конденсатора, отвечающего уравнению (1) и сопряженного со статором машины по схеме фиг. 3, заключается в том, что такой конденсатор делает пусковые характеристики машины физически идентичными пусковым характеристикам шунтового электродвигателя, где пуск происходит, как известно, также при полном, а не при сниженном магнит-ном потоке возбуждения.

Уменьшением емкости С можно, далее, добиться таких значений емкостного сопротивления когда будет осуществлено условие

На диаграмме фиг. 6 этот случай представлен. Мы получим тогда пуск машины не только при полном, но даже при повышенном против номинального магнитном потоке. Последний в этом случае будет убывать от В к А, а не возрастать по мере разгона машины.

Роль и значение конденсатора с рассматриваемым емкостным сопротивлением состоит в том, что пусковые характеристики машины делаются таким конденсатором идентичными пусковым характеристикам компаундного электродвигателя (с подмагничивающей сериесной обмоткой), где пуск происходит, как известно, также при повышенном, а не при постоянном или сниженном магнитном потоке в зазоре.

Итак, условия (1) и (2) определяют для конденсаторов их емкостное сопротивление, необходимое для устранения падений полезного магнитного потока машины.

Однако, не с каждым статором может сочетаться конденсатор, отвечающий условиям (1) и (2).

При несоблюдении дополнительного условия, касающегося сопротивлений статора и ротора, могут получиться при пуске столь мощный пусковой момент и столь значительная кратность пускового тока, которые могут окончиться разрушением даже наиболее прочных элементов электропривода.

Поэтому с конденсаторами, отвечающими условиям (1) и (2), могут соединяться по схеме фиг. 3 не асинхронные машины вообще, а такие машины, где омическое сопротивление статора, а также приведенное сопротивление ротора соответственно увеличены, но из всех возможностей, которые имеются для получения таких увеличенных сопротивлений, полнее и эффективнее всего увеличение фазного числа витков W статора, так как приведенное сопротивление ротора возрастает пропорционально квадрату увеличения W.

Столь же резко (квадратная функция) падает при увеличении W необходимая емкость конденсатора, так как индуктивное сопротивление статора, уравновешиваемое емкостным сопротивлением конденсатора, пропорционально W².

При отсутствии насыщений в магнитной цепи намагничивающий ток падает пропорционально квадрату увеличения W.

Такое резкое снижение намагничивающего тока при одновременном сохранении конденсатором на максимальном уровне магнитного потока и пускового момента решает коренную задачу - сделать при частоте 50 Hz реальными асинхронные машины на весьма малые скорости.

Увеличение линейной нагрузки AS статора, пропорциональное (при сохранении диаметра машины) увеличению фазового числа витков, создает предпосылки весьма интенсивного использования активной поверхности машины, т.е. сокращения длины (осевого размера) машины, уменьшения, в связи с этим, зазора и улучшения теплоотдачи через лобовые части.

При последовательном включении конденсаторов в цепь статора асинхронные машины получают пусковые характеристики шунтовых и компаундных электродвигателей постоянного тока со всеми вытекающими отсюда последствиями - в этом самое главное свойство такого включения. Существенное значение настоящего предложения заключается далее в том, что совокупность весьма эффективных новых возможностей достигается у асинхронных машин не механизмами со сложными комбинациями большого числа разнообразных конструкционных узлов и деталей, а сочетанием простейшего статического аппарата - конденсатора с дуговым статором, преднамеренно выполненным со значительно увеличенным использованием активной поверхности за счет увеличения линейной нагрузки.

В заключение следует подчеркнуть, что в сочетании с конденсаторами по схеме фиг. 3 и по условию (2) могут быть весьма прогрессивно модернизованы также многие типы среднеходных и быстроходных асинхронных машин всех мощностей и напряжений, а особенно - больших мощностей и высоких напряжений.

Эта модернизация заключается главным образом в следующем:

1. Резкое снижение кратностей токов короткого замыкания и достижение пусковых характеристик, идентичных пусковым характеристикам компаундных электродвигателей постоянного тока.

2. Значительное улучшение cos φ - вплоть до опережающего у некоторых быстроходных типов машин.

3. Уменьшение веса машин. Действительно, представим себе

мощный быстроходный асинхронный электродвигатель. У такого электродвигателя реактанцы статора и ротора малы, а кратность тока короткого замыкания велика.

Включим теперь по схеме фиг. 3 в статор столь значительное емкостное сопротивление, которое было бы больше двойного реактанца рассеяния всей машины. Этим ток короткого замыкания может быть уменьшен сколь угодно значительно, но вместе с тем в этом случае полезный магнитный поток электродвигателя отнюдь не будет уменьшен, а напротив, будет при пуске даже больше, чем при номинальном режиме (фиг. 7).

Асинхронный двигатель приобретает в связи с этим пусковые характеристики компаундного электродвигателя. Удары или резкие механические сотрясения статорной обмотки при пуске практически будут исключены.

Из диаграммы фиг. 7 также понятно, что при надлежащем подборе емкостного сопротивления конденсатора мы получим номинальный cos φ электродвигателя равным 1 или же, скажем, 0,95 с опережением.

В рассматриваемом случае емкость необходимого конденсатора получается особенно малой, поскольку емкостное сопротивление должно быть настолько значительным, чтобы более, чем вдвое скомпенсировать реактанц рассеяния всей машины.

1. Форма выполнения устройства по п. 1 авторского свидетельства №42629, отличающаяся тем, что, с целью осуществления при обычной частоте весьма тихоходных приводов, фазы сегментного статора, выполняемого с увеличенной линейной нагрузкой, включены в сеть последовательно с конденсаторами, емкостное сопротивление которых взято близким к индуктивному сопротивлению обмотки статора.

2. Форма выполнения устройства по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью получения от электропривода пусковых характеристик, идентичных пусковым характеристикам шунтового электродвигателя, емкостное сопротивление конденсаторов взято равным индуктивному сопротивлению обмотки сегментного статора.

3. Форма выполнения устройства по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью получения от электропривода пусковых характеристик, идентичных пусковым характеристикам компаундного электродвигателя, емкостное сопротивление конденсаторов взято большим, чем индуктивное сопротивление обмотки статора.

4. Форма выполнения устройства по п. 3, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения пускового тока и одновременно получения от привода компаундной характеристики, сопротивление конденсаторов взято превышающим двойное значение реактанца всего приводного устройства.