ОДНОФАЗНЫЙ КОЛЛЕКТОРНЫЙ СЕРИЕСНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Советский патент 1937 года по МПК H02K27/04 

Предметом настоящего изобретения является схема однофазного коллекторного сериесного двигателя переменного тока, дающая возможность получения составляющей добавочного потока, необходимой для компенсирования трансформаторного напряжения искрения. При этом работающий вхолостую асинхронный двигатель с коротко-замкнутым ротором включен частью своих обмоток в главную цепь сериесного двигателя, а другими обмотками присоединен к обмотке дополнительных полюсов.

На фиг. 1 и 2 даны электрические схемы предлагаемого двигателя, фиг. 3 и 4 - их векторные диаграммы, и фиг. 5 - схему вспомогательного двигателя для применяемого в двигателе по фиг. 3.

Содержание изобретения поясняется двумя основными примерами.

Пусть (см. фиг. 1): к зажиму 1 и к промежуточной точке 2 вторичной обмотки 3 трансформатора присоединен однофазный сериесный коллекторный двигатель обыкновенной конструкции с ротором 4, обмотками 5-7 соответственно возбуждения дополнительного полюса и компенсационной.

Ток J₁ двигателя протекает между зажимами 8 и 9 по обмотке статора вспомогательного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 10, работающего вхолостую.

Между зажимом 1 и точкой 2 включена первичная обмотка 11 вспомогательного трансформатора. Вторичная обмотка 12 с одной стороны включена последовательно со второй обмоткой 15 дополнительного полюса, с другой стороны в эту цепь тока включены и зажимы 13 и 14 асинхронного двигателя, которые соединены с другими точками обмотки статора, причем ось 8-9 с осью 13-14 составляет определенный угол.

Пусть на векторной диаграмме (см. фиг. 3) линия АВ - вектор тока J₁; СА - сумма всех напряжений, отстающих от тока на 90°, и ДС - напряжение, возникающее в роторе 4 вследствие вращения. Тогда АД - вектор напряжения между зажимом 1 и точкой 2, а напряжение обмотки 12 будет представлено вектором AF, имеющим то же направление. С другой стороны, вращающееся реле возбужденное а асинхронном двигателе током J₁, наводит между зажимами 13 и 14 напряжение, пропорциональное J₁ и сдвинутое во время по фазе по отношению к направлению J₁ на постоянный угол. Этот угол зависит от выбора угла между осями 8-9 и 13-14. Примем, что вектором этого напряжения будет GA, причем он выбран так, что соединяющая параллельна АВ. Тогда GF есть напряжение, уравновешиваемое самоиндукцией тока J₁. Ток J₁ имеет поэтому положение АН, сдвинутое на 90° по отношению к J₁. Этот сдвиг необходим для того, чтобы ток J₁ возбуждал в обмотке 15 ту составляющую дополнительного потока, которая требуется для компенсирования трансформаторного напряжения.

Можно представить напряжение AF составленным из напряжении AE, которое всегда пропорционально J₁ независимо от числа оборотов, и из перпендикулярного к нему напряжения EF, которое пропорционально произведению J_1n, где n - число оборотов. Это аналогично разложению вектора ДА на вектор СД, пропорциональный только J₁, и на вектор АС, пропорциональный J_1n.

Примем, что при нормальном числе оборотов n=n₁ AE так же, как и EF имеют величину 30 в и - величину 35 в. Этому напряжению пусть соответствует определенный ток J₁, который возбуждает в коммутируемом витке трансформаторное противоположно направленное напряжение, например 8 в.

Если число оборотов снизится до , а ток сохранит прежнюю величину, то вектор СА сохранит прежнюю величину и направление. Точно так же не изменится и АЕ, EF напротив уменьшится наполовину. Поэтому , имея то же направление, как и ранее, примет величину 35в + 15в = 50 в.

Ток J₁ возрастет пропорционально отношению и сохранит прежнее направление. Компенсационное напряжение удадет поэтому до

Если число оборотов возрастает, например до , то векторы СА и ЕА сохраняет свою величину и направление, в то время как возрастает с 30в до 50в при сохранении направления: и J₁ снижаются в пропорции при сохранении направления ж компенсационное напряжение в коммутируемом витке получает величину

Допустим, что трансформаторное напряжение искрения во всех трех случаях имеет величину 7,5 в. Тогда при нормальней числе оборотов остаточное напряжение рано 0,5 в, а при наименьшем, также как и при наибольшем числе оборотов, остаточное напряжение равно только +1,8 в. Таким образом, двигатель может быть применен для 50 периодов, где трансформаторное напряжение искрения имеет величину порядка около 7,5 в.

На фиг. 2 дана схема, в которой асинхронный двигатель применен в том случае, когда нужно улучшить коммутацию однофазного коллекторного двигателя, обладающего второй парой щеток на полюс, через которые течет вторичный тек.

Пусть двигатель обладает точно так же ротором 4, обмоткой возбуждения 5, обмоткой 6 дополнительного полюса компенсационной обмоткой 7, причем опять ток J₁ течет по обмотке 3 трансформатора, через промедуточный зажим 2, через щетки 11 и 10 и неподвижный зажим 1.

Кроне того, двигатель имеет еще добавочные щетки 12 и 13, ось которых сдвинута на 90°. Эти щетки образуют вторую цепь, через которую протекает ток J₂ и в которую включена лежащая поперечно вторая обмотка 8 возбуждения, как и обмотка 9 второй пары дополнительных полюсов. Векторная диаграмма такой машины представлена на фиг. 4.

АВ есть вектор первичного потока Ф₁, который возбуждается в вследствие совместного действия тока J₂ (вектор СВ) и тока J₁ (вектор АС). Поток Ф₁ индуцирует в роторе 4 в цепи тока J₂ (между щетками 12 и 13) напряжение АД.

Это напряжение уравновешивается двумя напряжениями. Одно из них - напряжение ЕА. Оно индуцировано между щетками 12 и 13 при вращении потоком Ф₂, возникшим от прохождения тока J₂ по обмотке 8. Поэтому оно направлено параллельно СВ.

Другое - напряжение , вызванное действием потока Ф₂ и тока J₂ как напряжение самоиндукции. Поэтому оно направлено перпендикулярно к СВ. При возрастающем числе оборотов точка Е перемещается по полукругу по направлению к Д. При двойном числе оборотов ЕА принимает положение Е′′А, а при половинном числе оборотов - положение Е′А.

Поток Ф₁ индуцирует трансформаторное напряжение в короткозамкнутом витке цепи тока J₁, под щетками 10 и 11. Это напряжение можно представить в виде вектора AD.

С другой стороны обмотка 8 возбуждает в дополнительном полюсе составляющую дополнительного потока, пропорциональную J₂. Вектором ЕА представлено компенсационное напряжение, индуцированное этой составляющей в короткозамкнутом витке под щетками 10 и 11. При повышенном числе оборотов это компенсационное напряжение возрастает до Е′′А, при уменьшающемся числе оборотов оно снижается до Е′А.

Поэтому трансформаторное напряжение искрения поднимается до величины остаточного напряжения В коротко-замкнутом витке цепи тока J₂ под щетками 12 и 13 возникают также трансформаторные напряжения, возбужденные потоком Ф₂, и поэтому пропорциональное J₂ и отстающие от него на 90°. Так как векторы тока пропорциональны J₂ и отстают от него на 90°, то получается, что векторами представлены но только остаточные напряжения под щетками 10 и 11, но и трансформаторные напряжения под щетками 12 и 13.

Теперь мы получаем возможность, как сейчас будет показано, опять. Почти полное компенсирования этих напряжений достигается автоматически включением асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

На дополнительные полюса, соответствующие щеткам 12 и 13 помещают добавочную обмотку 14 и на дополнительные полюса, соответствующие щеткам 10 и 11 - добавочную обмотку 15. Через обе эти обмотки пропускают ток J₁, который получают следующим способом.

По одной обмотке 18 (см. фиг. 5) статора асинхронного двигателя через зажимы 16 и 17 пропускают ток J₁. По второй обмотке 21 через зажимы 19 и 20 мы пропускаем ток J₂, причем ось нажимов 19 и 20 составляет некоторый определенный угол с осью зажимов 16 и 17.

Из за совместного действия токов J₁ и J₂, между зажимами 22 и 23 возникает напряжение, которому пропорционален ток J′ если зажимы 22 и 23 включены в цепь тока обмоток 14 и 15.

На фиг. 4 показано, что при определенном выборе углов между тремя осями зажимов и при определенном выборе числа витков возможно дать току J′ такую характеристику, чтобы возбужденная им составляющая потока дополнительного полюса автоматически почти полностью компенсировала напряжение, представленное векторами

Представим, что ток J₁ не течет по обмотке 18. Тогда под действием тока J₂ возникает ток, сдвинутый от него по фазе на определенный угол и пропорциональный ему при всех числах оборотов. Под влиянием этого тока под щетками 10 и 11 возникает еще напряжение FE (см. фиг. 4). При половинном числе оборотов вектор FE примет положение F′Е′, а при двойном числе оборотов - положение F′′Е′′.

Пропуская ток J₁ по обмотке 18 асинхронного двигателя, представим, что под некоторым углом к нему по обмотке 21 протекает ток J₂. Тогда под влиянием тока J₁ возникает некоторая составляющая тока J′, пропорциональная току J₁ и сдвинутая по отношению к нему на определенный постоянный угол. Под влиянием тока J₂ возникает составляющая J′, пропорциональная J₂ и сдвинутая по отношении к нему на постоянный угол.

Первой компоненте тока J′ соответствует возбужденной в короткозамкнутом витке напряжение ДG, которое пропорционально и направлено параллельно вектору АС=J₁. Далее, второй компоненте J′′ может соответствовать напряжение GH, возбужденное в короткозамкнутом витке: которое пропорционально в том же отношении и направлено параллельно вектору СВ J₂. Но мы уже знаем, что отношение вектора АВ, представляющего собой сумму АС и СВ к вектору АД остается постоянным при всех числах оборотов, как в отношении величины, так и в отношении положения фаз. Отсюда следует, что суммарное напряжение ДН, которое с одной стороны, пропорционально АВ, а с другой, пропорционально числу оборотов, при половинном числе оборотов снижается до ДН′', а при двойном числе оборотов возрастает до ДН′′.

Если сконструировать асинхронный двигатель так, чтобы ток J′ состоял из всех трех упомянутых компонент (что возможно при соответствующем выборе углов и чисел витков), то при нормальном числе оборотов мы имеем одно напряжение , одно напряжение ДG и одно напряжение GH.

Сумма этих напряжений, очевидно (не считая малого остаточного напряжения HF) равна прежнему остаточному напряжению ДЕ, которое следовательно, почти полностью скомпенсировано. При половинном числе оборотов с одной сторона вместо ДН имеет напряжение ДН′, с другой стороны напряжение FE, их сумма очевидно, не считая малого остаточного напряжения Н′F′ равна прежнему остаточному напряжению ЕД, которое значит также практически скомпенсировано. Аналогично этому при двойном числе оборотов вместо остаточного напряжения ДЕ′′ остается только остаточное напряжение Н′′F′′. Если бы, например, трансформаторное искровое напряжение АД было равно 7,5 в, то мы получили бы остаточные напряжения порядка 1,5 в, 0,5 в и 2,5 в, то есть, также, при которых коммутация безусловно возможна. Подобным образом мы можем унтчножить трансформаторное искровое напряжение и под щетками 12 ж 13.

Само собой разумеется, что приведенный принцип может быть применен и в других типах однофазных коллекторных двигателей.

1. Однофазный коллекторный сериесный двигатель переменного тока, в котором, с целью улучшении коммутации, применен вспомогательный асинхронный короткозамкнутый двигатель, отличающийся тем, что указанный асинхронный двигатель частью своих обмоток статора включен в главную цепь двигателя, а другими обмотками, находящимися в определенном соотношении по числу витков с первыми, присоединен к обмотке дополнительных полюсов, которая при разных числах оборотов главного двигателя компенсирует трансформаторную электродвижущую силу в коммутируемых витках.

2. Форма выполнения двигателя по п. 1, отличающаяся применением включенного в цепь обмотки дополнительных полюсов вспомогательного трансформатора, служащего для введения в эту цепь электродвижущей силы, пропорциональной питающему двигатель напряжению.

3. Форма выполнения двигателя по п. 1, снабженного добавочными щетками, отличающаяся тем, что асинхронный двигатель включен как в цепь главных щеток, так и в цепь добавочных щеток, причем потоки, создаваемые этими цепями, находятся между собой под некоторым углом.