АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Советский патент 1929 года по МПК H02K17/28 

Изобретение касается асинхронного двигателя с конденсаторами для получения намагничивающего тока. Устройство таких машин заключается в том, что конденсатор работает в связи с вторичной обмоткой трансформатора, первичная обмотка которого включена параллельно с рабочей обмоткой двигателя. Согласно предлагаемому изобретению в качестве первичной обмотки указанного трансформатора применяется непосредственно рабочая обмотка двигателя, а вторичная обмотка уложена также в пазах двигателя. При таком устройстве можно обойтись без отдельного трансформатора, при чем двигатель по внешнему виду ничем не отличается от обычных асинхронных двигателей, за исключением приделанного конденсатора.

Для пояснения изобретения на фиг. 1 и 2 чертежа изображено известное устройство асинхронных двигателей, на фиг. 3 схематически пояснено предлагаемое изобретение в применении к однофазному асинхронному двигателю, на фиг. 4 изображена схема включения трехфазного двигателя, на фиг. 5 изображен внешний вид двигателя; на фиг. 6 и 7 - отдельные его детали и на фиг. 8-11 изображены схемы отдельных моментов включения асинхронных трехфазных двигателей согласно изобретению.

Отдельные части на фиг. 1 обозначают: С - конденсатор; L₁ - самоиндукция; Е - напряжение, подведенное к самоиндукции L₁, Ju - ваттный ток; Ib - отстающий по фазе намагничивающий ток; Ic - опережающий зарядный ток конденсатора С.

При включении по схеме фиг. 1 можно сделать токи Ib и Ic равными между собою, тогда намагничивающий ток для самоиндукции L₁ будет компенсирован конденсатором C.

Описанное общеизвестное включение по схеме фиг. 1 обладает тем недостатком, что напряжение конденсатора должно быть так же велико, как и напряжение сети En, так что конденсатор, например, при низких напряжениях у зажимов должен иметь очень большие размеры. Дальнейший недостаток этой схемы состоит в том, что высшие гармоники волны напряжения сети усиливаются конденсатором в нежелательной степени, так что при включении легко может получиться сильный толчок тока.

Указанные недостатки можно устранить, применяя известную схему включения по фиг. 2 со следующими обозначениями: Т - трансформатор; D - дроссельные катушки; С - емкость; L₁ - самоиндукция; En - напряжение сети.

Трансформатор Т преобразует напряжение сети в такое, которое выгодно применить у емкости С, дроссельные же катушки D заглушают верхние гармоники напряжения сети и соответственно этому смягчают первый толчок тока при включении. Схема по фиг. 2, благодаря добавочным приборам, как-то: трансформатору и дроссельным катушкам, требует лишних затрат для своего устройства и неудобна в эксплоатации, так как необходимо снабдить надлежащим намагничивающим током каждую самоиндукцию, т.-е., например, отдельно каждый асинхронный двигатель, включенный в данную сеть.

Схема по фиг. 3 показывает, как можно, применяя предлагаемое изобретение, обойтись без отдельного трансформатора T и дроссельных катушек D. Изображенная здесь схема так же, как и схема по фиг. 1 и 2, относится к однофазному двигателю. Первичная однофазная обмотка в статоре двигателя разделена на две части L_I и L_II. Обе эти части размещены в пазах двигателя и, следовательно, имеют между собой магнитную связь. Напряжение сети En приложено к части L_I, тогда как к емкости С, благодаря последовательному соединению частей L_I и L_II, приложено более высокое напряжение Ec. Под обмоткой статора R₁ на фиг. 3 показан схематически коротко-замкнутый ротор K двигателя. Таким образом, часть обмотки статора L_I играет роль первичной обмотки трансформатора, вторичной обмоткой которого служит полная обмотка статора L_I, L_II, которая соединена с емкостью C.

Предыдущий пример основан на том предположении, что напряжение сети Еn слишком низко для включения конденсаторной батареи. Конечно, может встретиться и обратный случай, когда напряжение сети выше, чем нужно для конденсатора. В этом случае придется взаимно переменить зажимы для присоединения сети и для включения конденсатора.

На фиг. 4 показана схема включения трехфазного двигателя, при чем K обозначает коротко-замкнутый ротор c обмоткой типа беличьего колеса. Три фазы машины L_I, включенные в сеть, соединены звездой, а конденсаторы С - треугольником. Принцип изобретения может быть применен и при любой другой системе включения фаз.

Конденсаторы целесообразно скреплять с обмотками двигателя неподвижно, для того, чтобы емкости и самоиндукции всегда включались одновременно. Части обмотки, включенные перед конденсаторами, действуют в качестве предохранительных дроссельных катушек.

Оказалось, что наиболее простой способ, а именно, помещение в одних и тех же пазах как рабочей обмотки, так и обмотки, примыкающей к конденсаторам, не всегда пригоден. В этом случае получается слишком сильная магнитная связь между обеими обмотками, вследствие чего толчок пускового тока может при некоторых условиях достигать недопустимой громадной величины.

Уменьшить силу пускового тока можно увеличением коэффициента рассеяния трансформатора, образованного обеими обмотками. Тогда магнитная связь рабочей обмотки с обмоткой L_II, примыкающей к конденсаторам, становится слабее, а дроссельное действие рабочей обмотки соответственно усиливается. Для увеличения рассеяния рабочую обмотку и обмотку, примыкающую к конденсаторам, размещают в разных пазах.

Насколько при этом увеличивается рассеяние видно из фиг. 6 и 7. На фиг. 6 рабочая обмотка L_I и обмотка L_II, образующая вторичную цепь трансформатора, лежат в одном и том же пазу. В этом случае поток рассеяния, показанный прерывистыми линиями, должен пересечь воздушный промежуток, длина которого по крайней мере вдвое больше двойной ширины паза. На фиг. 7 рабочая и вторичная обмотки размещены в отдельных пазах. Поток рассеяния должен пересечь только один воздушный промежуток, так что рассеяние гораздо больше, чем при размещении обеих обмоток в одном пазу.

Рассеяние первичной обмотки можно увеличить еще и другим способом, а именно, помещая одну из обмоток в статоре, а другую в роторе, включая, например, ротор в сеть и оставляя вторичную обмотку L_II в статоре. Между первичной обмоткой, помещенной в роторе, и вторичной обмоткой L_II, расположенной в статоре, образуется силовой поток рассеяния, величина которого ограничена только толщиной междужелезного пространства и характеризуется для данного двигателя величиной, известной под названием „полный коэффициент утечки". Подобное устройство особенно выгодно для больших и сравнительно тихоходных двигателей трехфазного тока, у которых на каждую фазу имеются в распоряжении только три паза, так что расположения двух обмоток в разных пазах было бы невозможно.

Известно, что охлаждение технических конденсаторов представляет значительные трудности и что даже применение масляных ванн не всегда вполне устраняет эти трудности. Для обеспечения хорошего и наиболее практичного охлаждения конденсаторов рекомендуется наглухо соединять их с двигателем и направлять воздушный охлаждающий двигатель поток так, чтобы он охлаждал и конденсаторы. Так как потери в конденсаторах всегда очень малы, по сравнению с потерями в двигателе, то указанным способом легко осуществить охлаждение конденсаторов, не делая ущерба охлаждению самого двигателя. На фиг. 5 схематически показана циркуляция охлаждающего воздуха для данного случая. На фиг. 5 изображен так называемый мотор со сквозняком, т.-е. такой мотор, у которого сидящий на валу вентилятор засасывает холодный воздух через отверстие а в одном лобовом щите мотора и выталкивает нагретый воздух через отверстие b в другом лобовом щите.

Сбоку корпуса статора имеется прилив G, сообщающийся с внутренней полостью двигателя. В этом приливе укреплен листовой резервуар В, внутри которого помещены погруженные в масло конденсаторы Е. Через крышку F, сделанную из листа с проделанными отверстиями, второй поток свежего воздуха входит в кожух двигателя, благодаря некоторому разрежению воздуха внутри кожуха, и охлаждает резервуар В.

Резервуар с конденсаторами может с таким же успехом быть помещен и в любом другом месте двигателя, например, в нижней его части. Но для целей охлаждения важно соблюдение условия, чтобы свежий воздух охлаждал в первую очередь конденсатор раньше, чем этот воздух придет в соприкосновение с другими частями двигателя.

В дальнейшем преследуется задача осуществления наиболее благоприятных условий пуска в ход двигателя. Для пояснения необходимо предварительно рассмотреть условия пуска в ход многофазных, главным образом - трехфазных двигателей.

Если двигатель вышеописанного устройства пускается в ход посредством переключателей, переключающих со звезды на треугольник, вторичная обмотка, приключенная к конденсаторам, не может быть соединена последовательно с первичной обмоткой, так как в этом случае при переключении получалось бы размыкание и замыкание заряженных конденсаторов, что повело бы к сильному искрению и образованию вольтовой дуги. Но отказ от последовательного соединения привел бы к нежелательному обстоятельствому, а именно, к недостаточному использованию места, имеющегося в распоряжении для обмоток. Поэтому целесообразно отказаться у этих двигателей от включения по схеме треугольника при пуске, но сохранить последовательное соединение обмоток и использовать получающееся при последовательном включении разделение обмотки статора на отдельные части для ограничения силового потока при пуске. С этой целью во время пуска зажимы вторичной обмотки, имеющей больше витков, чем первичная, включаются в сеть, а при нормальной работе переключают сеть на зажимы первичной обмотки. При таком способе цепь конденсатора вообще не прерывается и, несмотря на это получается такой же эффект, как при пуске с переключением со звезды на треугольник.

Описанное устройство имеет преимущество перед пуском асинхронных двигателей, не имеющих конденсаторов, при помощи переключения со звезды на треугольник, состоящее в том, что во время переключения магнитное поле не исчезает, так как колебательные контуры, в которых лежат конденсаторы, при переключении не размыкаются и происходящие в них колебания, следовательно, поддерживаются. В первый момент включения необходимо предохранить конденсаторы особыми защитными пусковыми дроссельными катушками и реостатами, так как при пуске в ход схема включения конденсаторов такова, что их напряжение составляет малую дробную часть полного напряжения конденсаторов во время нормальной работы. При переключении на нормальную работу начинают действовать те средства защиты, которые указаны в первой части описания.

Фиг. 9 показывает один из примеров трехфазного устройства при включении звездой, при чем схема а относится к выключенному двигателю, схема b относится к включению при пуске и схема с - к нормальной работе.

Если отношение числа витков вторичной и первичной обмоток, задаваемое напряжением сети и напряжением конденсаторов, окажется слишком велико, чтобы произвести желаемое уменьшение силового потока, то во время пуска в ход к сети приключается только часть вторичной обмотки статора; для этого у этой обмотки устраивается ответвительный зажим, согласно фиг. 9. Если же указанное отношение числа витков слишком мало, то ко вторичной обмотке добавляется некоторое количество дополнительных витков, которые во время пуска в ход включаются, а после пуска выключаются. Так как эти добавочные витки могут быть сделаны, из сравнительно тонкой проволоки, то они не повлекут за собой заметной потери места для главной обмотки. Такое устройство показано на фиг. 10.

На фиг. 9 и 10 буквы а, b и с имеют то же значение, как и на фиг. 1. Фиг. 8, 9 и 10 соответствуют устройству, показанному на фиг. 4. На фиг. 8, 9 и 10 показаны отдельные моменты включения. В действительности устраивается такая схема соединений, которая дает возможность осуществить в одном приборе все три отдельные положения, как примерно показано на фиг. 11, на которой об′единены вместе три схемы 8а, 8b и 8с. Три фазы сети подведены к тройному переключателю, который при выключенном двигателе ставится на холостые (изоляторные) контакты a₁, а₂ и а₃ (так что двигатель выключен, как на фиг. 8а); при пуске в ход переключатель ставится на контакты b₁, b₂ и b₃ соответственно схеме 8b, a при нормальной работе на контакты с₁, с₂ и с₃, согласно схеме 8с.

1. Асинхронный двигатель, снабженный, для компенсирования намагничивающего тока, конденсаторами, включаемыми во вторичную обмотку трансформатора, к первичной обмотке которого подведено рабочее напряжение сети, характеризующийся тем, что в качестве первичной обмотки трансформатора служит рабочая обмотка L_I машины, а в качестве соединенной с конденсаторами с вторичной обмотки - дополнительная обмотка L_II, расположенная на статоре и помещенная в одних и тех же пазах, что и рабочая обмотка, или в отдельных смежных пазах (фиг. 4, 6 и 7).

2. Видоизменение охарактеризованного в п. 1 асинхронного двигателя, отличающееся тем, что соединенная с конденсаторами вторичная обмотка расположена на роторе.

3. Видоизменение охарактеризованного в п. 1 асинхронного двигателя, отличающееся тем, что рабочею обмоткою служит обмотка ротора.

4. Способ пуска асинхронного двигателя, охарактеризованного в п.п. 1-3, отличающийся тем, что, с целью уменьшения магнитного потока машины при пуске, сначала включают на сеть соединенную с конденсаторами обмотку, а потом рабочую обмотку статора (фиг. 8).

5. Видоизменение охарактеризованного в п. 4 способа, отличающееся тем, что при пуске включают на сеть часть соединенной с конденсаторами обмотки (фиг. 9).

6. Видоизменение охарактеризованного в п. 4 способа, отличающееся тем, что при пуске подводят напряжение к концам особой обмотки, служащей продолжением той обмотки, с которой соединены конденсаторы (фиг. 10).