Синхронный двигатель

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к синхронным машинам, более конкретно - к синхронным двигателям и силовым блокам "трасформатор-двигатель" и предназначено для использования в приводе турбомеханизмов и иных машин средней и большой единичной мощности, не требующих регулирования частоты вращения. Сущность изобретения состоит в следующем. Синхронный электродвигатель содержит основную и дополнительную трехфазные статорные обмотки, первые выводы которых присоединены к трехфазному трансформатору, подключенному первичной обмоткой к источнику электроэнергии, причем дополнительная обмотка присоединена к трансформатору через выключатель, вторые выводы основной обмотки статора соединены в общую точку, трехфазный выпрямитель, выводы переменного тока которого соединены с вторыми выводами дополнительной трехфазной статорной обмотки, а выводы постоянного тока с выводами обмотки возбуждения синхронного двигателя. При этом согласно изобретению трехфазный трансформатор выполнен в виде автотрансформатора, имеющего ответвления во вторичной обмотке, к которым подключены статорные обмотки электродвигателя. 2 ил.

 

Изобретение относится к синхронным машинам, а более конкретно к синхронным двигателям и силовым блокам «трансформатор-двигатель» и предназначено для использования в приводе турбомеханизмов и иных машин средней и большой единичной мощности, не требующих регулирования частоты вращения.

В сельхозмелиорации широкое применение находят передвижные насосные установки, для привода которых применяют блоки «трансформатор-двигатель», позволяющие производить подключения к сети 10 кВ. К ним предъявляется требование максимальной простоты конструкции и эксплуатации, высокой экономичности. Этим требованиям отвечает синхронный двигатель по авторскому свидетельству СССР №1694038, Н 02 К 19/12, 1995 г. К недостаткам этого двигателя следует отнести наличие 2-х 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 синхронный двигатель по патенту РФ 2028719 «Синхронный электродвигатель», Н 02 Р 1/50 // Н 02 К 19/12. Это устройство, принятое за прототип, содержит основную и дополнительную трехфазные статорное обмотки, вторые выводы первой из которых соединены в общую точку, трехфазный выпрямитель, выводы переменного тока которого соединены со 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, трехфазный трехобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику электроэнергии, а в каждую из вторичных включена одна из обмоток статора электродвигателя.

Существенными недостатками двигателя являются относительно низкий КПД, особенно при малой загрузке, что вызвано высокими потерями в обмотках трансформатора, перегрев статорной обмотки в процессе асинхронного пуска, значительное снижение пускового момента за счет падения напряжения на трансформаторе, высокая стоимость и габариты.

Высокие потери мощности можно объяснить на примере режима холостого хода двигателя. В этом режиме по обмоткам статора протекают токи большей величины, чем сумма токов этих обмоток. Такое положение вещей складывается потому, что ток I₂ обмотки статора, включенной последовательно с выпрямителем и обмоткой возбуждения имеет характер потребляемого тока (см. фиг.1), в то время как ток I₁ другой обмотки статора, соединенной звездой, имеет характер тока генератора (обмотка работает в режиме генератора), а геометрическая сумма токов I₀ имеет модуль, меньший модуля каждого из этих токов. Большие токи обмоток статора обтекают соответствующие вторичные обмотки трансформатора, вызывая в них большие электрические потери.

Перегрев одной из вторичных обмоток трансформатора при пуске двигателя происходит потому, что пусковой ток двигателя, как правило 5-7-кратный от номинального, протекает только по одной из вторичных обмоток трансформатора, сечение которой относительно невелико.

Значительное падение напряжения на трансформаторе при пуске, затрудняющее запуск двигателя, происходит потому, что вторичная обмотка, рассчитанная на часть мощности двигателя, имеет большее сопротивление рассеяния, чем аналогичная обмотка, рассчитанная на полную мощность.

Высокая стоимость и габариты трансформатора объясняются передачей через него полной электрической мощности двигателя, а также тем, что он является трехобмоточным трансформатором, имеющим большие затраты изоляционных материалов, чем двухобмоточный трансформатор.

Технической задачей является снижение потерь мощности в блоке «трансформатор-двигатель», снижение его массогабаритных показателей и стоимости, облегчение пуска двигателя от источника питания соизмеримой мощности.

Решение задачи достигается тем, что синхронный электродвигатель, содержащий основную и дополнительную трехфазные статорные обмотки, первые выводы которых присоединены к трехфазному трансформатору, подключенному первичной обмоткой к источнику электроэнергии, причем дополнительная обмотка подключена к трансформатору через выключатель, вторые выводы основной обмотки статора соединены в общую точку, трехфазный выпрямитель, вывод переменного тока которого соединены с вторыми выводами дополнительной трехфазной статорной обмотки, а выводы постоянного тока с выводами обмотки возбуждения синхронного двигателя, трехфазный трансформатор выполнен в виде автотрансформатора, имеющего ответвления во вторичной обмотке, к которым подключены статорные обмотки электродвигателя.

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 фиг.1 представлена векторная диаграмма токов синхронного двигателя и трансформатора; на фиг.2 - принципиальная схема соединения обмоток синхронного двигателя.

На фиг.1 U - вектор фазного напряжения на обмотке двигателя, соединенной звездой, I₁ - вектор тока этой обмотки и тока в первой вторичной обмотке трансформатора, I₂ - вектор тока второй статорной обмотки двигателя и трансформатора, I₀ - геометрическая сумма токов I₁+I₂ или приведенный ток первичной обмотки трансформатора.

Устройство двигателя поясняет фиг.2.

Через выключатель 1 автотрансформатор 2 присоединяется к трехфазному источнику электроэнергии. Вторичная обмотка автотрансформатора имеет выводы ответвлений 3 и 4, к которым присоединены статорные обмотки двигателя 6 и 7, причем обмотка 6 присоединена через выключатель 5. Выходные концы обмотки 6 подключены на вход трехфазного выпрямителя 8 (выпрямительного моста), к выходу которого подключена обмотка возбуждения двигателя 9.

Двигатель в установившемся синхронном режиме работает следующим образом. Контакты выключателей 1 и 5 замкнуты. Автотрансформатор подключен к источнику электроэнергии и обеспечивает на обмотках 6 и 7 синхронного двигателя напряжение, причем на обмотке 6 напряжение выше, чем на обмотке 7 благодаря их подключению к разным ответвлениям вторичной обмотки автотрансформатора 2. В обмотке 7 напряжение компенсируется противоЭДС обмотки, а в обмотке 6 такая же противоЭДС компенсирует приложенное более высокое напряжении не полностью. Не скомпенсированное напряжение прикладывается к выпрямителю 8, обеспечивая ток в обмотке возбуждения 9. При этом ток возбуждения является выпрямленным током обмотки 6. Токи статорных обмоток 6 и 7 создают в двигателе вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с магнитным полем обмотки возбуждения, обеспечивая ротору вращение с синхронной скоростью (т.е. скоростью вращения поля). При этом на участке вторичной обмотки автотрансформатора от выводов 3 до общей точки обмотки (нейтрали) протекает ток, равный геометрической сумме токов обмоток 6 и 7, как правило, меньший алгебраической суммы этих токов, благодаря чему электрические потери в обмотке снижаются по сравнению с прототипом. Другой причиной снижения потерь является более высокий КПД автотрансформатора по сравнению с многообмоточным трансформатором, что общеизвестно из теории трансформаторов.

Пуск и управление двигателем происходят следующим образом. В исходном состоянии контакты выключателей 1 и 5 разомкнуты и напряжение на обмотках автотрансформатора и двигателя отсутствует. Для асинхронного пуска двигателя включается выключатель 1 и автотрансформатор 2 подает напряжение на статорную обмотку 7 двигателя. Соединенная звездой обмотка 7 обтекается пусковым током двигателя, который создает вращающееся магнитное поле, обеспечивая асинхронный разбег двигателя. Статорная обмотка 6 при этом не обтекается током. Благодаря тому, что сечение вторичной обмотки автотрансформатора рассчитывается на электрическую мощность обеих статорных обмоток, она имеет большее сечение и, соответственно, меньший нагрев, чем у вторичной обмотки трансформатора прототипа, рассчитанной только на ток одной статорной обмотки. Поскольку сопротивление короткого замыкания автотрансформатора меньше, чем у трехобмоточного трансформатора той же мощности, падение напряжения при пуске в автотрансформаторе меньше, соответственно на статорной обмотке 7 двигателя - больше, что увеличивает пусковой момент двигателя и тем самым создает более благоприятные условия для его разгона.

При достижении подсинхронной скорости (скольжение 2-5%), включается выключатель 5, обмотки 6 и возбуждения 9 обтекаются током, двигатель втягивается в синхронизм. На этом пуск двигателя завершается и он переходит в синхронный режим работы. При увеличении нагрузки на валу двигателя токи в статорных обмотках 6 и 7 возрастают, благодаря чему возрастает и ток возбуждения. При снижении нагрузки токи статорных обмоток и обмотки возбуждения уменьшаются, реализуя тем самым автоматическое регулирование возбуждения.

Поскольку другим известным достоинством автотрансформатора по отношению к трехобмоточному трансформатору являются меньшие габариты и низкая стоимость, весь силовой блок «трансформатор-двигатель» выигрывает в массогабаритных и стоимостных показателях.

Синхронный электродвигатель, содержащий основную и дополнительную трехфазные статорные обмотки, первые выводы которых присоединены к трехфазному трансформатору, подключенному первичной обмоткой к источнику электроэнергии, причем дополнительная обмотка присоединена к трансформатору через выключатель, вторые выводы основной обмотки статора соединены в общую точку, трехфазный выпрямитель, вывод переменного тока которого соединены с вторыми выводами дополнительной трехфазной статорной обмотки, а выводы постоянного тока с выводами обмотки возбуждения синхронного двигателя, отличающийся тем, что трехфазный трансформатор выполнен в виде автотрансформатора, имеющего ответвления во вторичной обмотке, к которым подключены статорные обмотки электродвигателя.