Двухскоростной синхронно-асинхронный двигатель

 

Изобретение относится к области электротехники, касается выполнения многофазных электрических машин переменного тока и может быть использовано для турбомеханизмов ступенчатого регулирования скорости. Сущность изобретения состоит в том, что многофазная обмотка статора двухскоростного синхронно-асинхронного двигателя выполнена в виде параллельных ветвей с неодинаковым числом последовательно соединенных витков, причем одна из ветвей соединена звездой, а другая включена как проходная последовательно с выпрямительным мостом и обмоткой возбуждения, расположенной на роторе неявно полюсной конструкции. Согласно изобретению статорная обмотка выполнена полюсопереключаемой с числом пар полюсов P₁:P₂, а обмотка ротора выполнена совмещенной, совмещая обмотку возбуждения с числом пар полюсов Р = P₁ и многофазную обмотку с Р = P₂. При этом на входе выпрямителя выполнены дополнительные клеммы для подключения источника питания в режиме с Р = P₂. Технический результат от использования данного изобретения состоит в обеспечении возможности работы двигателя на двух разных ступенях скорости, причем на высшей ступени скорости двигатель работает в синхронном режиме с высокими энергетическими показателями и высокой перегрузочной способности, а на низшей ступени скорости двигатель работает в асинхронном режиме. 3 ил.

Изобретение относится к многофазным электрическим машинам переменного тока и может быть использовано для привода турбомеханизмов (вентиляторов, воздуходувок, центробежных насосов и др.), требующих ступенчатого регулирования скорости.

Широко известны примеры использования двухскоростных электродвигателей с соотношением скоростей 2:1 или с другим соотношением, с обмоткой, переключаемой по схеме "звезда-двойная звезда" (Y/YY) на базе асинхронных короткозамкнутых электродвигателей [Радин В.И. и др. Электрические машины: Асинхронные машины. Учеб. для электромех. спец. вузов - М.: Высшая школа, 1988]. При этом на высшей ступени скорости (YY) двигатель развивает мощность в 2,3 - 2,5 раз выше, чем на низшей (Y).

Недостатком описанных там серийных и других электродвигателей является способность работать только в асинхронном режиме, в то время как известно, что лучшими энергетическими показателями обладает синхронный двигатель, главным образом за счет способности к регулированию реактивной мощности.

Известны также, совмещенные обмотки, способные создавать вращающееся магнитное поле с числом пар полюсов P₁ при питании многофазным током с подключением к одной группе клемм и неподвижную волну магнитодвижущей силы (МДС) с числом пар полюсов P₂, при питании постоянным током с подключением к другой группе клемм. Такие обмотки применяются, в частности, в совмещенных одномашинных асинхронно-синхронных преобразователях частоты [Попов В.И. Электромашинные совмещенные преобразователи частоты. - М.: Энергия, 1980].

Недостатком описанных там совмещенных обмоток является то, что они не используются в конструкции двухскоростных электродвигателей.

Известен так называемый синхронизированный асинхронный двигатель, содержащий статор с многофазной обмоткой и ротор с многофазной обмоткой, подключенной к выпрямительному устройству, выполняющему функции возбудителя [Акцептованная заявка ФРГ N 2143864, кл. 21 D² 17, 1973].

Недостатком этого двигателя является неспособность работать на двух разных ступенях скорости.

Наиболее близким к заявленному устройству является синхронный двигатель с двойной якорной обмоткой [А.с. СССР N 688964. Опубл. 30.06.79. Бюл. N 36. Авторы Начинкин Е. Н. , Стрижков И.Г.], принятый авторами за прототип. Его статорная многофазная обмотка выполнена в виде двух параллельных ветвей с неодинаковым числом последовательно соединенных витков, причем одна из ветвей соединена звездой, а другая включена как проходная и соединена последовательно с выпрямительным мостом и обмоткой возбуждения, расположенной на роторе неявнополюсной конструкции. Достоинствами двигателя являются простота конструкции, поскольку в ней отсутствуют вынесенные за габариты машины специальные компаундирующие устройства, но сохранено автоматическое регулирование возбуждения (АРВ), а также высокие энергетические показатели, вызванные уменьшением потерь в двигателе и системе возбуждения и высоким коэффициентом мощности (может быть равен 1).

Недостатком прототипа является то, что этот двигатель односкоростной и не может работать на двух разных ступенях скорости при питании от источника с нерегулируемой частотой тока.

Техническим решением задачи является обеспечение возможности двигателю работать на двух разных ступенях скорости, причем на высшей ступени двигатель должен работать в синхронном режиме, обеспечивая высокие энергетические показатели и высокую перегрузочную способность, а на низшей - в асинхронном.

Решение задачи достигается тем, что статорная обмотка электродвигателя выполнена полюсопереключаемой с числом пар полюсов P₁ : P₂, а обмотка ротора выполнена совмещенной, совмещая обмотку возбуждения с числом пар полюсов P = P₁, создающую волну магнитодвижущей силы, неподвижную относительно ротора, и многофазную обмотку с P = P₂ и вращающейся волной МДС; при этом на входе выпрямителя установлены дополнительные клеммы для переключения источника питания (сети) в режиме с P = P₂.

Новизна заявляемого предложения заключается в том, что статорная обмотка выполняется двухскоростной (полюсопереключаемой), а роторная - совмещенного типа, благодаря чему двигатель получил возможность работать как синхронный на высшей ступени скорости и как асинхронный короткозамкнутый - на низшей, а также в использовании дополнительных клемм для присоединения статорной обмотки к источнику питания (сети).

По данным патентной и научно-технической литературы не обнаружена заявляемая совокупность признаков, что позволяет судить об изобретательском уровне предложения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства, а на фиг. 2 и 3 представлены частные примеры схем обмоток статора и ротора, поясняющие особенности их выполнения.

Двигатель имеет на статоре многофазную (на схеме трехфазную) обмотку с параллельными ветвями 2 и 3. Схема обмотки - полюсопереключаемая. Отличие от известных схем, применяемых в серийных электродвигателях, заключается в различном числе витков этих параллельных ветвей, что продиктовано необходимостью создания нескомпенсированной ЭДС на входе выпрямителя для создания тока возбуждения в синхронном режиме. (На фиг. 2 в качестве частного примера приведена развернутая схема такой обмотки, где цифрами 1 и 2 отмечены секции, принадлежащие разным параллельным ветвям).

На роторе расположена совмещенная обмотка с параллельными ветвями 9 и 10, соединенная по схеме YY, (На фиг. 3 в качестве частного примера представлена развернутая схема такой обмотки (а), диаграммы намагничивающих сил для трехфазной обмотки с P = 2 (б) и возбуждения с P = 1 (в), заимствованные из книги Попова В.И. (см. аналог)).

Выпрямитель 5 включается последовательно с обмоткой 3 и роторной и обеспечивает питание обмотки ротора в синхронном режиме выпрямленным током, пропорциональным току в обмотке 3. Электрическая связь вращающейся обмотки ротора с неподвижной обмоткой статора осуществляется через контактные кольца 11. Резистор 8 используется как пусковой и выполняет те же функции, что и в обычном синхронном двигателе. Коммутатор (ключ) 7 подключает резистор 8 на период разбега в асинхронном режиме и выключает его при достижении двигателем подсинхронной скорости. Ключ 6 служит для присоединения обмотки ротора к обмотке 3 в режиме синхронного двигателя и для отсоединения этих обмоток друг от друга в режиме асинхронного. Клеммы 1 используются для присоединения двигателя к источнику питания (сети) в синхронном режиме с P = P₁, в то время как в асинхронном режиме с P = P₂ источник питания присоединяется к клеммам 4.

В статичном режиме двигатель может работать в синхронном режиме с числом пар полюсов P₁ и в асинхронном с P = P₂.

В синхронном режиме питание подается на клеммы 1, ключ 6 закрыт, ключ 7 открыт. Обмотка статора создает вращающееся магнитное поле с P = P₁, а обмотка ротора создает волну МДС, неподвижную относительно ротора, которая выполняет функцию возбуждения. МДС обмотки ротора сцепляется с вращающейся МДС обмотки статора, и машина работает как синхронная. Требуемый коэффициент мощности получают соответствующим выбором тока возбуждения, который зависит от параметров обмоток 2, 3 и 9, 10.

В асинхронном режиме ключ 6 открыт, ключ 7 в любом положении (например, открыт). Питание подается на клеммы 4. Клеммы 1 остаются свободными. Вследствие изменения направления тока в обмотке 3 изменяется число пар полюсов обмотки статора. В этом случае поле статора вращается со скоростью, определяемой числом пар полюсов P₂.

Обмотка ротора, гальванически не связанная со статорной, работает как обмотка асинхронного двигателя, у которого все три фазы закорочены, а узлы разомкнутых "звезд" эквипотенциальны.

Для запуска двигателя могут использоваться разные схемы пуска. Пуск для асинхронного режима может быть прямым и подобен прямому пуску асинхронного короткозамкнутого двигателя. Пуск для синхронного режима может быть проведен в несколько ступеней: сначала прямой асинхронный пуск при P = P₂, затем переключением схемы обмотки статора уменьшается число пар полюсов до P₁, ключ 7 закрывается, включая разрядное сопротивление 8, и двигатель разгоняется за счет вихревых токов в магнитопроводе ротора и тока обмотки ротора до подсинхронной скорости. Затем ключ 7 открывается, а 6 закрывается и двигатель втягивается в синхронизм аналогично классическому синхронному двигателю.

Формула изобретения

Двухскоростной синхронно-асинхронный двигатель, содержащий статор с многофазной обмоткой, выполненной в виде двух параллельных ветвей с неодинаковым числом последовательно соединенных витков, причем одна из ветвей соединена звездой, а другая включена как проходная последовательно с выпрямительным мостом и обмоткой возбуждения, расположенной на роторе неявно полюсной конструкции, отличающийся тем, что статорная обмотка выполнена полюсопереключаемой с числом пар полюсов P₁ : P₂, а обмотка ротора выполнена совмещенной, совмещая обмотку возбуждения с P = P₁, создающую волну магнитодвижущей силы, неподвижную относительно ротора, и многофазную с P = P₂ и вращающейся МДС, при этом на входе выпрямителя выполнены дополнительные клеммы для подключения источника питания в режиме с P = P₂.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3