Способ регулирования асинхронных двигателей методом компенсирующего магнитного поля

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано для создания плавно регулируемых асинхронных электродвигателей, например, для привода электроподвижного состава. Техническим результатом является повышение экономичности регулирования. В способе регулирования изменение скольжения реализуется регулированием ЭДС, наводимых в роторе, управляемым изменением характеристик поля возбуждения, создаваемого работой статорной обмотки. Требуемое изменение характеристик поля возбуждения достигается тем, что на магнитное поле, создаваемое работой обычной - штатной статорной обмотки асинхронного двигателя, дополнительно накладывается вращающееся с той же скоростью и в том же направлении, одинаково направленное с ним магнитное поле противоположного знака, которое создается параллельной работой дополнительно встроенной статорной обмотки с пропорционально увеличенными количествами витков во всех катушках, геометрически являющейся зеркально отображенным образом штатной статорной обмотки (с противоположным направлением намотки), через которую с теми же фазами, частотами и в том же порядке, что и через штатную статорную обмотку, пропускается относительно небольшая для экономичности, регулируемая часть общего статорного тока, отбираемая на входе в штатную статорную обмотку. Благодаря этому рабочие характеристики двигателя становятся функциями регулируемых параметров не скомпенсированной части основного магнитного поля, создаваемого работой штатной статорной обмотки. Доля тока, пропускаемого через дополнительную обмотку, выбирается с таким расчетом, чтобы регулирование его в нужных пределах было достаточно экономичным.

 

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано для создания плавно регулируемых асинхронных электродвигателей, например, для привода электроподвижного состава.

Помимо возможности общего увеличения экономичности привода за счет перехода к прямому использованию переменного тока, стремление использовать асинхронные двигатели для решения подобных задач объясняется их конструктивной простотой и надежностью, обусловленными отсутствием электрической связи вращающейся части двигателя с источником питания.

Основным препятствием на этом пути является то, что в классическом исполнении асинхронные двигатели способны работать только в узких диапазонах скоростей вращения, близких к синхронным.

Определенный эффект в попытках расширения этих диапазонов и программного изменения скорости вращения дает введение в цепи ротора и статора различного рода регулирующих органов, позволяющее изменять скольжение. Но при сравнительно ограниченных возможностях такого регулирования, оно всегда оказывается неэкономичным и применяется только в специальных случаях. Как правило, или на двигателях малой мощности, или на пусковых режимах мощных двигателей для ограничения максимальной величины пускового тока.

При фиксированной частоте тока в системе питания, экономичным является изменение синхронной скорости вращения изменением числа пар полюсов статорной обмотки. Но, к сожалению, такой способ допускает лишь ступенчатое изменение скорости и совершенно не пригоден там, где требуется ее плавное изменение от нуля до максимального значения.

В итоге, применение асинхронных двигателей для решения задач плавного регулирования связано пока лишь только с дополнительным введением в систему привода специальных преобразователей - инверторов с микропроцессорной системой управления, позволяющих изменять частоту тока питания, подводимого к двигателю, и, как следствие, изменять линейно связанную с ней синхронную скорость вращения.

Но пока, помимо очевидного общего усложнения, массогабаритные и энергетические характеристики такого привода, мало похожего на обычный двигатель, заметно уступают сходным показателям регулируемого аналога, которым естественно считать двигатель постоянного тока.

Создать регулируемый асинхронный электродвигатель, близкий по характеристикам к такому аналогу позволяет предлагаемый «Способ регулирования асинхронных двигателей методом компенсирующего магнитного поля». И качественно и количественно он во многом близок к способу регулирования двигателей постоянного тока изменением тока возбуждения. Только с учетом специфики многофазного переменного тока реализуется он несколько иначе.

Экономичное изменение скольжения достигается при нем прямым изменением ЭДС, наводимых в роторе, под воздействием изменяющихся характеристик рабочего магнитного поля, создаваемого работой комбинированной статорной обмотки.

В отсутствие прямого аналога, прототипом предлагаемого способа регулирования можно считать схему Бушеро, предложенную им еще в 1899 г. (Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов. - 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк.; Логос; 2000. - 607 с. с.с.322, 323).

В ней двигатель имеет общий ротор и два последовательно расположенных статора, один из которых может поворачиваться относительно другого. Когда электрические оси двух статоров совпадают, в обмотке ротора наводятся ЭДС, действующие согласно, и мощность, развиваемая агрегатом, равна удвоенной мощности машины с одним статором.

Общий ротор двигателя в схеме Бушеро имеет среднее короткозамыкающее кольцо с большим сопротивлением и два крайних кольца с небольшими активными сопротивлениями. При повороте одного статора относительно другого, в зависимости от угла поворота, смещаются потоки и ЭДС в обмотке статора. Токи ротора начинают замыкаться по среднему кольцу с повышенным сопротивлением, вызывая соответствующие изменения частоты вращения. Механические характеристики такого двигателя оказываются близкими к характеристикам, получаемым при одновременном изменении напряжения питания, подводимого к двигателю, и активного сопротивления ротора.

Основными недостатками схемы Бушеро можно считать потребность в дополнительном, независимо действующем поворотном механизме одного из статоров, ограничение области регулирования вследствие возможной неустойчивости в работе двигателя, характерной для схем регулирования изменением напряжения, и большие потери энергии на активном сопротивлении.

Не достигается существенных улучшений и в раличных модификациях схемы Бушеро, в которых механический поворот одного из статоров заменен соответствующими переключениями секций обмоток каждой фазы. Во всех подобных случаях появляется определенная ступенчатость в характеристиках двигателя, которую приходится компенсировать ценой дополнительных потерь.

В итоге, схема Бушеро сохранила на сегодня, пожалуй, лишь принципиальный интерес.

Выбор ее в качестве прототипа обусловлен тем, что она является одной из немногих, если не единственной, из известных схем регулирования, в которой, пусть в явно недостаточном объеме, и с недопустимо высокими дополнительными затратами, но все же реализуется лежащая в основе предлагаемого способа идея наиболее экономичного регулирования характеристик асинхронного двигателя прямым изменением ЭДС, наводимых в роторе, под воздействием изменяющихся характеристик рабочего магнитного поля, создаваемого работой комбинированной статорной обмотки.

Как и схема Бушеро, предлагаемый способ регулирования предусматривает наличие двух статорных обмоток, работающих параллельно.

Одна из них, которую условно можно назвать штатной, обеспечивает работу двигателя на режиме максимальной частоты вращения. Через нее пропускается основная часть общего статорного тока. Конструктивно она ничем не отличается от обычной статорной обмотки нерегулируемого асинхронного двигателя.

Наряду с ней, на статор устанавливается еще одна - дополнительная обмотка, через которую проходит остальная часть общего статорного тока. Этой обмоткой обеспечивается работа двигателя во всем диапазоне регулирования.

В отличие от схемы Бушеро, обе обмотки, и штатная, и дополнительная, устанавливаются на статор неподвижно. Этим устраняется один из основных недостатков схемы Бушеро, связанный с необходимостью механического или электрического поворота одной из обмоток. Одновременно, чтобы устранялись и остальные недостатки этой схемы, а плавное регулирование двигателя достигалось прямым изменением ЭДС, наводимых в роторе, без потерь энергии, обусловленных необходимостью введения в силовую схему двигателя активных сопротивлений, характерной для всех известных способов регулирования скольжения, включая и схему Бушеро, электрическая ось дополнительной обмотки направлена противоположно направлению электрической оси штатной обмотки.

Благодаря такой ориентации осей, при работе обеих обмоток возбуждаются два магнитных поля противоположного знака.

Ток ротора, определяющий рабочие характеристики двигателя, в этом случае становится функцией алгебраической суммы двух ЭДС противоположного знака, наводимых в роторе каждым из этих полей.

Изменением доли тока, пропускаемого через дополнительную обмотку, достигается плавное изменение характеристик двигателя в требуемом диапазоне частот вращения, подобно тому, как это делается в двигателях постоянного тока при изменении тока возбуждения.

Чтобы такое регулирование было экономичным, средняя доля статорного тока, пропускаемого через дополнительную обмотку, выбирается относительно малой. Например, сопоставимой по величине с относительной долей тока возбуждения в двигателях постоянного тока (2...4%).

В свою очередь, чтобы такой малый ток обеспечивал магнитное поле, достаточное для нужной компенсации магнитного поля, создаваемого работой штатной обмотки, число витков во всех частях дополнительной обмотки, в соответствии с законом полного тока, и в зависимости от задач регулирования, увеличено в отношении средних значений токов, проходящих через штатную и дополнительную обмотки.

Наконец, чтобы переменные магнитные поля, создаваемые в определенной последовательности работой отдельных частей штатной обмотки, экономично, и в той же последовательности компенсировались в нужной степени работой дополнительной обмотки, при любом числе фаз тока питания, любом числе пар полюсов, фазности ротора и т.д., дополнительная обмотка выполняется в виде геометрически точного зеркального отражения штатной. Она имеет то же количество катушек, расположенных в той же последовательности, что и штатная, но с противоположным направлением намотки и увеличенными количествами витков, о чем говорилось выше.

Необходимое при этом совпадение фаз тока питания, подводимого к обеим обмоткам, обеспечивается тем, что каждая самостоятельная часть штатной обмотки, к которой подводится статорный ток, и ее такой же самостоятельный геометрически зеркальный прообраз из дополнительной обмотки, снабженный регулирующим устройством, включены параллельно.

С целью максимального снижения потерь на рассеяние и образование вихревых токов, связанных с возможной пространственной неоднородностью магнитных полей, каждую такую пару параллельно включенных катушек из двух обмоток желательно выполнять в виде отдельного узла, состоящего из двух катушек одинаковой длины, расположенных на общем сердечнике коаксиально друг другу.

При относительной малости токов, проходящих через дополнительную обмотку, и, соответственно, малых потребных для них сечениях провода, дополнительное введение такой обмотки в схему двигателя практически не скажется на его массогабаритных характеристиках, как целого.

В итоге, благодаря предлагаемому способу регулирования, может быть получен асинхронный двигатель, сочетающий в себе достоинства двигателя постоянного тока в плане регулирования и асинхронного двигателя в плане простоты и надежности работы.

В сочетании с возможностью прямого использования промышленного переменного тока, без промежуточных и часто многократных преобразований переменного тока в постоянный и затем обратно - постоянного тока в переменный, это должно дать заметный экономический эффект.

Способ регулирования асинхронных двигателей методом компенсирующего магнитного поля, отличающийся тем, что изменение скольжения в нем достигается регулированием ЭДС, наводимых в роторе, управляемым изменением характеристик поля возбуждения, создаваемого работой статорной обмотки, которое реализуется за счет того, что на магнитное поле, создаваемое работой обычной, штатной статорной обмотки асинхронного двигателя, дополнительно накладывается вращающееся с той же скоростью магнитное поле противоположного знака, которое создается параллельной работой дополнительно встроенной статорной обмотки с пропорционально увеличенными количествами витков во всех катушках, геометрически являющейся зеркально отображенным образом (с противоположным направлением намотки) штатной статорной обмотки, через которую с теми же фазами, частотами и в том же порядке, что и через штатную статорную обмотку, пропускается относительно небольшая для экономичности регулируемая часть общего статорного тока, отбираемая на входе в штатную статорную обмотку, благодаря чему рабочие характеристики двигателя становятся функциями регулируемых параметров не скомпенсированной части основного магнитного поля, создаваемого работой штатной статорной обмотки.