СПОСОБ ПЕРЕВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ГИСТЕРЕЗИСНОГО ДВИГАТЕЛЯ РЕАКЦИЕЙ ЯКОРЯ
METHOD OF OVEREXCITATION OF SYNCHRONOUS HYSTERESIS MOTOR BY ANCHOR REACTION

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам перевозбуждения роторов гистерезисных двигателей (ГД). Перевозбуждением называют увеличение намагниченности ротора ГД, вращающегося в синхронном режиме, с целью улучшения энергетических характеристик двигателя.
Ротор ГД изготавливают из магнитного материала, достаточно легко меняющего свой вектор намагниченности под действием внешнего поля. После достижения синхронного режима вращения ротор ГД сохраняет некоторую остаточную намагниченность. Остаточный магнитный поток ротора, взаимодействуя с магнитным полем статора, создает вращающий момент двигателя. Вращающий момент тем больше, чем выше намагниченность ротора. При повышенной намагниченности ротора и номинальном напряжении питания снижается потребление энергии ГД. Если это возможно, то напряжение электропитания снижают ниже номинального и получают дополнительную экономию энергии при сохранении величины вращающего момента. По разным причинам дополнительная намагниченность ротора может снизиться. Обычно это определяется по повышению потребляемого тока, тогда процесс перевозбуждения повторяют.
Известно несколько способов перевозбуждения ротора ГД:
- временное увеличение питающего напряжения с последующим его снижением до номинального уровня или ниже (Делекторский Б.А., Тарасов В.Н. Управляемый гистерезисный привод. - М.: Энергоатомиздат, 1983);
- временное увеличение питающего напряжения с манипулированием фазой питающего напряжения (пат. 2375813 Российская федерация, МПК (2006.01) Н02Р 21/05, Н02Р 6/00. Способ двухзонного амплитудно-фазового перевозбуждении синхронно-гистерезисных электродвигателей. - Опубл. 10.12.2009);
- временное отключение ГД от переменного электропитания и подключение его к источнику постоянного напряжения (АС 577632 (СССР) и дополнительное к нему АС 904172 (СССР). Способ перевозбуждения гистерезисного электродвигателя. - Опубл. 07.02.82);
- манипулирование фазой питающего напряжения (пат. 2319283 Российская федерация, МПК (2006.01) Н02Р 27/04. Способ питания синхронного гистерезисного электродвигателя с перевозбуждением и устройство для его осуществления. - Опубл. 10.03.2008);
6
- наложение на питающее напряжение импульсов в определенной фазе (пат. 2081505 Российская федерация, МПК Н02Р 7/74. Способ перевозбуждения многодвигательного гистерезисного электропривода).
Перечисленные способы имеют следующие недостатки:
- повышение питающего напряжения или наложение импульсов напряжения возможно не во всех источниках электропитания ГЦ;
- регулярные повышения напряжения выше номинала, равно как и регулярное наложение на питающее напряжение импульсов напряжения, требуют повышенного качества электрической изоляции обмоток двигателя и систем электропитания. Фронты импульсов напряжения отрицательно влияют на электрическую изоляцию обмоток двигателя и системы питания, вызывая деградацию изоляции;
- нарушение симметрии питающего напряжения (появление в питающем напряжении импульсов, отключение одной или нескольких фаз или изменение фаз питающих напряжений вызывает ударное воздействие на ротор, что отрицательно сказывается на его ресурсе, особенно учитывая, что роторы большинства ГД работают на пределе механической прочности, т.к. используются для привода сверхскоростных механизмов).
Заявленный способ позволяет избежать указанных недостатков за счет использования принципиально иного подхода к перевозбуждению роторов ГД. Способ основан на явлении, которое известно в электротехнике под названием «реакция якоря». Синхронный двигатель, которым, в частности, является и ГД, при отключении от питающего напряжения автоматически становится генератором, вращаясь по инерции. Если к выводам двигателя, перешедшего в генераторный режим, подключить некую нагрузку, то магнитное поле тока, протекающего по обмоткам, будет оказывать влияние на магнитное поле ротора. Это влияние и называется «реакцией якоря».
Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами на роторе, при отключении от питающей сети, развивает на холостом ходу (х.х.) напряжение, близкое к напряжению питания. В тех же условиях напряжение х.х. на зажимах ГД будет значительно ниже номинального значения питающего напряжения в связи с низкой остаточной намагниченностью ротора ГД.
При подключении к ГД, работающему на х.х., некоторой нагрузки возникает «реакция якоря». Если характер нагрузки будет в целом индуктивным, то «реакция якоря» будет действовать против поля ротора и оказывать размагничивающее действие на него. Если характер нагрузки будет в целом емкостным, то «реакция якоря» будет направлена согласно полю ротора. При этом его намагниченность будет увеличиваться, вплоть до насыщения.
Для дополнительного намагничивания ротора ГД и создания режима перевозбуждения согласно заявленному способу необходимо:
- отключить ГД от питающей сети;
- на определенное время подключить к выводам ГД емкости такой величины, чтобы суммарная нагрузка по фазам с учетом индуктивности обмотки статора имела в целом емкостный характер, при этом за счет «реакции якоря» произойдет дополнительное намагничивание ротора. Обычно в системах электропитания ГД уже имеются емкости, предназначенные для компенсации индуктивной реактивной мощности обмоток ГД. Тогда необходимо только перераспределить емкости таким образом, чтобы при отключении ГД от питающей сети часть емкостей, необходимая для перевозбуждения, осталась подключена к ГД;
- подключить ГД обратно к питающей сети, при этом для сохранения намагниченности ротора может дополнительно потребоваться синхронизация напряжений питающей сети и генерируемого на статоре ГД.
Техническим результатом заявленного способа является достижение ротором ГД перевозбужденного режима работы, что позволяет снизить потребляемую энергию. Дополнительную экономию электроэнергии можно получить, снизив напряжение питания ГД ниже номинального.
Заявленный способ отличается от аналогов в части создания режима перевозбуждения. В заявленном способе не используются повышение питания ГД, манипуляция фазой или подача импульсов в цепь питания. Создание дополнительного намагничивания ротора ГД производится за счет «реакции якоря» при кратковременном подключении ГД к емкостной нагрузке.
На фигуре 1 представлен пример осуществления изобретения для создания режима перевозбуждения одиночного ГД.
Трехфазная обмотка ГД 5 питается от источника переменного напряжения 1 через перекидные контакты 2 таким образом, что независимо от того, в каком из крайних положений находится контактная группа, электропитание подается на ГД. Непосредственно к ГД подключена нагрузка емкостного характера 3. Дополнительно к ГД подключены варисторы 4 для ограничения напряжения на обмотке статора в процессе намагничивания ротора. Контакты 2 переключаются по команде специального устройства управления или вручную.
В исходном положении, контакты 2 обеспечивают подключение ГД к источнику питания. После разгона ротора ГД до номинальной частоты вращения, при необходимости произвести перевозбуждение, контакты 2 переключаются. На время перемещения контактной группы из одного крайнего положения в другое ГД переходит в генераторный режим, будучи подключен к емкостной нагрузке. Так как нагрузка имеет емкостный характер, то возникающая «реакция якоря» начинает действовать согласно полю ротора и дополнительно намагничивает его. В процессе перевозбуждения ротора скорость вращения ГД уменьшается, а напряжение, генерируемое на обмотке статора, увеличивается. Варисторы 5, подключенные к ГД, ограничивают рост этого напряжения до некоторой предельной величины, защищая обмотку статора от повреждения. При необходимости контактную группу 2 возвращают в исходное положение.
Т.к. время перемещения контактов даже механических переключателей мало, фазы напряжений сети и ГД не успевают значительно разойтись. При определенных обстоятельствах может потребоваться синхронизация, тем или иным способом, напряжений питающей сети и напряжения, генерируемого ГД.