Способ пуска синхронных двигателей с инкорпорированными магнитами (варианты)
METHOD OF STARTING SYNCHRONOUS ENGINES WITH INCORPORATED MAGNETS (OPTIONS)

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано при прямом асинхронном пуске синхронных двигателей с инкорпорированными магнитами.
Известен способ плавного пуска электродвигателя переменного тока (патент на изобретение RU №2422977, МПК Н02Р 1/30, 27.06.2011), в котором электродвигатель подключают к преобразователю частоты, осуществляют частотный пуск электродвигателя до заранее заданного значения частоты выходного напряжения преобразователя частоты, которое меньше номинального значения частоты питания электродвигателя, после чего электродвигатель отключают от указанного преобразователя частоты и подключают непосредственно к электросети.
Недостатком данного способа является сложность его технической реализации, обусловленная наличием системы управления, а также невысокая надежность, вызванная тем, что в данной системе применяются дополнительные элементы.
Известен способ плавного пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (патент на изобретение RU №2497267, МПК Н02Р 1/26, Н02Р 1/28, 27.10.2013), в котором сигнал управления для системы импульсно-фазового управления тиристорного преобразователя формируют путем непрерывного измерения остаточного напряжения на шинах сети и сравнения его с предварительно заданным значением этого напряжения, при отклонении от которого сигнал управления корректируют, поддерживая постоянным остаточное напряжение на шинах сети в процессе пуска.
Недостатком данного способа является сложность его технической реализации, обусловленная наличием системы управления, а также невысокая надежность, вызванная применением в данной системе дополнительных элементов.
Наиболее близким к предлагаемому способу является прямой (асинхронный) способ пуска синхронных двигателей с инкорпорированными постоянными магнитами [Синхронные электрические двигатели малой мощности: учеб. пособие для вузов / И.Л. Осин. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 216 с.: ил., стр. 95-98], заключающийся в том, что пуск осуществляют путем непосредственного включения обмотки статора в сеть. Под действием асинхронного момента ротор разгоняют до скорости, близкой к синхронной, а переход от подсинхронной скорости к синхронной происходит за счет действия синхронизирующего момента.
Недостатками данного способа являются ограниченные функциональные возможности, а также то, что при прямом (асинхронном) пуске проявляются такие негативные явления как тормозящий момент, исходящий от магнитных полей постоянных магнитов, которые препятствуют полям статора. Также в качестве недостатка можно выделить скачкообразный разгон ротора таких двигателей (происходит вибрация), что вызвано взаимодействием магнитных полей постоянных магнитов, короткозамкнутых стержней и статора.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, благодаря кратковременному нагреву и стопорению ротора, т.е. введению синхронного двигателя с инкорпорированными постоянными магнитами в режим короткого замыкания перед пуском или кратковременному внешнему тепловому воздействию.
Техническим результатом является достижение максимально возможного пускового момента, повышение надежности и прямой, безрывковый разгон синхронного двигателя с инкорпорированными постоянными магнитами.
Указанный результат достигается по первому варианту тем, что в прямом асинхронном способе пуска синхронных двигателей с инкорпорированными постоянными магнитами пуск осуществляют путем непосредственного включения обмотки статора в сеть, затем под действием асинхронного момента ротор разгоняют до подсинхронной скорости, а переход от подсинхронной скорости к синхронной происходит за счет действия синхронизирующего момента, согласно изобретению перед пуском ротор синхронного двигателя с инкорпорированными постоянными магнитами кратковременно стопорят, вводят в режим короткого замыкания, повышают плотность тока в обмотках статора и короткозамкнутых стержнях ротора, тем самым нагревают статор и ротор, из-за чего постоянные магниты размагничивают и их магнитное поле снижают, в этот момент ротор выводят из стопорения и осуществляют прямой асинхронный пуск с максимально возможным пусковым моментом, при этом по мере разгона ротора температура постоянных магнитов снижается, магнитное поле постоянного магнита восстанавливается и синхронный двигатель с инкорпорированными магнитами входит в синхронизм.
Указанный результат достигается по второму варианту тем, что в прямом асинхронном способе пуска синхронных двигателей с инкорпорированными постоянными магнитами пуск осуществляют путем непосредственного включения обмотки статора в сеть, под действием асинхронного момента ротор разгоняют до подсинхронной скорости, а переход от подсинхронной скорости к синхронной происходит за счет действия синхронизирующего момента, согласно изобретению перед пуском синхронный двигатель с инкорпорированными постоянными магнитами кратковременно подвергают внешнему тепловому воздействию, тем самым нагревают статор и ротор, за счет нагрева постоянные магниты размагничивают и магнитное поле магнитов снижают, в этот момент отводят внешнее тепловое воздействие и производят прямой асинхронный пуск с максимально возможным пусковым моментом, при этом по мере разгона ротора температура постоянных магнитов снижается, магнитное поле постоянного магнита восстанавливается и синхронный двигатель с инкорпорированными магнитами входит в синхронизм.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображены функции асинхронного, синхронного и результирующего момента от времени для случая без стопорения ротора без введения синхронного двигателя с инкорпорированными магнитами в режим короткого замыкания или без внешнего теплового воздействия. На фиг. 2 изображены функции момента асинхронного, синхронного и результирующего момента от времени для случая стопорения ротора, т.е. введение синхронного двигателя с инкорпорированными магнитами в режим короткого замыкания. Функции асинхронного, синхронного и результирующего момента от времени для случая кратковременного внешнего воздействия будут идентичны для случая стопорения ротора фиг. 2.
Пример конкретной реализации способа.
2
17
Варианты способов реализуются на примере синхронного двигателя с инкорпорированными магнитами мощностью 1,1 кВт, частотой вращения ротора 12000 об/мин, частотой сети 400 Гц, линейном напряжении сети 200 В, номинальном токе 3,5 А. Магнитная система ротора представляет собой четыре полюса с четырьмя постоянными магнитами марки SmCo, активная длина ротора составляет 52 мм, внешний диаметр 40 мм, материал ротора шихтованная электротехническая сталь 2421. Короткозамкнутые стержни расположены по внешней стороне ротора количеством 19 штук, материал - медь. Материал статора - шихтованная электротехническая сталь 2421, внешний диаметр 68 мм, внутренний 42 мм, количество пазов 36.
Пуск синхронного двигателя с инкорпорированными магнитами для первого варианта осуществляют следующим образом: перед пуском ротор синхронного двигателя с инкорпорированными постоянными магнитами кратковременно стопорят, тем самым вводят в режим короткого замыкания, в результате повышают плотность тока в обмотках статора и короткозамкнутых стержнях ротора. При этом из теории асинхронных двигателей известно, что в режиме короткого замыкания, когда скольжение асинхронного двигателя равно 1, ток в обмотках статора возрастает в 6,5 раз номинального тока, ток в короткозамкнутых стержнях ротора возрастает в 20 раз номинального. Следовательно, ток в обмотках статора в режиме короткого замыкания составляет 23 А, а ток в короткозамкнутых стержнях - 550 А. В результате в статоре и роторе выделяется 15 кВт. Это приводит к нагреву статора и ротора, за счет нагрева постоянные магниты размагничивают и магнитное поле магнитов снижают, в этот момент ротор выводят из стопорения и производят прямой асинхронный пуск с максимально возможным пусковым моментом, по мере разгона ротора температура постоянных магнитов снижается, тем самым магнитное поле постоянного магнита восстанавливается и синхронный двигатель с инкорпорированными магнитами входит в синхронизм.
Пуск синхронного двигателя с инкорпорированными магнитами для второго варианта осуществляют следующим образом: перед пуском синхронный двигатель с инкорпорированными постоянными магнитами кратковременно подвергают внешнему тепловому воздействию, к примеру, промышленным феном, тепловой пушкой. Это приводит к нагреву статора и ротора до 120°С, за счет нагрева постоянные магниты размагничивают и магнитное поле магнитов снижают. В этот момент отводят внешнее тепловое воздействие и производят прямой асинхронный пуск с максимально возможным пусковым моментом, по мере разгона ротора температура постоянных магнитов снижается, магнитное поле постоянного магнита восстанавливается и синхронный двигатель с инкорпорированными магнитами входит в синхронизм.
Итак, заявляемые варианты способов позволят расширить функциональные возможности, достигнуть максимально возможного пускового момента, повысить надежность и достигнуть прямого, безрывкового разгона синхронного двигателя с инкорпорированными постоянными магнитами.