СПОСОБ ПУСКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
SYNCHRONOUS MOTOR START-UP METHOD

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при производстве асинхронных двигателей с уменьшенным пусковым током.
Известен способ пуска асинхронного двигателя путем переключения статорной обмотки со звезды на треугольник. Для этой цели асинхронные двигатели выпускают на напряжение 380(Δ)/660(Y) В. При таком способе пуска, по сравнении с прямым пуском, пусковой ток в сети уменьшается практически в три раза (см. стр.570: рис.28.1г; Вольдек А.И. Электрические машины / Учебник. Л.: Энергия, 1978. - 832 с. ил.).
Недостаток способа в том, что пропорционально изменению пускового тока снижается практически в 3 раза и пусковой момент двигателя, а также в сложной схеме переключений обмотки с разрывом соединений фазных обмоток.
Известен способ пуска трехфазного электродвигателя переменного тока (см. пат. №2415507, опубл. 27.03.2011. Бюл. №9, взятый авторами за прототип).
В известном способе пуска трехфазного электродвигателя переменного тока включающем соединение статорных обмоток двух электродвигателей попарно-последовательно по схеме «общая звезда» и подачу на вход полученного электрического соединения номинального напряжения, после разгона электрическое соединение статорных обмоток указанных электродвигателей разрывают, а в схему: «общая звезда» или «общий треугольник» соединяют статорную обмотку пускаемого электродвигателя и разгоняют его до рабочей скорости.
Недостаток способа в том, что для пуска применяются два двигателя соизмеримой мощности, при этом в зависимости от нагрузки пускаемого двигателя изменяется падение напряжения на обмотках заторможенного двигателя, что приводит к разной величине пускового тока и пускового момента, а переключение сопровождается разрывом соединений фазных обмоток.
Техническим результатом изобретения является снижения пускового тока асинхронного двигателя и улучшение его эксплуатационных характеристик за счет переключения статорной обмотки без разрыва соединений фазных обмоток.
Поставленная задача достигается тем, что в способе пуска асинхронного двигателя путем переключения трехфазной статорной обмотки, в фазы двухполюсной обмотки которой входят однотипные две катушечные группы с первой по шестую, в фазы четыреполюсной обмотки входят две пары катушечных групп с первой по шестую, в фазы шестиполюсной обмотки входят три тройки катушечных групп с первой по шестую, осуществляют изменение ширины фазной зоны со 120 электрических градусов на 60 электрических градусов посредством переключения обмоток с треугольника на две звезды при постоянной индукции в воздушном зазоре с образованием нулевой точки от середины треугольника без изменения числа пар полюсов и без разрыва соединений фазных обмоток.
Новизна заявляемого технического решения достигается за счет того, что для снижения пускового тока асинхронного двигателя с однотипными катушечными группами с первой по шестую, осуществляют изменение ширины фазной зоны со 120 электрических градусов на 60 электрических градусов посредством переключения обмоток с треугольника на две звезды при постоянной индукции в воздушном зазоре с образованием нулевой точки от середины треугольника без изменения числа пар полюсов и без разрыва соединений фазных обмоток.
По данным научно-технической и патентной литературы, авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, поскольку оно работоспособно, и предлагается его использование в промышленности.
На фигурах 1 и 2 показано направление токов в сторонах катушек шести катушечных групп двухслойной двухполюсной статорной обмотки, схема соединений катушечных групп и фаз в треугольник, вид магнитодвижущей силы (МДС) обмотки и диаграмма Гергеса. На фигурах 3 и 4 показано направление токов в сторонах катушек катушечных групп обмотки при соединении фаз в две звезды, схема соединений катушечных групп и фаз в две звезды, МДС обмотки и диаграмма Гергеса. Фигуры 5-7 иллюстрируют схемы, реализующие способ пуска асинхронных двигателей с разным числом пар полюсов обмотки.
обΔ
Согласно фигуре 1 двухслойная двухполюсная статорная обмотка для реализации способа содержит 1-6 катушечных групп (стороны катушек фазы А обозначены квадратами, фазы В треугольниками, фазы С кругами, а направление токов в сторонах катушек показано точками и плюсами). Ширина фазной зоны составляет 120° (обмоточный коэффициент k=0,80).
В сеть включены выводы обмотки 7, 9, 11, а выводы 8, 10, 12 свободны. Согласно фигуре 2 МДС содержит нечетные и четные гармоники (таблица 1), что увеличивает дифференциальное рассеяние, следовательно, и индуктивное сопротивление статорной обмотки. МДС построена для момента времени, когда ток в фазе A имеет максимальное значение. Наиболее выраженные первые четные высшие гармоники ν (таблица 1) не оказывают заметного отрицательного действия на пуск двигателя.
Таблица 1
Относительные амплитуды гармоник МДС
ν
1
2
4
5
7
8
10
11
13
F<sub>mν</sub>/F<sub>m</sub>
1
0,133
0,0571
0,011
0,0058
0,0152
0,006
0,01
0,008
p
Качество МДС оценивают по величине коэффициента дифференциального рассеяния, а его значение определяют по диаграмме Гергеса. При соединении фаз в треугольник (фигура 2) радиус R основной гармоники МДС при условных Z=72 сторонах катушек (р - число пар полюсов)
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Z</mi><msub><mi>k</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>p</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>72</mn><mo>⋅</mo><mn>0,80</mn></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>3,1416</mn><mo>⋅</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>9,1648</mn></mrow>
полярный момент инерции пазовых точек диаграммы Гергеса
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msubsup><mi>R</mi><mi>d</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mo stretchy="false">[</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><msup><mn>10</mn><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mn>1</mn><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>10</mn><mo>⋅</mo><mn>1</mn><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mn>120</mn><mo>°</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><msup><mn>7</mn><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mn>1</mn><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>7</mn><mo>⋅</mo><mn>1</mn><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mn>120</mn><mo>°</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><msup><mn>5</mn><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mn>5</mn><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>5</mn><mo>⋅</mo><mn>5</mn><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mn>120</mn><mo>°</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><msup><mn>7</mn><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mn>4</mn><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>7</mn><mo>⋅</mo><mn>4</mn><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mn>120</mn><mo>°</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><msup><mn>9</mn><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mn>3</mn><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>9</mn><mo>⋅</mo><mn>3</mn><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mn>120</mn><mo>°</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><msup><mn>3</mn><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mn>6</mn><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>3</mn><mo>⋅</mo><mn>6</mn><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mn>120</mn><mo>°</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>/</mo><mn>12</mn><mo>=</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>222</mn><mo>+</mo><mn>114</mn><mo>+</mo><mn>150</mn><mo>+</mo><mn>186</mn><mo>+</mo><mn>234</mn><mo>+</mo><mn>126</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mn>12</mn><mo>=</mo><mn>86</mn></mtd></mtr></mtable>
и значение коэффициента дифференциального рассеяния
<mrow><msub><mi>τ</mi><mo>∂</mo></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>R</mi><mo>∂</mo><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>р</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>86</mn></mrow><mrow><msup><mrow><mn>9,1648</mn></mrow><mrow><msub><mrow /><mn>2</mn></msub></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>=</mo><mn>0,024</mn></mrow>
.
обYY
Согласно фигуре 3 ширина фазной зоны равной 60° (k=0,924). В сеть по-прежнему включены выводы 7, 9, 11, а выводы 8, 10, 12 образуют нулевую точку. Согласно фигуре 4 МДС не содержит заметных амплитуд высших гармоник, что определят малое индуктивное сопротивление обмотки. Для этой схемы:
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Z</mi><msub><mi>k</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>p</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>72</mn><mo>⋅</mo><mn>0,924</mn></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>3,1416</mn><mo>⋅</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>10,5832</mn></mrow>
;
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msubsup><mi>R</mi><mi>d</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mo stretchy="false">[</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><msup><mn>7</mn><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mn>5</mn><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>7</mn><mo>⋅</mo><mn>5</mn><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mn>120</mn><mo>°</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><msup><mn>9</mn><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mn>3</mn><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>9</mn><mo>⋅</mo><mn>3</mn><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mn>120</mn><mo>°</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><msup><mn>10</mn><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mn>1</mn><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>10</mn><mo>⋅</mo><mn>1</mn><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mn>120</mn><mo>°</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>/</mo><mn>6</mn><mo>=</mo><mn>112,3333</mn></mtd></mtr></mtable>
;
<mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mo>∂</mo><mn>0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>R</mi><mo>∂</mo><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>р</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>112,3333</mn></mrow><mrow><msup><mrow><mn>10,5832</mn></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>=</mo><mn>0,00294</mn></mrow>
.
Реализация заявляемого способа поясняется обмотками на фигурах 5-7. Согласно фигурам 5-7 в фазы двухполюсной обмотки входят две катушечные группы 1 - 2; 5 - 6; 3 - 4, в фазы четырехполюсной обмотки входят две пары катушечных групп 1, 1′ - 2, 2′; 5, 5′ - 6, 6′; 3, 3′ - 4, 4′, в фазы шестиполюсной обмотки входят три тройки катушечных групп 1, 1′, 1″ - 2, 2′, 2″; 5, 5′, 5″ - 6, 6′, 6″; 3, 3′, 3″ - 4, 4′, 4″.
δ
Способ пуска асинхронного двигателя реализуется следующим образом: при включении в сеть выводов 7, 9, 11 фазные обмотки соединены в треугольник, а после разбега двигателя и замыкании выводов 8, 10, 12 фазные обмотки образуют две звезды. При включении двигателя в сеть 380 В соотношение витков на фазу w, потоков Ф и индукций в воздушном зазоре B (U - фазное напряжение) при переключении обмотки с треугольника на две звезды определяется:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>w</mi><mi>Δ</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>w</mi><mrow><mi>Y</mi><mi>Y</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mi>Δ</mi></msub><msub><mi>k</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>Y</mi><mi>Y</mi></mrow></msub><msub><mi>Ф</mi><mrow><mi>Y</mi><mi>Y</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Y</mi><mi>Y</mi></mrow></msub><msub><mi>k</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>Δ</mi></mrow></msub><msub><mi>Ф</mi><mi>Δ</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>380</mn><mo>⋅</mo><mn>0,924</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>Ф</mi><mrow><mi>Y</mi><mi>Y</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>220</mn><mo>⋅</mo><mn>0,80</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>Ф</mi><mi>Δ</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn></mrow>
;
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Ф</mi><mi>Δ</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>Ф</mi><mrow><mi>Y</mi><mi>Y</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
;
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>B</mi><mrow><mi>δ</mi><mi>Δ</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>B</mi><mrow><mi>δ</mi><mi>Y</mi><mi>Y</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
.
При переключении пусковой ток уменьшается в 1,73/2 раза за счет самой схемы Δ/YY и в еще большей степени за счет изменения индуктивного сопротивления статорной обмотки. Согласно расчетам, при том же шаге обмотки, что и у стандартных двигателей средней и большой мощности, пусковой ток уменьшается на 1/3, а неизменная индукция определяет изменение пускового момента двигателя пропорционально изменению пускового тока.
Таким образом, способ пуска асинхронного двигателя переключением статорной обмотки по схеме Δ/YY является простейшим в реализации, осуществляется без изменения числа пар полюсов статорной обмотки и без разрыва соединений фазных обмоток.