Устройство для форсирования возбуждения синхронного двигателя с двойной якорной обмоткой

Полезная модель относится к устройствам управления синхронным двигателем с двойной якорной обмоткой, а более конкретно, к устройствам форсировки возбуждения таких двигателей.
Синхронные двигатели с двойной якорной обмоткой находят применение в приводе турбомеханизмов, в частности в приводе мелиоративных насосов вследствие их простоты и высоких энергетических показателей. Они проще классических синхронных двигателей за счет упрощения возбудителя. Высокие энергетические показатели свойственны всем синхронным двигателям при наличии у них устройства автоматического регулирования возбуждения. Таким свойством синхронный двигатель с двойной якорной обмоткой обладает.
Устройства для форсирования возбуждения при кратковременных понижениях напряжения питания применяются в серийных синхронных двигателях. Обоснование целесообразности их применения и описание устройств форсировки возбуждения содержится в книге [Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. М., «Энергия», 1977. С. 154-163.], где приведены схемы и описание устройства форсировки возбуждения (рис. 6-9, 6-10). Увеличение тока возбуждения при форсировке достигается шунтированием резистора в цепи обмотки возбуждения электромашинного возбудителя постоянного тока.
Названный нормально включенный резистор является источником дополнительных потерь электроэнергии. Кроме того, описанные в книге устройства для форсирования возбуждения не могут быть использованы в конструкции синхронного двигателя с двойной якорной обмоткой ввиду отсутствия у последнего машинного возбудителя постоянного тока.
Наиболее близким к заявленному устройству является синхронный электродвигатель, (патент RU №2271601, кл. Н02Р 1/50, Н02К 19/12, 2006 г.) содержащий основную и дополнительную трехфазные статорные обмотки, первые выводы которых присоединены через выключатели к трехфазному источнику электроэнергии, вторые выводы основной обмотки соединены в общую точку, трехфазный неуправляемый выпрямитель, выводы переменного тока которого соединены с вторыми выводами дополнительной трехфазной статорной обмотки, а выводы постоянного тока через первый выключатель - с выводами обмотки возбуждения синхронного двигателя, зашунтированной цепью, составленной из последовательно соединенных второго выключателя и резистора, имеет трехфазный дроссель, подключенный к входу выпрямителя через собственный выключатель.
Как показал опыт применения синхронного двигателя с двойной якорной обмоткой на объектах орошаемого земледелия в Краснодарском крае, недостатком прототипа является отсутствие эффективного форсирования возбуждения при кратковременных снижениях напряжения в питающей сети до уровня 0,5-0,7 от номинального, что приводит к выпадению нагруженного двигателя из синхронизма с последующим резким торможением, сопровождаемым аварийными сверхтоками в статорных обмотках и в обмотке возбуждения.
Техническим результатом является повышение надежности двигателя за счет применения форсирования возбуждения без применения аппаратов, создающих дополнительные потери электроэнергии.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для форсирования возбуждения синхронного двигателя с двойной якорной обмоткой, содержащем основную и дополнительную трехфазные статорные обмотки, первые выводы которых присоединены через трехфазные выключатели к трехфазному источнику электроэнергии, вторые выводы основной обмотки соединены в общую точку, трехфазный неуправляемый выпрямитель, выводы переменного тока которого соединены со вторыми выводами дополнительной трехфазной статорной обмотки, а выводы выпрямленного тока через первый выключатель - с выводами обмотки возбуждения синхронного двигателя, зашунтированной цепью, состоящей из последовательно соединенных второго выключателя и резистора, трехфазный дроссель, подключенный своими первыми выводами к входу выпрямителя через собственный выключатель, согласно полезной модели, вторые выводы трехфазного дросселя имеют дополнительный собственный выключатель, для параллельного подключение к дополнительной статорной обмотке.
Новизна и положительные свойства заявленного устройства обусловлены следующими обстоятельствами:
- включение трехфазного дросселя параллельно дополнительно статорной обмотке вызывает увеличение тока на входе и выходе выпрямителя и в обмотке возбуждения, осуществляя форсирование возбуждения;
- в устройстве прототипа трехфазный дроссель используется только в период разбега и синхронизации двигателя, после чего отключается от рабочей цепи привода, что ограничивает его полезное использование;
- использование трехфазного дросселя в устройстве форсирования возбуждения расширяет его область применения без значительного усложнения двигателя;
из дополнительного оборудования применяется только трехфазный выключатель.
По данным патентной и научно-технической литературы не выявлена заявляемая совокупность признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию «новизна».
Заявленное техническое решение может быть реализовано в электроприводе турбомеханизмов, в частности, мелиоративных насосов, что отвечает критерию «промышленная применимость».
На чертеже представлена принципиальная схема устройства управления синхронного двигателя.
Двигатель подключается к источнику электроэнергии (сети) через два трехфазных выключателя 1 и 2. Выключатель 1 подключает к источнику обмотку 3, вторые выводы которой соединены в общую точку, а выключатель 2 подключает к источнику дополнительную обмотку 4, включенную как проходная последовательно с выпрямителем 5 и обмоткой возбуждения 6, расположенной на роторе. Выключатели 7, 8 и резистор 9 предназначены для управления обмоткой возбуждения при пуске и синхронизации. На вход выпрямителя включен своими первыми выводами трехфазный дроссель 10, вторые выводы которого присоединены к собственному выключателю 11 и к дополнительному собственному выключателю 12, при этом выключатель 11 соединяет первые выводы трехфазного дросселя 10 со входом выпрямителя 5, а выключатель 12 обеспечивает включение трехфазного дросселя 10 параллельно дополнительной статорной обмотке 4 двигателя.
Все указанные выключатели могут быть как контактные, как показано на схеме, так и бесконтактными. Сигнал на включение выключателей 1, 2, 7, 8, 11 поступает от пускового устройства; сигнал на срабатывание выключателя 12 подается от реле напряжения, фиксирующего снижение напряжения до 0,7 от номинального и ниже. Выключатели 11 и 12 имеют блокировку от одновременного включения.
В установившемся режиме синхронный двигатель работает следующим образом. Выключатели 1, 2 и 7 находятся в закрытом (проводящем) состоянии, выключатели 8, 11 и 12 - в открытом (не проводящем). Обмотки статора 3, 4 и возбуждения 6 обтекаются токами, величина которых зависит от механической нагрузки двигателя, причем ток возбуждения является выпрямленным током статорной обмотки 4. Токи обмоток 3 и 4 создают вращающееся магнитное поле, которое, будучи сцепленным с магнитным полем обмотки возбуждения 6, вращает ротор. При изменении механической нагрузки двигателя происходит изменение силы тока в статорных обмотках 3 и 4, и вследствие последовательного включения обмоток 4 и 6, изменяется и ток возбуждения, реализуя тем самым автоматическое регулирование возбуждения (АРВ). При этом заданный закон АРВ обеспечивается параметрами всех трех обмоток 3, 4 и 6, которые оптимизируются по критерию требуемого закона регулирования возбуждения (например, на постоянство реактивной мощности двигателя).
Пуск и синхронизации двигателя производятся следующим образом. Предварительно контакты выключателей приводятся в положении, указанном на фиг. 1, т.е. контакты выключателей 1, 2, 7, 11, 12 находятся в открытом состоянии, контакты выключателя 8 - в закрытом. Обмотка возбуждения отключена от выпрямителя 5 и подключена к разрядному резистору 9. Для прямого асинхронного пуска двигателя контакты выключателя 1 замыкаются, в результате чего по обмотке статора 3 протекает пусковой ток, который создает в двигателе вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле увлекает за собой ротор, реализуя известный асинхронный разбег. Двигатель разгоняется до подсинхронной скорости (скольжение s = 2…5%). Далее, для совершения синхронизации двигателя замыкаются контакты выключателей 2, 7, 11, в обмотках статора 4 и возбуждения 6 образуются токи, причем часть выпрямленного тока ответвляется в цепь резистора 9, а оставшаяся часть составляет ток обмотки возбуждения 6, и создает магнитный поток возбуждения, заставляющий ротор двигателя втягиваться в синхронизм, сцепляясь своими силовыми линиями с силовыми линиями вращающегося магнитного поля, создаваемого токами трехфазных обмоток 3 и 4. Часть тока дополнительной статорной обмотки 4 ответвляется в дроссель 10, что снижает степень компаундирования системы возбуждения и устраняет возможность неуспешной синхронизации двигателя. После синхронизации двигателя выключатели 8 и 11 размыкают контакты и двигатель переходит в установившийся режим работы.
Форсирование возбуждения производится, если при работе в синхронном режиме происходит понижении напряжения источника электроэнергии до уровня ниже 0,7 от номинального. При снижении напряжения срабатывает реле напряжения (на схеме не показано), подающее сигнал на включение выключателя 12 (замыкание контактов). Выключатель 12 включает дроссель 10 параллельно обмотке 4, увеличивая ток на входе выпрямителя 5, что вызывает соответствующее увеличение тока в обмотке возбуждения 6, чем обеспечивается форсирование возбуждения. При восстановлении напряжения источника электроэнергии происходит обратное переключение выключателя 12 (размыкание контактов) и двигатель возвращается в нормальный (длительный) режим работы. При продолжительном понижении напряжения источника срабатывает штатная защита электрической сети. Реле напряжения и устройство релейной защиты на схеме не показаны.