Устройство для форсирования возбуждения синхронного двигателя

Полезная модель относится к устройствам управления синхронным двигателем, в частности к устройствам форсирования возбуждения синхронных двигателей с двойной якорной обмоткой.
Синхронные двигатели с двойной якорной обмоткой и блоки «трансформатор-двигатель» на их основе находят применение в приводе турбомеханизмов, в частности в приводе насосов в орошаемом земледелии. К приводам оросительных насосов предъявляются требования максимальной простоты конструкции и обслуживания в сочетании с высокой надежностью.
Известен синхронный двигатель по патенту РФ (RU) 2272351 Н02Р 1/50, Н02Р 9/14, Н02Р 19/12, опубл. 20.03.2006, Бюл. №8, который в достаточной степени отвечает требованию простоты, но в части надежности в процессе эксплуатации этого двигателя выявились проблемы в сохранении синхронного режима при кратковременных (до 0,1 с.) снижениях напряжения в сети при коротких замыканиях или переключениях в сети. Причиной этого является отсутствие эффективного устройства форсировки возбуждения в конструкции привода.
Устройства форсирования возбуждения при кратковременных понижениях напряжения питания широко применяются в серийных синхронных двигателях. Обоснование их применения и описание устройств реализации форсировки возбуждения содержится в книге [Слодарж М.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. М., «Энергия», 1977. С. 154-163.]. Приведены схемы и описание устройства форсировки возбуждения (рис. 6-9, 6-10), где увеличение тока возбуждения при форсировке достигается шунтированием резистора в цепи обмотки возбуждения электромашинного возбудителя постоянного тока.
Известные устройства форсировки возбуждения не могут быть использованы в конструкции синхронного двигателя с двойной якорной обмоткой ввиду отсутствия в конструкции машинного возбудителя постоянного тока.
Наиболее близким к заявленному устройству является по патенту RU 2315418 Н02Р 1/50, Н02К 19/12 устройство управления синхронным двигателем, опубликовано 20.01.2008 Бюл. №2, в котором синхронный двигатель имеет трехфазную статорную обмотку в две ветви, одна из которых соединена звездой присоединена через коммутационный аппарат к источнику питания, а вторая выполнена как проходная, началом присоединенная к источнику питания, а концам на вход трехфазного неуправляемого выпрямителя, к выходу которого присоединена обмотка возбуждения, конструктивно расположенная на роторе двигателя. Указанное электрическое соединения осуществляется через скользящие контакты в виде колец, закрепленных на валу, и щеток, установленных в неподвижных траверсах. Как показал опыт применения синхронного двигателя с двойной якорной обмоткой на объектах орошаемого земледелия в Краснодарском крае, недостатком прототипа является отсутствие эффективной форсировки 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 форсирования возбуждения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для форсирования возбуждения синхронного электродвигателя, содержащем основную и дополнительную трехфазные статорные обмотки, первые выводы которых присоединены через выключатели к трехфазному источнику электроэнергии, вторые выводы основной обмотки соединены в общую точку, имеющее трехфазный выпрямитель, на стороне переменного тока присоединенный ко вторым концам дополнительной обмотки, а на стороне выпрямленного тока присоединенный к обмотке возбуждения двигателя, согласно полезной модели между дополнительной обмоткой и выпрямителем установлен однофазный переключатель, один из контактов которого соединен с первым выводом одной из фаз дополнительной обмотки через токоограничивающий резистор, а другой контакт - со вторым выводом той же фазы дополнительной обмотки.
Новизна и положительные свойства заявленного устройства обусловлены следующими обстоятельствами:
- переключение дополнительно введенного выключателя вызывает увеличение напряжения на выпрямителе и обмотке возбуждения, осуществляя форсировку;
- указанное переключение вызывает несимметрию фазных токов в дополнительной обмотке, отключая одну из фазных обмоток, что сопровождается увеличением токов в двух оставшихся подключенными к выпрямителю фазных обмотках, что является дополнительным фактором форсировки возбуждения;
- использование однофазного переключателя минимизирует стоимость устройства и повышает его надежность за счет малого числа элементов в сравнении с трехфазным переключателем.
По данным патентной и научно-технической литературы не выявлена заявляемая совокупность признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критериям «изобретательский уровень» и «новизна». Заявленное решение может быть реализовано в электроприводе турбомеханизмов, в частности, мелиоративных насосов, что отвечает критерию «промышленная применимость».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для форсирования возбуждения синхронного двигателя.
В устройстве для форсирования возбуждения синхронного двигателя, двигатель подключен к источнику электроэнергии (сети) через два трехфазных выключателя 1 и 2. Выключатель 1 подключен к источнику и к основной обмотке 3, а выключатель 2 подключен к источнику и к дополнительной обмотке 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 6 при пуске и синхронизации. Между дополнительной обмоткой 4 и выпрямителем 5 установлен однофазный переключатель 10, один из контактов которого соединен с первым выводом одной из фаз дополнительной обмотки 4 через настроечный токоограничивающий резистор 11, а другой контакт - со вторым выводом той же фазы дополнительной обмотки.
Все указанные выключатели могут быть как контактные, как показано на схеме, так и бесконтактными. Сигнал на включение выключателей 1, 2, 7, 8 поступает от пускового устройства; сигнал на срабатывание однофазного переключателя 10 подается от реле напряжения (на рисунке не показан), фиксирующего снижение напряжения до 0,7 от номинального и ниже.
В установившемся режиме синхронный двигатель работает следующим образом. Выключатели 1, 2 и 7 находятся в закрытом (проводящем) состоянии, выключатель 8 - в открытом (не проводящем), переключатель 10 в левом положении, присоединяя вход выпрямителя к концу соответствующей фазной дополнительной обмотки 4. Обмотки статора 3, 4 и возбуждения 6 обтекаются токами, 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, 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 указанному критерию.
Пуск и синхронизации двигателя производятся следующим образом. Предварительно контакты выключателей приводятся в положении, указанном на фиг. 1, т.е. контакты выключателей 1, 2 и 7 находятся в открытом состоянии, контакты выключателя 8 - в закрытом, переключателя 10 в левом включении. Обмотка возбуждения 6 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 и 7, в обмотках статора 4 и возбуждения 6 протекают 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. После синхронизации двигателя выключатель 8 размыкает контакты и двигатель переходит в установившийся режим работы.
Форсировка возбуждения производится при работе в синхронном режиме при понижении напряжения источника электроэнергии до уровня ниже 0,7 от номинального. При снижении напряжения срабатывает реле напряжения (на схеме не показано), подающее сигнал на переключение переключателя 10. Переключатель 10 переключается в положении «вправо», подавая на вход выпрямителя увеличенное напряжение, что вызывает соответствующее увеличение тока в обмотке возбуждения 6. Кроме того, ток возбуждения увеличивается вследствие проявления несимметрии токов в проходной обмотке 4, поскольку одна из фазных обмоток оказывается разомкнутой переключателем 10. Величину сопротивления токоограничивающего резистора 11 настраивают на требуемый ток форсировки. При восстановлении напряжения источника электроэнергии происходит обратное переключение переключателя 10 и двигатель возвращается в нормальный (длительный) режим работы. При продолжительном понижении напряжения срабатывает штатная защита электрической сети. Реле напряжения и устройство релейной защиты на схеме не показаны.