СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АСИНХРОННОЙ КОРОТКОЗАМКНУТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И АСИНХРОННАЯ КОРОТКОЗАМКНУТАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF OPERATION EFFICIENCY IMPROVEMENT FOR ASYNCHRONOUS SHORT-CIRCUIT ELECTRIC MACHINE, AND ASYNCHRONOUS SHORT-CIRCUIT ELECTRIC MACHINE (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в системах электромеханического преобразования энергии, а именно в асинхронных короткозамкнутых электрических машинах.
Уровень техники
Известен "Асинхронный электродвигатель", содержащий статор и ротор с обмоткой типа "беличья клетка", состоящей из множества токопроводящих стержней, расположенных в пазах симметрично по периметру на его поверхности и накоротко замкнутых на его торцах замыкающими кольцами (патент №51083, кл. Н02К 17/16, 1889 г., Германия), и работающий по способу магнитного сцепления первичного вращающего электромагнитного поля статора с наведенным в роторе вторичным электромагнитным полем.
Недостатками данной машины являются низкие технические, энергетические, эксплуатационные и удельные технико-экономические показатели, как, например, недостаточный КПД и коэффициент мощности, большой пусковой ток, большой ток холостого хода, малый пусковой момент, мягкая механическая характеристика и большое номинальное скольжение. Все указанные недостатки являются следствием сильного изменения результирующего магнитного поля машины и уменьшения модуля векторного произведения электромагнитных полей статора и ротора из-за сильного влияния продольной составляющей "реакции якоря" ротора, а также малые степени эффективности образования результирующего электромагнитного момента токопроводящими стержнями "беличьей клетки", имеющими в данный момент электродвижущие силы меньше, чем электродвижущие силы стержней, находящиеся на магнитной оси поля статора, из-за блокировки максимальной электродвижущей силой малых электродвижущих сил.
Известен "METHOD OF MAKING HIGH EFFICIENCY INDUCTION MOTOR WITH MULTI-CAGE CIRCUIT ROTOR", содержащий статор и ротор, включающий множество токопроводящих стержней, расположенных в пазах симметрично по периметру на его поверхности, и замыкающих колец, соединяющих указанные стержни в нечетное количество отдельных тождественных контуров (патент №4,095,332, кл. Н02К 17/12, 1978 г., Соединенные Штаты Америки), и работающий по тому же способу. Применение данного технического решения позволяет уменьшить действие высших гармоник напряжения питания статора как электромагнитного тормоза машины, однако его недостатком является малый пусковой момент, что ограничивает его использование только приводами с так называемой "вентиляторной" характеристикой, имеющей малый нагрузочный момент на пуске.
Наиболее близким по технической сущности является "ИНДУКЦИОННЫЙ АСИНХРОННЫЙ МОТОР", содержащий статор и ротор, включающий в себя токопроводящие стержни, расположенные в пазах симметрично по периметру и параллельно оси вращения мотора, причем на каждой торцевой стороне ротора конец каждого стержня соединен со всеми теми концами стержней, которые сдвинуты относительно упомянутого стержня по периметру ротора на величину угла полюсного деления (патент №2208892, кл. Н02К 17/16, 2003 г., Россия). Указанное техническое решение осуществляет способ, при котором "n" векторов магнитных полей статора и ротора образуют результирующий электромагнитный момент.
К недостаткам данного способа относится то, что увеличение момента в данном техническом решении имеет место только при некоторых положениях ротора относительно статора, что приводит к неравномерности вращающего момента по развороту ротора без достаточного увеличения пускового момента. Это ограничивает его применимость приводами с так называемой "вентиляторной" характеристикой, имеющей малый нагрузочный момент на пуске, увеличивающийся по квадратичной зависимости по мере разгона. Неравномерность же вращающего момента вызывает стуки, шумы и вибрации при работе машины и ограничивает ее применимость маховиковыми приводами, а также влияет на повышенный износ.
Раскрытие изобретения
Сущность предложенного способа заключается в том, что к воздействию вращающегося электромагнитного поля статора на короткозамкнутые витки обмотки ротора, проходящие через зоны, прилегающие к границам полюсного деления статора, добавляется дополнительное воздействие вращающегося электромагнитного поля статора, осуществляющееся на участки короткозамкнутых витков обмотки ротора, проходящих через зоны, прилегающие к границам половины полюсного деления статора.
Технический результат предложенного способа и осуществленных на его основе вариантов машины заключается в том, что в машине по сравнению с известной снижается кратность пускового тока двигателем за счет исключения потерь на тормозной эффект, позволившая увеличить частоту пусков без снижения нагрузки и применять машину в самых тяжелых условиях эксплуатации с увеличенной нагрузкой на валу. Машина сохраняет эффект вращения поля и продолжает полноценно выполнять свою работу при отключении одной фазы, генерируя в отключенную фазную обмотку гармоническое напряжение отсутствующей фазы высокого качества с клирфактором менее 1%.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается за счет того, что подведенная к статору машины энергия переменного тока создает в нем первичное вращающееся магнитное поле, которое благодаря магнитному сцеплению с ротором наводит в его короткозамкнутых витках электрический ток для создания вторичного магнитного поля, причем витки, представляющие собой пары короткозамкнутых стержней, расположенных по периметру ротора таким образом, что ток от стержней каждой пары, находящихся в области генерирования его максимальных значений и, как следствие, наименьшей интенсивности магнитного поля статора и с минимальным электромеханическим взаимодействием со статором, направляется к стержням соответствующих пар с максимальными значениями магнитного поля статора, создавая тем самым условия для дополнительного воздействия вторичного поля ротора на первичное поле статора как в поперечном, так и в продольном направлении с помощью первой, второй и последующих четных гармоник, что увеличивает эффективность электромеханического взаимодействия между ротором и статором как для повышения механической мощности, передаваемой на вал, так и для сохранения работоспособности машины при отключении фазы питания статора.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображен вид с торца 1-го варианта заявленной машины.
На фиг 2 - вид с торца 2-го варианта заявленной машины.
На фиг.3 - механические характеристики первого (b) и второго (с) вариантов заявленной машины по сравнению с прототипом (а).
На фиг.4 - зависимости выходной (е) и потребляемой (е') мощности заявленной машины по сравнению с прототипом (d), (d').
Осуществление изобретения
Одно из конкретных конструктивных исполнений машины для осуществления заявленного способа представляет собой асинхронную короткозамкнутую электрическую машину, представленную на фиг.1 (число пар полюсов не регламентируется). Машина содержит, например, двухполюсный статор 1 и ротор 2 с восемнадцатью изолированными токопроводящими стержнями 3-3' ротора 2, размещенными попарно в девяти пазах 4 (количество стержней ротора не регламентируется), причем концы каждого стержня 3 из одного паза соединены с концами каждого соответствующего стержня 3' из другого паза, который сдвинут по периметру ротора 2 на расстояние, определяемое величиной, ближайшей к величине половины полюсного деления статора 1, образуя, таким образом, отдельные короткозамкнутые витки из двух последовательно соединенных стержней 3-3'.
Другое конструктивное исполнение машины для осуществления заявленного способа представляет собой, например, асинхронную короткозамкнутую электрическую машину, представленную на фиг.2. Машина содержит двухполюсный статор 1 и ротор 2 с тридцатью шестью изолированными токопроводящими стержнями 3-3', 3''-3''' ротора 2, размещенными по четыре в девяти пазах 4, причем концы каждой пары стержней 3-3' соединены соответственно с концами стержня 3'', который отнесен по периметру ротора 2 на расстояние, определяемое величиной, ближайшей к величине половины полюсного деления статора 1 в его пределах, и с концами стержня 3''', который отнесен по периметру ротора 2 на расстояние, определяемое величиной, ближайшей к величине половины полюсного деления статора 1 за его пределами. При этом стержни 3-3'-3''-3''' каждой группы соединены между собой в последовательную цепь, образуя отдельные короткозамкнутые витки.
Первый вариант исполнения применяется в асинхронных короткозамкнутых электрических машинах при их использовании в качестве двигателей общего применения с жесткой механической характеристикой.
Второй вариант исполнения применяется в асинхронных короткозамкнутых электрических машинах при их использовании в качестве тяговых двигателей с повышенным пусковым моментом.
Осуществление изобретения.
Машина работает следующим образом.
При использовании машины в качестве двигателя первичные обмотки статора 1 присоединяются к питающей сети с чередованием во времени двух (или более) фаз, сдвинутых относительно друг друга. При этом через обмотки начинают протекать токи, устанавливающие вращающееся магнитное поле статора. Магнитное поле имеет нерегулярную структуру, обусловленную проходящими токами. Причем в местах максимальных токов поле максимально, а там, где кривая тока переходит через ноль, поле практически отсутствует. Эти две области отстоят друг от друга на величину, равную половине полюсного деления. Следует обратить внимание на тот факт, что в области максимального поля кривая первичного тока испытывает перегиб и ее производная равна нулю, а в области минимального поля кривая тока пересекает свое нулевое значение и ее производная имеет максимальное значение. Такое вращающееся магнитное поле, установленное в пакете статора, взаимодействует с пакетом неподвижного ротора, в котором при скольжении -1 устанавливается такое же нерегулярное вращающееся вторичное магнитное поле. Вторичное поле индуцирует вторичные токи в короткозамкнутых стержнях 3 ротора 2, и эти токи устанавливают свое магнитное поле. Вторичные токи, так же как и первичные, имеют нерегулярную структуру со сдвигом между максимумом и минимумом на величину, равную половине полюсного деления. Причем там, где первичный ток и поле имеют максимальное значение, вторичный ток и поле равны нулю из-за нуля производной от тока и потока, а там, где первичный ток и поток имеют минимальные значения с максимумом производной, вторичный ток и поле имеют максимальное значение. Поскольку стержни 3 ротора 2 с максимальным значением тока замыкаются на стержни 3', отстоящие на угол до величины половины полюсного деления или после нее с максимальным значением поля, в последних при пересечении поля индуцируется ток, который устанавливает свое дополнительное вторичное поле в области максимума первичного поля. Этим обеспечивается повышенное электромеханическое взаимодействие между ротором 2 и статором 1 без увеличения пусковых токов. Пусковой момент увеличивается, и это приводит к уменьшению времени разгона. Следует обратить внимание на то, что подача тока из активного стержня 3 в пассивный происходит плавно без возникновения каких либо ударов, так как на максимуме тока работает только один источник ЭДС, в результате работа осуществляется на первой гармонике, что уменьшает потери и в стали пакета. После установления электромеханического взаимодействия между ротором 2 и статором 1 возникает вращающий момент и ротор 2 начинает свое вращение. По мере разгона частота вторичного поля уменьшается и пассивные стержни 3 начинают все больше намагничивать области максимальных токов первичной цепи в продольном направлении, отдавая в нее все большую долю циркулирующей через них энергии, что характеризует так называемую "реакцию якоря", потребляемый ток уменьшается, и как следствие вращающий момент несколько уменьшается. При уменьшающемся токе снижается степень насыщенности стали, увеличивается индуктивность обмоток ротора 2, увеличивается их постоянная времени. Благодаря этому активные стержни 3 по мере разгона все ближе подходят к областям статора 1 с максимальным полем. И теперь не только пассивные, но и активные стержни 3 начинают отдавать свою неиспользованную энергию в первичную цепь при падающей частоте тока вторичной цепи. И при скольжениях -0,25…-0,15 наступает перегиб электромеханической характеристики, а машина выходит на номинальные режимы работы двигателя, которые заканчиваются холостым ходом при скольжениях -0,005…-0,001.
При номинальных режимах реакция ротора 2 столь эффективна, а сталь статора 1 намагничивается вторичной цепью настолько достаточно в поперечном направлении, что при этом допустимо отключить одну фазу без ущерба для работоспособности. При отключении одной фазы в номинальном режиме пропорционально возрастает ток в оставшихся фазах, и машина продолжает выполнять свою работу. При этом в статорной обмотке генерируется ЭДС отсутствующей фазы и допустимо заменить механическую нагрузку на валу электрической нагрузкой на свободную фазную обмотку, осуществив режим фазорасщепления в диапазоне скольжения от -0,15 до -0,001.
Автономный генераторный режим обеспечивается также с помощью эффективной реакции ротора 2, когда остаточная намагниченность стали пакета вызывает наведение некоторой ЭДС в первичных обмотках статора 1 вращающейся машины. И в случае подключения к первичным обмоткам электрической емкости в них появляется ток обмена энергией между разнородными накопителями энергии, вызывающий возбуждение машины на частоте вращения вала, с некоторым отставанием и с напряжением гармонической формы, изменяющимся пропорционально вплоть до номинального при скольжениях от -0,3 до +0,005. Причем при скольжении +0,002…+0,005 генерируется номинальная ЭДС при номинальной частоте, а при более высоких скольжениях выходные частота и напряжение повышаются также линейно выше номинальных значений.
Генераторный режим с отдачей энергии в сеть возникает при подведении механической энергии к валу машины, находящейся в двигательном режиме и раскрутке вала выше синхронной скорости (выше "+0" скольжения). Такой режим возможно осуществлять при скольжениях от +0,001 до +1,17, если позволяет ее механическая прочность. При этом по мере роста скольжения возрастает момент на валу, а выше номинальных режимов, после перегиба характеристики, плавно нарастает потребление опережающей энергии из сети, необходимой для удержания машины в режиме синхронной работы с сетью.
Сравнительные графики характеристик асинхронной короткозамкнутой электрической машины представлены на фиг.3-4.