БЛОК ТРАНСФОРМАТОР-БЕСКОНТАКТНЫЙ СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
TRANSFORMER-CONTACTLESS SYNCHRONOUS MOTORASSEMBLY

Изобретение относится к синхронному приводу, а более конкретно к силовым блокам «трансформатор-двигатель» с синхронным двигателем, предназначенным для использования в приводе турбомеханизмов и иных машин средней мощности, не требующих регулирования частоты вращения.
В сельхозмелиорации широкое применение находят передвижные электронасосы, в которых используются блоки «трансформатор-двигатель», позволяющие производить подключение электрооборудования к сети электроснабжения напряжением выше 1000 В. К электрооборудованию предъявляются требования высокой экономичности, простоты конструкции и эксплуатации.
Известна синхронная машина по авторскому свидетельству СССР №1694038, «Система возбуждения синхронной электрической машины», H02К 19/12, опубл. 27.08.95 Бюл. №24, содержащая расположенные на статоре m-фазную основную обмотку, каждая фаза которой разделена на две группы параллельных проводников, и m-фазную дополнительную обмотку, обмотку возбуждения на роторе и устройство преобразования и передачи мощности на ротор.
К недостаткам указанного двигателя следует отнести наличие трех трехфазных обмоток в пазах статора, к тому же смещенных в пространстве машины на некоторый угол, что завышает массогабаритные показатели и усложняет конструкцию и эксплуатацию двигателя.
Наиболее близким к заявленному устройству является синхронный двигатель по патенту РФ 2271600 С1 «Синхронный двигатель», Н02Р 1/50, опубл. 10.03.2006, Бюл. №7. В нем блок трансформатор-синхронный двигатель содержит силовой трансформатор, вторичная обмотка которого имеет два трехфазных вывода разного напряжения, и присоединенный к нему синхронный двигатель, имеющий на статоре основную и дополнительную трехфазные обмотки, при этом основная обмотка соединена звездой и подключена к выводам низшего напряжения вторичной обмотки трансформатора, а дополнительная обмотка началами соединена через коммутационный аппарат с выводами высшего напряжения вторичной обмотки трансформатора, а концами соединена с входом первого трехфазного выпрямителя, к стороне выпрямленного тока которого присоединено устройство возбуждения двигателя.
Недостатком двигателя, выявленным при его опытной эксплуатации в составе насосной установки, является снижение энергетических показателей привода в режимах малых нагрузок, что вызвано недостаточным током возбуждения синхронного двигателя в этом режиме или большими токами в статорных обмотках двигателя. В условиях, когда двигатель часто работает с малыми нагрузками, этот недостаток приводит к значительному перерасходу электроэнергии вследствие увеличения потерь. Эксплуатация такого двигателя усложняется наличием в цепи возбуждения скользящих контактов.
Технической задачей является снижение потерь мощности в блоке «трансформатор-двигатель» в режиме малых нагрузок и упрощение эксплуатации.
Решение задачи достигается тем, что блок трансформатор-синхронный двигатель, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого имеет два трехфазных вывода разного напряжения, высшего и низшего, и присоединенный к нему синхронный двигатель, имеющий на роторе обмотку возбуждения, а на статоре основную и дополнительную трехфазные обмотки, при этом основная обмотка соединена звездой и подключена к выводам низшего напряжения вторичной обмотки трансформатора, а дополнительная обмотка началами соединена через выключатель с выводами высшего напряжения вторичной обмотки трансформатора, а концами соединена с устройством возбуждения двигателя, согласно изобретению устройство возбуждения двигателя выполнено бесконтактным с асинхронным возбудителем, имеющим две трехфазные обмотки на статоре, одна из которых присоединена к концам дополнительной обмотки двигателя, а другая присоединена началами к началам дополнительной обмотки, а концами через коммутационный аппарат и последовательно включенный трехфазный дроссель присоединена к началу основной обмотки, а на общем роторе двигателя и возбудителя размещены многофазная обмотка асинхронного возбудителя, выпрямитель и обмотка возбуждения синхронного двигателя, соединенные последовательно, причем обмотка возбуждения присоединена к стороне выпрямленного тока выпрямителя.
По данным патентной и научно-технической литературы не выявлена заявляемая совокупность признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного решения критериям «изобретательский уровень» и «новизна». Заявленное решение может быть реализовано в электроприводе различных турбомеханизмов и других устройств, где применяется синхронный привод, что отвечает критерию «промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема соединения обмоток трансформатора и двигателя.
Через выключатель 1 трансформатор 2 присоединен к трехфазному источнику электроэнергии. Вторичная обмотка трансформатора 2 имеет выводы 3 и 4, к которым присоединены статорные обмотки синхронного двигателя, основная 5 и дополнительная 6, причем обмотка 5 соединена звездой и присоединена к выводам 3 напрямую, а обмотка 6 началом подключена к выводам 4 через выключатель 7. К выходным концам обмотки 6 подключена трехфазная статорная обмотка 8 бесконтактного асинхронного возбудителя, включающего кроме обмотки 8 вторую трехфазную статорную обмотку 9, и на роторе вращающуюся многофазную обмотку 10 (на фиг.1 показана как трехфазная). Обмотка 9 своими началами подключена к началам дополнительной обмотки двигателя 6, а концами подключена через коммутационный аппарат 11 и трехфазный дроссель 12 к началам основной обмотки 5. На вращающемся роторе, кроме обмотки 10, размещены обмотка возбуждения синхронного двигателя 13 и вращающийся выпрямитель 14, при этом обмотка 13 подключена к выводам выпрямленного напряжения выпрямителя 14, а обмотка 10 подключена к стороне переменного тока выпрямителя 14 и имеет с выпрямителем одинаковое число фаз. Обмотки 5, 6 и 13 имеют одинаковое число полюсов; обмотки 8, 9 и 10 также имеют одинаковое число полюсов, совпадающее или не совпадающее с числом полюсов обмотки 13.
Трансформатор 2 может иметь первичную обмотку, соединенную звездой, треугольником или зигзагом. Вторичная обмотка трансформатора соединена звездой. На роторе двигателя помимо указанных обмоток 10, 13 и выпрямителя 12 могут размещаться пусковые резисторы и устройства управления и защиты цепи ротора. Поскольку их устройство широко известно и не составляет суть изобретения, они не указаны в описании изобретения. Устройство всех обмоток двигателя и возбудителя, а также конструкция ротора с вращающимся выпрямителем традиционные и широко известны.
В установившемся синхронном режиме устройство работает следующим образом. Контакты выключателей 1, 7 и коммутационного аппарата 11 замкнуты. Трансформатор 2 подключен к источнику электроэнергии и обеспечивает на обмотках 5 и 6 синхронного двигателя напряжение, причем на обмотке 6 напряжение выше, чем на обмотке 5 благодаря их подключению к разным выводам 3 и 4 вторичной обмотки трансформатора 2. В обмотке 5 приложенное напряжение компенсируется главным образом результирующей ЭДС этой обмотки, а в обмотке 6 такая же ЭДС компенсирует лишь часть приложенного более высокого напряжения. Не скомпенсированное напряжение прикладывается к трехфазной обмотке возбудителя 8 и создает в ней ток, который является током возбуждения бесконтактного возбудителя. Этот ток является также током дополнительной обмотки двигателя 6 и создает собственный вращающий момент двигателя. Трехфазный ток основной обмотки 5 также создает вращающий момент и общий вращающий момент двигателя равен сумме моментов, создаваемых обмотками 5 и 6.
К трехфазной обмотке 9, расположенной на статоре возбудителя в общих пазах с обмоткой 8, прикладывается напряжение, определяемое разностью высшего и низшего напряжения вторичной обмотки трансформатора 2 и падением напряжения на дросселе 12. Ток обмотки 9 участвует в создании вращающегося магнитного поля бесконтактного возбудителя, наряду с током обмотки 8. Поскольку напряжение на выводах 3 и 4 практически не зависит от механической нагрузки двигателя, ток в обмотке 9 протекает и при холостом ходе двигателя и создает необходимое возбуждение. Ток в обмотке 8 определяется током в обмотке 6 и зависит от нагрузки двигателя. При изменении нагрузки изменяется ток в обмотках 5 и 6 двигателя и ток в обмотке 8, что создает автоматическое регулирование возбуждения бесконтактного возбудителя и, как следствие, автоматическое регулирование возбуждения самого двигателя.
Пуск и управление устройством производятся следующим образом. В исходном состоянии контакты выключателей 1, 7 и коммутационного аппарата 11 разомкнуты и напряжение на обмотках автотрансформатора, двигателя и возбудителя отсутствует. Для асинхронного пуска двигателя включается выключатель 1 и трансформатор 2 подает напряжение на основную статорную обмотку 5 двигателя. Обмотка 5 обтекается пусковым током, который создает вращающееся магнитное поле, обеспечивая асинхронный разбег двигателя. Дополнительная статорная обмотка 6 при этом не обтекается током. Возбудитель также не обтекается током и не создает ток в обмотке возбуждения двигателя 13.
При достижении двигателем подсинхронной скорости (скольжение 2-5%), включается выключатель 7 (вручную или автоматически), в результате чего обмотки 6, 8, 10 и 13 обтекаются током. Возбудитель обеспечивает возбуждение двигателя подачей тока в обмотку возбуждения 13, и двигатель втягивается в синхронизм. Затем включается коммутационный аппарат 11, приводя в действие устройство автоматического регулирования возбуждения двигателя. На этом пуск двигателя завершается, и он работает в синхронном режиме.
При изменении механической нагрузки изменяется ток в обмотках 5 и 6 и, как следствие, в обмотке 8, что приводит к изменению магнитного потока возбудителя и ЭДС обмотки 10, что обеспечивает автоматическое регулирование возбуждения двигателя. Закон регулирования определяется параметрами обмоток двигателя и возбудителя.
Управление пуском может быть иным. Синхронизация может производиться включением коммутационного аппарата 11, с последующим включением выключателя 7. Выключатель 7 и коммутационный аппарат 11 могут включаться одновременно для перевода двигателя из подсинхронного режима в синхронный длительный режим.
Снижение мощности потерь в приводе при малых нагрузках достигается применением возбудительного устройства, обеспечивающего достаточный ток возбуждения в этом режиме, а упрощение эксплуатации достигается исключением скользящих контактов из устройства возбуждения синхронного двигателя. При этом в устройстве автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя отсутствуют сложные и крупногабаритные устройства.