БЛОК ТРАНСФОРМАТОР - СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
TRANSFORMER BLOCK - SYNCHRONOUS MOTOR

Изобретение относится к синхронному приводу, а более конкретно к силовым преобразовательным блокам «трансформатор-двигатель» с синхронным двигателем, и предназначено для использования в приводе турбомеханизмов средней мощности, не требующих регулирования частоты вращения.
В сельхозмелиорации широкое применение находят передвижные электронасосы, в приводе которых применяют блоки «трансформатор-двигатель», позволяющие производить подключение электрооборудования к сети электроснабжения напряжением выше 1000 В. К ним предъявляется требование максимальной простоты конструкции и эксплуатации, а также высокой экономичности.
Известен синхронный двигатель по авторскому свидетельству СССР № 1694038 «Система возбуждения синхронной электрической машины», Н02К 19/12, опубл. 27.08.95, Бюл. № 24. К недостаткам 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 началом соединена через коммутационный аппарат с выводами высшего напряжения вторичной обмотки трансформатора, а концом - с входом первого трехфазного выпрямителя, к стороне выпрямленного тока которого присоединено устройство возбуждения двигателя.
Недостатком двигателя, выявленным при опытной эксплуатации насосной установки, является снижение энергетических показателей в режиме малых нагрузок, что вызвано недостаточным током возбуждения синхронного двигателя в этом режиме. В условиях, когда нагрузка двигателя изменяется в широком диапазоне, а режим работы с малой нагрузкой - продолжительный, этот недостаток приводит к значительному перерасходу электроэнергии вследствие увеличения потерь. Другим недостатком устройства является наличие скользящих контактов в системе возбуждения двигателя, что усложняет его эксплуатацию.
Технической задачей является снижение потерь мощности в блоке «трансформатор-двигатель», снижение его массогабаритных показателей и упрощение эксплуатации.
Решение задачи достигается тем, что блок трансформатор - синхронный двигатель, содержащий 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 началом соединена через коммутационный аппарат с выводами высшего напряжения вторичной обмотки трансформатора, а концом - с входом первого трехфазного выпрямителя, к стороне выпрямленного тока которого присоединено устройство возбуждения двигателя, согласно изобретению имеет бесконтактное возбудительное устройство двигателя в виде обращенного синхронного генератора, имеющего на общих неподвижных полюсах две обмотки возбуждения, и дополнительные выпрямители, одна из обмоток возбуждения возбудителя присоединена к выходу первого выпрямителя, а другая через второй выпрямитель присоединена к двум начальным выводам одной из фаз статорной обмотки двигателя, на общем вращающемся роторе двигателя и синхронного генератора размещены многофазная обмотка синхронного генератора, третий выпрямитель и обмотка возбуждения синхронного двигателя, соединенные последовательно, причем обмотка возбуждения присоединена к стороне выпрямленного тока выпрямителя.
Заявленное устройство поясняет представленная на чертеже принципиальная схема соединений.
Через выключатель 1 трансформатор 2 присоединен к трехфазному источнику электроэнергии. Вторичная обмотка автотрансформатора имеет выводы ответвлений 3 и 4, к которым присоединены статорные обмотки двигателя - основная 5 и дополнительная 6, причем обмотка 5 соединена звездой и присоединена к выводам 3 напрямую, а обмотка 6 началом подключена к клеммам 4 через выключатель 7. Выходные концы обмотки 6 подключены на вход трехфазного выпрямителя 8 (выпрямительного моста), к выходу которого подключена одна из обмоток возбуждения 9 бесконтактного возбудителя 10. Бесконтактный возбудитель 10 представляет собой обращенный синхронный генератор с обмотками возбуждения 9 и 11 на статоре и многофазной якорной обмоткой 16 на роторе. Обмотка возбуждения 11 возбудителя 10 присоединена к стороне выпрямленного тока второго выпрямителя 12, выводы переменного тока которого присоединены к началам одной из фаз обмоток 5 и 6 двигателя. На роторе 13 размещены обмотка возбуждения двигателя 14, третий выпрямитель 15 (вращающийся) и многофазная якорная обмотка возбудителя 16.
Трансформатор 2 может иметь первичную трехфазную обмотку, соединенную звездой, треугольником или зигзагом. Вторичная обмотка соединена звездой. Выпрямители 8 и 12 могут быть неуправляемыми или управляемыми. В описании они рассматриваются как неуправляемые. На роторе 13 могут быть размещены пусковые резисторы и устройства управления и защиты цепи ротора. Поскольку эти устройства широко известны и не составляют суть изобретения, они не представлены на чертеже.
В установившемся синхронном режиме устройство работает следующим образом.
Контакты выключателей 1 и 7 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 ответвлениям вторичной обмотки трансформатора 2. В обмотке 5 приложенное напряжение компенсируется главным образом противо-ЭДС этой обмотки, а в обмотке 6 равная по величине ЭДС компенсирует приложенное напряжении не полностью. Нескомпенсированная часть напряжения приложена к выпрямителю 8 и вызывает ток в обмотке возбуждения 9 возбудителя 10. При этом ток в обмотке 9 является выпрямленным током обмотки 6. Токи статорных обмоток 5 и 6 создают в двигателе вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с магнитным полем обмотки возбуждения, обеспечивая ротору вращение с синхронной скоростью. На участке вторичной обмотки трансформатора от выводов 3 до нейтрали протекает суммарный ток обмоток 5 и 6. Между выводами 3 и 4 трансформатора 2 в каждой фазе существует напряжение, которое после выпрямления выпрямителем 12 создает ток во второй обмотке возбуждения 11 возбудителя 10. Обе обмотки возбуждения 9 и 11 создают магнитное поле возбуждения возбудителя 10, которое наводит ЭДС во вращающейся многофазной обмотке якоря возбудителя 16, которая, в свою очередь, создает ток в обмотке возбуждения 14 синхронного двигателя.
Поскольку напряжение на выводах 3 и 4 практически не зависит от механической нагрузки двигателя, ток в обмотке 11 также не зависит от нагрузки и создает так называемое опорное возбуждение. Ток в обмотке 9 определяется током в обмотке 6 и зависит от нагрузки двигателя.
Пуск и управление двигателем производят следующим образом. В исходном состоянии контакты выключателей 1 и 7 разомкнуты и напряжение на обмотках автотрансформатора и двигателя отсутствует. Для асинхронного пуска двигателя включают выключатель 1, и трансформатор 2 подает напряжение на статорную обмотку 5 двигателя. Соединенная звездой обмотка 5 обтекается пусковым током двигателя, который создает вращающееся магнитное поле, обеспечивая асинхронный разбег двигателя. Статорная обмотка 6 при этом не обтекается током.
При достижении подсинхронной скорости (скольжение 2-5%) включают выключатель 7, в результате чего обмотки 6, 9 и 11 обтекаются током. Возбуждается возбудитель 10, который обеспечивает возбуждение двигателя подачей тока в обмотку 14. Синхронный двигатель втягивается в синхронизм. На этом пуск завершается, и двигатель переходит в синхронный режим работы.
При изменении нагрузки происходит регулирование тока в обмотке 9 и магнитного потока возбудителя 10, что обеспечивает автоматическое регулирование возбуждения синхронного двигателя. Закон регулирования определяется параметрами обмоток двигателя и возбудителя и при использовании управляемых выпрямителей 8 и 12 может изменяться. Ток в обмотке возбуждения 11 возбудителя 10 не зависит от нагрузки двигателя и обеспечивает возбуждение двигателя в режиме малых нагрузок, чем достигается минимизация тока и потерь мощности в обмотках 5 и 6 и обеспечиваются меньшие потери энергии, чем в прототипе. Устройство не имеет скользящих контактов, что делает его эксплуатацию более удобной и менее затратной. Исключение из конструкции двигателя третьей статорной обмотки позволяет уменьшить его габарит при неизменной мощности.