Способ пуска синхронных двигателей с инкорпорированными магнитами (варианты)

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано при прямом асинхронном пуске синхронных двигателей с инкорпорированными магнитами.

Известен способ плавного пуска электродвигателя переменного тока (патент на изобретение RU №2422977, МПК Н02Р 1/30, 27.06.2011), в котором электродвигатель подключают к преобразователю частоты, осуществляют частотный пуск электродвигателя до заранее заданного значения частоты выходного напряжения преобразователя частоты, которое меньше номинального значения частоты питания электродвигателя, после чего электродвигатель отключают от указанного преобразователя частоты и подключают непосредственно к электросети.

Недостатком данного способа является сложность его технической реализации, обусловленная наличием системы управления, а также невысокая надежность, вызванная тем, что в данной системе применяются дополнительные элементы.

Известен способ плавного пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (патент на изобретение RU №2497267, МПК Н02Р 1/26, Н02Р 1/28, 27.10.2013), в котором сигнал управления для системы импульсно-фазового управления тиристорного преобразователя формируют путем непрерывного измерения остаточного напряжения на шинах сети и сравнения его с предварительно заданным значением этого напряжения, при отклонении от которого сигнал управления корректируют, поддерживая постоянным остаточное напряжение на шинах сети в процессе пуска.

Недостатком данного способа является сложность его технической реализации, обусловленная наличием системы управления, а также невысокая надежность, вызванная применением в данной системе дополнительных элементов.

Наиболее близким к предлагаемому способу является прямой (асинхронный) способ пуска синхронных двигателей с инкорпорированными постоянными магнитами [Синхронные электрические двигатели малой мощности: учеб. пособие для вузов / И.Л. Осин. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 216 с.: ил., стр. 95-98], заключающийся в том, что пуск осуществляют путем непосредственного включения обмотки статора в сеть. Под действием асинхронного момента ротор разгоняют до скорости, близкой к синхронной, а переход от подсинхронной скорости к синхронной происходит за счет действия синхронизирующего момента.

Недостатками данного способа являются ограниченные функциональные возможности, а также то, что при прямом (асинхронном) пуске проявляются такие негативные явления как тормозящий момент, исходящий от магнитных полей постоянных магнитов, которые препятствуют полям статора. Также в качестве недостатка можно выделить скачкообразный разгон ротора таких двигателей (происходит вибрация), что вызвано взаимодействием магнитных полей постоянных магнитов, короткозамкнутых стержней и статора.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, благодаря кратковременному нагреву и стопорению ротора, т.е. введению синхронного двигателя с инкорпорированными постоянными магнитами в режим короткого замыкания перед пуском или кратковременному внешнему тепловому воздействию.

Техническим результатом является достижение максимально возможного пускового момента, повышение надежности и прямой, безрывковый разгон синхронного двигателя с инкорпорированными постоянными магнитами.

Указанный результат достигается по первому варианту тем, что в прямом асинхронном способе пуска синхронных двигателей с инкорпорированными постоянными магнитами пуск осуществляют путем непосредственного включения обмотки статора в сеть, затем под действием асинхронного момента ротор разгоняют до подсинхронной скорости, а переход от подсинхронной скорости к синхронной происходит за счет действия синхронизирующего момента, согласно изобретению перед пуском ротор синхронного двигателя с инкорпорированными постоянными магнитами кратковременно стопорят, вводят в режим короткого замыкания, повышают плотность тока в обмотках статора и короткозамкнутых стержнях ротора, тем самым нагревают статор и ротор, из-за чего постоянные магниты размагничивают и их магнитное поле снижают, в этот момент ротор выводят из стопорения и осуществляют прямой асинхронный пуск с максимально возможным пусковым моментом, при этом по мере разгона ротора температура постоянных магнитов снижается, магнитное поле постоянного магнита восстанавливается и синхронный двигатель с инкорпорированными магнитами входит в синхронизм.

Указанный результат достигается по второму варианту тем, что в прямом асинхронном способе пуска синхронных двигателей с инкорпорированными постоянными магнитами пуск осуществляют путем непосредственного включения обмотки статора в сеть, под действием асинхронного момента ротор разгоняют до подсинхронной скорости, а переход от подсинхронной скорости к синхронной происходит за счет действия синхронизирующего момента, согласно изобретению перед пуском синхронный двигатель с инкорпорированными постоянными магнитами кратковременно подвергают внешнему тепловому воздействию, тем самым нагревают статор и ротор, за счет нагрева постоянные магниты размагничивают и магнитное поле магнитов снижают, в этот момент отводят внешнее тепловое воздействие и производят прямой асинхронный пуск с максимально возможным пусковым моментом, при этом по мере разгона ротора температура постоянных магнитов снижается, магнитное поле постоянного магнита восстанавливается и синхронный двигатель с инкорпорированными магнитами входит в синхронизм.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображены функции асинхронного, синхронного и результирующего момента от времени для случая без стопорения ротора без введения синхронного двигателя с инкорпорированными магнитами в режим короткого замыкания или без внешнего теплового воздействия. На фиг. 2 изображены функции момента асинхронного, синхронного и результирующего момента от времени для случая стопорения ротора, т.е. введение синхронного двигателя с инкорпорированными магнитами в режим короткого замыкания. Функции асинхронного, синхронного и результирующего момента от времени для случая кратковременного внешнего воздействия будут идентичны для случая стопорения ротора фиг. 2.

Пример конкретной реализации способа.

Варианты способов реализуются на примере синхронного двигателя с инкорпорированными магнитами мощностью 1,1 кВт, частотой вращения ротора 12000 об/мин, частотой сети 400 Гц, линейном напряжении сети 200 В, номинальном токе 3,5 А. Магнитная система ротора представляет собой четыре полюса с четырьмя постоянными магнитами марки Sm₂Co₁₇, активная длина ротора составляет 52 мм, внешний диаметр 40 мм, материал ротора шихтованная электротехническая сталь 2421. Короткозамкнутые стержни расположены по внешней стороне ротора количеством 19 штук, материал - медь. Материал статора - шихтованная электротехническая сталь 2421, внешний диаметр 68 мм, внутренний 42 мм, количество пазов 36.

Пуск синхронного двигателя с инкорпорированными магнитами для первого варианта осуществляют следующим образом: перед пуском ротор синхронного двигателя с инкорпорированными постоянными магнитами кратковременно стопорят, тем самым вводят в режим короткого замыкания, в результате повышают плотность тока в обмотках статора и короткозамкнутых стержнях ротора. При этом из теории асинхронных двигателей известно, что в режиме короткого замыкания, когда скольжение асинхронного двигателя равно 1, ток в обмотках статора возрастает в 6,5 раз номинального тока, ток в короткозамкнутых стержнях ротора возрастает в 20 раз номинального. Следовательно, ток в обмотках статора в режиме короткого замыкания составляет 23 А, а ток в короткозамкнутых стержнях - 550 А. В результате в статоре и роторе выделяется 15 кВт. Это приводит к нагреву статора и ротора, за счет нагрева постоянные магниты размагничивают и магнитное поле магнитов снижают, в этот момент ротор выводят из стопорения и производят прямой асинхронный пуск с максимально возможным пусковым моментом, по мере разгона ротора температура постоянных магнитов снижается, тем самым магнитное поле постоянного магнита восстанавливается и синхронный двигатель с инкорпорированными магнитами входит в синхронизм.

Пуск синхронного двигателя с инкорпорированными магнитами для второго варианта осуществляют следующим образом: перед пуском синхронный двигатель с инкорпорированными постоянными магнитами кратковременно подвергают внешнему тепловому воздействию, к примеру, промышленным феном, тепловой пушкой. Это приводит к нагреву статора и ротора до 120°С, за счет нагрева постоянные магниты размагничивают и магнитное поле магнитов снижают. В этот момент отводят внешнее тепловое воздействие и производят прямой асинхронный пуск с максимально возможным пусковым моментом, по мере разгона ротора температура постоянных магнитов снижается, магнитное поле постоянного магнита восстанавливается и синхронный двигатель с инкорпорированными магнитами входит в синхронизм.

Итак, заявляемые варианты способов позволят расширить функциональные возможности, достигнуть максимально возможного пускового момента, повысить надежность и достигнуть прямого, безрывкового разгона синхронного двигателя с инкорпорированными постоянными магнитами.