Результат интеллектуальной деятельности: ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электротехники, а именно к асинхронным трехфазным двигателям, осуществляющим преобразование электрической энергии переменного тока в механическую энергию.

Известны синхронные трехфазные электрические двигатели. Основными конструктивными частями таких двигателей являются статор и ротор. Статор представляет собой полый стальной шихтованный сердечник, укрепленный в корпусе и несущий на внутренней цилиндрической поверхности пазы, в которых размещены обмотки трех фаз с одинаковыми параметрами. Оси обмоток фаз сдвинуты в пространстве на 120°. Обмотки фаз соединены в схему «звезда» или схему «треугольник» и подключены к питающей сети трехфазного переменного напряжения. Ротор двигателя установлен внутри сердечника статора с воздушным зазором по отношению к нему. Он содержит стальной сердечник, обмотку возбуждения и два контактных кольца, установленных на валу и электрически соединенных с зажимами обмотки возбуждения. С контактными кольцами сопряжены размещенные в щеткодержателях медно-графитовые щетки, через которые обмотка возбуждения подключена к источнику постоянного тока (Брускин Д.Э. Электрические машины и микромашины. Учебное пособие для приборостроительных специальностей вузов. М., Высшая школа, 1971, с.257-263).

Недостатками известных синхронных двигателей являются трудности при их запуске из неподвижного состояния и большие по величине токи, которые они потребляют из питающей сети трехфазного переменного напряжения в этом режиме. Большие пусковые токи являются причиной значительной посадки напряжения в сети, что негативно сказывается на работе потребителей электрической энергии. Кроме того, номинальные мощности синхронных двигателей характеризуются величинами в сотни и тысячи киловатт, что ограничивает область их практического применения электроприводами большой мощности. К числу недостатков следует отнести и наличие скользящего контакта между контактными кольцами и щетками, а также необходимость использования источника постоянного тока.

Известны также трехфазные асинхронные электрические двигатели с различным конструктивным исполнением ротора (Копылов И.П. Электрические машины. Учебник для вузов. М., Энергоатомиздат, 1986, с.154-162).

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора, состоящий из статора, ротора и двух подшипниковых щитов. Статор содержит корпус, изнутри к которому прикреплен полый сердечник, набранный из отдельных листов стали, с пазами на внутренней поверхности. В пазах размещена трехфазная сетевая обмотка, состоящая из трех, с одинаковыми параметрами, однофазных обмоток, оси которых смещены в пространстве на 120°. Однофазные обмотки соединены между собой в схему «звезда» или в схему «треугольник». Начала трехфазной обмотки выведены в коробку выводов, где осуществляется их подключение к питающей сети трехфазного переменного напряжения. Ротор установлен внутри статора с воздушным зазором по отношению к нему. Конструктивно ротор представляет собой полый стальной шихтованный цилиндр, насаженный на вал, имеющий на наружной поверхности пазы, в которых размещена короткозамкнутая обмотка. Вал ротора установлен в подшипниках подшипниковых щитов. Подшипниковые щиты закреплены к корпусу статора и предназначены для поддержания неизменным воздушного зазора между статором и ротором (Пантюшин B.C. Электротехника. Учебное пособие для вузов. Издание 2-е переработанное и дополненное. М., Высшая школа, 1976, с.413-415). Данное устройство принято за прототип.

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявленным изобретением: статор, включающий корпус, полый стальной шихтованный сердечник, закрепленный изнутри к корпусу и несущий на внутренней цилиндрической поверхности пазы, трехфазную сетевую обмотку, уложенную в пазы шихтованного сердечника и выполненную в виде трех однофазных обмоток с одинаковыми параметрами и пространственным сдвигом осей в 120°; ротор, размещенный внутри сердечника статора с воздушным зазором по отношению к нему; подшипниковые щиты, закрепленные к корпусу статора, в которых установлен вал ротора.

К недостаткам известных трехфазных асинхронных электродвигателей следует отнести низкие значения коэффициента мощности. Особенно этот недостаток присущ асинхронным двигателям малой мощности, тихоходным асинхронным электродвигателям малой и средней мощности, а также всем асинхронным двигателям, работающим с малым коэффициентом загрузки и в режиме холостого хода. Причиной отмеченного недостатка является потребление из питающей сети реактивной мощности и реактивного намагничивающего тока, необходимого для создания в двигателе переменного магнитного поля. Реактивный намагничивающий ток, проходя по элементам системы производства, передачи, распределения и преобразования электрической энергии, вплоть до самого асинхронного электродвигателя, обуславливает дополнительную загрузку токоведущих частей, ограничивает их пропускную способность, вызывает рост потерь напряжения и мощности, приводит к ухудшению показателей качества электрической энергии и рабочих характеристик.

Задачей изобретения является повышение коэффициента мощности трехфазного асинхронного электрического двигателя.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном трехфазном асинхронном электрическом двигателе, состоящем из статора, включающего корпус, полый стальной шихтованный сердечник, закрепленный изнутри к корпусу и несущий на внутренней цилиндрической поверхности пазы, и трехфазную сетевую обмотку, уложенную в пазы шихтованного сердечника и выполненную в виде трех однофазных обмоток с одинаковыми параметрами и пространственным сдвигом осей в 120°, ротора, размещенного внутри сердечника статора с воздушным зазором по отношению к нему, и подшипниковых щитов, закрепленных к корпусу статора, в которых установлен вал ротора, статор содержит дополнительную компенсирующую трехфазную обмотку, уложенную в пазы сердечника и состоящую из трех с одинаковыми параметрами однофазных обмоток, оси которых смещены в пространстве на 120°, при этом дополнительная компенсирующая трехфазная обмотка изолирована от сетевой трехфазной обмотки, образующие ее однофазные обмотки соединены в схему «звезда», а начала фаз подключены к соединенным в схему «треугольник» конденсаторам, установленным на двигателе или за его пределами.

Отличительные признаки предлагаемого устройства от прототипа - наличие дополнительной компенсирующей трехфазной обмотки, уложенной в пазы сердечника статора и состоящей из трех с одинаковыми параметрами однофазных обмоток, оси которых смещены в пространстве на 120°; дополнительная компенсирующая трехфазная обмотка изолирована от сетевой трехфазной обмотки; однофазные обмотки, образующие дополнительную компенсирующую обмотку, соединены в схему «звезда»; начала фаз дополнительной компенсирующей трехфазной обмотки подключены к соединенным в схему «треугольник» конденсаторам, установленным на двигателе или за его пределами.

Отличительные признаки в сочетании с известными позволяют разработать трехфазный асинхронный электродвигатель, магнитное поле в котором создается током контура, образованного дополнительной компенсирующей трехфазной обмоткой и подключенными к ней конденсаторами. Из питающей электрической сети намагничивающий реактивный ток практически не потребляется. Благодаря этому достигается заявленный технический результат: повышение коэффициента мощности трехфазного асинхронного электрического двигателя.

Изобретенный трехфазный асинхронный электродвигатель, по сравнению с известным, позволяет разгрузить от реактивного намагничивающего тока генераторы электрических станций, трансформаторы повышающих и понижающих подстанций, линии электропередач, распределительные электрические сети и другие элементы систем электроснабжения. Это приводит к увеличению пропускной способности элементов систем электроснабжения, уменьшению потерь электрической энергии и напряжения, улучшению показателей качества электрической энергии и рабочих характеристик потребителей.

Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг.1-4.

На фиг.1 изображен схематический вид трехфазного асинхронного электродвигателя.

На фиг.2 - электрическая схема подключения сетевой обмотки.

На фиг.3 - электрическая схема соединения дополнительной компенсирующей трехфазной обмотки с конденсаторами.

На фиг.4 приведены экспериментальные зависимости тока I₁ сетевой обмотки и коэффициента мощности cosφ от полезной мощности Р₂, где сплошными линиями показаны зависимости, полученные при исследовании серийного трехфазного асинхронного двигателя типа 4А80А4У3, пунктирными линиями - те же зависимости для опытного образца заявляемого двигателя, созданного на базе серийного двигателя типа 4А80А4У3.

Трехфазный асинхронный электрический двигатель (фиг.1) содержит статор, включающий корпус 1, изнутри к которому прикреплен шихтованный из листов стали сердечник 2 с пазами 3 на внутренней поверхности. В пазах 3 размещены сетевая трехфазная обмотка 4 и дополнительная компенсирующая трехфазная обмотка 5. Сетевая трехфазная обмотка 4 является симметричной, состоит из трех идентичных однофазных обмоток А-Х; В-Y; C-Z (фиг.2), оси фаз сдвинуты в пространстве на 120°. Фазы сетевой обмотки 4 включены в схему «звезда», что достигается соединением в общую точку концов фаз X, Y, Z. Возможно также соединение фаз сетевой обмотки 4 в схему «треугольник». Начала фаз А, В, С сетевой обмотки 4 подключены к питающей сети трехфазного переменного напряжения. Дополнительная компенсирующая трехфазная обмотка 5 изолирована от сетевой трехфазной обмотки 4 и содержит три идентичных (с одинаковыми параметрами) однофазных обмотки А_Д-Х_Д; В_Д-Y_Д; С_Д-Z_Д (фиг.3), оси которых смещены в пространстве на 120°. Электрические параметры обмоток фаз сетевой обмотки 4 и дополнительной компенсирующей обмотки 5 отличаются друг от друга. Однофазные обмотки, образующие дополнительную компенсирующую обмотку 5, соединены в схему «звезда» и подключены к конденсаторам 6, соединенным в схему «треугольник». Конденсаторы 6 размещены на статоре, например в коробке выводов начал и концов фаз сетевой 4 и дополнительной компенсирующей 5 обмоток (на фиг.1 коробка выводов не показана). В ряде случаев целесообразным может оказаться размещение конденсаторов 6 за пределами двигателя. Такое техническое решение может быть использовано в высоковольтных асинхронных двигателях. Ротор асинхронного двигателя расположен внутри статора и содержит стальной сердечник 7 и короткозамкнутую обмотку 8, выполненную по типу «беличьей клетки». Сердечник 7 ротора закреплен на валу 9. Ротор отделен от статора воздушным зазором 10, поддержание величины которого осуществляется с помощью подшипниковых щитов (на фиг.1 не показаны), закрепленных к корпусу 1 статора. В подшипниковых щитах установлен вал 9 ротора.

Работа заявляемого асинхронного трехфазного двигателя осуществляется следующим образом.

При подключении сетевой трехфазной обмотки 4 к питающей сети трехфазного переменного напряжения в ней возникает ток, создающий в воздушном зазоре 10 вращающееся магнитное поле. Это поле индуктирует в дополнительной компенсирующей трехфазной обмотке 5 электродвижущую силу, под действием которой в электрической цепи, образованной дополнительной компенсирующей трехфазной обмоткой 5 и конденсаторами 6, возникает ток, имеющий в основном реактивную намагничивающую составляющую. Данная составляющая тока возбуждает в воздушном зазоре 10 вращающееся переменное магнитное поле, силовые линии которого совпадают по направлению с силовыми линиями вращающегося магнитного поля сетевой трехфазной обмотки 4. Следствием этого, при постоянной величине питающего напряжения, является уменьшение реактивной составляющей тока, потребляемого сетевой трехфазной обмоткой 4 из питающей сети, а следовательно, и в целом тока сетевой обмотки 4.

Экспериментальные зависимости тока I₁ фаз сетевой обмотки 4 и коэффициента мощности cosφ асинхронного трехфазного двигателя от полезной мощности Р₂ приведены на фиг.4. Опытный образец заявляемого двигателя создан на базе серийного трехфазного асинхронного двигателя типа 4А80А4У3. Для этого заводская сетевая трехфазная обмотка статора, выполненная проводом марки ПЭТВ 0,67/0,73 мм, была изъята из пазов и вместо нее в свободные пазы были уложены две трехфазные обмотки: сетевая и дополнительная компенсационная. Количество витков в фазах сетевой обмотки и ее схема были сохранены; изменилось лишь сечение провода, в качестве которого принимался провод марки ПЭТВ-2 ТУ 16-705.110-79 с изоляцией по типу 1 диаметром 0,53/0,576 мм. Дополнительная компенсационная трехфазная обмотка имела схему, аналогичную сетевой трехфазной обмотке, и выполнялась проводом марки ПЭТВ-2 ТУ 16-705.110-79 с изоляцией по типу 1 диаметром 0,9/0,959 мм. Число проводников компенсационной трехфазной обмотки в пазу равнялось 13.

Анализ зависимостей показывает, что в режиме холостого хода серийный двигатель потребляет из питающей сети ток 2,3 А, а опытный образец заявляемого двигателя - ток, величина которого составляет 0,8 А. С ростом нагрузки ток в сетевых обмотках двигателей возрастает за счет увеличения активной составляющей тока. Коэффициент мощности серийного двигателя в режиме холостого хода равен 0,2, а у опытного образца - 0,9. По мере увеличения нагрузки на валу двигателей коэффициент мощности увеличивается. Однако у серийного двигателя при мощности Р₂, равной 670 Вт, коэффициент мощности равен 0,57, а у опытного образца заявляемого двигателя этот показатель при той же нагрузке составляет 0,97.

Изобретенный трехфазный асинхронный электродвигатель характеризуется высоким значением коэффициента мощности и меньшими значениями токов, потребляемых из питающей сети, что позволяет широко использовать его в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, в коммунальном хозяйстве, в быту и т.д. Положительный эффект от применения изобретения заключается в снижении токовой нагрузки генераторов электрических станций, повышающих и понижающих трансформаторов, проводов воздушных линий электропередач, кабелей заводских и цеховых распределительных сетей, сетевых обмоток самих асинхронных электродвигателей и становится особо значимым в условиях производства и дальнейшей эксплуатации десятков миллионов трехфазных асинхронных электродвигателей.