ТРЁХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электротехники, а именно к трехфазным асинхронным электрическим двигателям, в которых осуществляется внутренняя компенсация реактивной мощности.

Известно, что основную электрическую нагрузку промышленных, сельскохозяйственных, коммунальных предприятий составляют трехфазные асинхронные электрические двигатели, которые используются в качестве привода широкого класса производственных машин и механизмов.

Известна конструкция трехфазного асинхронного электрического двигателя, в которой основными частями являются статор и ротор [1]. Статор двигателя содержит корпус, к которому изнутри закреплен полый цилиндрический сердечник, набранный из пластин стали, и несущий пазы на внутренней поверхности. В пазах статора размещаются обмотки трех фаз, оси которых смещены в пространстве на 120 градусов. Обмотки отдельных фаз соединяются между собой в схему «звезда» или схему «треугольник».

Ротор содержит полый шихтованный цилиндрический стальной сердечник, внешний диаметр которого меньше внутреннего диаметра сердечника статора. На наружной поверхности сердечника ротора выполнены пазы, в которых размещается обмотка, выполненная по типу «беличьей клетки» или в виде совокупности трех фазных обмоток со смещением осей обмоток фаз в пространстве на 120 градусов. Сердечник ротора закрепляется на валу. На вал напрессовываются подшипники. Ротор устанавливается внутри статора с равномерным воздушным зазором, для поддержания которого используются подшипниковые щиты. Щиты опираются на подшипники и закрепляются к корпусу статора по его торцам.

В асинхронных двигателях преобразование электрической энергии трехфазного переменного тока в механическую энергию осуществляется посредством вращающегося магнитного поля. Это поле возбуждается намагничивающими токами, потребляемыми из питающей сети обмотками фаз статора. Прохождение намагничивающих токов по токоведущим частям элементов питающей электрической сети и передача реактивной мощности, связанной с ними, обуславливают потери напряжения и мощности в сопротивлениях элементов. Это негативно сказывается на качестве напряжения в сети, КПД системы производства и передачи электрической энергии, рабочих, энергетических и эксплуатационных характеристиках потребителей. Негативное влияние намагничивающих токов на качество напряжения в сети особенно существенно в режимах, для которых характерна посадка напряжения, например при запуске в работу асинхронных и синхронных двигателей, аварийном отключении источников, коротких замыканиях, перегрузках. Посадка напряжения в указанных режимах сопровождается уменьшением магнитного потока в зазоре асинхронных двигателей, вследствие чего снижается вращающий момент на валу, увеличивается скольжение, токи и потери. В ряде случаев посадка напряжения может повлечь остановку работающих двигателей. Из-за посадки напряжения существенно ухудшается работа приборов освещения и т.д.

Известны также трехфазные асинхронные двигатели, работа которых осуществляется практически без потребления намагничивающего тока из питающей сети переменного напряжения [2, 3].

Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому двигателю является трехфазный асинхронный электрический двигатель с внутренней компенсацией реактивной мощности, конструкция которого защищена патентом России №2478249 [3]. Асинхронный двигатель содержит статор, ротор, два подшипниковых щита и конденсаторы.

Статор двигателя представляет корпус, к которому изнутри крепится полый стальной шихтованный цилиндрический сердечник с пазами на внутренней поверхности, в которых размещаются секции двух трехфазных обмоток. Одна из обмоток является сетевой и подключается к питающей сети трехфазного переменного напряжения. Вторая обмотка является компенсационной. Компенсационная обмотка изолирована от сетевой обмотки. Соединение фаз сетевой и компенсационной обмоток может осуществляться по схеме «звезда» или схеме «треугольник». Ротор устанавливается внутри статора с равномерным воздушным зазором и представляет конструктивно полый стальной цилиндрический сердечник, закрепленный на валу. На наружной поверхности сердечника ротора выполнены пазы, в которых размещается обмотка ротора. На валу ротора напрессованы подшипники. Подшипниковые щиты опираются на подшипники и закреплены к корпусу статора на его торцевых поверхностях. Конденсаторы, которые размещаются, например, в коробке для выводов обмоток статора, подключаются к началам фаз компенсационной обмотки. Емкость конденсаторов постоянна и не зависит от величины напряжения на их обкладках.

Асинхронные электрические двигатели [3] при соответствующем выборе величины емкости конденсаторов работают с коэффициентом мощности, значение которого равно или близко к единице. При этом из питающей сети трехфазного переменного напряжения намагничивающий ток не потребляется.

Недостатком трехфазных асинхронных электрических двигателей, конструкция которых описана в [3], является низкая эффективность цепи компенсационной обмотки, особенно в режимах работы сети, для которых характерна посадка напряжения (пуск синхронных и асинхронных двигателей, аварийные отключения параллельно работающих источников, короткие замыкания, перегрузка). Данный недостаток объясняется тем, что при посадке напряжения в питающей сети, независимо от причины, по которой она произошла, происходит уменьшение магнитного потока в зазоре асинхронных двигателей. Это приводит к уменьшению электродвижущей силы в фазах компенсационной обмотки. Так как емкость и емкостное сопротивление конденсаторов являются постоянными и не зависят от величины напряжения на обкладках, то уменьшение величины электродвижущей силы в фазах компенсационной обмотки обуславливает уменьшение в них намагничивающего тока до значения, при котором в сетевой обмотке устанавливается соответствие напряжения в сети, противо-ЭДС и падения напряжения. В ряде случаев может оказаться, что величина намагничивающего тока в компенсационной обмотке недостаточна для обеспечения указанного выше соответствия, что приведет к потреблению намагничивающего тока сетевой обмоткой. Генерация намагничивающего тока в питающую сеть отсутствует, что не позволяет увеличить напряжение в питающей сети, следовательно, и улучшить рабочие и эксплуатационные характеристики потребителей электрической энергии, в частности асинхронных двигателей.

Задачей изобретения является повышение эффективности цепи компенсационной обмотки в режимах, при которых наблюдается посадка напряжения в питающей сети, улучшение за счет этого качества напряжения в питающей сети, рабочих и эксплуатационных характеристик потребителей электрической энергии.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в трехфазном асинхронном электрическом двигателе, содержащем статор, ротор, два подшипниковых щита и емкостные элементы, где статор выполнен в виде корпуса, к которому изнутри закреплен полый стальной шихтованный цилиндрический сердечник с пазами на внутренней поверхности, в которых размещены трехфазная сетевая и трехфазная компенсационная обмотки, изолированные друг от друга, где ротор установлен внутри статора с равномерным воздушным зазором и представляет собой посаженный на вал стальной цилиндрический сердечник с пазами на наружной поверхности, в которых размещена обмотка ротора, где подшипниковые щиты установлены в подшипниках, напрессованных на вал ротора, и закреплены к корпусу статора по его торцам, а емкостные элементы размещены, например в коробке для выводов обмоток статора, и подключены к началам фаз компенсационной обмотки, в качестве емкостных элементов применены емкостные элементы с нелинейной зависимостью емкости от величины напряжения на их обкладках, например вариконды.

Заявляемый двигатель в схематичном виде изображен на фиг. 1. На фиг. 2, 3 приведены схемы электрических соединений обмоток фаз статора и емкостных элементов, а на фиг. 4 - зависимость емкости вариконда от величины напряжения, приложенного к его обкладкам.

Двигатель (фиг. 1) содержит корпус статора 1, к которому изнутри закреплен, например, с помощью соединения «ласточкин хвост», полый стальной шихтованный цилиндрический сердечник 2 с пазами 3 на внутренней поверхности. В пазах 3, количество которых в общем случае кратно шести, размещаются секции трехфазной сетевой обмотки 4 и секции трехфазной компенсационной обмотки 5. Фазы С₁-С₄, С₂-С₅, С₃-С₆ сетевой обмотки 4 соединены в схему «звезда» (фиг. 2). Начала фаз C₁, С₂, С₃ сетевой обмотки 4 подключены в питающую сеть трехфазного переменного напряжения. Фазы C_к1-C_к4, С_к2-С_к5, С_к3-Ск₆ компенсационной обмотки 5 также соединены в схему «звезда» (фиг. 3). Начала фаз С_к1, С_к2, С_к3 компенсационной обмотки 5 подключены к емкостным нелинейным элементам 6, которые соединены в схему «треугольник». Ротор установлен внутри статора с равномерным воздушным зазором 7 и представляет полый стальной цилиндрический сердечник 8 с пазами 9 на наружной поверхности. В пазах 9 размещается обмотка ротора 10. Через центральное отверстие 11 сердечника 8 проходит вал ротора, на который напрессованы подшипники. Подшипники установлены в подшипниковых щитах, закрепленных по торцам корпуса статора (вал ротора, подшипники и подшипниковые щиты на фиг. 1 не показаны).

Работа предлагаемого асинхронного двигателя осуществляется следующим образом.

При номинальном напряжении в питающей сети магнитный поток в зазоре двигателя также является номинальным и возбуждается намагничивающим током компенсационной обмотки 5. Выбором параметров нелинейных емкостных элементов 6 достигается режим работы, при котором намагничивающий ток в сетевой обмотке 4 равен или близок к нулю, а коэффициент мощности двигателя равен или близок к единице.

При возникновении посадки напряжения в питающей электрической сети, вызванной включением в работу синхронных или асинхронных двигателей, аварийными отключениями одного или нескольких параллельно работающих источников, короткими замыканиями, перегрузками, происходит уменьшение магнитного потока в зазоре 7 двигателя, вследствие чего уменьшается электродвижущая сила, наводимая в фазах компенсационной обмотки 5. Однако величина намагничивающего тока в компенсационной обмотке 5 не только не уменьшается, а наоборот возрастает. Объясняется это тем, что с уменьшением напряжения на обкладках нелинейных емкостных элементов 6 существенно возрастает величина их емкости (фиг. 4), вследствие чего происходит уменьшение емкостного сопротивления. Рост величины намагничивающего тока в компенсационной обмотке 5 обуславливает генерацию реактивной мощности в питающую сеть трехфазного переменного напряжения, увеличение напряжения в сети, улучшение рабочих и эксплуатационных характеристик потребителей.

Изобретение рекомендуется к использованию предприятиями электромашиностроительной отрасли для серийного производства высокоэффективных энергосберегающих асинхронных электрических двигателей, генерирующих реактивную мощность в питающую сеть в режимах, для которых характерна посадка или значительные потери величины напряжения.

Источники информации

1. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - С. 402-404, рис. 10.1, 10.3, 10.4.

2. Патент России №2422967, МПК H02J 3/18. Опубликовано 27.06.2011, бюл. №18.

3. Патент России №2478249, МПК H02K 17/28, H02K 17/12. Опубликовано 27.03.2013, бюл. №9.