Трехфазный двигатель переменного тока с регулируемой скоростью

010412 Область техники Данное изобретение имеет отношение к регулированию скорости двигателя в области электротехники. Уровень техники Двигатель - это устройство для преобразования механической энергии в электрическую энергию и электрической энергии в механическую энергию, и большинство двигателей обладают реверсивностью. Используемые в настоящее время двигатели в основном представляют собой синхронные и асинхронные двигатели, при этом оба указанных типа двигателей могут быть использованы в качестве генератора (для преобразования механической энергии в электрическую) или в качестве электродвигателя (электромотора, для преобразования электрической энергии в механическую). В случае применения в качестве генератора выходные частоты пропорциональны соответствующим скоростям вращения, поэтому, если на выходе требуется получить переменный ток постоянной частоты, изменение соответствующих скоростей вращения должно происходить в пределах относительно небольшого диапазона независимо от нагрузки. Как правило, энергия, потребляемая такими устройствами для преобразования механическая энергия/электрическая энергия, пропорциональна скоростям вращения этих устройств, поэтому не имеет значения, что собой представляет устройство-гидроэлектростанцию, тепловую электростанцию, ветроэлектрическую станцию или станцию, где выработка электроэнергии происходит посредством сжигания жидкого топлива, - все они имеют значительные энергетические потери. При использовании двигателя в качестве электромотора обычно требуется регулировать скорость. В настоящее время существует много способов, позволяющих регулировать скорость, например изменение скорости посредством изменения частоты, но недостаток этого способа состоит в том, что принципиальная схема является сложной, и стоимость ее осуществления в случае необходимости высокоэффективного контроля будет высока, при этом соотношение цены и качества не является идеальным, особенно для оборудования большой мощности. Скорость асинхронного двигателя можно регулировать посредством рекуперации, изменения напряжения, гидравлического сопротивления или гидромуфты и электромагнитного регулятора скорости,однако такие способы регулирования скорости являются низкоэффективными. Например, принцип регулирования скорости посредством рекуперации состоит в отводе избыточной энергии от двигателя и в последующем возврате такой отведенной энергии в электрическую сеть. Например, раскрытый в китайском патенте CN2244266 каскадный регулятор скорости для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором сконструирован посредством соединения обмоток статора асинхронного двигателя с обмоткой в виде беличьей клетки с дефлектором, состоящим из трехфазного выпрямительного моста,сглаживающего реактора, трехфазного инверсного моста и трансформатора. Посредством регулирования триггерного угла трехфазного инверсного моста избыточная энергия, которая подводится к двигателю,возвращается обратно в электрическую сеть через дефлектор, в результате чего выполняют регулирование скорости. Однако использование двигателей с регулируемой скоростью такого типа имеет множество недостатков, связанных, например, с тем, что возврат отведенной энергии накладывает на электрическую сеть сильную помеху, которая приводит к искажению гармонической волны. Кроме того, на стадии отвода энергии от двигателя и возвращения ее в электрическую сеть происходит потеря энергии. Раскрытие изобретения Цель данного изобретения состоит в том, чтобы преодолеть вышеописанные недостатки предшествующего уровня техники посредством создания трехфазного двигателя переменного тока с регулируемой скоростью, имеющего простую конструкцию, высокий энергетический КПД и хорошее соотношение цены и качества. Цели данного изобретения достигают посредством технического решения, которое состоит в применении обратной электродвижущей силы (ЭДС) в обычном двигателе. Трехфазный двигатель переменного тока с регулируемой скоростью по данному изобретению состоит из двигателя переменного тока и трехфазного генератора обратной ЭДС, который соединен с концами трех обмоток статора двигателя переменного тока, при этом напряжение постоянного тока, выходное напряжение и выходная фаза трехфазного генератора обратной ЭДС являются изменяемыми. Принцип работы трехфазного двигателя переменного тока с регулируемой скоростью является следующим. Как известно, двигатель можно использовать как электродвигатель и как генератор посредством изменения его идеальной угловой скорости без нагрузки. В случае, когда идеальная угловая скорость двигателя без нагрузки выше его действительной угловой скорости, электрическая энергия потребляется и вырабатывается механическая энергия, таким образом двигатель действует как электродвигатель, а в случае, когда идеальная угловая скорость двигателя без нагрузки ниже его действительной угловой скорости, механическая энергия потребляется и вырабатывается электрическая энергия, таким образом двигатель становится генератором. Трехфазный двигатель переменного тока с регулируемой скоростью по данному изобретению получает энергию от электрической сеги и передает ее генератору обратной ЭДС,приводя его в действие. При работе в режиме электродвигателя генератор обратной ЭДС вырабатывает регулируемую обратную ЭДС, противоположную электродвижущей силе двигателя, и подает ее к двигателю, оказывая противодействие части энергии, подаваемой к двигателю от электрической сети, в ре-1 010412 зультате чего регулируется сила тока двигателя. Идеальную угловую скорость двигателя без нагрузки можно регулировать посредством регулирования напряжения постоянного тока обратной ЭДС, достигая таким образом цели, которая состоит в регулировании скорости. При работе двигателя в режиме генератора количество вырабатываемой электрической энергии можно регулировать посредством регулирования разности между идеальной угловой скоростью без нагрузки и действительной угловой скоростью двигателя с помощью генератора обратной ЭДС. Так как обмотки статора двигателя всегда находятся в контакте с электрической сетью переменного тока, и при этом какое-либо изменение частоты не происходит, можно быть уверенным, что частота обмоток статора остается неизменной вне зависимости от любого изменения скорости вращения, вызванного регулированием при помощи генератора обратной ЭДС, так создают генератор с регулируемой скоростью при постоянной частоте. Коэффициент мощности двигателя может быть изменен посредством изменения фазы трехфазной обратной ЭДС, в результате чего повышается эффективность работы двигателя. Трехфазный двигатель переменного тока с регулируемой скоростью может представлять собой асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором или синхронный двигатель. Для такого типа конструкций двигатель переменного тока представляет собой асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором или синхронный двигатель, а генератор обратной ЭДС состоит из трехфазного инвертора, то есть изначально соединенные концы (х), (у) и (z) трех обмоток статора известного из уровня техники асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором или синхронного двигателя сначала размыкают и затем соединяют один к одному с тремя входными концами (U), (V), и (W) трехфазного инвертора,вследствие чего изменяется токопровод обмоток статора. Фазовый угол и амплитуда напряжения тока в обмотках статора и амплитуда зарядного напряжения, подаваемого к конденсатору трехфазного инвертора, будут изменяться посредством регулирования порядка и времени включения и выключения трехфазного инвертора, т.е. посредством изменения длительности импульса его выходного напряжения, причем конденсатор может заряжаться и разряжаться посредством изменения разности фаз инвертора, идеальную угловую скорость без нагрузки можно косвенно изменить посредством регулирования амплитуды напряжения постоянного тока. Инвертор предназначен для выработки обратной ЭДС, которая подается к обмотке двигателя при разрядке конденсатора, и напряжение на двух концах обмотки статора можно контролировать посредством регулирования величины обратной ЭДС, для того, чтобы оказывать противодействие части энергии, подаваемой к двигателю от электрической сети. Трехфазный двигатель переменного тока с регулируемой скоростью по данному изобретению также может быть выполнен в виде асинхронного двигателя с фазным ротором. В такой конструкции двигатель представляет собой асинхронный двигатель с фазным ротором, генератор обратной ЭДС состоит из трехфазного инвертора и выпрямителя, концы (х), (у) и (z) трех обмоток статора корпуса двигателя присоединены один к одному к трем входным концам (U), (V) и (W) трехфазного инвертора, и входные концы выпрямителя соответственно соединены с тремя контактными кольцами (A1), (A2), (A3) ротора двигателя переменного тока, а выходные концы выпрямителя соединены с концом постоянного тока инвертора. В процессе работы индуктивная ЭДС в обмотке ротора проходит через контактное кольцо к выпрямителю, который преобразует переменный ток в постоянный и подает его к трехфазному инвертору, и инвертор вырабатывает обратную ЭДС, предназначенную для подачи к обмоткам статора двигателя одновременно с преобразованием постоянного тока в переменный ток. Обмотка ротора асинхронного двигателя с фазным ротором также может являться короткозамкнутой, в результате образуется обыкновенный асинхронный двигатель, посредством чего достигают цели регулирования скорости. Для двигателей высокого напряжения, таких, как двигатели класса напряжений 6, 10 кВ, генератор обратной ЭДС может состоять из трехфазного трансформатора и трехфазного инвертора, при этом вторичные контуры трансформатора соответственно соединены с тремя обмотками статора, а первичные контуры трансформатора соответственно соединены с тремя входными концами инвертора. Соединение и выравнивание напряжения между обмотками статора и инвертором осуществляют с помощью трансформатора, что является преимуществом, поскольку для регулирования двигателя высокого напряжения можно использовать инвертор низкого напряжения, ввиду чего существенно снижается себестоимость. Вместо регулирования скорости двигателя посредством отвода энергии от двигателя и последующего возврата такой отведенной энергии обратно в электрическую сеть, как это происходило в предшествующем уровне техники, данное изобретение позволяет косвенно изменять идеальную угловую скорость без нагрузки для регулирования скорости двигателя посредством подачи обратной ЭДС к двигателю для противодействия части энергии двигателя и регулирования амплитуды напряжения постоянного тока. В отличие от предшествующего уровня техники не используют стадию, на которой от двигателя отводят энергию и затем возвращают ее в электрическую сеть, что позволяет сохранить энергию и предотвратить различные нежелательные воздействия на сеть. Приведенная схема более проста, и такая конструкция более легко осуществима, поэтому стоимость изготовления и использования соответствующего устройства значительно ниже, а соотношение цены и качества значительно выше. Можно сэкономить на очень сложных и дорогих частотных преобразователях, используемых в предшествующем уровне техники, особенно при использовании устройства в качестве генератора, так как скорость вращения не оказывает воздействие на частоту вырабатываемого электричества. При таких показателях на теп-2 010412 ловых электростанциях и гидроэлектростанциях скорость вращения генератора можно регулировать в соответствии с нагрузкой, достигая таким образом цели, которая состоит в сохранении энергии. При использовании этого устройства на ветроэлектрических станциях количество электроэнергии, вырабатываемой двигателем, может быть увеличено, поскольку увеличивается скорость вращения. Ниже данное изобретение описано более подробно со ссылками на сопровождающие чертежи, однако оно не ограничено приведенными вариантами выполнения. Описание чертежей На фиг. 1 представлена структурная схема варианта выполнения 1 данного изобретения; на фиг. 2 - структурная схема варианта выполнения 2; на фиг. 3 - структурная схема варианта выполнения 3; на фиг. 4 - схематичный чертеж подключения трансформатора другого типа; на фиг. 5 - схематичный чертеж подключения автотрансформатора. Выполнение изобретения Вариант выполнения 1 Как показано на фиг. 1, в данном варианте выполнения представлена конструкция асинхронного двигателя с короткозамкнутым контуром. Двигатель переменного тока 1 представляет собой асинхронный двигатель с короткозамкнутым контуром или синхронный двигатель, генератор 2 обратной ЭДС состоит из трехфазного инвертора, а именно, изначально соединенные концы (х), (у) и (z) трех обмоток статора известного из уровня техники асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором или синхронного двигателя размыкают и затем соединяют один к одному с тремя входными концами (U), (V), и(W) трехфазного инвертора, кроме того, конденсатор С соединен с концом постоянного тока трехфазного инвертора. Трехфазный инвертор 2 может представлять собой электрический трехфазный инвертор производства Ченгду Джиалинг Электрик Мэнуфэкче Корпорэйшн (Chengdu Jialing Electric Manufacture Corporation). Переменный ток от сети подается к инвертору через обмотки статора и заряжает конденсатор С в инверторе, разрядка конденсатора С создает обратную ЭДС, предназначенную для подачи к двигателю. Вариант выполнения 2 Как показано на фиг. 2, этот вариант выполнения представляет собой конструкцию асинхронного двигателя с фазным ротором, в которой двигатель переменного тока 3 представляет собой асинхронный двигатель с фазным ротором, генератор обратной ЭДС состоит из трехфазного инвертора 5 и выпрямителя 4, концы (х), (у) и (z) трех обмоток статора корпуса 3 двигателя присоединены один к одному к трем входным концам (U), (V) и (W) трехфазного инвертора 5, и подводящие концы выпрямителя 4 соответственно соединены с тремя контактными кольцами (A1), (A2) и (A3) ротора двигателя переменного тока, а выходные концы выпрямителя соединены с концом постоянного тока инвертора. В процессе работы индуктивная ЭДС в обмотке ротора проходит через контактное кольцо к выпрямителю, который преобразует переменный ток в постоянный ток и подает его к трехфазному инвертору,инвертор вырабатывает обратную ЭДС, предназначенную для подачи к обмоткам статора двигателя одновременно с преобразованием постоянного тока в переменный. Вариант выполнения 3 Как показано на фиг. 3, этот вариант выполнения отличается от предыдущих тем, что трехфазный трансформатор 6 используют для включения в цепь между трехфазным инвертором и тремя обмотками статора, так что трансформатор представляет собой соединительный элемент между трехфазным инвертором и тремя обмотками статора и выравнивает напряжение между ними. Таким образом, генератор обратной ЭДС состоит из трехфазного трансформатора 6 и трехфазного инвертора 7, при этом вторичные контуры трансформатора соответственно соединены с концами х, у и z трех обмоток статора, а первичные контуры трансформатора соответственно соединены с тремя входными концами U, V и W инвертора. Три входных конца U, V и W трехфазного инвертора также могут быть соединены с входными концами X, Y и Z трех обмоток статора посредством трансформатора, как показано на фиг. 4. Трансформатор также может представлять собой автотрансформатор 8, как показано на фиг. 5. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Трехфазный двигатель переменного тока с регулируемой скоростью, который состоит из двигателя переменного тока и снабжен генератором обратной ЭДС, который соединен с концами трех обмоток статора двигателя переменного тока, при этом напряжение постоянного тока, выходное напряжение и выходная фаза генератора обратной ЭДС являются изменяемыми. 2. Трехфазный двигатель переменного тока с регулируемой скоростью по п.1, отличающийся тем,что двигатель переменного тока представляет собой асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором или синхронный двигатель, при этом генератор обратной ЭДС состоит из трехфазного инвертора, и концы (х, у, z) трех обмоток корпуса двигателя присоединены один к одному к трем входным концам (U,V, W) трехфазного инвертора, и конденсатор (С) соединен с концом постоянного тока трехфазного инвертора.-3 010412 3. Трехфазный двигатель переменного тока с регулируемой скоростью по п.1, отличающийся тем,что двигатель переменного тока представляет собой асинхронный двигатель с фазным ротором, при этом генератор обратной ЭДС состоит из трехфазного инвертора и выпрямителя, концы (х, у, z) трех обмоток статора двигателя присоединены один к одному к трем входным концам (U, V, W) трехфазного инвертора, и подводящие концы выпрямителя соответственно соединены с тремя контактными кольцами (A1,A2, A3) ротора двигателя переменного тока, и выходные концы выпрямителя соединены с концом постоянного тока инвертора. 4. Трехфазный двигатель переменного тока с регулируемой скоростью по п.1, отличающийся тем,что генератор обратной ЭДС состоит из трехфазного трансформатора и трехфазного инвертора, при этом вторичные контуры трансформатора соединены, соответственно, с тремя обмотками статора, и первичные контуры трансформатора соответственно соединены с тремя входными концами инвертора.