Модулированные статорные обмотки двигателей для привода вентиляторов

Асинхронные машины в силу ряда достоинств (относительная дешевизна, высокие энергетические показатели, простота обслуживания) являются наиболее распространенными среди всех электрических машин. Асинхронные машины выпускаются, как правило, большими сериями, наиболее значительными из которых являются машины общего назначения — серии 4А, АИ, 5А, 6А мощностью до 400 кВт [5, 7, 11].

В соответствии с ГОСТ 51 689–2000 асинхронные двигатели (АД) основного (базового) исполнения могут иметь сервис-фактор, равный 1,1 или 1,15, т. е. допускать длительную перегрузку на 10 и 15% соответственно при номинальных напряжениях и частоте. При этом, превышение температуры обмоток двигателей будет не более допустимого на 10%.

Обмотка статора АД является наиболее сложной, ответственной и технологически трудоемкой в изготовлении частью электрической машины. Обмотка статора определяет своими электромагнитными свойствами, технологичностью и стоимостью все основные показатели АД. В этой связи выбор наиболее рациональных схем обмоток АД и оптимизация их электромагнитных параметров — важнейший этап современных энергосберегающих технологий [3, 4, 6, 8−10].

Анализ литературных источников показал, что современные приемы формирования обмоток статора позволяют методами усовершенствования их схем расширить поиск рационального использования габарита АД, в том числе и асинхронных генераторов [1, 2, 12−22].

Основной показатель энергоэффективности асинхронногодвигателя в процессе эксплуатациикоэффициент мощности cos? зависят от степени загрузки двигателя. Чем она меньше, тем больше относительная величина реактивной мощности и тем менее эффективно работает двигатель и питающие двигатель установки.

В низковольтных сетях повышение cos? до определенного уровня известными способами экономически не всегда оправдано, поэтому, зачастую, не применяется. В этой связи поиск эффективных методов снижения потребляемой реактивной мощности в индивидуальных приводах с асинхронными двигателями остается актуальной задачей. В большей мере она затрагивает многоскоростные двигатели в приводе вентиляторов. При переключении полюсов, когда мощность на валу двигателя в приводе вентилятора изменяется практически пропорционально кубу изменения пар полюсов, важно согласовать соотношение составляющих намагничивающего и активного тока I/I1а.

Из-за отсутствия рациональных схем полюсопереключаемых статорных обмоток двигатели на 6/4 и 8/6 для привода вентиляторов выпускают с двумя обмотками (таблица 1) [10], что, очевидно снижает степень использования базового габарита и энергетическую эффективность привода.

Таблица 1 — Технические данные двух обмоточных двигателей для привода вентиляторов.

Формированию схем статорных обмоток с переключением на смежное кратное трем число полюсов способствует преобразованный вариант чередование фазных зон [11], позволяющий осуществить полифазную модуляцию МДС трехфазной обмотки. Для основной гармоники рполифазную модуляцию МДС по периметру статора (по координате х) условной синусоидальной волной с единичной амплитудой можно представить в виде (рисунок 1, стороны катушек фазы U обозначены квадратами, фазы V треугольниками, фазы W кругами):

Рис. 1 — Чередование фазных зон, направление токов в сторонах катушек и представление модулирующей волны

Результат модуляции При исходномр = 3результат модуляции сопровождает высшая гармоника? = р + 1 = 3 + 1 = 4. Если исходное р = 2, то результат модуляции сопровождает низшая гармоника? = р — 1 = 2 — 1 = 1.

Реализации рациональной схемы обмотки на 6/4 полюса препятствуют низшая гармоника? = 1. Так, амплитуды гармоник МДС двухслойной обмотки при 2р = 6 в долях малых ступенек (рисунок 2).

асинхронный двигатель вентилятор обмотка Рис. 2 — Основная и сопровождающая гармоники МДС при 2р = 6

Принятое в [3−7] распределение катушек по тройкам соседних фазных зон пропорционально синусу угла расположения фазных зон, число которых соответствует большему числу полюсов (рисунок 3), также не решает проблему формирования рациональной схеме обмотки на 6/4 полюса из-за значительной пульсации амплитуды низшей гармоники МДС при большем числе полюсов.

Рис. 3 -Схема ориентации фазных зон, МДС при нулевом значениитока в фазе U, МДС при максимуме тока в фазе U, гармоники МДС при 2р = 6

Неизменное во времени хорошее качество МДС при 2р =4 позволяет изменением фазы токов в диаметрально расположенных частях фазных обмоток по принципу кругового перемещения трёхфазных токов выполнить фазную модуляцию МДС частей в виде (и — смещение фазных обмоток и смещение их частей):

F = Fm [cosx sin (t — 2/3) + cos (x —) sint + cos (x —) sin (t — 4/3) + cos (x — -) sin (t — 2/3) + cos (x — 2) sint + cos (x — 2 —) sin (t — 4/3)] = Fm/2 [sin (t — 2/3 — x) + sin (t — 2/3 + x) + sin (t — x +) + sin (t + x —) + sin (t — 4/3 — x +) + sin (t — 4/3 + x —) + sin (t — 2/3 — x + +) + sin (t — 2/3 + x — -) + sin (t — x + 2) + sin (t + x — 2) + sin (t — 4/3 — x + 2 +) + sin (t — 4/3 + x — 2 —)].

Модуляция при? = 180 осуществляется переключением обмотки по схеме ?/?? без разрыва цепи питания двигателя.

При = 2/3 (соединение в треугольник в последовательности U, V, W):

F = 3/2Fm [sin (t — x — 2/3) + sin (t — x +)] =.

= 3Fm[sin (t — x — /3 + /2) · cos (- /3 — /2)] =.

= 3Fm [sin (t — x — /3 + /2) · cos (/3 + /2)]=.

=3Fm sin (t — x + 300) cos1500.

При = 4/3 (соединение в треугольник в последовательности U, W, V):

F = 3/2 Fm [sin (t + x — 2/3) + sin (t + x —) =.

= 3Fm [sin (t + x — /3 — /2) · cos (- /3 + /2)] =.

= 3Fm [sin (t — x — /3 — /2) · cos (/3 — /2)]=.

=3Fm sin (t — x — 1200) cos300.

Поскольку |cos1500| = cos300, то не имеет значение, в какой последовательности фазные обмотки соединены в треугольник. При схеме? значение коэффициента распределения в 2/1,73 разаменьше по сравнению со схемой ??, рисунок 4 (при схеме ?? выводы 1, 2, 3 замкнуты).

Рис. 4 -Схема четырехполюсной обмоткис шагом у = 8(kоб?/kоб? = 0,71/0,82), МДС при ?? и ?, векторные диаграммы к определению коэффициента распределения, гармоники МДС при ?

Симметрирование обмотки для основной гармоники р = 2 и для высшей гармоники n = 3 выполнено перестановкой однокатушечных групп в фазах V и W. Для низшей гармоник и многих других высших гармоник обмотка несимметричная, и токи внутри треугольника от? Е фазных обмоток образуют потоки, практически компенсирующие потоки от МДС гармоник.

При переключении по схеме ?/??соотношение витков, потоков, индукций в воздушном зазоре и линейных намагничивающих токов:

При соединении фаз? значение коэффициента дифференциального рассеяния, определяющее значение составляющей индуктивного сопротивления статорной обмотки от потоков дифференциального рассеяния х?? д, с достаточной точностью можно определить по амплитудам явно выраженных высших гармоник. Так, согласно гармоническому анализу МДС (без учёта скомпенсированной низшей гармоники) С учетом других высших гармоник? д?? 0,14.

По той же методике при схеме ?? ?д?? 0,013.

Расчет пусковых токов двигателя на габарите АИР100S4 (таблиц 2). Для него с однослойной обмоткой диаметрального шага? д = 0,14 [2].

Таблица 2 — Параметры базового двигателя в относительных и именованных единицах (Uн/I1н).

Для базового двигателя значение составляющей индуктивного сопротивления статорной обмотки? дх? = 0,014 · 72? 1 Ом.

Для модулированной обмотки при схеме ?? ?д??х? = 0,013 · 72 = 0,94 Ом и индуктивное сопротивление х1? = (2,57 — 1 + 0,94 = 2,51 Ом. При соединении фаз? ?д?х? = 0,135 · 216 = 29 Ом, и индуктивное сопротивление обмотки х1? = (2,57 — 1)3 + 29 = 33,7 Ом. Параметр R1 в таблице 3 учитывает увеличение в 1,2 раза числа витков модулированной обмотки (kоб = 0,80) по сравнению с обмоткой базового двигателя (kоб = 0,96).

Таблица 3 — Параметры двигателя АИР160S4 с модулированной обмоткой, Ом.

Для смежных гармоник р = 2 и = 3 активные сопротивления роторной обмотки отличаются незначительно и относительный момент от гармоники с относительной амплитудой Fm?/Fmможно определить, ориентируясь на параметры двигателя.

Скольжение ротора и относительный момент от гармоники? = 3:

Согласно таблице 2 можно принять, что активное сопротивление роторной обмотки в процессе пуска уменьшается по закону (1 + 0,26s), а индуктивного сопротивления короткого замыкания увеличивается по закону (1 — 0,46s).

Моменты двигателя с учетом действия прямовращающейся высшей гармоники (рисунок 5):

Рис. 5 — Вид моментов при схемах ?? и ?

Схема обмотки двигателя с 48 пазамистатора показана на рисунке6.

Рис. 6 — Схема четырехполюсной обмотки, Z = 48

Рис. 7 — Схема и МДС шестиполюсной обмотки, (kоб?/kоб? = 0,79/0,892), гармоники МДС при схеме ?

Формирование шестполюсной обмотки с переключением ?/?? (рисунок 7) выполнено также на основе синусоидального распределения катушек по фазным зонам, соответствующим смежному большему числу полюсов.

Расчетпусковых токов двигателя на габарите АИР225М6. Данные АИР225М6 приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Параметры базового двигателя в относительных и именованных единицах (Uн/I1н= 220/73 = 3).

Для базового двигателя значение составляющей индуктивного сопротивления статорной обмотки? дх? = 0,644 · 9,75 = 0,06 Ом.

Для двигателя с модулированной обмоткой при соединении фаз ?? ?д??х?= 0,0348 · 9,75? 0,34 Ом, индуктивное сопротивление х1? = (0,45 — 0,06 + 0,34) = 0,73 Ом (таблица 5).

При соединении фаз в треугольник значение? д?х? = 0,1 · 29,25? 2,9 Ом и индуктивное сопротивление статорной обмотки х1? = (0,45 — 0,06)3 + 2,9 = 4,1 Ом.

Таблица 5 — Параметры двигателя АИР225M6 с модулированной обмоткой, Ом.

Скольжение ротора и относительный момент от? = 4, рисунок 14:

Согласно таблице 4 активное сопротивление роторной обмотки изменяется по закону (1 + 0,84s), а индуктивное сопротивление короткого замыкания по закону (1 — 0,4s). Моменты двигателя при пуске с учетом действия высшей гармоники, рисунок 8:

Рис. 8 — Вид моментов при схемах ?? и ?

Вывод

Модулированные статорные обмотки на 4 и 6 полюсов позволяют переключением по схеме ?/?? изменять частоту вращения двигателей в приводе вентиляторов без разрыва цепи питания.

• 1. Асинхронные генераторы для систем автономного электроснабжения. Часть 1. Обоснование параметров асинхронного генератора / Н. И. Богатырев, В. Н. Ванурин, А. С. Креймер, П. П. Екименко П.П. // Научный журнал КубГАУ — Краснодар: КубГАУ, 2010. — № 05(59).
• 2. Асинхронные генераторы для систем автономного электроснабжения. Часть 2. Базовая теория формирования статорных обмоток асинхронных генераторов и методы расчета обмоток / Н. И. Богатырев, В. Н. Ванурин, А. С. Креймер, П. П. Екименко П.П. // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2010. — № 06(60). — Шифр Информрегистра: 4 201 000 012/0116. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2010/06/31/p31.asp.
• 3. Богатырев Н. И. Анализ и синтез параметров обмоток асинхронного генератора [Текст] / Н. И. Богатырев, П. П. Екименко, А. В. Синицын, Я. А. Ильченко, В. Н. Ванурин // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. — 2007. — № 8. — С. 33 — 35.
• 4. Богатырев Н. И. Модулированные обмотки асинхронных генераторов для систем автономного электроснабжения / Н. И. Богатырев — Тр. / Куб. ГАУ; Вып. № 3(24). — Краснодар, 2010. — С. 172 — 178.
• 5. Богатырев Н. И. Параметры и характеристики электрических машин переменного тока: моногр / Н. И. Богатырев, В. Н. Ванурин, П. П. Екименко: — Краснодар, 2011 — 256 с.
• 6. Богатырев Н. И. Синтез статорных обмоток асинхронных генераторов для систем автономного электроснабжения [Текст] / Н. И. Богатырев — Тр. / Куб. ГАУ; Вып. № 6(33). — Краснодар, 2011. — С. 196 — 200.
• 7. Богатырев Н. И. Электрические машины переменного тока / Н. И. Богатырев, В. Н. Ванурин, К.А. А. Джанибеков — Краснодар: 2011. — 224 с.
• 8. Богатырев Н. И. Электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах переменного тока. Ч. 1. [Текст] / Н. И. Богатырев — Тр. / Куб. ГАУ; Вып. № 3(7). — Краснодар, 2007. — С. 173 — 179.
• 9. Богатырев Н. И. Электромеханическое преобразование энергии во вращающихся электрических машинах переменного тока. Ч. 2. [Текст] / Н. И. Богатырев — Тр. / Куб. ГАУ; Вып. № 3(7). — Краснодар, 2007. — С. 193 — 198.
• 10. Ванурин В. Н. Статорные обмотки асинхронных электрических машин / В. Н. Ванурин: — Санкт-Петербург: «Лань», 2014. — 176 с.
• 11. Ванурин В. Н. Электрические машины / В. Н. Ванурин: — Санкт-Петербург: «Лань», 2016. — 304 с.
• 12. Патент 2 225 531 МКП F 03 D 7/04. Ветроэнергетическая установка / Богатырев Н. И., Ванурин В. Н., Креймер А. С. и др. заявитель и патентообладатель Кубанский госагроуниверситет. — № 2 002 117 609/06; Заявл. 01.07.02; Опубл. 10.03.04; Бюл. № 7- 12 c.
• 13. Патент 2 248 082, МПК H 02 K 17/14 Статорная обмотка двухчастотного асинхронного генератора / Богатырев Н. И., Ванурин В. Н., Оськин С. В. и др. (РФ) заявитель и патентообладатель Кубанский госагроуниверситет. — № 2 003 126 793/11; Заявл. 01.09.03; Опубл. 10.03.05; Бюл. № 7. — 12 c.
• 14. Патент 2 248 083, МПК H 02 K 17/14 Статорная обмотка двухчастотного асинхронного генератора / Богатырев Н. И., Ванурин В. Н., Григораш О. В. и др. (РФ) заявитель и патентообладательКубанский госагроуниверситет. — № 2 003 126 833/11; Заявл. 01.09.03; Опубл. 10.03.05; Бюл. № 7. — 12 c.
• 15. Патент 2 249 900, МПК H 02 K 17/14 Статорная обмотка двухчастотного асинхронного генератора / Богатырев Н. И., Ванурин В. Н., Султанов Г. А. и др. (РФ) заявитель и патентообладатель Кубанский госагроуниверситет. — № 2 003 126 791/11; Заявл. 01.09.03; Опубл. 10.04.05; Бюл. № 10. — 4 c.
• 16. Патент 2 249 901, МПК H 02 K 17/14 Статорная комбинированная обмотка асинхронного генератора / Богатырев Н. И., Ванурин В. Н., Креймер А. С. и др. заявитель и патентообладатель Кубанский госагроуниверситет. — № 2 003 126 792/11; Заявл. 01.09.03; Опубл. 10.04.05; Бюл. № 10. — 6 c.
• 17. Патент 2 249 903, МПК H 02 K 17/14 Статорная обмотка двухчастотного асинхронного генератора / Богатырев Н. И., Ванурин В. Н., Темников В. Н. и др. (РФ) заявитель и патентообладатель Кубанский госагроуниверситет. — № 2 003 126 832/11; Заявл. 01.09.03; Опубл. 10.04.05; Бюл. № 10. — 4 c.
• 18. Патент 2 263 385, МПК H 02 K 17/14 Двухслойная статорная обмотка двухполюсного асинхронного генератора / Богатырев Н. И., Ванурин В. Н., Вронский О. В., Креймер А. С. и др. заявитель и патентообладатель Кубанский госагроуниверситет. — № 2 004 108 756/09; Заявл. 24.03.04; Опубл. 27.10.05; Бюл. № 30. — 4 c.
• 19. Патент 2 281 524, МПК G 01 R 31/34. Электрифицированный стенд для исследования электрических машин / Богатырев Н. И., Курзин Н. Н., Григораш О. В., Креймер А. С. и др. заявитель и патентообладатель Кубанский госагроуниверситет. — № 2 002 123 027/28; Заявл. 27.08.02; Опубл. 10.08.06; Бюл. № 22. — 6 c.
• 20. Патент 2 310 967, МПК Н02К 17/14, Н02К 3/28 Двухслойная статорная обмотка четырехполюсной асинхронной машины / Богатырев Н. И., Ванурин В. Н., Темников В. Н., Креймер А. С. заявитель и патентообладатель Кубанский госагроуниверситет. — № 2 006 119 237/09 (20 903); Заявл. 01.06.06; Опубл. 20.11.07; Бюл. № 32. — 7 c.
• 21. Патент 2 476 976, МПК H02K 17/14 Статорная обмотка сварочного асинхронного генератора / Богатырев Н. И., Ванурин В. Н., Вронский А. В., Креймер А. С. и др. заявитель и патентообладатель Кубанский госагроуниверситет. — № 2 010 131 639/07; Заявл. 27.07.10; Опубл. 27.02.2013; Бюл. № 6. — 7 c.
• 22. Патент 2 566 147, МПК F25B 11/00Газотурбогенератор / Богатырев Н. И., Моргун С. М., Креймер А. С. и др. заявитель и патентообладатель Кубанский госагроуниверситет. — 2 014 124 123/06; Заявл. 11.06.2014; Опубл. 20.10.2015; Бюл. № 29. — 8 c.
• 23. Синтез обмотокстатора для асинхронных генераторов и двигателей / Н. И. Богатырев, В. Н. Ванурин, Н. С. Баракин, Д. Ю. Семернин // Научный журнал КубГАУ Краснодар: КубГАУ, 2011. — № 74(10). — Шифр Информрегистра: 4 201 000 012/0116.
• 24. Модулированные статорные обмотки асинхронных генераторов / Н. И. Богатырев, В. Н. Ванурин, О. В. Вронский и др., // Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов по специальности 31.14.00 / ФГОУ ВПО Кубанский государственный агарный университет; Всероссийский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства. Краснодар, 2004.