CC BY
35
Шапиро С. В.
ShapiroS. V.
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры медицинской физики с курсом информатики, ФГБОУВО «Башкирский государственный медицинскийуниверситет», г. Уфа, Российская Федерация
Гумерова М. Б. Оитегоуа М.В.
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электромеханики, ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Бабикова Н. Л. ВаЫкога N. Ь.
кандидат технических наук, доцент кафедры
эл ектромеханики, ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Гареев Р. И. Оагееу Л I.
старший преподаватель кафедры электромеханики, ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный техническийуниверситет», г. Уфа, Российская Федерация
Юшкова О. А. Уиэккога О. А.
кандидат технических наук, доцент кафедры электромеханики, ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный техническийуниверситет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 621.31
КАСКАДНЫЙ АСИНХРОННО-СИНХРОННЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
В статье описываются устройство и принцип действия каскадного асинхронно-синхронного двигателя, который благодаря усовершенствованию конструкции способен вырабатывать реактивную мощность, т.е. работать как обычный синхронный, при этом не имеет скользящих контактов. К тому же расход активных материалов — обмоточного провода и электротехнической стали — и, соответственно, потери у каскадного двигателя практически такие же, как у асинхронного на ту же мощность и число оборотов. В результате проведенного сравнения габаритных факторов каскадного асинхронно-синхронного двигателя и обычных асинхронных двигателей установлено, что при одинаковом числе пар полюсов масса и потери нашего двигателя должны превосходить таковые показатели асинхронного двигателя на 19 %, а при соотношениях р! : р2 = 2 : 1 на 18,5 %, при 3 : 1 и 4 : 1 соответственно на 18 % и 16 %. Предложено устройство каскадного двигателя с короткозамкнутым
ротором, благодаря которому трехфазный ток имеет опережающий характер, а каскадный двигатель вырабатывает реактивную мощность. При этом трехфазный выпрямительный мост, питающий обмотку возбуждения, можно подключить прямо к питающей сети, без применения понижающего трансформатора.
Проведен анализ работы каскадной системы при нагрузке, приведена схема замещения. Отставание по фазе магнитного поля, создаваемого током ротора второй ступени, приводит к увеличению его вращающего момента, к которому добавляется вращающий момент асинхронного преобразователя, который также растет с ростом токов в его статоре и роторе. Нагрузочные характеристики каскада мало чем отличаются от нагрузочных характеристик синхронного двигателя.
Приведено экспериментальное исследование, подтверждающее возможность создания каскадного двигателя, сочетающего преимущества синхронных и асинхронных машин. Экспериментальная установка состоит из двух крановых асинхронных двигателей с фазным ротором серии ДМТР-011-041 IP44, и двигателя постоянного тока типа П-42 в качестве нагрузки.
Ключевые слова: каскадный асинхронно-синхронный двигатель, вращающееся магнитное поле, габаритные факторы, формула Арнольда.
CASCADING ASYNCHRONOUS-SYNCHRONOUS NON-CONTACT MOTORS
The article describes the device and the principle of operation of a cascade asynchronous-synchronous motor, which is capable of producing reactive power, thus work as a normal synchronous, while it does not have sliding contacts. The consumption of active materials and the losses of the cascade are almost the same as for asynchronous at the same power and speed. It was established that for an equal number of pole pairs, the mass and losses of our engine should exceed those of an asynchronous motor by 19 %, and for pj : p2 = 2 : 1 ratios 18.5 %, at 3 : 1 and 4:1, respectively, by 18 % and 16 %. The device of a cascade motor with a squirrel-cage rotor is proposed, thanks to which the three-phase current has a leading character, and the cascade produces reactive power. The three-phase rectifier bridge, which supplies the excitation winding, can be connected directly to the mains without the use of a transformer.
The analysis of operation of the cascade system under load is carried out, the scheme of substitution is given. The lag in the phase of the magnetic field created by the current of the second stage rotor leads to an increase in its torque, to which the torque of the asynchronous converter is added. The load characteristics of the cascade differ little from the load characteristics of the synchronous motor.
The experimental study confirmed the possibility of creating a cascade combining the advantages of synchronous and asynchronous machines.
Key words: cascading asynchronously-synchronous motor, the rotating magnetic field, dimensional factors, Arnold formula.
Асинхронные двигатели, повсеместно применяемые в промышленности, несмотря на свою дешевизну и высокую надежность обладают одним весьма серьезным недостатком — они являются потребителями реактивной мощности. Поэтому на большинстве промышленных предприятий наряду с ними приходится применять синхронные двигатели, которые, хотя и дороже первых и менее надежны, позволяют не потреблять, а вырабатывать реактивную мощность.
В исследовательской лаборатории кафедры электромеханики Уфимского государ-
ственного авиационного технического университета (УГАТУ) исследован каскадный асинхронно-синхронный двигатель, который путем небольшого усовершенствования конструкции способен вырабатывать реактивную мощность, т.е. работать как обычный синхронный, но при этом не имеет скользящих контактов. Ротор этого двигателя может быть выполнен короткозамкнутым, как и у асинхронного. Расход активных материалов — обмоточного провода и электротехнической стали — и, соответственно, потери у каскадного двигателя практически
такие же, как у асинхронного на ту же мощность и число оборотов.
Каскадные электромеханические системы довольно подробно исследовались в прошлом веке как у нас в стране, так и за рубежом [1—4], но в основном в генераторном режиме. О возможности их работы в режиме двигателя, т.е. преобразователя электрической энергии в механическую, в ряде работ говорилось, но лишь как иллюстрации общетеоретического положения об обратимости такого рода систем [1]. Особенности работы подобного рода каскадов в качестве двигателей слабо изучены.
Устройство и принцип действия каскада
На рисунке 1 дана принципиальная схема каскада, состоящего из обращенной синхронной машины I и асинхронного преобразователя, работающего в режиме тормоза II.
Статорная обмотка асинхронного преобразователя ^с подключена к обычной трехфазной сети частотой/1. Для определенности обмотки wc, wpl и показаны соединенными в трехфазные и многофазные звезды, хотя они могут быть соединены и треугольником.
Роторная обмотка wpl ступени I подсоединена к многофазной роторной обмотке ступени II—w^2 так, что фаза т первой связана с фазой 1 второй, а фаза да-1с фазой 2 и т.д.
Поскольку полюса синхронной ступени находятся на статоре, ее обмотка возбуждения wd подключена к источнику постоянного напряжения без контактных колец.
При подключении обмотки wc к трехфазной цепи в воздушном зазоре преобразователя II возникает вращающееся магнитное поле с частотой пь равной 60-/с
пл =
Р\
(1)
где^; — число пар полюсов этого преобразователя, об/мин.
В роторной обмотке ^р2 этим полем наводятся многофазные ЭДС и, поскольку эта обмотка связана с w^,^, появляется ток 1Р также многофазный с частотой/;. Возникает вращающий момент, и роторы обеих ступеней каскада начинают вращаться с частотой и [об/мин].
В обмотках ротора wpl при таком вращении наводится ЭДС полем, созданном полюсами машины /, с частотой
_ р2-п f2~~6Ö~
(2)
где р2 — число пар полюсов обращенной синхронной машины 2. Появляется встречный ток 1р, тоже многофазный.
Поскольку последовательность фаз обмоток w„2 и w„^ обратная, этот ток создает в воз-
I — обращенный синхронный двигатель (вторая ступень каскада); П — асинхронный преобразователь (первая ступень каскадного двигателя); да — число фаз роторных
обмоток wpl и wP2; 1С, 1Р и — токи в статоре и роторе асинхронной ступени, а также в обмотке возбуждения статорной ступени wrf; и — число оборотов ротора Рисунок 1. Принципиальная схема асинхронно-синхронного каскада
душном зазоре преобразователя II дополнительное магнитное поле, вращающееся в направлении, противоположном направлению П]. Частота вращения этого поля «'равна 60/с
(3)
Р\
При этом возникает тормозящий магнитный момент, препятствующий разгоняться роторной части каскада до частоты вращения, близкой кп;, как это обычно бывает у асинхронного двигателя. Числа витков обмоток р1 и ~мр2 выбираются такими, чтобы ЭДС, наводимые в них при одинаковой частоте/^, Ер1 и Ер2, были равны или, по крайней мере, близки по величине друг к другу.
Вследствие встречного включения последовательности фаз обмоток эти ЭДС имеют одинаковую частоту и уравновешивают друг друга при скорости вращения ротора и, равной
« = (4)
Р1+Р2
Частота^ этих ЭДС и тока ротора в этом случае равна
/2=Л=/с^-. (5)
Отношение
5 -
/р
Р1+Р2
Рг
(6)
/с Р1+Р2 по существу, скольжение ротора относительно магнитного поля, создаваемого ста-торной обмоткой wc асинхронного преобразователя II (рисунок 1).
/
Частота вращения п является стационарной для нашего каскада.
На рисунке 2 схематически показаны вращающие магнитные поля и моменты обеих ступеней каскада (для большей наглядности обе ступени изображены двухполюсными).
Ясно, что в силу третьего закона Ньютона момент, действующий на обмотку wc, равен моменту, действующему на обмотку wp2, но направлен в противоположную сторону:
Мс =Мр2,
Мощность Р1, потребляемая каскадным двигателем из сети, определяется за вычетом потерь в обмотке wc и в стали магнитной системы ступени II АР! — произведением
Р1меХ=Р1-ЛР1=МсЩ, (7)
где Юх —угловая скорость вращения магнитного поля этой ступени, равная
27^ = 2гс-/с (8)
60 А
Мощность Р\мех, передаваемая ротором ступени II на вал и от него в нагрузку, равна
Р\мех=Мр2™> (9)
где ю — угловая скорость вращения ротора каскада, равная
2к-п 2я • /" 2п ■ /! • »1
ю =-=-— =- 1 1 .
60 р1 +р2 рх + р2
Нетрудно видеть, что если не учитывать потери в роторе, то
(11)
(10)
Р =
р\мех 1 мех,
т е- Рр\мех
1 мех-
о, и о2 — угловые скорости вращения магнитного поля статора асинхронного преобразователя и магнитных полей роторных обмоток (относительно ротора) Рисунок 2. Схематическое изображение вращающихся магнитных полей (#-5) ступеней каскада Л и В
Остальная мощность, потребляемая каскадным двигателем из сети, преобразуется обращенным синхронным двигателем /:
^2мех = (1 ~ 8)Р\мех = ~ ?\мех • (12)
Р\ +Р2
Сравнение габаритных факторов каскадного асинхронно-синхронного двигателя и обычного асинхронного двигателя
Формулы (7), (9) и (12) позволяют сопоставить экономические показатели описываемого в статье каскадного двигателя с обычным асинхронным или синхронным двигателем на ту же выходную мощность и угловую скорость вращения. Согласно известной формуле Арнольда [5], габариты, масса активных материалов, потери в стали и обмотках и вытекающие из этих данных стоимостные показатели любой электрической машины определяются так называемым габаритным фактором Г, равным
г п л
Г =
(13)
где Р — мощность электрической машины; частота вращения ее вала. Степень^.
п
связана с так называемым «законом роста» [5], указывающим на то, что с увеличением Р
отношения — масса активных материалов п
машины, а вместе с ней и потери в ней, растет несколько медленнее.
В нашем случае габаритный фактор Гк складывается из двух-асинхронного преобразователя Г1 и обращенной синхронной машины Г2\
г, = г1+г2 =
f и Л
+
\п J з
4 № \ \
— + 1-5)
I" , V n У
РЛ
п J
(l-j)4
'PA 4 P\ + P2
_1
Ч П j
J
{Pl+Pl)*
(14)
Первый сомножитель этого выражения з
представляет собой габаритный фактор
обычного асинхронного двигателя мощностью частотой вращения п. Второй сомно-
житель — дробь-^1 — показывает, во
(Р\+Р2)4
сколько раз масса активных материалов предлагаемого здесь каскадного двигателя должна превосходить массу асинхронного двигателя. Несложные расчеты показывают, что еслир =р2, то масса и потери нашего двигателя должны превосходить асинхронный на 19 %, прир; '.р2 = 2 : 1 на 18,5 %, при 3:1и4:1 соответственно на18%и16%.
Асинхронно-синхронный двигатель с короткозамкнутымротором
Дальнейшее усовершенствование асинхронно-синхронного каскада можно осуществить, выполнив оба ротора с короткозам-кнутой обмоткой [6] (рисунок 3). Правда, у такого каскада должно быть одинаковое число пар полюсов —^ =р2 =р.
Как видим, у ротора левой ступени каскада замкнуты накоротко только левые концы лежащих в пазах проводов, а у ротора правой ступени замыкающее кольцо расположено справа.
Расположенные друг напротив друга концы роторных обмоток соединены между собой наискосок, т.е. так, чтобы последовательность фаз роторных токов левой ступени была обратной по отношению к последовательности фаз правой ступени. В результате магнитные поля обоих роторов вращаются друг относительно друга в противоположные стороны. Именно такое взаимное вращение и предполагает принцип действия каскадного двигателя, описанный выше (см. рисунок 1).
На рисунке 4 дан чертеж каскадного двигателя мощностью 2 кВт с числом оборотов п = 750 [об/мин]. Двигатель спроектирован на базе серийно выпускаемой асинхронной машины 4А112М4УЗ. Асинхронная ступень каскада выполнена практически так же, как исходный двигатель, только роторная обмотка имеет замыкающее кольцо с одного (на рисунке 4 правого) торца магнитопро-вода. Левые концы этой обмотки не замкнуты — в них установлены отверстия с винтовой нарезкой с целью гальванической связи с шинами, электрически замыкающими эту обмотку с концами роторной обмотки синхронной ступени.
Рисунок 3. Схема короткозамкнутой обмотки ротора каскадного двигателя
Рисунок 4. Чертёж каскадного двигателя мощностью 2 кВт и числом оборотов 750 [об/мин]
Статорная обмотка выполнена так же, как и у двигателя 4А112М4УЗ, т.е. имеет 36 пазов, две пары полюсов и двухслойную обмотку. Воздушный зазор между статором и ротором так же, как у исходной машины, составляет 0,3 мм.
Диаметр магнитопровода ротора синхронной ступени каскадного двигателя тоже такой же, как у исходного, — 122 мм. Точно такое же число пазов — 28 и все размеры паза и зубцов. Ничем не отличается и высота спинки ротора. Иными словами ротор второй ступени каскада набирается из таких же
штампованных пластин электротехнической стали, что и у ротора первой ступени. Различие лишь в длине пакета ротора — у синхронной ступени он в два раза длиннее, чем у асинхронной. Благодаря этому обеспечивается, в конечном счете, опережающий по фазе характер выходного тока нашего двигателя.
Роторная обмотка второй ступени выполнена также алюминиевой беличьей клеткой с одним короткозамкнутым кольцом, только с левого торца магнитопровода. Правые концы не замкнуты, и у них имеются винто-
- 33
вые отверстия для подсоединения шин связи с роторной обмоткой асинхронной ступени.
На этом аналогия второй ступени каскада с первой заканчивается.
Пакет ротора синхронной машины имеет длину, большую, чем у пакета ротора первой ступени. Благодаря этому трехфазный ток, потребляемый каскадным двигателем, имеет опережающий характер, т.е. вырабатывает, как и обычный синхронный, реактивную мощность.
Статор второй ступени выполнен с четырьмя явно выраженными полюсами. Обмотка возбуждения выполнена тем же проводом, что и статорная обмотка асин-
хронного преобразователя. Как показали расчеты, благодаря этому трехфазный выпрямительный мост, питающий обмотку возбуждения, можно подключить прямо к питающей сети, не прибегая к понижающему трансформатору .
Анализ работы каскадного двигателя при нагрузке
На рисунке 5 дана схема замещения каскада.
Все величины на этой схеме записаны в комплексной форме и приведены к первичной (статорной) обмотке асинхронного преобразователя и к его одной фазе:
Рисунок 5. Схема замещения каскадного асинхронно-синхронного двигателя
й — действующее значение фазного напряжения сети, В;
1С — действующее значение фазного тока первичной обмотки статора первой ступени,
.
Гр — действующее значение роторного тока каскада, приведенное к обмотке шс1;
г1 — активное сопротивление фазной обмотки wc;
— индуктивное сопротивление рассеяния обмотки wc;
]хср — индуктивное сопротивление взаимоиндукции обмоток wc и wp;
гср — активное сопротивление, обусловленное потерями в стали асинхронного преобразователя;
&щ — индуктивное сопротивление поперечной реакции якоря синхронной ступени, приведенное к обмотке wc;
г'2 и — активное и индуктивное сопротивления обмоток и wр2, приведенные к wc;
Ё'2 — действующее значение ЭДС, наводимой в обмотке wр2, приведенное к wc;
Ё'ай — часть ЭДС, наведенной потоком продольной реакции якоря и не учтенное падением напряжения наул:'а?, приведенная к обмотке wc.
Приведение параметров обмоток wpl и wp2 осуществляется по классическим формулам электромеханики [7] с учетом различия частоты токов 11 и 12. Для каскада с коротко-замкнутыми обмотками wр1 и wр2 эти параметры рассчитываются по формулам:
х' =2
Л ад
Г , Л2
wckwciip
"2 _ 2Г2
f ь wckwcnp
(15)
(16)
V ^2 у
где г2 — сумма сопротивлений одного стержня первой ступени каскада и одного стержня второй ступени каскада;
x's2 - 2
' t л2
wckwcnp w?
®1л,2. (17)
А = (18)
= Л (19)
гдеГрр — реактивная (т.е. сдвинутая на 900 относительно ЭДС^) составляющая тока Рр, приведенная к обмотке
^ = 4,44-//^^ ^
-V2
Ф.
2»
(20)
Г ъ- л2 wckwcnp
со, Л
(21)
В формулах (15)-(21) принятоЛа(/,Ла(?, Ля1 — магнитные проводимости для потоков продольной и поперечной реакции якоря и потока рассеяния роторных обмоток второй и первой ступеней каскада; г1 и г2 — активные сопротивления одного стержня ротора первой и второй ступеней каскада; кж — обмоточный коэффициент статорной обмотки асинхронного преобразователя; Ф2 — основной магнитный поток синхронной ступени каскада.
Анализ схемы замещения рисунка 5 показывает, что при нагрузке двигателя, т.е. появлении тормозного момента на его валу, ЭДС Е2 не меняется, так как сохраняются синхронное число оборотов и магнитный поток Ф2, создаваемый полюсами, возбуждение второй ступени, но происходит отставание по фазе магнитного потока ротора этой ступени.
В свою очередь, это приводит к увеличению тока 12 и, вследствие этого, возникновению реакции якоря в синхронной ступени и увеличению тока 11.
Как и в обычном синхронном двигателе, отставание по фазе магнитного поля, создаваемого током ротора второй ступени, приводит к увеличению его вращающего момента. К этому моменту добавляется вращающий момент асинхронного преобразователя, который также растет с ростом токов в его статоре и роторе.
Нагрузочные характеристики каскада мало чем отличаются от нагрузочных характеристик синхронного двигателя. Также как у последнего, имеется предельный, макси-
мальный момент Мтах, превысив который, можно вывести каскад из синхронизма.
Экспериментальное исследование асинхронно-синхронного каскада
В указанной выше исследовательской лаборатории была произведена экспериментальная проверка асинхронно-синхронного каскадного двигателя.
На рисунке 6 изображена фотография этой установки.
Она состоит из двух крановых асинхронных двигателей с фазным ротором серии ДМТР-011-041IP44 и двигателя постоянного тока типа П-42 в качестве нагрузки.
Их номинальные данные:
— двигатель flMTF-Ol 1-041 IP44;
— трехфазное напряжение питания 220/380 В;
— частота сети — 50 Гц;
— мощность 1,4 кВт при повторно-кратковременном режиме S3 — 40 %;
— угловая скорость ротора — 880 об/мин;
— напряжение ротора — 118В;
— ток ротора — 9,0 А;
двигателя П-42:
— мощность — 8 кВт;
— число оборотов — 3000 об/мин;
— ток якоря — 43 А;
— ток возбуждения — 5А
При проведении испытаний фазные обмотки роторов асинхронных двигателей соединяли по схеме, представленной на рисунке \{т = 3), причем один из них использовался как преобразователь (первая ступень каскада), а второй — обращенный синхронный двигатель (вторая ступень). Статорную обмотку первой ступени подключили к трехфазной сети напряжением 220 В. Статорную обмотку второй ступени соединили звездой, два луча которой запараллелили и подключили к минусовой клемме источника постоянного тока, а третий луч подключили к плюсовой клемме.
Поскольку оба эти двигателя были шести-полюсными, то синхронная скорость ротора каскада составляла 500 об/мин. Максимальная мощность, которую мог развить каскад в длительном режиме, равнялась 0,5 ■ 1,4 ■ 0,4 = 280 Вт.
: : '11
Рисунок 6. Фотография экспериментальной установки каскадного асинхронно-синхронного двигателя
При этой мощности каскад вырабатывал реактивную мощность по фазам: А — 48 ВАр; В — 45 ВАр; С — 47 ВАр. При этом ток возбуждения второй ступени был равен 5,8 А.
Каскад запускался без каких-либо дополнительных элементов сразу после включения и обеспечивал синхронную скорость вращения вала 500 об/мин.
Вывод
В результате проведенных испытаний подтверждена возможность создания каскад-
Список литературы
1. Загрядцкий В.И. Совмещенные электрические машины. Кишинев: Картэ молдо-вэняскэ, 1971. 163 с.
2. Shapiro S.V., Kulinich V.A. Cascade Synchronous-Asynchronous Generator II Russian Electrical Engineering. 2002. Vol. 73. No. 1. P. 33-38.
3. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии. М.: Энергия, 1964. 528 с.
4. Шапиро С.В., Исмагилов Ф.Р., Тере-гулов Т.Р., Полихач Е.А., Кузнецов А.Ю. Каскадный бесконтактный четырехступенчатый генератор II Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. № 3, Т. 9, С. 47-51.
5. Петров Г.Н. Электрические машины. М.: Госэнергоиздат, 1956. Т. I. 240 с.
6. Шапиро С.В. Каскадная электромеханическая система с короткозамкнутым ротором II Электротехнические комплексы и системы, 2015. С. 93-100.
7. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1986. 360 с.
ного асинхронно-синхронного двигателя, обладающего всеми качествами синхронного, включая массу активных материалов и потери, но при этом не имеющего скользящих контактов. Кроме того, рассмотренный в статье каскадный двигатель обладает практически такими же технологическими достоинствами, как и асинхронный, так как его роторная обмотка может быть выполнена короткозамкнутой.
References
1. Zagradckiy V.I. Combined Electric Machines. Kishinev, Kartia Moldoveniaske Publ., 1971. Vol. I. 163 p. [in Russian],
2. Shapiro S.V., Kulinich V.A. Cascade Synchronous-Asynchronous Generator. Russian Electrical Engineering, 2002, Vol. 73, No. 1, pp. 33-38. [inRussian],
3. White D., Woodson G. Electromechanical Energy Conversion. Moscow, Energy Publ., 1964. 528 p. [in Russian],
4. Shapiro S.V., Ismagilov F.R., Teregu-lov T.R., Polikhach E.A., Kuznetsov A.Yu. Cascade Uncontacted Four-Step Generator. Electro-technical and Informational Complexes and Systems, 2013, No. 3, Vol. 9, pp. 47-51. [in Russian],
5. Petrov G.N. Electrical Machines. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1956. Vol. I. 240 p. [in Russian],
6. Shapiro S.V. Cascade Electromechanical System with a Squirrel-Cage Rotor. Electro-technical Complexes and Systems, 2015, pp. 93-100. [inRussian],
7. Kopylov I.P. Electric Machines. Moscow, Energoatomisdat Publ., 1986. 360 p. [in Russian],
