Научная статья на тему 'О потенциальной возможности асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором'

О потенциальной возможности асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
110
19
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МНОГОФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ / МНОГОФАЗНЫЕ СИСТЕМЫ / МАГНИТОДВИЖУЩАЯ СИЛА / ВРАЩАЮЩИЕ СИЛЫ / ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИЛЫ / POLYPHASE MOTORS / POLYPHASE SYSTEMS / MAGNETOMOTIVE FORCE / ROTARY FORCE / FORCE EFFICIENCY

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Логачева Алла Григорьевна, Вафин Шамсумухамет Исламович

В данной статье рассматривается возможность достижения квазиоптимального вращающего момента асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с предельно достижимым количеством фаз статорной обмотки. Показывается, что не исключается возможность практической реализации двигателей с предельным количеством фаз статорной обмотки в габаритах стандартных мощных двигателей и при их стандартных конструктивных исполнениях.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Логачева Алла Григорьевна, Вафин Шамсумухамет Исламович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

About squirrel-cage rotor induction motor potentiality

This article presents the possibility of getting the squirrel-cage induction motor with maximum stator winding phase number quasioptimal torque (rotational moment). It is shown that for powerful motors with standard dimensions and embodiment the practical realization of motors with maximum stator winding phase number is not eliminated.

Текст научной работы на тему «О потенциальной возможности асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором»

УДК 621.313.33

О ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ВОЗМОЖНОСТИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

А.Г. ЛОГАЧЁВА, Ш.И. ВАФИН

Казанский государственный энергетический университет

В данной статье рассматривается возможность достижения квазиоптимального вращающего момента асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с предельно достижимым количеством фаз статорной обмотки. Показывается, что не исключается возможность практической реализации двигателей с предельным количеством фаз статорной обмотки в габаритах стандартных мощных двигателей и при их стандартных конструктивных исполнениях.

Ключевые слова: многофазные электродвигатели, многофазные системы, магнитодвижущая сила, вращающие силы, эффективность силы.

Априори известно, что самая эффективная вращающая сила электродвигателя - такая, которая направлена по кругу. Поэтому представляет практический интерес возможность создания вращающей силы электродвигателя, действующей по кругу, увеличением количества фаз статорной обмотки в габаритах существующих стандартных двигателей.

Кроме этого, в ряде работ [1^3] отмечается достоинство многофазных двигателей, например в [1] утверждается их повышенная надежность по сравнению с трехфазными, меньшая нагреваемость из-за малости фазных токов, а также упрощение привода из-за управления малыми токами обмотки фазы. В работах [2-3] отмечаются достижения малых пульсаций в выпрямленном токе с выхода многофазного трансформатора, что существенно, ибо исключаются громоздкие фильтры, требующиеся для снижения пульсации. В работе [4] показывается возможность реализации более упрощенной системы формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов высокого качества. Таким образом, можно отметить, что исследования как в области многофазных двигателей, особенно с предельным значением количества фаз, так и системы управления такими двигателями являются важными и представляют практический интерес.

Учитывая отмеченное, покажем, какое же количество фаз может обеспечить вращающую силу, действующую по кругу. Для решения этой задачи обратимся к результатам исследования Архимеда, который, желая уточнить оценку числа п, определил необходимое количество равнобедренных треугольников, состыкованных друг с другом таким образом, чтобы описанная вокруг них кривая (или вписанная в них) не отличалась от длины окружности на заданную величину. Таким числом оказалось 96 треугольников, а кривая, вписанная или описанная, не отличалась от круга, то есть длины окружности примерно на 0,083 %.

Если теперь представить ротор электрической машины, на который равномерно по его окружности действует 96 сил в одном направлении, то эти силы можно рассматривать не в виде касательных, а как круговые с погрешностью порядка сотых долей процента.

Рассмотрим теоретически достижимое значение магнитной индукции в т-фазной машине.

© А. Г. Логачева, Ш.И. Вафин Проблемы энергетики, 2010, № 3-4

Мы имеем симметричную систему векторов Вг, г = 1, т , смещенных на

2 я/т вокруг начала прямоугольной системы координат. Амплитудное значение

индукции в фазах равно Вфтах. Просуммировав проекции векторов на

координатные оси, получим модуль результирующего вектора магнитной индукции т-фазной системы:

Врез _

m

m

m

__ 2 я m • Вф max

(ЕBXi )2 + (2Byi )2 = Вфтах £cos2 ((/ -1)—) =-ф-. (1)

i=1 i=1 i=1

2

Скорость вращения данного вектора также является постоянной. Магнитодвижущая сила (МДС) статорной обмотки электрической машины определяется в общем случае как [5]

f m ф = F\

рез m ф

sin

'ю t >

--а

V Р У

(2)

где Fpe3mф - результирующее значение первой гармоники МДС m-фаз; ю -

угловая частота питающей сети; а - учитывает распределение МДС по окружности статора (зависит от вида обмотки); функция sin характеризует синусоидальное изменение тока в фазе. С учетом формулы (1)

fm<^

m • F.

ф max

2

sin

ю t

\

а

(3)

где ^ф тах - максимальная величина МДС обмотки одной фазы.

Отсюда можно сделать вывод, что увеличение количества фаз приводит к увеличению модуля результирующего вектора МДС при той же величине МДС одной фазы.

Вращающийся вектор МДС обуславливает появление тока в роторной обмотке и возникновение электромагнитных сил, действующих на ротор. Проанализируем

эффективность распределения этих сил на направление вращения (условно примем, что сила стремится сместить каждый проводник в точку приложения следующей силы).

Угол сдвига фаз © характеризует пространственное

расположение фазных обмоток статора, имеющих соответственно МДС /1 и /2, а I - касательная к точке окружности ротора 2, в которую смещается проводник из точки 1.

Рис. Эффективность вращающих сил

Просуммировав проекции ^вр m-фаз, оценим их отношение с алгебраической суммой ^вр .

В частности, для 96-фазной обмотки получим

т 96 (2 п ^

X ^р I с™ 0 ^ ^вр I с™

I=1_= 1=1

т 96

Х *вр г ^ *вр I

1=1 1=1

V 96 у

X = ^^-= "" ^-= 0,997861. (4)

Отсюда следует, что эффективность создания вращающего момента действующими МДС составляет 99,7861 %. Это еще раз подтверждает, что при увеличении количества фаз доля пазов, ток в которых в определенный момент времени равен нулю, значительно снижается, а при т1 = 96 можно считать, что приложение сил к проводникам в пазах ротора остается практически равномерно распределенным по окружности.

Рассмотрим возможность практической реализации электродвигателя с потенциальными данными по методике, изложенной в [6]. Предположим, что в проектируемом двигателе заданы основные требуемые данные и стандартные габаритные значения.

Для асинхронного двигателя на следующие номинальные данные: Рном = 630 кВт; к = 450 мм; т1 = 96; / = 50 Гц; и1 = 1000 В; п1 = 450 мм; П = 0,96; созф = 0,8 были получены расчетные данные:

внутренний диаметр сердечника статора = 480 мм; длина сердечника статора 11 = 690 мм; число пазов статора Z1 = 192; линейная нагрузка статора А = 150 А/см; количество витков в обмотке фазы статора ь>1 = 14; номинальный фазный ток статора /1 = 7,6 А.

При прямоугольных открытых пазах и обмотке из прямоугольного провода: высота паза кп1 = 31 мм; ширина паза Ьп1 = 4,6 мм;

плотность тока в обмотке статора 11 = 1,83 А/см2; расход меди на обмотку статора тм1 = 144 кг; суммарные потери в электродвигателе Р^ = 17,8 кВт;

М

1У1 тах

кратность максимального момента --- = 29.

М ном

Например, для трехфазного асинхронного двигателя с теми же номинальными данными плотность тока в обмотке статора при прямоугольных открытых пазах и обмотке из прямоугольного провода составила 11 = 1,43 А/см2, а

номинальный фазный ток /1 = 243 А. Расход меди на обмотку статора трехфазного двигателя тм1 = 281,9 кг, суммарные потери в электродвигателе PЬ = 20,2 кВт,

M

1У1 max

кратность максимального момента --- = 7.

M ном

Выводы

1. С увеличением количества фазных обмоток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором примерно до т»100 можно практически добиться вращающей силы ротора, действующей по кругу. При этом совокупность вращающих сил 96-фазной обмотки статора можно рассматривать не как совокупность касательных сил, а как непрерывную круговую силу с довольно точным приближением к круговой силе. Однако расчеты показывают, что предельное число фаз может быть реализовано только в электродвигателях со стандартными габаритными размерами большой мощности порядка 400^500 кВт и выше.

2. Дальнейшее увеличение количества фаз представляется нецелесообразным, ибо эффективность растет незначительно, а возможность практической реализации двигателя с большим т>>100 резко падает.

3. С увеличением количества фаз растет эффективность приложения вращающих сил к ротору.

4. С ростом числа фаз снижаются фазные токи, при сохранении требуемой МДС, кроме этого, малые токи благополучно сказываются на возможности снижения нагрева фазной обмотки и двигателя в целом, упрощении привода двигателя из-за возможности выбора управляющих полупроводниковых приборов на малые фазные токи.

Summary

This article presents the possibility of getting the squirrel-cage induction motor with maximum stator winding phase number quasioptimal torque (rotational moment). It is shown that for powerful motors with standard dimensions and embodiment the practical realization of motors with maximum stator winding phase number is not eliminated.

Key words: polyphase motors, polyphase systems, magnetomotive force, rotary force, force efficiency.

Литература

1. Плеханов С.Н. Некоторые вопросы развития современного электропривода // Электрооборудование. 2009. №1. С. 39-42.

2. Гуйдалаев М.Г., Кашин Я.М. Перспективные аксиальные электромагнитные устройства для систем электроснабжения летательных аппаратов // Энергоснабжение и водоподготовка. 2008. №6(56). С. 49-52.

3. Вафин Ш.И., Казаков О.В., Казаков В.В., Немцев Г.А. Новые классические трансформаторы с оптимизированной блочной конструкцией. Описание и теоретическое обоснование // Энергетика Татарстана. 2008. №4(12). С.77-83.

4. Пат. №2326775 РФ. Способ управления моментом электродвигателей переменного тока формированием в электроприводе частотно-регулируемого сигнала и устройство, реализующее этот способ / Вафин Ш.И., Вафин Ш.Ш. Опубл. 20.06.2008.

5. Важнов А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1969.

6. Проектирование электрических машин: Учебник/О.Д. Гольдберг, И.С. Свириденко; Под ред. О. Д. Гольдберга. 3-е изд., перераб. М.: Высш. шк., 2006. 430 с.

Поступила в редакцию 15 ноября 2009 г.

Логачёва Алла Григорьевна - студентка кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-917-8672658. E-mail: lalik88@mail.ru.

Вафин Шамсумухамет Исламович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 229-62-65; 8-937-2857707; 8-937-2858709.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.