CC BY
34
УДК 621.313
В.Д. Лущик, B.C. Іваненко, В.Л. Борзік
СИНХРОННИЙ КАСКАДНИЙ ДВИГУН З СУМІЩЕНИМИ ОБМОТКАМИ
Розглянутий синхронний каскадний двигун з суміщеними обмотками. Приводяться результати експериментальних досліджень. Обґрунтовуються його переваги перед тихохідними синхронними двигунами.
Рассмотрен синхронный каскадный двигатель с совмещенными обмотками. Приведены результаты экспериментальных исследований. Обосновываются его преимущества по сравнению с тихоходными синхронными двигателями.
Синхронні каскадні двигуни (СКД) відомі давно [1, 2]. Основна перевага їх - безконтактність. Однак із-за наявності двох магнітопроводів і чотирьох обмоток, по дві на кожний магттопровід, масогабаритні та енергетичні показники цих двигунів значно гірші, ніж в традиційних синхронних машинах з контактними кільцями.
Розроблені останнім часом суміщені обмотки [3] і удосконалені для застосування в СКД з одним суміщеним магнітопроводом дозволили одержати СКД зі швидкістю обертання n = 500, 333, 250, 200, 166, 143,
125 об/хв., які по масогабаритним та енергетичним показникам наближаються до синхронних двигунів з контактними кільцями такої ж частоти обертання.
Статори каскадних двигунів технологічно не відрізняються від статорів серійних синхронних чи асинхронних двигунів, а ротор при виготовленні значно простіший. Додаткові переваги - відсутність контактних кілець і набагато кращі пускові властивості.
Відомо, що при зменшенні швидкості обертання синхронного чи асинхронного двигуна приблизно пропорційно зменшується корисна потужність на валу двигуна. Це пояснюється тим, що при збільшенні числа пар полюсів р\ в тих же габаритах зменшується пропорційно магнітний потік Ф на пару полюсів, тому збільшується кількість витків w1 для забезпечення необхідної величини Е1 і відповідно U\, що подається на двигун. Так як пазовий простір залишається приблизно незмінним, пропорційно зменшується поперечний переріз мідного проводу, і, відповідно, споживаний струм /1н. Погіршуються енергетичні показники.
Так як в розглядуваній каскадній машині швидкість обертання магнітного поля 2р\ -полюсної статорної обмотки в три рази більша швидкості обертання ротора, ця обставина виявляється додатковим позитивним фактором, що сприяє покращенню масогабарит-них і енергетичних показників. Приблизно в 1,5 рази число витків фази статорної 2р\ -полюсної обмотки каскадного двигуна менше порівняно з серійним синхронним двигуном однакової потужності і швидкості обертання [4].
Трифазну 2р1 -полюсну обмотку статора першого каскаду, яка живиться від трифазної мережі, сумішу-ють з однофазною 2/>2-полюсною обмоткою статора другого каскаду, яка живиться постійним струмом, що є струмом збудження. Суміщена трифазно-однофазна 2/>і/2/>2-полюсна обмотка в кожній фазі виконується із двох паралельних віток, які з’єднані в дві окремі паралельно з’єднані зірки з двома нульовими виводами з нейтральних точок. Принципова електрична схема такої суміщеної обмотки показана на рис. 1.
При подачі струму збудження в нульові виводи утворюється нерухоме 2/>2-полюсне поле. Розроблені суміщені 2/>і/2/>2-полюсні обмотки, у яких співвідношення чисел полюсів 2р\.2р2=1\2. Найменше можливе число полюсів 2/>і=4. При цьому 2/>2=8. При 2р1=2 і 2р2=4 в машині будуть виникати магнітні вібрації.
Рис. 1. Принципова електрична схема статорної обмотки
Роторна суміщена трифазна обмотка, що об’єднує дві трифазні роторні обмотки двох каскадів, повинна утворювати два магнітні поля числом полюсів 2р1 і 2р2, які обертаються в протилежних напрямах. Така суміщена обмотка теж розроблена з оптимальним співвідношенням обмоткових коефіцієнтів для 2р1 і 2/>2-полюсного поля. Обмотка складається із окремих р1+р2 короткозамкнених котушкових груп. Для 2/>1=4 _р1+р2=6 (рис. 1).
При швидкості обертання, яка називається каскадною
щ . (1)
Р1 + Р2
2р2-полюсне поле, створене роторною обмоткою, буде нерухомим відносно статора. При подачі струму збудження /Зб в обмотку статора виникає синхронний електромагнітний обертовий момент.
Експериментальний синхронний каскадний двигун був виконаний на магнітопроводі довжиною 4 = 107 мм, внутрішній діаметр статора Б = 154 мм, зовнішній діаметр статора Б = 228 мм, 11 = 36, 12 = 54.
Статорна обмотка показана на рис. 2
Рис. 2. Обмотка статора
Обмотковий коефіцієнт обмотки відносно 2р\ -полюсного поля
sin q1
p1 'Kck.1
qi sin
1
• sin—90° =
a1 X!
2
(2)
sin3 '10 • sin590° = 0,7392. 9
3 біпЮ0
Для вирахування обмоткового коефіцієнту &0б.2 для 2/>2-полюсного поля, створеного струмом збу-
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2011. №1
31
дження, потрібно позначити напрям струму /Зб на подвійному 2/>2-ПОЛЮСНОМу діленні. Кут
а2 = 360° • Р2 = ЗбО^ = 40О
В СКД щільність струму
36
пази, в яких струм направлений вгору п = 3, 4, 5, пази, в яких струм направлений вниз, к = 7, 8, 9. Загальне число активних провідників на подвійному 2р2-полюсному діленню N = 6. В результаті обчислень, використовуючи універсальну методику обчислення обмоткових коефіцієнтів [3], одержуємо £об.2 = 0,844.
Роторна обмотка (рис. 3) виконана із р1+р2 = 6 ко-роткозамкнених котушок, кожна із яких має три секції.
Рис.3. Схема обмотки ротора Обмоткові коефіцієнти для 2рі -полюсного поля
(аі =
360° • рі _ 360° • 2
54
І ДЛЯ 2/>2-ПОЛЮСНОГО поля
( а 2 =
360°• p2 360°•4
Zi
54
= 13,33°) ,
= 26,66° ),
вираховуються теж з допомогою універсальної методики розрахунку обмоткових коефіцієнтів, як для 2^=4, так і для 2р2=8 n =1, 2, 2, 3, 3; к = 8, 8, 9, 9, 10. Загальне число активних провідників однієї котушки N = 10. В результаті обчислень одержуємо K ; б.! = 0,684, K б.2 = 0,94.
Розкладуючи в ряд Фур’є MPC роторної обмотки, яка утворюється під дією статорного 2р1-полюсного поля , одержуємо співвідношення амплітуд 2р1 -полюсного поля роторної обмотки F1 та 2р2-полюсного поля роторної обмотки F2: F1/F2 = 1,455.
Роторна обмотка виконана проводом dmjl = 1,18 мм, кількість витків у кожній котушці посекційно wk = 8, 16, 16.
Статорна обмотка виконана проводом dT0Jl = 1,0 мм, кількість витків в фазі w,^ = 222, число витків в котушці wk = 37.
В результаті експериментальних досліджень одержано: £Уіф = 132 В; Лл = Лф = 4,1 А; Р1 = 755 Вт; /Зб = 9,6 А; втрати в обмотці статора від струму збудження р3б = Z362R00 = 9,62-1,6 = 147 Вт; сумарна споживана потужність XP = P1 + p36 = 902 Вт; корисна потужність P2 = 740 Вт; ККД ^ = 0,82.
Індукція в повітряному зазорі від 2р1 -полюсного поля 5§1 = 0,43 Тл. Ефективне значення струму в провідниках статорної обмотки
Ie =
І зб. а 2
І
( 9,6
Ч "3-
= 3,8 А
де аі - число паралельних віток фази 2/?і-полюсної обмотки; а2 - число паралельних віток відносно ну-льовихвиводів 01, 02.
Базовий асинхронний двигун, з магнітопроводу якого був виготовлений СКД, має номінальний струм /1н = 6 А. Обмотка його виготовлена із проводу dгoл = = 1,18 мм, паралельні вітки відсутні, щільність струму
6
Ji Si 1,093
= 5,49
А
Jl =
I
Si 0,785
3,8 = 4,84 -4
Синхронний 12-полюсний двигун (n = 500об./хв.) явнополюсного виконання в габаритах даного магнітопроводу має потужність Р2 = 1000 Вт. Недостатня корисна потужність СКД пояснюється тим, що в роторі використано мідного проводу в 2,2 рази менше, ніж в синхронному двигуні. На теперішній час планується виготовити секції роторної обмотки із мідних шин, щоб збільшить поперечний переріз міді в пазу в 1,64 рази. Секції із шин матимуть значно менший виліт лобових частин. В СКД крім обмотки, показаної на рис. 3, існує трифазна обмотка, виведена на контактні кільця, для дослідження двигуна в асинхронному режимі, тому суміщена обмотка має великий виліт лобових частин. В результаті секції із тин матимуть в 1,8 рази менший опір порівняно із секціями, виготовленими із мідного проводу.
Як показують розрахунки, при виготовленні обмотки із мідних шин буде досягнута корисна потужність Р2 = 1000 Вт.
Крім статорної обмотки з відношенням чисел полюсів 2р\.2р2= 1:2, розроблена обмотка із співвідношенням чисел полюсів 2р\.2р2= 2:3, яка має кращі обмоткові коефіцієнти. Суміщена роторна обмотка для співвідношення 2^і.2^2= 2:3 теж має більш високі обмоткові коефіцієнти порівняно з роторною обмоткою із співвідношенням 2р1:2^2= 1:2.
ВИСНОВКИ
Розроблений і досліджений синхронний каскадний двигун з суміщеними магнітопроводами і обмотками, який по масогабаритним і енергетичним показникам наближається до показників багатополюсних синхронних двигунів з контактними кільцями. СКД більш простий при виготовленні, безконтактний, має набагато кращі пускові властивості.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Ч. II. - Л.: Энергия, 1973. - 648 с.
2. Красношапка М.М. Асинхронно-синхронные машины каскадного типа // Тр. Третьей Всесоюзной конференции по бесконтактным электрическим машинам. Т. 2. - Рига: Знатне. - 1966. - С. 237-244.
3. Лущик В.Д. Совмещенные электрические машины и аппараты. - К.: Техника, 1993. - 203 с.
4. Лущик В. Д., Семенов В.В. Новий тип тихохідного асинхронно-синхронного двигуна // Уголь України. - 2008. -№9. - С. 39-41.
Надійшла 09.09.2010
ЛущикВ’ячеславДанилович, д.т.н., проф.
Іваненко Володимир Сергійович Борзік Валерій Леонідович, м.н.с.
Донбаський державний технічний університет кафедра електричних машин та апаратів,
94204, Алчевськ, пр. Ленина, 16
тел.: (06442) 2-31-23, e-mail: info@dgmi.edu.ua
V.D. Luschik, V.S. Ivanenko, V.L. Borzik Synchronous cascade engine with combined winding.
A synchronous cascade engine with combined windings is considered. The results of experimental researches are resulted. Advantages of synchronous cascade engine with combined windings are grounded as compared to slow synchronous engines.
Key words - winding, synchronous cascade engine.
2
2
2
2
2
32
ISSN2074-272X Електротехніка і Електромеханіка. 2011. №1
