CC BY
102
УДК 621.313
СТАТОРНЫЕ ОБМОТКИ МНОГОСКОРОСТНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПРИВОДА ВЕНТИЛЯТОРОВ
Ванурин Владимир Николаевич д.т.н., г.н.с
Северо-Кавказский институт механизации и электрификации сельского хозяйства, Зерноград, Россия
Павлов Андрей Александрович ассистент
UDC 621.313
STATOR WINDING OF MULTI-SPEED INDUCTION MOTORS FOR FAN DRIVES
Vanurin Vladimir Nikolayevich Dr.Sci.Tech., leading research associate North-Caucasian Institute of mechanization and electrification of agriculture, Zernograd, Russia
Pavlov Andrey Aleksandrovich assistant
Жидченко Т атьяна Викторовна к.т.н. доцент
Азово-черноморская государственная агроинженерная академия, Зерноград, Россия
Приведены результаты гармонического анализа полюсопереключаемых обмоток двигателей для привода вентиляторов. Статорные обмотки на 10/6 позволяют полностью использовать габарит базовых шестиполюсных двигаелей, а статорные обмотки на 8/4 полюса отличаются упрощенной коммутацией
Ключевые слова: АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ПОЛЮСОПЕРЕКЛЮЧАЕМАЯ СТАТОРНАЯ ОБМОТКА, СХЕМА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ, ГАРМОНИКИ МДС
Zhidtchenko Tatyana Viktorovna Cand.Tech.Sci., associate professor Azov-black sea State Agro-Engineering Academy, Zernograd, Russia
In the article, we have presented the results of the harmonic analysis of pole-switching motor winding for a fan drive. The stator winding at 10/6 allow you to fully utilize the size of the basic six-pole engines, and the stator winding at 8/4 pole differ with simplified switching
Keywords: INDUCTION MOTOR, POLE-SWITCHING STATOR WINDING, SWITCHING SCHEME, MMF HARMONICS
На асинхронные двигатели до 100 кВт приходится большая часть электроэнергии, потребляемой всеми асинхронными двигателями, при этом значительная их доля приходится на приводы вентиляторов и насосов. Наряду с двигателями основного исполнения широкое применение находят многоскоростные двигатели.
Для экономичной эксплуатации многоскоростных двигателей необходимо установить насколько они соответствуют приводимым производственным механизмам по степени загрузки на каждой частоте вращения и по степени использования базового габарита. Чем меньше степень загрузки, тем больше относительная величина реактивной мощности, и тем менее эффективно работает как двигатель, так и питающие его энергетические установки. При оценке эксплуатационного КПД двигателя потери в сети от реактивного тока приводят к потерям двигателя.
В многоскоростных двигателях наибольшее применение находят статорные обмотки с соотношением пар полюсов 2/1- «схемы Даландера». Их определённый недостаток заключается в низкой степени использования габарита базового двигателя. Новые приёмы формирования схем полюсопереключаемых статорных обмоток [1-3] позволяют расширить поиск способов повышения эксплуатационных показателей многоскоростных двигателей.
Пример 1 усовершенствования статорной обмотки двигателя на 10/6 полюсов с цепным чередованием катушечных групп при большем числе полюсов [1,4] (рисунок 1, при построении МДС линейный ток отображён и в условных дополнительных рядах сторон катушек).
При переключении полюсов имеют место такие соотношения витков, потоков и индукций в воздушном зазоре (ке - коэффициент ЭДС):
™10 = ке10ин10коб6Ф6 = 0 92 380 • 0,925 • Ф6 = 4;
^6 ке6ин6коб 10Ф10 ’ 220 • 0,67 • Ф10 ’
^ = 0,55;
Ф6
Ёт. = 10 • ^1° = 1,667 • 0,55 = 0,913.
В56 6 Ф6
По соотношению индукций двигатель в полной мере подходит для привода вентилятора, при этом габарит базового шестиполюсного двигателя используется полностью. Отрицательной стороной двухслойной обмотки является то, что при 2р = 10 МДС содержит значительную амплитуду низшей гармоники. Амплитуды гармоник в долях малых ступенек МДС (рисунок 2)
61011
6юу
61 о\л/
ІАААА 0000 АААА 000© гттттттп
1ГСУМ^(?Рге?ГЫ^а<ЭДРге^1ААА>гетыт1АААА^^
Рисунок 1 - Схема и МДС двухслойной обмотки на 10/6 полюсов (коб10/коб6 = 0,67/0,925) и схема соединения фаз Д-Y/YYY
2 р 2
Кт = _ [еоя/хоХ = — (2втп7,5° + 2втп12,5° + втп17,5° + втп22,5° +
7 0 7
+ втп27,5° + 8тп32,5° - 0,5втп37,5° - 0,5втп42,5° - 2,5втп47,5° --2,5втп52,5° - 1,5втп57,5° - 1,5втп62,5° -0,5втп67,5° -0,5Бтп72,5° + +0,5Бтп77,5° + 0,5втп82,5° + 2втп87,5° + 2втп92,5° + 0,5втп97,5° + +0,5в1пп102,5° -0,5втп107,5° -0,58шп112,5° - 1,58шп117,5° --1,5втп122,5° -2,5втп127,5° -2,5втп132,5° -0,5втп137,5° --0,5втп142,5° + втп147,5° + втп152,5° + втп157,5° + втп162,5° + +2втп167,5° + 2втп172,5°).
Рисунок 2 - Основная гармоника, низшая гармоника и первые высшие гармоники МДС двухслойной обмотки при большем числе полюсов
Цепное чередование катушечных групп позволяет перейти к цепной обмотке применительно к катушечным группам (рисунок 3).
61011 62 |ЛА АА&Р)
63 6Ю\/ 64
©еиз ПТПЛА
АДО0
610W 66
©ЕЕШ
ЕЩ
Амплитуды гармоник при 2р =10 также в долях малых ступенек МДС (рисунок 4)
2 7 2 Кт = ~ жпх^ =—(38тп2,5° + 3sinn7,50 + sinn12,50 +
+sinn17,50 + sinn22,50 + sinn27,50 + sinn32,50 + sinn37,50 --2sinn42,50 -2sinn47,50 -3sinn52,50 -3sinn57,50 -sinn72,50 --sinn77,50 + 2sinn82,50 + 2sinn87,50 + 2sinn92,50 + 2sinn97,50 -
- sinn102,50 - sinn107,50 - 3sinn122,50 - 3sinn127,50 - 2sinn132,50 -2sinn137,50 + sinn142,50 + sinn147,50 + sinn152,50 + sinn157,50 +
+sinn162,50 + sinn167,50 + 3sinn172,50 + 3sinn177,50).
0
Рисунок 4 - Основная гармоника, низшая гармоника и первые высшие гармоники МДС цепной обмотки при большем числе полюсов
Соотношение амплитуд основной гармоники р = 5 и низшей гармоники V = 1 двухслойной и цепной обмотки отличается незначительно.
От цепной обмотки можно вновь перейти к двухслойной обмотке, но уже двойного шага, у которой первым шагом является шаг верхнего слоя -шаг цепной обмотки, а вторым шаг второго слоя (рисунок 5). Двойной шаг позволяет значительно уменьшить амплитуду низшей гармоники.
Амплитуды гармоник при большем числе полюсов в долях малых ступенек МДС
'-Ч
Кт = ~ [cosvхdx = —^тп7,5° + зтп12,5° + 2sinn17,50 +
р
+2sinn22,5 + 0^тп27,5 + 0^тп32,5 -этп37,5 -sinn42,5 --0^тп47,5° - 0,5этп52,5° -3sinn57,50 -3этп62,5° + 0^тп67,5° + +0^тп72,5° + этп77,50 + sinn82,50 + зтп87,5° + sinn92,50 +
+этп97,5° + sinn102,50 + 0^тп107,5° + 0,5зтп112,5° -3sinn117,50 --3зтп122,5° -0^тп127,5° -0^тп132,5° -зтп137,5° -sinn142,50 + +0,5зтп147,5° + 0^тп152,5° + 2sinn157,50 + 2зтп162,5° +
+sinn167,50 + зтп!72,5°).
ААРУ) 0£ЕШ ы*|
р
0
Рисунок 5 - Схема и МДС обмотки двойного шага (коб10/коб8 = 0,614/0,925), основная гармоника, низшая гармоника и первые высшие гармоники МДС при большем числе полюсов
В большей степени снижению амплитуды низшей гармоники способствует укорочение шага второго слоя. Так, при шаге у = 9 (рисунок 6)
2 Р 2
Fnm =— fFx cosnxdx =— (-0,5sinn5° + sinn10° + 2,5sinn15° + 2sinn20° +
P 0 pn
+2sinn25° + 0,5sinn30° - sinn35° -sinn40° -0,5sinn45° -0,5sinn50° --2sinn55° -3sinn60° -2,5sinn65° + 0,5sinn70° + 2sinn75° + sinn80° +
+sinn85° + sinn90° + sinn95° + sinn100° + 2sinn105° + 0,5sinn110° --2,5sinn115° -3sinn120° -2sinn125° -0,5sinn130° -0,5sinn135° --sinn140° -sinn145° + 0,5sinn150° + 2sinn155° + 2sinn160° +
+2,5sinn165° + sinn170° -0,5sinn175°).
^НЛ?1ААААЯР]еСТтге^^
Рисунок 6 - МДС обмотки, основная гармоника, низшая гармоника и первые высшие гармоники МДС при большем числе полюсов
Для обмотки с шагом у = 10 (коб10/коб6 = 0,614/0,925) при переключении полюсов
10
ке1и„10коббФб = 0 92 380 • 0,925 • Фб = 4.
кеби н 6 коб 10 Ф10
Ф,
220 • 0,614•Ф
10
10
Ф
0,60;
Вз10 =— • ^ = 1,667 • 0,60 = 1.
В
6 Ф,
36 ^ '*'6
Соответственно, для обмотки с шагом у = 9 (коб10/коб6 = 0,685/0,885):
^10 _ к е10и н10 к об 6Ф6 _ 0 92 380 • 0,885 • Фб _ 4,
w
6
кеби н6 коб 10 Ф10
220 • 0,685•Ф
10
Ф
Ф.
10 _
_ 0,513;
_ 10 • Ф_ 1,667 • 0,513 _ 0,86.
В8
6 Ф„
'86 ^6
За обмоточные данные двигателей на 10/6 полюсов с 72 пазами статора принимаются обмоточные данные базовых шестиполюсных двигателей. Эти же рекомендации относятся и к схемам при других числах пазов статора (рисунки 7 и 8).
01 ОЮи 02 03 От 04 05 ОШ Об
Рисунок 7 - Схема обмотки на 10/6 полюсов (коб10/коб6 = 0,76/0,96)
; І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І І I;
І І І II І І І І І І І І І І І І І II І І І II І І І II І І І II І І І І І І І І І І І І І II І І І I!
и і і її і і і і і і і і і і і і і її і і і її і і і і її і і і і її і і і і і і і і і і і і і і її і і і і
І5555555555555555555555555Ж
01 61011 62 63 6^0^/ 64 65 610W 6 6
Рисунок 8 - Схема обмотки на 10/6 полюсов (коб10/коб6 = 0,735/0,90)
Особенностью двигателей на 10/6 полюсов является также то, что при переключении на 2р = 10 затухающее шестиполюсное поле наводит в треугольнике три совпадающие по фазе ЭДС. Для исключения сварки контактов переключателя током, ограниченным только внутренним сопротивлением треугольника, переключения необходимо выполнять с выдержкой времени.
Схемы переключений в коробке выводов двигателя, например, для зимнего и для летнего периода привода вентилятора показаны на рисунке 9.
Рисунок 9 - Схема соединений в коробке выводов
Пример 2 усовершенствования схемы обмотки на 8/4 полюса. Определённый недостаток переключений обмоток с соотношением пар полюсов 2/1 по схемам Даландера заключается в необходимости применения до-
полнительного магнитного пускателя для объединения выводов в нулевую точку.
Упрощению схемы коммутации обмотки на 8/4 полюса [5,6] способствует также цепное чередование катушечных групп при большем числе полюсов (рисунок 10, при построении МДС линейный ток отображён и в условных дополнительных рядах сторон катушек).
Рисунок 10 - Схема и МДС обмотки на 8/4 полюса с шагом у = 4 (коб8/коб4 = 0,826/0,62), YД/Д
Определённым недостатком схемы является то, что при 2р = 4 МДС обмоток содержит заметные амплитуды обратновращающихся высших гармоник V = 4 и V = 10.
Для двигателя с 36 пазами статора рациональным является шагу = 4, при котором высшие гармоники проявляются незначительно. Амплитуды гармоник в долях малых ступенек МДС (рисунок 11) при меньшем числе полюсов
рут=уі аП+ЬП,
где:
12р 1
ап = — ГГ cosvxdx =--------(-віпп10° - 4віпп30° - 2віпп50° - віпп70° +
п р І х 3,14п
+ віпп90° + 8Іпп110° + 8Іпп130° + 3віпп150° + віпп170° + 2віпп190° +
+ віпп210° + віпп230° + віпп250° + віпп290° -віпп310° -2віпп330° --2віпп350° -віпп370°);
1 2р 1
Ьп = — [^ ьіппс^ =-(-ео8п10° -4ео8п30° -2ео8п50° -совп70° +
п р 0 х 3,14п
+ совп90° + сов п110° + совп130° + 3совп150° + совп170° + 2совп190° +
+ совп210° + совп230° + совп250° + совп290° -совп310° -2совп330° --2совп350° -совп350°).
Рисунок 11 - Основная гармоника и первые высшие гармоники периода МДС при 2р = 4
При 48 пазах статора амплитуды гармоник в долях ступенек МДС при меньшем числе полюсов (рисунок 12)
2 л 2
/ = _ [Рх эт/хаХ =--------------(-созю7,5° - 1,5созю22,5° -созю37,5с
лJ л
2
лю
- созю52,5° + 0,5созю67,5° + 0,5созу82,5° + 0,5созю112,5° + +0,5соэ/127,5° + 1,5созю142,5° + 0,5созю157,5° + 0,5^/172,5°).
і
і ' і
■Ї
ІГ
Т
д 1 В
1 4 і — р
— — —
6811
о 41) 68У
6ЛУ A8W
64W
0
Рисунок 12 - Схема и МДС обмотки на 8/4 полюса (коб8/коб4 = 0,86/0,685), основная гармоника и первые высшие гармоники периода МДС Соответственно при 72 пазах статора (рисунок 13)
Кт = ~ ІРх зіпюхаХ = ——(-созю5° -созю15° - 1,5созю25° -л 0 л
-созю35° -созю45° -0,5созю55° -0,5созю65° + 0,5созю75° +
+0,5созю85° + 0,5созю105° + 0,5созИ15° + 0,5созИ25° + 0,5созИ35° +
+1,5созю145° + 0,5созю155° + 0,5созю165° + созю175°).
6811 6 411 68У Й4У 68\Л/ 64W
АА 00 1+1+1 АА 00 1+1+1
ЕЕШ5ХЭ6Е1Ш1Ш]МШЕЕНММА®аАМААб^^
Рисунок 13 - Схема и МДС обмотки на 8/4 полюса (коб8/коб4 = 0,82/0,63), основная и высшие гармоники периода МДС при 2р = 4
Статорные обмотки с переключением по схеме Y-Д/Д позволяют соотношением витков в катушках последовательной части и в части треугольника изменять соотношение индукций, следовательно, и подбирать двигатель под определённую нагрузку на валу при переключении полюсов.
Так для двигателя на при 72 пазах статора при одинаковом числе витков в катушках (ке8/ке4 » 0,96):
^ = к е 8и н 8 к об 4Ф4 = 0 96 380 • 0,63 • Ф 4 = 1 4.
™4 ке4ин4коб8Ф8 ’ 380 • 0,82 • Ф8 ’ ’
Ф%1 Ф4 = 0,525;
В3%1 В34 = 2Ф8 / Ф4 = 2 • 0,525 = 1,05.
Если число витков в катушках последовательной части обмотки увеличить вдвое, то
^8 = к е 8и н 8 к об 4Ф4 = 0 96 380 • 0,63 • Ф 4 = 1 8;
™4 ке4ин4коб8Ф8 ’ 380 • 0,84 • Ф8 ’ ’
Ф%/ Ф4 = 0,4;
В3%/ В34 = 2Ф%/ Ф4 = 2 • 0,4 = 0,8.
Пример расчёта обмотки на 8/4 полюса на базе двигателя АИР160Б4: 2 = 48 - число пазов статора; В§ = 0,83 Тл - индукция в воздушном зазоре; 11н = 28,5 А; со8фн = 0,89; 11р = 13 А - реактивная составляющая тока; = 9,6 А - намагничивающий ток; w = 104 - число витков на
фазу; коб = 0,925 - обмоточный коэффициент; Q = 110 мм2 - площадь площади изолированного паза для проводников условного квадратного сечения; 5 = 0,5 - воздушный зазор; к§ = 1,31 - коэффициент воздушного зазора; к^ = 1,44 - коэффициент насыщения магнитной цепи.
Для двигателя с полюсопереключаемой обмоткой (коб8/коб4 = 0,86/0,685 и ке8/ке4 » 0,96):
^ = к е 8и н 8 к об 4 Ф4 = 0 96 380 • 0,685 • Ф4 = 1 666.
W4 ке4ин4коб8Ф8 ’ 380 • 0,86 • Ф8 ’ ’
Ф8/ Ф4 = 0,46;
В^8 / В34 = 2Ф%/ Ф4 = 2 • 0,46 = 0,92.
Ориентируясь на обмоточные данные базового двигателя, число витков на фазу при 2р = 4
W4 = 1,73^£об/£об4 = 1,73 • 104 • 0,925/0,685 ~ 240.
В катушке 240/12 = 20 витков.
В пазу N = 40 проводников диаметром
лиз _>/110/40 = 1,66 мм.
Выбираем й/йиз = 1,50/1,61 мм. При длине витка 0,50 м активное сопротивление статорной обмотки Я1 = 1,62 Ом.
Потерям в статорной обмотке базового двигателя Рэл1 = 655 Вт соответствует номинальный ток 11,6 А рассчитываемого двигателя при меньшем числе полюсов. Намагничивающий ток
_ В5жрдк5 ки _ 0,83 • 3,1416 • 2 • 0,5-10~3 1,311,44 _ 56 д т4 _ ■^J2mwkoбm0 ~ 1,414• 3• 240• 0,685• 4• 3,1416-10"7 _ , .
Намагничивающий ток базового двигателя при соединении фаз в треугольник составляет 9,6/1,73 = 5,55 А. Приведённая реактивная составляющая тока ротора базового двигателя
1'2р = 11р - I» = 13 - 9,6 = 3,4 А.
При практически том же коэффициенте приведения тока ротора, что и у базового двигателя, реактивный ток рассчитываемой обмотки 11р4 = 1ц4 + I’ 2р4 = 5,6 +3,4/1,73 = 7,57 А.
Коэффициент мощности и потребляемая двигателем мощность:
V7iD- -Сд л/11,62 - 7,572 cos (рн4 = --------------------------------= --= 0,76;
Лд 11,6
P1 = mUHI1H cosj = 3 • 380 • 11,6 • 0,76 = 10050 Вт.
При практически тех же потерях, что и у базового двигателя 1600 Вт, номинальная мощность и номинальный КПД двигателя:
Р2н = P1 - 1600 = 8450 Вт;
Пн = 84 %.
При большем числе полюсов активное сопротивление последовательной части обмотки R11 = 0,54 Ом и в части треугольника R12 = 1,62 Ом.
Потерям в статорной обмотке восьмиполюсного двигателя того же габарита Рэл1 = 565 Вт соответствуют токи в частях обмотки 7,5 А и 13 А.
При восьми полюсах номинальной мощности КПД Т]н и со$фн принимаем, ориентируясь на их значения серийных двигателей того же габарита и числа пар полюсов,
Р2н = тин11н^нС08^н = 3 • 380 • 7,5 • 0,87 • 0,75 ~ 5600 Вт.
Выводы
Решению задач повышения энергоэффективности определённого типа приводов с многоскоростными асинхронными двигателями могут способствовать новые схемные решения полюсопереключаемых статорных обмоток.
Двигатели на 10/6 полюсов с соединением фаз по схеме YД/YYY позволяют полностью использовать габарит базового стандартного шестиполюсного двигателя. По сравнению с ближайшим аналогом - серийным двигателя на 12/6 полюсов того же габарита удельная масса двигателя снижена в 1,5 раза.
Двигатели на 8/4 полюсов с соединением фаз по схеме Y-Д/Д позволяют упростить схему коммутации, что повышает надёжность коммутации при переключении полюсов.
Литература
1. Богатырев Н.И. Электрические машины переменного тока / Н.И. Богатырев, В.Н. Ванурин, О.В. Вронский - Краснодар. КубГАУ, 2007. - 301 с.
2. Богатырев Н. И. Электрические машины переменного тока / Н. И. Богатырев, В.Н. Ванурин, Джанибеков К.А.-А. - Краснодар, КубГАУ, 2011. - 224 с.
3. Богатырев Н.И., Ванурин В.Н., Екименко П.П. Статорные обмотки асинхронных генераторов и многофункциональных машин / научно-методическое издание. Краснодар, КубГАУ, 2006. - 67 с.
4. Чуркин А.Е., Павлов А.А. Рациональные схемы полюсопереключаемых обмоток стационарных электроприводов установок в АПК. - Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2012. - 169 с.
5. Патент №2345463 РФ, МПК Н02 К17/14. Статорная обмотка на 8/4 полюса / В.Н. Ванурин (ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии). - №2011118251/07, заявлено 27.02.2008, опубликовано 27.01.2009// БИПМ. - 2009. - №3.
6. Патент № 2225531 МКП Б 03 Б 7/04. Ветроэнергетическая установка / Богатырев Н.И., Ванурин В.Н., Курзин Н.Н., Креймер А.С., Зайцев Е.А., Ерашов Д. А.. Заявлено 01.07.02; Опубликовано 10.03.04; БИПМ. -2004. - № 7.
