Анализ возможностей снижения энергопотребления малогабаритных вентиляторов

УДК 621.316

АНАЛИЗ БGЗМGЖНGСТЕЙ СНИЖЕНИЯ ЭНЕPГOПOТPЕБЛЕНИЯ МАЛOГАБАPИТНЫХ БЕНТИЛЯТGPGБ

Д.В. Самохин

Предложена новая конструкция привода вентиляторов однофазных асинхронных двигателей в системах вентиляции воздуха, за счет которой достигается снижение энергопотребления на 25%; показано, что резонансный режим выгодно отличается по мощности от других параметрически регулируемых способов изменения скорости асинхронных двигателей.

A new construction of a single-phase asynchronous motor fan's drive in air discharge purification systems is proposed. This construction provide 25 per cent gain. In this paper we show that resonant mode better (based on power units) than other semi-parametric adjustable methods of changing the speed of asynchronous motors.

В системах вентиляции воздуха для привода вентиляторов используют однофазные асинхронные двигатели (ОАД), конструкция которых иногда значительно увеличивает аэродинамическое сопротивление воздуховодов (перекрывая примерно 75% проходного сечения).

Выпускаемые промышленностью ОАД содержат пусковую обмотку, подключаемую через фазосдвигающий элемент, в качестве которого применяют конденсаторы. Конструкции ОАД без фазосдвигающих устройств (ВФСУ) имеют более высокие энергетические показатели (коэффициент полезного действия КПД и коэффициент мощности cos ф).

Новая конструкция ОАД (рис. 1) содержит распределенную обмотку возбуждения 1, расположенную по вертикали, и две дополнительные обмотки на статоре - 4, 5, оси которых расположены под некоторыми углами по отношению к горизонтальной оси и перпендикулярны друг к другу. Дополнительные обмотки соединены последовательно. Обмотки ротора 2, 3 остались без изменений.

При подключении обмотки возбуждения к источнику переменного напряжения создается пульсирующий во времени поток по вертикальной оси, под действием которого в дополнительных обмотках наведутся ЭДС за счет трансформаторной связи этих обмоток с обмоткой возбуждения. В дополнительных обмотках течет ток, который сдвинут по фазе во времени на определенный угол по отношению к току обмотки возбуждения. Ток дополнительных обмоток создает потоки, сложение которых в пространстве обеспечит возникновение результирующего потока, смещенного в пространстве относительно потока возбуждения. В результате на статоре появляется система двух

потоков, сдвинутых один относительно другого во времени и в пространстве, что приводит к созданию вращающегося магнитного поля, которое, взаимодействуя с обмоткой ротора, создает в последней ЭДС и токи. Результирующее вращающееся поле взаимодействует с токами ротора, вследствие чего возникает электромагнитный момент машины.

Распределенная обмотка статора дает возможность практически полностью исключить высшие гармонические поля в воздушном зазоре. Кроме того, выбором соответствующих величин чисел витков обмоток и углов между ними можно получить вращающееся поле, близкое к круговому.

Для использования такого электродвигателя в воздуховодах целесообразно выполнить его сдво-

енным, содержащим два статора и два ротора -внутренний и наружный, магнитные системы которых обращены друг к другу (рис. 2).

Рис. 2. Модель электродвигателя, содержащая два статора и два ротора

Пластины активного железа статоров - наружного 10 и внутреннего 7 - собраны на внутренней и внешней сторонах гильзы 6. В пазах статоров 10 и 7 уложены распределенные обмотки. Внутренний ротор 8 выполнен в виде полого барабана, в который впрессованы пластины активного железа и короткозамкнутая обмотка типа «беличья клетка». Наружный ротор 3 обращенной конструкции выполнен аналогично внутреннему. Внут-

ренняя поверхность внутреннего ротора используется как рабочая, т. е. снабжена крыльчаткой 5, и поэтому образует внутренний канал 2 вентиляции.

Наружная поверхность наружного ротора также снабжена крыльчаткой 4 и поэтому вместе с корпусом 1 образует наружный кольцевой канал вентиляции 9.

Для раскрепления ходовой части вентилятора применено жесткое крепление наружных и внутренних подшипников в гильзе 6, которая, а свою очередь, с помощью фасок жестко скрепляется с передней и задней крышками электродвигателя. Эти крышки между собой стягиваются шпильками. Подшипники запрессовываются в гильзе и на нее «один на один», образуя жесткий подшипниковый узел. Подшипники можно применять как серийного производства, так и специальные.

Между передним и задним подшипниковыми узлами размещаются обмотки наружного и внутреннего статоров. С целью предотвращения загрязнения торцевых частей статоров подшипники выполнены закрытыми. Гильза, на которой крепятся подшипники и оба статора, одновременно служит для уменьшения электромагнитного влияния друг на друга внутреннего и внешнего статоров, т.е. оказывает экранирующее действие и поэтому выполнена из немагнитного материала. Таким образом, гильза, помимо своего основного конструктивного назначения, выполняет роль экрана или зазора между статорами.

Для обеспечения работоспособности наружного кольцевого канала на передней и задней крышках электродвигателя предусмотрены окна 13. Число и размеры окон определяют производительность наружного кольцевого канала вентиляции наряду с числом, размерами и формой лопастей, а также с расстоянием от поверхности наружного ротора до корпуса электродвигателя.

Производительность внутреннего канала вентиляции определяется размерами самого канала (его диаметром), а также количеством, формой и размерами лопастей.

Развитием данной конструкции может быть следующий вариант: регулирование пускового момента на валу и его угловой скорости осуществляется включением в его обмотку возбуждения дополнительных дросселей, управляемых изменением активного сопротивления, и резисторов, которые необходимы для компенсации потерь

скольжения, возникающих во внешней нагрузке -рабочей машины электропривода.

Обмотки фаз ротора содержат индуктивность, сопротивление и сравнительно небольшую емкость, которые образуют с дополнительными элементами колебательный контур.

В резонансной схеме основным регулирующим элементом может быть управляемый дроссель насыщения. Изменение его индуктивного сопротивления приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура, образуемого всеми индуктивностями и емкостями конденсаторов в цепи ротора.

С целью регулирования характеристик двигателя можно использовать вместо дросселей емкостные реактивные сопротивления (линейные и нелинейные), но это значительно усложняет анализ и приводит к опасности возникновения резонансных режимов для высших гармонических составляющих.

В момент пуска двигателя на частоте тока в роторе, равной частоте тока в сети, возникает резонанс напряжений, который реализуется при равенстве индуктивного и емкостного реактивных сопротивлений. При этом скольжение ^рез определяется по формуле

с -

рез

*2 + хдр

где хс - емкостное сопротивление конденсаторов;

х2 + хд

- общее индуктивное сопротивление,

равное сумме индуктивных сопротивлений обмотки ротора и дросселя насыщения (на частоте сети).

Вблизи резонанса изменение скольжения приводит к резкому изменению тока и, следовательно, момента двигателя. С увеличением Срез примерно вдвое возрастает перегрузочная способность двигателя, поскольку реактивное сопротивление цепи ротора близко к нулю и практически полностью совпадают фазы ЭДС и тока в роторе.

Резонансный режим выгодно отличается по мощности от других параметрически регулируемых способов изменения скорости асинхронных двигателей, так как в рабочей зоне скоростей вектор тока опережает вектор ЭДС (при этом возникает захват частоты).

В результате можно достигнуть снижения энергопотребления на 25%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каракаев А.Б. Однофазный асинхронный двигатель без внешних фазосдвигающих устройств для систем вентиляции и кондиционирования воздуха (Особенности теории и расчета). - Спб.: СПбГУВК, 1997.

2. Богомольный В.М., Душин В.К., Самохин Д.В. Управление пусковыми характеристиками асинхронного микродвигателя с резонансным контуром в роторе //Материалы VI межвузовской научно-техн. конф. «Современные средства управления бытовой техникой». -М., 2004.

Дата поступления: 01.11.2005

х

с