ТИХОХОДНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
LOW-SPEED ASYNCHRONOUS ENERGY CONVERTER

Изобретение относится к области электротехники, преимущественно к электромашиностроению, и может быть использовано при серийном производстве тихоходных асинхронных двухобмоточных преобразователей энергии, работающих от трехфазных сетей переменного напряжения.
Известны асинхронные двухобмоточные преобразователи энергии, работающие от сети однофазного переменного напряжения. Они состоят из статора, содержащего шихтованный магнитопровод с пазами на внутренней поверхности, и ротора с короткозамкнутой обмоткой, установленного с воздушным зазором внутри статора. В пазах магнитопровода статора уложены секции двух обмоток, оси которых смещены в пространстве на 90°. Обе обмотки питаются от одной и той же сети, причем в цепь одной из обмоток включен фазосдвигающий конденсатор, с помощью которого осуществляется сдвиг токов в обмотках по фазе во времени (см. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высших техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. - Л.: Энергия, 1974, с.609-614, рис.30-6).
Недостатком известных устройств является наличие фазосдвигающего элемента, использование которого усложняет преобразователь, снижает надежность его работы и повышает стоимость. Кроме того, параметры фазосдвигающего элемента подбираются исходя из условия получения кругового вращающегося магнитного поля или только при пуске электромеханического преобразователя, или в номинальном режиме его работы или в обоих указанных режимах. В последнем случае емкость фазосдвигающего элемента состоит из двух частей, одна из которых после окончания процесса пуска отключается посредством выключателя. При других частотах вращения ротора магнитное поле в зазоре является эллиптическим, что обусловливает ухудшение рабочих характеристик электромеханического преобразователя. Данный недостаток особенно существенен при использовании электромеханического преобразователя в приводе механизмов с изменяющимся моментом нагрузки.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является тихоходный асинхронный преобразователь энергии, работающий от сети трехфазного переменного напряжения. Он состоит из статора, содержащего шихтованный магнитопровод с пазами на внутренней поверхности, и ротора с короткозамкнутой обмоткой, установленного внутри статора с воздушным зазором по отношению к нему. Количество пазов магнитопровода статора в шесть раз больше величины произведения числа пар полюсов и числа пазов, приходящихся на полюс и фазу. Так в преобразователе с числом пар полюсов равным десяти и числом пазов на полюс и фазу равным двум количество пазов магнитопровода статора составляет 120. В пазах магнитопровода статора расположены секции, из которых образованы три обмотки, оси которых смещены в пространстве на 120 электрических градусов. Все секции каждой из обмоток, а следовательно, и обмотки в целом, выполнены проводом одинакового сечения с одинаковым числом витков и подключены на одинаковые по величине напряжения трехфазной сети, сдвинутые по фазе во времени на 120° (см. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н. Общая электротехника. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1974, с.340-344, рис.10.1). Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, являющиеся общими с заявленным изобретением: статор, включающий цилиндрический шихтованный магнитопровод с пазами на внутренней поверхности и обмотки с пространственным сдвигом осей, образованные одинаковым числом секций, уложенных в пазах магнитопровода; ротор с короткозамкнутой обмоткой, установленный с воздушным зазором внутри магнитопровода статора.
Недостатком известного тихоходного асинхронного преобразователя энергии, принятого за прототип, является наличие большого числа пазов и зубцов магнитопровода статора. Это обусловливает значительный диаметр расточки статора, большой наружный диаметр ротора, а при малой мощности преобразователя - малую осевую длину магнитопровода. В результате длина лобовых частей секций обмотки кольцеобразного статора превышает длину активных частей, расположенных в пазах магнитопровода, что ведет к повышенному расходу обмоточного провода, росту электрических потерь и полей рассеивания. Большой наружный диаметр ротора обусловливает большую высоту его ярма, магнитная индукция в котором оказывается значительно меньше допустимых значений. Это приводит к недоиспользованию электротехнической стали ротора, вызывая т.н. «скрытый отход» стали [см. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств: учеб. для студентов вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1988, с.354]. Кроме того, ротор большого диаметра характеризуется большим маховым моментом, вызывает ухудшение динамических показателей электропривода.
Задачей изобретения является снижение расхода активных материалов, уменьшение стоимости и улучшение энергетических и динамических показателей тихоходного асинхронного преобразователя энергии.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном тихоходном асинхронном преобразователе энергии, работающем от сети трехфазного переменного напряжения, содержащем статор, включающий цилиндрический шихтованный магнитопровод с пазами на внутренней поверхности и обмотки с пространственным сдвигом осей, образованные одинаковым числом секций, уложенных в пазах магнитопровода, и ротор с короткозамкнутой обмоткой, установленный с воздушным зазором внутри магнитопровода статора, количество пазов в магнитопроводе выполнено в четыре раза большим произведения количества пар полюсов на число пазов, приходящихся на полюс и фазу, в пазах магнитопровода уложены секции двух обмоток, оси которых смещены в пространстве на 90 электрических градусов, причем количество витков в одной из обмоток в √3 раз меньше, а сечение провода в √3 раз больше количества витков и сечения провода другой обмотки, при этом обмотка с меньшим количеством витков и большим сечением провода подключена к одной из фаз и нейтрали питающей сети, а обмотка с большим числом витков и меньшим сечением провода подключена к двум другим фазам.
Отличительные признаки предлагаемого устройства от прототипа: количество пазов в магнитопроводе выполнено в четыре раза большим произведения количества пар полюсов на число пазов, приходящихся на полюс и фазу; число обмоток, уложенных в пазах магнитопровода, равно двум; пространственный угол сдвига осей обмоток равен 90 электрических градусов; количество витков в одной из обмоток в √3 раз меньше, а сечение провода в √3 раз больше количества витков и сечения провода другой обмотки; обмотка с меньшим количеством витков и большим сечением провода подключена к одной из фаз и нейтрали питающей сети; обмотка с большим числом витков и меньшим сечением провода подключена к двум другим фазам. Отличительные признаки в сочетании с известными позволяют снизить расход активных материалов, уменьшить стоимость и улучшить энергетические и динамические показатели тихоходного асинхронного преобразователя энергии.
Уменьшение числа пазов и зубцов, т.е. зубцовых делений магнитопровода статора, способствует сокращению длины расточки статора, ее диаметра, диаметра ротора и высоты его ярма.
Уменьшение диаметра расточки статора позволяет при оптимальной его длине в осевом направлении увеличить отношение l/D (l - длина статора в осевом направлении, D - диаметр расточки статора), что является необходимым условием разработки преобразователей энергии с хорошими рабочими и энергетическими характеристиками.
Использование в заявляемом преобразователе двух обмоток на статоре приводит к уменьшению количества секций, длины полюсного деления и лобовых частей, что способствует снижению расхода обмоточного провода, электрических потерь и полей рассеивания. Последние два фактора благоприятно влияют на улучшение энергетических показателей преобразователя.
Изготовление ротора уменьшенного диаметра позволяет экономить электротехническую сталь и снизить величину его махового момента, а снижение высоты ярма ротора способствует росту магнитной индукции и ведет к лучшему использованию его материала. Электромеханический преобразователь, имеющий меньший маховой момент, характеризуется улучшенными динамическими показателями, что особенно важно при разработке систем электропривода различных механизмов.
Выполнение количества витков в одной из обмоток в √3 раз меньшим, а сечение провода в √3 раз большим количества витков и сечения провода другой обмотки позволяет улучшить рабочие характеристики преобразователя за счет создания кругового вращающего магнитного поля в диапазоне изменения скольжения s от 1 до 0.
Предлагаемый тихоходный асинхронный преобразователь энергии иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 схематически изображен тихоходный асинхронный преобразователь энергии.
П
На фиг.2 представлена векторная диаграмма напряжений на обмотках и их магнитодвижущих сил в режимах пуска преобразователя (скольжение S=1).
0
На фиг.3 приведена векторная диаграмма напряжений на обмотках и их магнитодвижущих сил в режиме холостого хода (скольжение S=0,01).
На фиг.4 изображена зависимость электромагнитного момента тихоходного асинхронного преобразователя от скольжения.
Результаты, представленные на фиг.2-4, получены при моделировании электромагнитных процессов в опытном образце тихоходного асинхронного преобразователя энергии.
Тихоходный асинхронный преобразователь энергии (фиг.1) содержит статор, включающий цилиндрический шихтованный магнитопровод с пазами на внутренней поверхности, в которых уложены секции обмоток 1 и 2, и ротор 3 с короткозамкнутой обмоткой. Ротор 3 установлен внутри статора с воздушным зазором по отношению к статору. На фиг.1 статор условно изображен обмотками А-Х (позиция 1), В-У (позиция 2), оси которых смещены в пространстве на 90°.
Количество пазов, выполненных на внутренней поверхности шихтованного магнитопровода статора в 4 раза больше произведения числа пар полюсов на число пазов, приходящихся на полюс и фазу. Так, например, в преобразователе с числом пар полюсов, равным 10, и числом пазов на полюс и фазу, равным 2, количество пазов магнитопровода составляет 80.
Половина общего числа пазов магнитопровода занята секциями обмотки 1, а вторая половина - секциями обмотки 2. Секции обмоток 1 и 2 уложены и соединены так, что их оси оказываются сдвинутыми в пространстве на 90 электрических градусов. Количество витков в каждой секции обмотки 1, а следовательно, и в обмотке 1 в целом, в √3 раз меньше соответственного числа витков каждой из секций и обмотки 2 в целом. Сечение провода секций обмотки 1 в √3 раз больше сечения провода секций обмотки 2.
Начало и конец обмотки 1 подключены к фазе А и нейтрали N трехфазной четырехпроводной сети переменного напряжения (фиг.1). Начало и конец обмотки 2 подключены к фазам В и С этой же питающей сети (фиг.1). Равноценными являются схемы, в которых начало и конец обмотки 1 подключены к фазе В и нейтрали N, а начало и конец обмотки 2 подключены к фазам С и А, или же начало и конец обмотки 1 подключены к фазе С и нейтрали N, а начало и конец фазы 2 подключены к фазам А и В. Все указанные схемы обеспечивают сдвиг приложенных к обмоткам 1 и 2 напряжений по фазе во времени на 90°.
Работа тихоходного асинхронного преобразователя энергии осуществляется следующим образом.
При подключении обмоток 1 и 2 к трехфазной четырехпроводной сети переменного напряжения в зазоре между статором и ротором 3 возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое при взаимодействии с индуцированными токами в короткозамкнутой обмотке ротора 3 обеспечивает создание электромагнитного момента. Ротор 3 приходит во вращение, и в установившемся режиме работы вращается с частотой, при которой электромагнитный момент преобразователя и момент нагрузки одинаковы по величине.
A
A
BC
BC
A
BC
В предлагаемом тихоходном асинхронном преобразователе энергии круговое вращающееся магнитное поле в зазоре существует во всем диапазоне скольжений от единицы до нуля. В качестве примера на фиг.2 и фиг.3 представлены векторные диаграммы напряжений и магнитодвижущих сил, соответствующих режиму пуска и режиму холостого хода. Согласно фиг.2 вектор магнитодвижущей силы F обмотки 1 отстает от вектора напряжения U на угол, величина которого определяется сопротивлениями обмоток преобразователя при скольжении, равном единице. На такой же угол отстает вектор магнитодвижущей силы F от вектора напряжения U на зажимах этой обмотки. Магнитодвижущие силы F и F равны по величине, а угол сдвига этих векторов составляет 90°.
A
A
BC
BC
Результаты, соответствующие режиму холостого хода преобразователя (фиг.3), отличаются только тем, что угол между вектором напряжения U и вектором магнитодвижущей силы F так же как и угол между вектором напряжения U и вектором магнитодвижущей силы F близок к 90°.
Зависимость электромагнитного момента от скольжения (фиг.4) имеет вид, аналогичный соответствующей характеристике асинхронных трехобмоточных преобразователей энергии.
Предлагаемое изобретение может быть использовано при проектировании и изготовлении тихоходных асинхронных преобразователей энергии мощностью до 10 кВт, необходимых для работы большого класса машин и механизмов.