Обмотка энергоэффективного асинхронного двигателя

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, конструкциям статоров машин переменного тока. Данное изобретение может быть использовано в любой промышленности, где используется электропривод, а также при создании объектов, к которым предъявляются высокие требования относительно пускового момента, КПД, уровня шумов и вибраций.
Известны однослойные схемы обмоток электрических машин с целым числом пазов на полюс и фазу (Вольдек А.И. Электрические машины, Л, 1978, с. 41б). В этих машинах статорная обмотка выполняется в виде секций из множества витков изолированного медного провода, которые соединены в звезду или треугольник. Недостатком таких обмоток являются большие потери в стали электрической машины, вызванные не синусоидальностью МДС в воздушном зазоре.
Также известны двухслойные схемы обмоток электрических машин с целым числом пазов на полюс и фазу (Вольдек А.И. Электрические машины, Л, 1978, с. 405), в которых статорная обмотка выполняется в виде секций из множества витков изолированного медного провода, уложенных в два слоя, соединенных в звезду или треугольник. Применение двухслойных обмоток позволяет выбрать более благоприятный шаг и уменьшить расход меди и изоляции и лучше допускают механизацию изготовления (И.П. Копылов, Электрические машины, Высшая школа, 2004). Недостатком таких обмоток являются большие потери в стали электрической машины, обусловленные несинусоидальностью МДС, вызванной возникающими токами высших гармоник в зубцовой зоне электрической машины.
0
0
z
Известны трехфазные асинхронные машины, в которых осуществлено подавление высших гармоник, препятствующих вращению, за счет применения статорной обмотки, выполненной составной в виде композиции из двух частей - двух независимых трехфазных обмоток, соединенных соответственно в треугольник и звезду, каждая из которых подключена к питающей сети, при этом начала одноименных фаз обеих обмоток смещены в пространстве относительно друг друга на угол сдвига α=30 эл. Градусов, и вектор магнитной индукции каждой из фаз пересекает ось магнитопровода. (RU 2507664 С2, Н02K 3/28, Н02K 17/12). Такие обмотки отличаются, прежде всего, большей удельной мощностью и повышенными энергетическими характеристиками, меньшим уровнем шумов и вибрации. При перегрузке АД с совмещенной обмоткой уменьшается частота вращения вала, но при этом ток практически не растет. При падении напряжения в цепи двигатель продолжает экономично работать не перегреваясь, но с меньшими оборотами. После восстановления напряжения питания до номинального уровня данный аналог автоматически самозапускается и выходит на установленный режим работы. При недогрузке коэффициент мощности обычного двигателя резко падает, попадая в область низких значений, а при перегрузке частота вращения вала уменьшается незначительно, ток резко растет и двигатель перегревается. На данном аналоге при недогрузке коэффициент мощности падает плавно, оставаясь в области высоких значений, за счет чего такой электродвигатель работает очень экономично. КПД обычного двигателя резко падает при понижении напряжения питания, а на данных двигателях КПД снижается плавно, сохраняя высокие показатели даже при значительных падениях напряжения (30% и более). Недостатком таких совмещенных обмоток является невозможность изготовления обмоток с соотношением угла сдвига α=30 эл. градусов и пазового угла α=2πp/z, равным дробному числу, где р - число пар полюсов, z - число пазов.
Известна обмотка, в которой частично решена данная проблема, а именно в патенте RU 2538266 С2, Н02K 17/14, Н02K З/28 10.01.2015 «СОВМЕЩЕННАЯ ОБМОТКА АСИНРОННОЙ МАШИНЫ ДЛЯ 2p=4, z=36». У данной совмещенной обмотки только 12 пазов из 36 имеют двухслойную обмотку при соотношении чисел витков треугольника и звезды, равном .
Прототипом выбрана машина электрическая вращающаяся, статорная обмотка которой (RU 111723 U1, Н02K 3/28, Н02K 17/14, 21.12.2011) также содержит составную обмотку, обе трехфазные части которой (обмотки «треугольника» и «звезды») сравнимы по мощности, но занимают разное число пазов. Катушки обмотки «звезда» занимают 2 слоя в пазу и размещаются равносекционно, а обмотка «треугольника» имеет больший шаг обмотки и наматывается концентрическим способом. Такая обмотка получается трехслойной и укладывается во все пазы в расточке статора. Недостатками данного прототипа является значительная трудоемкость, т.к. для намотки равносекционной и концентрической обмотки нужно иметь 4 шаблона для намотки (1 для обмотки «звезда» и 3 для обмотки «треугольник»), возрастает расход изоляционных материалов, лобовые части концентрических обмоток получаются длиннее, чем у двухслойных равносекционных обмоток, что ведет к увеличению расхода меди. Также АД с данной обмоткой имеют большие токи холостого хода. Также к недостаткам концентрических обмоток относится то, что за счет укорочения шага намотки не происходит подавления ЭДС высших гармоник (Вольдек А.И. Электрические машины, Л, 1978, с. 419).
0
z
0
z
Техническим результатом является увеличение технологичности, уменьшения трудоемкости работ по изготовлению и укладке статорных обмоток в процессе модернизации существующего парка асинхронных машин, у которых соотношение угла сдвига α=30 эл. град. и пазового угла α не равно целому числу (α/α*k, где k - любое целое число).
тр
тр
зв
зв
0
z
0
Достигается это тем, что обмотка асинхронного двигателя выполняется двухслойной, состоит из двух обмоток, соединенных соответственно в «треугольник» и «звезду» при соотношении чисел витков в катушке «треугольника» и «звезды», равном , при этом число секций в катушке «треугольника» n, выполняется меньше на единицу, чем в катушках «звезды» (n= n-1, n - число секций в катушке «звезды»). Это позволяет при соотношении α/α≠k, где k - любое целое число, обеспечить значение угла сдвига α=30 эл. град. между результирующими векторами магнитной индукции магнитных потоков катушек в рабочем воздушном зазоре (Фиг. 1). Даная обмотка может иметь число параллельных ветвей а=1 (Фиг. 2), а=2 (Фиг. 3).
Принцип работы полезной модели тот же, что и у обычного асинхронного двигателя и аналогов.
Примеры использования полезной модели.
2
Статорные обмотки стандартных асинхронного трехфазного двигателя BA-160-S4, Р=15 кВт, синхронная частота 1500 об/мин, с Zl=36, 2р=4, а=1 были перемотаны в соответствии со схемой, представленной на фиг. 2, каждая из фазных обмоток объединяет в себе две части - звезду и треугольник. Двигатель был испытан в режиме прямого включения и совместно с преобразователем частоты, при этом обеспечивали равномерное вращение при частоте питающей трехфазной сети в диапазонах от 0,5 до 50 Гц.
Таким образом, полезная модель в техническом и функциональном отношении приобрела новые качества и может быть использована, например, в установках механизированной добычи нефти («станки-качалки»), в метрополитене, жилищно- коммунальном хозяйстве и различных отраслях промышленности.
Источники информации
1. И.П. Копылов, Электрические машины 4-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2004.
2. Проектирование электрических машин. Под ред. И.П. Копылова. М., Энергия, 1980.
3. Вольдек А.И. Электрические машины, Л., 1978.