ТРЕХФАЗНАЯ ПОЛЮСОПЕРЕКЛЮЧАЕМАЯ ОБМОТКА С ОТНОШЕНИЕМ ЧИСЕЛ ПАР ПОЛЮСОВ P:P= 1:2 Российский патент 1994 года по МПК H02K17/14 

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано для создания трехфазных двухскоростных короткозамкнутых асинхронных двигателей с отношением чисел пар полюсов Р₁: P₂ = 1: 2 и одной статорной обмоткой, предназначенных для привода механизмов с постоянным нагрузочным моментом ил с вентиляторной нагрузкой, в том числе станков, подъемных механизмов, колесных пар электроподвижного состава, компрессоров, вентиляторов, центробежных насосов и т. д.

Известна трехфазная полюсопереключаемая обмотка (ППО) с отношением чисел пар полюсов Р₁/P₂ = 1/2, двухслойная с целым числом катушек на фазную зону при обоих числах пар полюсов, соединенная по схеме Y²/Y, состоящая из одинаковых катушек с шагом Y = τ₂, образующих 6 частей, в которой изменение числа пар полюсов достигается реверсом полуфаз, т. е. изменением направления токов на противоположное в половине катушечных групп каждой фазы при сохранении направления токов остальных катушечных группах, без изменения состава фаз.

При включении обмотки на большее число пар полюсов (Р_i = Р₂) обмотка [1] образует в расточке статора двигателя 3 сплошные фазные зоны шириной 120 эл. градусов, а при включении на меньшее число пар полюсов (Р_i = P₁) - 6 сплошных фаз шириной 60 эл. градусов на каждую пару полюсов.

Для переключения числа пар полюсов обмотки [1] используются два коммутационных аппарата: трехполюсный переключатель и трехполюсный включатель. Обмотка снабжена 6 выводами на схему управления.

В частности, такие обмотки используются в двухскоростных однообмоточных двигателях с Р₁/Р₂ = 1/2, а также в двух- обмоточных многоскоростных асинхронных двигателях серий А2, 4А и АИ.

Недостатком этой обмотки является сравнительно невысокое использование двигателей в приводах с постоянным моментом: допустимый электромагнитный момент двухскоростных двигателей с такой обмоткой составляет 68% от момента односкоростного двигателя с большим числом пар полюсов (Р_i = H₂).

По принципу управления числом пар полюсов (реверс полуфаз) известная обмотка [1] наиболее близка к изобретению и принята в качестве прототипа.

Известна трехфазная полюсопереключаемая обмотка с числом пар полюсов Р₁/P₂ = 1/2, состоящая из 9 одинаковых частей, соединенных при обоих числах пар полюсов в звезду с тремя параллельными ветвями в каждой фазе, т. е. по схеме Y³/Y³. Обмотка двухслойная, дробная при P_i = P₂, выполняется из катушек с двумя различными числами витков, образующих 21 катушечную группу, и снабжена 6 выводами из нулевых точек. Управление числом пар полюсов обмотки производится путем переключения питания с зажимов одной полюсности на зажимы другой полюсности с помощью одного трехполюсного переключателя.

Обмотка [2] имеет следующие недостатки.

Несимметрия параллельных ветвей (ПВ) вызывает появление уравнительных токов в них. Этот недостаток характерен для всех известных ППО со схемой Y³/Y³ (см. Sequenz H. Wicklungen Electrische Mwrchinen - Wien, Springer, 1960). В обмотке [2] , несмотря на применение катушек с различным числом витков, возникает небаланс ЭДС параллельных ветвей, наибольшее значение которой ( ΔЕ_пв*) составляет ΔЕ_пв* = 0,036 = 3,61% . В результате этого по параллельным ветвям протекает уравнительный ток I_ур* = ΔЕ_пв*Y_к*, где Y_к* - кратность начального пускового тока. Этот ток, накладываясь на ток нагрузки двигателя, вызывает увеличение тока параллельных ветвей и снижение допустимой нагрузки в К_ур = 1/I_пв* раз.

Считая ток чисто реактивным, определяют результирующий ток ПВ:
I*П

_В= I*н+I1+I*у_pcos+jI*у_рsinϕ₁. Откуда находят
I*П_В=
Берут для примера cos ϕ ₁ = 0,85 и Y*к= = 5, тогда при ΔЕ*п_в = 0,035 получают I_у*р = 0,18; I*п_в = 1,14; К_ур = 1/I*п_в = 0,88.

Для сохранения плотности тока в обмотке в допустимых пределах необходимо уменьшить ток нагрузки двигателя с обмоткой [2] на 12% .

Наличие низшей пространственной гармоники МДС ( ν= 1/2) со значительной амплитудой (F*ν

= 0,55) при P_i = P₂ вызывает дополнительные потери и снижение КПД двигателя.

Недостатком известной обмотки также является усложненное изготовления из-за использования различных катушек.

Известна трехфазная трехскоростная полюсопереключаемая обмотка с отношением чисел пар полюсов Р₁: P₂: P₃ = 1: 2: 4 [3] , часть которой, относящаяся к Р_i = 1,2, может быть использована двухскоростной ППС с отношением чисел пар полюсов Р₁: P₂ = 1: 2.

Двухскоростная полюсопереключаемая обмотка [3] с отношением чисел пар полюсов Р₁: P₂ = 1: 2 имеет целое число катушек на фазную зону шириной 60 мл. градусов при обоих числах пар полюсов, состоит из одинаковых катушек с шагом Y = 2 τ₁ β , образующих 12 катушечных групп по S рядом лежащих последовательно согласно включенных катушек, соединенных в 3 одинаковые части с 4 выводами от каждой части. Фазы обмотки соединены в двойной треугольник при меньшем числе пар полюсов (Р_i = P₁) и в двойную звезду при большем числе пар полюсов (Р_i = 2), т. е. по схеме D²/Y². Переключение числа пар полюсов обмотки производится тремя коммутационными аппаратами с 13 парами контактов, при этом переключение выполняется комбинированным способом - изменением направления тока в половине катушечных групп с одновременным переключением их из одной фазы в другую.

Благодаря использованию шестизонного распределения при обоих числах пар полюсов и шага Y = 2τ ₁/3 обмотка имеет более высокое значение обмоточного коэффициента К_об1 при Р_i = 1 и обеспечивает лучшие энергетические характеристики двухскоростного асинхронного двигателя, чем обмотка [1] .

Недостатком обмотки [3] является сравнительно невысокое использование магнитной системы двигателя из-за принятой схемы соединения фаз (D²/Y²), в результате чего минимальное значение момента двигателя с такой обмоткой составляет 75% от момента односкоростного двигателя с Р = Р₁.

Целью изобретения является улучшение энергетических характеристик двухскоростных асинхронных короткозамкнутых двигателей с Р₁: P₂ + 1: 2, предназначенных для привода механизмов с постоянным нагрузочным моментом и с вентиляторной нагрузкой.

Для достижения поставленной цели предложена трехфазная полюсопереключаемая обмотка с отношением чисел пар полюсов Р₁: P₂ = 1: 2, двухслойная, соединен- ная по схеме звезда, с целым числом катушек на фазную зону, состоящая из одинаковых равномерно распределенных катушек, образующих катушечные группы из S рядом лежащих последовательно согласно включенных катушек (S = 1,2,3. . . ); каждая фаза обмотки имеет 4 части, состоящие из Р₁ последовательно согласно включенных катушечных групп, которые при большем числе пар полюсов включены последовательно, причем первые две части включены согласно, две другие встречно по отношению к первым двум, а при меньшем числе пар полюсов две первые и две вторые части каждой фазы попарно объединены в две встречно включенные параллельные ветви, а объединенная первая пара частей каждой фазы включена последовательно со второй объединенной парой частей соседней слева фазы.

На фиг. 1 изображена электрическая схема предлагаемой обмотки с Р₁ = 1 и S = 1; на фиг. 2 - некоторые диаграммы катушечных ЭДС; на фиг. 3 - схема-развертка обмотки с Y = 2 τ₁/3; на фиг. 4 - схема соединения частей той же обмотки при Р₂ = 2 и Р₁ = 1.

На фиг. 1 и 4 через А1-А4, В1-В4, С1-С4 обозначены 12 частей обмотки, а в скобках указаны номера катушечных групп, входящих в состав соответствующих частей.

При Р₁ = 1 в каждую часть входит только одна катушечная группа, а в общем случае при Р₁ > 1 в часть входят Р₁ катушечных групп, номера которых отличаются на 12. Через П1 на фиг. 1 обозначен трехполюсный переключатель, через П2 - двухполюсный переключатель и через Вх1 и Вх2 - трехполюсные выключатели, используемые для управления числом пар полюсов.

При указанном на фиг. 1 исходном положении выключателей и переключателей схема подготовлена для включения обмотки на большее число пар полюсов (Р_i = P₂), а включение производится подачей трехфазного напряжения на входные концы обмотки, обозначенные А, В, С. Стрелки внизу переключателей и включателей указывают направление перемещения их подвижных контактов при переключении обмотки на меньшее число пар полюсов (P_i = P₁).

Цифрами 1-12 на фиг. 2 обозначены номера катушек, к которым относятся соответствующие векторы ЭДС для обмотки с S = 1, Р₁ = 1, Z = 12Р₁ S = 12. Так как при S = 1 номера катушек совпадают с номерами катушечных групп, то цифры 1-12 на фиг. 2 одновременно обозначают и номера катушечных групп. Одним, двумя и тремя штрихами обозначены векторы ЭДС катушек, которые включены согласно в схемы фаз А, В, С соответственно, а буквами П, Т и Ш обозначены векторы ЭДС-катушек, включенных в схемы фаз В, В, С встречно, т. е. обходятся от конца к началу. На фиг. 3 12-12 обозначены номера катушек, которые при S = 1 совпадают с номерами КГ, через НА1, КА1, СА1 обозначены начало части А1, конец части А1 и точка соединения частей А1 и А2 соответственно, через НА2, КА2, СА2 обозначены начало части А3, конец части А4 и точка соединения частей А3 и А4; выводы от частей В1: В4 и С1: С4 обозначены аналогично.

На фиг. 4 показаны схемы соединения частей в фазах при большем (P_i = P₂) и меньшем (P_i = P₂) числах пар полюсов. Из фиг. 4, а видно, что при большем числе пар полюсов в каждую фазу включены последовательно четыре одноименные части, причем первые две части включены согласно, а третья и четвертая части - встречно частям 1 и 2. Фазы соединяются в звезду с одной параллельной ветвью в каждой фазе. При меньшем числе пар полюсов (фиг. 4, б) направление тока в четных частях каждой фазы изменяется на противоположное, четные части включаются параллельно встречно частям с номерами на единицу меньше, при этом первые пары объединенных частей каждой фазы включаются последовательно со второй объединенной парой частей соседней слева фазы. В результаты параллельно встречно включенные части А3 и А4 переключаются в фазу С, части В3 и В4 - в фазу А и части СИ3и и С4 - в фазу В. При этом фазы соединяются в звезду с двумя параллельными ветвями в фазе. Для сохранения направления вращения двигателя фазы В и С меняются местами, для чего служит переключатель 12.

Из фиг. 2 видно, что предлагаемая обмотка является симметричной, имеет целое число катушек на фазную зону и потому не создает низших пространственных гармоник МДС. В отличие от прототипа [1] предлагаемая обмотка является шестизонной с фазными зонами шириной 6, эл. градусов при обоих числах пар полюсов и не создает четных высших гармоник МДС при любом шаге. Это позволяет выбрать более выгодное значение шага Y = 2 τ₁/3, вместо Y = = τ₂ у прототипа [1] .

Полученное на основании фиг. 2 распределение катушечных групп по фазам при различных числах пар полюсов приведено в табл. 1.

Знак минус перед номером катушечной группы означает, что она включена встречным катушечным группам с положительным знаком. Представленная на фиг. 1 принципиальная электрическая схема при установке переключателей и выключателей в соответствующие положения реализует распределение катушечных групп по фазам, приведенное на фиг. 2 и в табл. 1, при этом фазы обмотки соединяются в звезду с двумя параллельными ветвями в каждой фазе при меньшем числе пар полюсов (Р_i = P₁) и в звезду с одной параллельной ветвью - при большем числе пар полюсов (Р_i = Р₂), т. е. по схеме Y²/Y, как это показано на фиг. 4.

Предлагаемая обмотка работает следующим образом (см. фиг. 1, 2 и 4). При подаче трехфазного напряжения на входные зажимы обмотки А, В, С и показанном на фиг. 1 исходном положении переключателей и выключателей катушечные группы распределяются по фазам согласно фиг. 2, б, при этом обмотка создает в воздушном зазоре асинхронного двигателя магнитное поле с периодом 2 τ₂ = πD_a/P₂ = π D/2, первая пространственная гармоника которого вращается с угловой скоростью n₁₍₂₎ = 60f₁/P₂ = = 60˙50/2 = 3000/2 = 1500 об/мин, где f₁ = = 50 Гц - частота сети.

При переключении переключателей П1 и П2 в нижнее по фиг. 1 положение и включении выключателей Вк1 и Вк2 катушечные группы распределяются по фазам согласно фиг. 2, а, в результате чего в воздушном зазоре возникает магнитное поле с периодом 2 τ1 = 60f₁/P₁, первая гармоника которого вращается с угловой скоростью n₁₍₁₎ = = 60˙50/1 = 3000 об/мин в том же направлении.

Таким образом предлагаемая обмотка обеспечивает ступенчатое регулирование угловой скорости магнитного поля в отношении: n₂: n₁ = 1: 2 и, как показано ниже, улучшение энергетических характеристик двухскоростных асинхронных двигателей. Сравнение полюсопереключаемых обмоток производится по энергетическим свойствам асинхронных двигателей со сравниваемыми обмотками, фильтрующим свойствам обмоток, сложности схем управления и сложности изготовления.

Энергетические характеристики оцениваются с помощью формул:
M*i

= M_i/M_Б= B*δ_max·Koδ₁; P*n_pi= P_npi/P_Б= M*iP_max/P_i, где MБ = BD_a·lZ₁Qn·KcosΨ₂; Bδ*m_ax= Bδ_max/Bδ_доп B_δдоп, I_доп - допустимые значения индукции в воздушном зазоре и плотности тока в проводах статорной обмотки двигателя.

За базисные значения электромагнитного момента двигателя Мб и преобразованной мощности (P_б= M_б·Ω_min= M_бω₁/P_max, ω₁= 2πf ) принимаются значения момента и мощности односкоростного двигателя с наибольшим числом пар полюсов (P_i = P_max) при B_δmax= B_δдоп; I= I_доп и К_об1 = 1.

Фильтрующие свойства обмоток зависят от наличия паразитных гармоник низших ( ν < 1) и высших (ν > 1); численно фильтрующие свойства оцениваются значением коэффициента дифференциального рассеяния К_д. Сложность схемы управления оценивается числами коммутационных аппаратов, контактных пар и выводов обмотки на схему управления. Сложность изготовления оценивается числом различных типов катушек. Результаты расчетов приведены в табл. 2, причем значения М* и Р_пр* для обмотки [2] приведены без учета добавочных потерь от несимметрии ПВ (К_ур = 0,88) и от низшей гармоники МДС.

Из данных табл. 2 видно, что предлагаемая обмотка имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом и другими известными обмотками с Р₁: P₂ = 1: 2:
более высокое использование двигателя при работе в приводах с постоянным моментом или вентиляторной нагрузкой; допустимое значение момента (М*) у двигателей с предлагаемой обмоткой при Р₁ = 1 составляет М* = 0,8365, что на 22,5% больше, чем у двигателей с обмоткой-прототипом [1] со схемой Y²/Y, и на 11,4% больше, чем у двигателя с обмоткой-аналогом [3] ;
более высокое значение обмоточного коэффициента и, следовательно, более высокое значение коэффициента мощности (cos ϕ₁) асинхронного двигателя по сравнению с двигателями с обмоткам [1] и [2] . Из данных табл. 2 видно, что улучшение энергетических характеристик двухскоростных асинхронных двигателей сопровождается некоторым усложнением схемы управления. Наиболее простую схему управления имеет аналог [2] , который одновременно имеет самые плохие энергетические характеристики и фильтрующие свойства. Затем по уровню энергетических характеристик следует прототип [1] , аналог [3] и предлагаемая обмотка, при этом монотонно растет и сложность схемы управления. Схема управления предлагаемой обмотки содержит 4 коммутационных аппарата с 16 парами контактов, что является ее недостатком. Отсюда следует, что предлагаемая обмотка имеет заметное преимущество перед прототипом в асинхронных приводах большой мощности. (56) Радин В. И. и др. Электрические машины. Асинхронные машины. М. : Высшая школа, 1988, с. 163, рис. 6-19а, б.

Авторское свидетельство СССР N 1577000, кл. Н 02 К 17/14, 1990.

Авторское свидетельство СССР N 1690101, кл. Н 02 К 17/14, 1991.

Использование: электромашиностроение, трехфазные двухскоростные асинхронные электродвигатели. Сущность изобретения: трехфазная полюсопереключаемая обмотка с отношением числа пар полюсов P₁:P₂= 1:2 соединена по схеме звезда и состоит из одинаковых катушек. Катушки объединены в катушечные группы. Число катушек на фазную зону - целое число. Каждая фаза состоит из четырех частей. При большем числе полюсов части соединены последовательно. Первые две части включены согласно, две другие - встречно по отношению к первым двум. При меньшем числе пар полюсов две первые и две вторые части каждой фазы включены попарно-параллельно и встречно. Объединенные первые части каждой фазы соединены последовательно с объединенными вторыми частями каждой соседней фазы. 4 ил. , 2 табл.

ТРЕХФАЗНАЯ ПОЛЮСОПЕРЕКЛЮЧАЕМАЯ ОБМОТКА С ОТНОШЕНИЕМ ЧИСЕЛ ПАР ПОЛЮСОВ P₁: P₂= 1: 2, соединенная по схеме "звезда", с целым числом катушек на фазную зону, состоящая из одинаковых равномерно распределенных катушек, образующих катушечные группы, отличающаяся тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик двускоростных асинхронных двигателей, каждая фаза обмотки имеет четыре части, которые при большем числе пар полюсов соединены последовательно, причем первые две части включены согласно, две другие - встречно по отношению к первым двум, а при меньшем числе пар полюсов две первые и две вторые части каждой фазы попарно объединены в две встречно включенные параллельные ветви, а объединенные две первые части каждой фазы включены последовательно с двумя объединенными вторыми частями каждой соседней фазы.