СОВМЕЩЁННАЯ ОБМОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ ЭЛЕКТРОМАШИНЫ Российский патент 2022 года по МПК H02K3/28 

Изобретение относится к электротехнике. Оно может быть использовано для изготовления малошумных энергоэффективных асинхронных и синхронных электрических машин, а также в процессе модернизации существующего парка машин электрических вращающихся, например, электродвигателей с целью улучшения их эксплуатационных характеристик, а также повышения класса энергоэффективности (класса КПД) на 1-3 пункта по коду IE в соответствии со стандартом ГОСТ IEC 60034-30-1-2016 Машины электрические вращающиеся. Часть 30-1. Классы КПД двигателей переменного тока, работающих от сети (код IE).

Известен принцип формирования так называемой совмещенной обмотки (СО) электромашины, обеспечивающей повышенные надежность, энергоэффективность и моментные характеристики, пониженные акустические шумы, превышение температуры обмоток и вибрацию (US Patent 1,267,232, US Patent 5,559,385, RU 109934, 111723, 113090, 132271, 2528179, 2538266, 2562795 и 2568646).

Эта обмотка состоит из двух взаимозависимых трехфазных обмоток, соединенных одна в треугольник, другая - в звезду при соотношении количества их витков, равном причем на каждую фазу приходится равное число пазов, в которые фазные катушки уложены так, что результирующие векторы магнитной индукции катушек каждой из двух соседних фаз (то есть создаваемых следующими друг за другом по окружности статора парами фазных катушек) образуют между собой угол в 30 эл. градусов. При этом выводы одноименных фаз звезды и треугольника соединены между собой и образуют точки подключения СО к питающей трехфазной сети, образуя шестифазную обмотку, - аналог и прототип.

Условия, при которых достигаются высокие эксплуатационные характеристики (RU 111724) применения СО (по сравнению с обмотками типа треугольник или звезда), указанные в аналогах и прототипе, являются необходимыми, но не достаточными. Это показывает практика использования СО при ремонте серийно изготовленных асинхронных двигателей: треугольник и звезда в составе СО выполняются проводами разного диаметра поперечного сечения, часто от разных производителей и с отличающимися допусками на заявленные производителем параметры проводов, имеются также особенности соединения и укладки в пазы статора проводов разного поперечного сечения и прочими возможными различиями. При этом может нарушаться единообразие электрических параметров, характеризующих каждую из катушек треугольника и катушек звезды непосредственно в составе СО, например, их активных сопротивлений, соответственно, R_d и R_s, которые в идеальном случае должны стремиться к выполнению соотношения R_d=3R_s. Величины последних, особенно при низких частотах, например, при пуске двигателя, заметно влияют на полное электрическое сопротивление (импеданс) соответствующих частей электрической цепи обмотки, вызывая при «разбалансировке» указанного соотношения сопротивлений нежелательные фазовые сдвиги токов в катушках, которые формируют рабочее магнитное поле, определяющее магнитодвижущую силу, и, соответственно, определяют величину и направление векторов магнитной индукции. Отсутствие учета этих факторов при выполнении СО на практике является недостатком аналогов и прототипа.

Задачей технического решения является улучшение технологии ремонта (капитальный ремонт путем замены обмоток) и изготовления энергоэффективных асинхронных и синхронных машин и обеспечение достижения ими улучшенных эксплуатационных характеристик, в частности, достижение относительно высоких значений КПД и соответствия высоким классам энергоэффективности при использовании СО, сравнимых и превышающих характеристики лучших зарубежных аналогов.

Достигается это тем, что СО энергоэффективной машины строится следующим образом. СО состоит из двух взаимозависимых трехфазных частей обмотки, соединенных одна в треугольник, другая - в звезду при соотношении количества их витков, равном На каждую фазу приходится равное число пазов. Фазные катушки уложены в эти пазы так, что создаваемые близлежащими парами катушек треугольника, каждая с активным сопротивлением R_d, и катушек звезды, каждая с активным сопротивлением R_s, результирующие векторы магнитной индукции образуют между собой угол в 30 эл. градусов. Выводы одноименных фаз звезды и треугольника соединены между собой, образуя точки подключения обмотки к питающей трехфазной сети, отличающаяся тем, что измеренные при одинаковых условиях величины R_d и R_s катушек в составе СО удовлетворяют соотношению: R_d=3R_s.

Примеры реализации технического решения

Испытаниям были подвергнуты двигатели общего назначения с 6 полюсами габаритов 90 и 100, мощностью 1,5 и 2,2 кВт соответственно, выполненные на базе серийных двигателей (двигателей-доноров) АДМ90L6У2 и АДМ100L6У2 путем замены штатных статорных обмоток на совмещенные. В данных двигателях реализованы разные схемы СО, выполненные с учетом требований настоящего технического решения. Испытания выполнялись в специализированной испытательной лаборатории ООО «СовЭлМаш» по идентичной программе в нормальных климатических условиях.

Контрольными объектами для сравнения и выявления эффекта модернизации были выбраны асинхронные двигатели заводского исполнения типов АДМ90L6У2 и АДМ100L6У2, не подвергавшиеся изменениям, также испытанные в лаборатории ООО «СовЭлМаш». Результаты испытаний двигателей с СО и двигателей заводского исполнения сравнивались между собой для проверки эффективности технического решения, в частности, для проверки эффектов повышения КПД в номинальных условиях и повышения класса энергоэффективности.

Для проверки эффективности технического решения определялись следующие характеристики:

1) КПД при номинальной нагрузке в режиме продолжительной работы S1;

2) класс КПД, которому соответствует испытываемый двигатель.

Для проверки по п. 2 использовались стандарты ГОСТ IEC 60034-30-1-2016, определяющий нормативные значения КПД для классов энергоэффективности (классам КПД) двигателей переменного тока, работающих от сети, и таблицы 2 п. 12 ГОСТ IEC 60034-1-2014, в которой определены допустимые отклонения показателей. Для двигателей мощностью до 150 кВт отклонение должно находиться в пределах минус 15%, т.е., должно выполняться следующее требование:

где η_N - измеренное значение КПД, η_n - нормативное значение КПД, η_n>η_N.

Полученные результаты представлены в таблицах 1 и 2.

Дополнительно для двигателей с совмещенными обмотками было определено, насколько результаты определения КПД превосходят допуски для класса КПД IE2, предшествующего классу IE3.

1) Проверка двигателя С1АД90L6еУ2 для класса IE2:

2) Проверка двигателя С2АД90L6еУ2 для класса IE2:

3) Проверка двигателя С1АД100L6еУ2 для класса IE2:

4) Проверка двигателя С2АД100b6еL2 для класса IE2:

Т.е., достигая соответствия классу IE3 с допуском, данные двигатели также существенно превосходят требования класса IE2.

5) Для двигателя С2АД100L6еУ2 (другая схема) была проведена проверка для класса IE3, т.к. КПД этого двигателя в номинальных условиях превосходит нормативный КПД класса IE3 для двигателей с данными характеристиками:

Т.о., испытанные двигатели с СО, выполненные на базе двигателей АДМ90L6У2, продемонстрировали повышение класса энергоэффективности на две позиции относительно двигателя заводского исполнения, а двигатели с СО, выполненные на базе двигателей АДМ100bLУ2, - на одну. Дальнейшая разработка схем СО и электрических машин, реализующих техническое решение, позволит получать также более значительные преимущества.

Представленные примеры реализации технического решения демонстрируют результат в части достижения возможности улучшения характеристик асинхронных двигателей, а именно, повышение КПД и достижение соответствия более высоким классам энергоэффективности по стандарту ГОСТ IEC-60034-30-1-2016.

Источники информации

1. ГОСТ IEC 60034-30-1-2016 Машины электрические вращающиеся. Часть 30-1. Классы КПД двигателей переменного тока, работающих от сети (код IE).

2. US Patent 1,267,232 Motor winding.

3. US Patent 5,559,385 Stator of AC electric machine.

4. Патент RU 109934 Машина асинхронная вращающаяся.

5. Патент RU 111723 Обмотка асинхронного двигателя.

6. Патент RU 113090 Машина асинхронная вращающаяся с совмещенной обмоткой.

7. Патент RU 132271 Однослойная совмещенная обмотка электрической машины для z₁=24.

8. Патент RU 2528179 Совмещенная обмотка асинхронной машины для 2р=2, z=18.

9. Патент RU 2538266 Совмещенная обмотка асинхронной машины для 2р=4, z=36.

10. Патент RU 2562795 Обмотка двухполюсной трехфазной электромашины для z=18.

11. Патент RU 2568646 Совмещенная обмотка асинхронной машины для 2р=12, z=36.

13. ГОСТ IEC 60034-1-2014 Машины электрические вращающиеся. Часть 1. Номинальные значения параметров и эксплуатационные характеристики.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления малошумных энергоэффективных асинхронных и синхронных электрических машин. Технический результат – улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик. Совмещенная обмотка энергоэффективной электромашины включает две взаимозависимые трехфазные части обмотки, соединенные одна в треугольник, другая в звезду, при соотношении количества их витков, равном . На каждую фазу приходится равное число пазов, в которые фазные катушки уложены так, что создаваемые близлежащими парами фазных катушек треугольника, каждая с активным сопротивлением R_d, и катушек звезды, каждая с активным сопротивлением R_s. Результирующие векторы магнитной индукции катушек каждой из двух соседних фаз образуют между собой угол в 30 эл. градусов. Выводы одноименных фаз звезды и треугольника соединены между собой, образуя точки подключения обмотки к питающей трехфазной сети. Отличие изобретения в том, что измеренные при одинаковых условиях величины активных сопротивлений катушек треугольника и катушек звезды, соответственно R_d и R_s, удовлетворяют соотношению R_d=3R_s. 2 табл.

Совмещенная обмотка энергоэффективной электромашины, включающая две взаимозависимые трехфазные части обмотки, соединенные одна в треугольник, другая - в звезду, при соотношении количества их витков, равном , причем на каждую фазу приходится равное число пазов, в которые фазные катушки уложены так, что создаваемые близлежащими парами фазных катушек треугольника, каждая с активным сопротивлением R_d, и катушек звезды, каждая с активным сопротивлением R_s, результирующие векторы магнитной индукции образуют между собой угол в 30 эл. градусов, при этом выводы одноименных фаз звезды и треугольника соединены между собой, образуя точки подключения обмотки к питающей трехфазной сети, отличающаяся тем, что измеренные при одинаковых условиях величины R_d и R_s удовлетворяют соотношению: R_d=3R_s.