Трехфазная полюсопереключаемая обмотка электрической машины переменного тока на 4 и 6 полюсов Советский патент 1984 года по МПК H02K17/14 H02K3/28 

няют первый верхний и второй нижний, тий верхний и первый нижний выводы, второй верхний и третий нижний, тре- где S - натуральное число.

1105984

ТРЕХФАЗНАЯ ПОЛЮСОПЕРЕКЛЮЧАЕМАЯ ОБМОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАИИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ЯА 4 И 6 ПОЛЮСОВ с целым числом пазов на фазную зону шириной 2 J /3 электрических радиан, содержащая одинаковые, равномерно распределенные катушки, соединенные в звезду, переключаемая с одного числа полюсов на другое с по мощью трехфазного переключателя, который имеет три группы выводов по три вывода в каждой группе - верхний, средний и нижний, и замыкает в каждой группе одну цепь - между средним и верхним или между средним и нижним выводами, отличающаяся тем, что, с целью увеличения мощности и улучшения энергетических характеристик, обмотка вьшолнена из восемнадцати одинаков катушечных групп, содержащих по S последовательно-согласно включенных ,катушек, лежащих в соседних пазах, и разделена на девять равных частей, каждая из которых содержит две последовательно-согласно включенные катушечные группы с номерами: 1 и 2 в первой части-, 4 и 15 - во второй части; 17 и 18 - в третьей части, 3 и 10 - в четвертой части, 5 и 6 в пятой частиJ 7 и 8 - в шестой час-, ти; 11 и 12 - в седьмой части; 13 и 14 - в восьмой части, 9 и 16 - в девятой части, причем начала первой, второй и третьей частей соединены с внешними вьгеодами обмотки, концы седьмой, восьмой и девятой частей (Л соединены между собой, концы первой второй и третьей частей соединены с соответственно с первым, вторым и третьим верхними вывода О1 переключателя, начала четвертой, пятой и шестой частей соединены соответственно с первым, вторым и третьим среднио ми выводами переключателя, обмотка СП снабжена вторым трехфазным переклюсо эо чателем, причем концы четвертой, пятой и шестой частей обмотки сое« динены с первым, вторым и третьим средними вьшодами второго переключателя, начала седьмой, восьмой и девятой частей соединены соответственно с первым,, вторым и третьим верхними выводами второго переключателя, кроме того, первый переключатель снабжен перемычками, которые соединяют первый нижний и второй верхний, второй нижний и третий верхний, третий нижний и первый верхний выводы, второй переключатель снабжен перемычками, которые соеди

Изобретение относится к электрическим машинам и может найти применение в асинхронных короткозамкнутых электродвигателях со ступенчатым регулированием частоты вращения путем переключения числа полюсов статорной обмотки, а также на железнодорожном транспорте в асинхронных электродвигателях привода эскалаторов метрополитена и в асинхронных двигателях привода вентиляторов , и насосов на электровозах и в различных областях народного хозяйства.

Известна полюсопереключаемая обмотка на 4 и 6 полюсов, выполненная двухслойной из катушек с 3 различными числами витков и соединенная в звезду с одной параллельной ветвью в каждой фазе. Переключение числа полюсов обмотки производится с помощью двух коммутационных аппаратов: трехполюсного переключателя и трехполюсного выключателя. Обмотка является целой, т.е. имеет целое число катушек на фазную зону и, в отличие от дробных обмоток, не создает низших пространственных гармоник МДС, оказывающих вредное влияние на работу асинхронных-двигателей 11

Недостатками указанной обмотки являются неполная симметрия обмотки при четырехпОлюсном включении, что вызь1вает появление обратного поля и ухудшение характеристик асинхронного двигателя, сравнительная сложность изготовления из-за использования катшек с различным числом витков, а так же малое значение о.бмоточного коэффициента распределения для основной гармоники поля при четырехполюсном включении (Кр - 0,626), что вызывает уменьшение мощности двигателя, увеличение тока холостого хода и ухудшение энергетических характеристик (снижение КПД и коэффициента мощности).

Известна также полюсопереключаемая обмотка на 4 и 6 полюсов, являющаяся целой и соединенной в звезду с тремя параллельными ветвями при каждом включении (при 2р 4 и 2р 6), вьтолненная из катушек с различным числом витков и имеющая 6 выводов. Переключение числа полюсов обмотки производится с помощью одного трехполюсного переключателя 2.

Однако при четырехполюсном включении вращающееся магнитное поле индуктирует в параллельных ветвях различные ЭДС, что вызывает протекание внутри каждой фазы значительных уравнительных токов. Разность ЗДС первой и третьей параллельных ветвей для варианта 1 обмотки составляет 9,2% от номинального значения фазной ЭДС, а уравнительные токи могут достигать значений

0,9 - 1,3 .

В других четырех вариантах обмотки уравнительные токи меньше, чем у варианта 1, но при этом обмотка при 2р 4 становится несимметричной, что вызывает ухудшение характеристик асинхронного двигателя.

Известна полюсопереключаемая обмотка на 4 и 6 полюсов, двухслойная, целая, выполненная из одинаковых кату1иек, общее число которых кратно 36. При обоих числах полюсов обмотка соединена в звезду и .имеет 4 параллельные ветви при 2р 4 и 3 паралельные ветви при 2р 6. Обмотка полностью симметрична как по фазам, так И по параллельным ветвям, т.е. имеет идентичные параллельные ветви, что исключает протекание уравнительных токов. Обмотка имеет также 6 выводов и переключается с одного числа полюсов па. другое с помощью одного трехфазного переключателя L jНедостатком этой обмотки является то, что при включении ее по схеме с 6 полюсами (р 3, 2р 6) четвертая часть общего числа катушек (т.е. 9 катушек из 36 при 2 36) исключается из работы, что приводит к значительному снижению ее обмоточного коэффициента и ухудшению характеристик асинхронного двигателя.

Цель изобретения - увеличение мощности и улучшение энергетических характеристик (КПД и коэффициента мхзщности),

Поставленная цель достигается тем, что обмотка выполнена из восемнадцати катушечных групп, содержащих S последовательно-согласно включенных катушек, лежащих в соседних пазах, где S - натуральное число, и разделена на девять равных частей, содержащих по две последовательносогласно включенных катушечных группы с номерами: 1 и 2 - в первой части, 4 и 15 - во второй части; 17 и 18 - в третьей части; 5 и 6 - в пятой части, 7 и 8 - в шестой частиJ 11 и 12 - в седьмой частиJ 13 и 14 в восьмой части, 9 и 16 - в девятой части, причем начало первой, второй и третьей частей соединены с внешними выводами обмотки А, В и С соответственно, концы седьмой, восьмой и девятой частей соединены между собой и образуют изолированную нулевую точку, а остальные двенадцать отводов от указанных девяти частей обмотки соединены с двумя трехполюсными переключателями следующим образом: концы первой, второй и третьей частей обмотки соединены соответственно с первым, вторым и третьим верхними контактами первого переключателя, начала четвертой, пятой и шестой частей соединены соответственно с первым, вторым и третьим средним контактами второго переключателя, кроме того, в схеме имеются перемычки, соединяющие контакты первого переключателя: первый нижний и второй верхний, второй нижний и третий верхний, третий нижний и первый верхний, а также контакты второго переключателя; первый верхний и второй нижний, второй верхний и третий нижний, третий верхний и первый нижний.

При этом верхнему положению переключателей соответствует включение обмотки на 4 полюса, а нижнее на 6 полюсов.

На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема предлагаемой обмотки; на фиг. 2 и 3 - векторные диаграммы пазовых ЭДС, на фиг. 4 - схема-развертка предлагаемой обмотки при .

Сверху над катушками (фиг. 1) обозначены соответствующие номера катушечных групп (КГ1, КГ2 и т.д.), а под катушками в скобках указаны номера катушек для обмотки, имекяцей S 2 и Z 36, римскими цифрами 1-IX обозначены 9 одинаковых частей, содержащих по 2 катушечные группы. Через П1 и П2 (фиг. 1) обозначены переключатели (переключающие контакторы) , с помощью которых производится переключение числа полюслв обмотки. Каждый переключатель имеет три группы выводов по 3 вывода в каждой группе - верхний, средний и нижний, и замыкает в каждой группе одну цепь - между средним и верхним или между средним и нижним выводами, в зависимости от положения переключателя. При этом верхнему положению переключателя, при котором средние выводы соединены с верхними, соответствует включение обмотки на 4 по0люса, а нижнему положению, при котором средние выводы соединены с нижними, соответствует включение обмотки на 6 полюсов. Из фиг. 1 видно, что состав фаз при различных схемах

5 включения обмотки соответствует табл. 1.

Таблица 1

40

А (1,2)+(3,10)+(1,2)(7,8)+. +(11,12)+(13,14)

В (4,15)+(5,6)+(4,5) + (3,10)+(13,14)+(9,16)

С (17,18)+(7,8)+(17,18)+(5,6)+

+(9,16)+(11,12)

55

Знак плюс перед номерами КГ в табл. 1 означает, что соответствующие катушечные группы обходятся от S1 начала к концу, т.е. включены в фа зу согласно. Из фиг. 1 ВИДНО также, что при переходе от схемы с 2р 4 к схеме с 2р 6 производится переключение частей обмотки в-следующем порядке части I, II, III остаются в составе прежних фаз, части IV, V, VI переключаются в соседние фазы справа (из фазы А - в фазу В, из В - в С, из С - в А), части VII, VIII, IX переключаются в соседние фазы слева (из фазы С в фазу В, из В - в А, из А -. в С). Тем самым обеспечивается при верхнем положении переключателей максимальное значение амплитуды пространственной гармоники ВДС с JiD (т.е. обмотпериодом с 2 4 ка имеет р 2), а при нижнем положении переключателей - максимальное значение амплитуды пространственной гармоники ЩС с периодом 21 -Ц- (т.е. обмотка имеет р 3). о На фиг. 2 и 3 изображены вектор ные диаграммы пазовых ЭДС, т.е. ЭДС индуктированных в катушках обмотки вращающимся магнитным полем (фиг. 2 относится к схеме с 6 полюсами, а фиг. 3 - к схеме с 4 полюсами, Z 36). Цифрами 1-36 на фиг. 2 и 3 обозна чены номера катушек, к которым относятся векторы ЭДС (одним, двумя и тремя штрихами на фиг. 2 и 3 отмечены векторы катушечных ЭДС, относящие ся к фазам А, В и С соответственно) Приведенный в -табл. 2 состав фаз А, В и С при р 2 и р 3 полностью соответствует показанному на фиг. 2 и 3 распределению лучей (и катушек) по фазам. Из фиг. 2 и 3 видно, что предлаг мая обмотка имеет катушечные группы с одинаковыми числом катушек под ра ными полюсами, т.е. обмотка является целой и не создает субгармоник НДС. При обоих включениях, т.е. при 2 р 4 и 2р 6 катушечные группы образуют сплошные фазные зоны шириной зл. рад., причем в обмотке используются все наличные 18S катушек Наконец, из фиг. 2 и 3 следует, что при обоих включениях обмотка является полностью симметричной, оси фаз сдвинуты в пространстве на угол 2Л/3 эл. рад. и порядок чередования фаз при обоих включениях одинаковый (А, В, С). На фиг. 4 для примера показана схема-разверткэ предлагаемой обмотки при р 2 и Z 36, где арабскими цифрами обозначены номера пазов, а римскими цифрами с буквами Н или К - начала и концы 9 частей обмотки. Предлагаемая обмотка работает следукяцим образом. При установке переключателей П1 и П2 в положение, обозначенное р 2 (фиг. 1), замыкаются верхние контакты переключателей, и катушки обмотки распределяются по фазам так, как указано во втором столбце табл.2. При подключении обмотки к трехфазной сети по ней протекают синусоидальные токи, и обмотка создает в воздзпином зазоре асинхронного двигателя магнитное поле с 4 полюсами. которое вращается с угловой скороетью:60 fi 60-50 .,. , i 1500 об/мин где f.. частота сети; число пар полюсов обмотки. При переключении переключателей П1 и П2 в положение р 3 замыкаются нижние их контакты, и катушки соединяются так, как указано в третьем столбце табл. 2. Подключенная таким образом к сети обмотка создает в воздушном зазоре асинхронного двигателя шестиполюсное магнитное поле, которое вращается с угловой скоростью: 60 fi 60-50 .„„„ , --- 1000 об/мин. Этим самым обеспечивается стурегулировАниепенчатое частоты вр ащения асинхронного д вигателя. Сравнение предлагаемой обмотки с прототипом произведено по следующим параметрам: по минимальным значениям полезной мощности, развиваемой асинхронным двигателем при работе его в системе привода постоянной мощности, при одинаковых условиях нагрева (при одинаковых значениях плотности тока в проводах статорных обмоток) и одинаковых амплитудных значениях магнитной индукции в воз душном зазоре (В-, В const), Ь Макс Ь Аоп ПО фильтрующим свойствам обмотки, которые могут численно быть оценен относительными значениями обмоточных коэффициентов для высших пространственных гармоник поля К (поскольку сравниваемые обмотки имеют одинаковую велич ну шага у и коэффициента укорочения Kg,, то сравнение фильтрующих свойств достаточно произвести по относительным значениям коэффициен тон распределения Kpg), по сложнос ти схемы управления числом полюсов которая может быть оценена- числом необходимых коммутационных аппаратов или числом пар их контактов; по сложности изготовления обмотки. По сложности изготовления предлагаемая обмотка практически равно ценна (в обоих случаях используются одинаковые катушки) или даже -не сколько проще прототипа, так как имеет меньшее число катушек и мень шее число параллельных ветвей. По сложности схемы управления предлагаемая обмотка несколько уступает прототипу, так как для переключения числа полюсов требует,применения двух трехполюсных переключателей с 12 парами контактов, вместо одного трехполюсного переключателя с 6 парами контактов у прототипа. Однако этот недостаток не имеет существенного значения и с избытком компенсируется выигрышем, обусловленным увеличением мощ нести двигателя. Трехфазные перекл чающие контакторы могут быть смонтированы в коробке на корпусе двиг теля, поэтому длина силовых подвод щих проводов останется такой же, к и в случае прототипа.

. 60

2р 6

120

120

120 Развиваемые двигателем электромагнитный момент и мощность на валу зависят от схемы включения обмотки и значения обмоточного коэффициента для первой гармоники поля К - Кр К. Предлагаемая обмотка с S 2, Z 36 (фиг. 2 и 3) имеет сплошную фазную зону шириной уф 2/7/3. при обоих включениях и число катушек в катушечной группе q 6 при р 2 и q 4 при р 3. Коэффициент рас пределения в этом случае выража- етч:я: Я Гф/2Я, Я, Sin л) л 1, 3, 5 ... Кривая МДС предлагаемой обмотки при р 2 содержит высшие гармоники, принадлежащие к 5-й .и 7-й группам, т.е. J 5 5, 13, 23, 31, 41,.., 41, ... л) iB-k + 7 7, 11, 25, 29, 43,... к О, 1, 2, 3 ...(2) При этом, как известно, значения коэффициентов распределения К ро для гармоник, принадлежащих к одной и той же группе, одинаковы. Коэффициенты распределения обмотКи прототипа, что следует из фиг. 5 и 6, на которых представлены векторные диаграммы пазовых ЭДС обмотки Ауингера, могут быть рассчитаны по формулам: (1 + 2COS V ) /э (1 - 2cos V рл)1зГ 3 (1 + 2COSV ) 1/3(1 2COS л) 2л/6) Рассчитанные по формулам (1) и (3) коэффициенты распределения предлагаемой обмотки и обмотки-прототипа приведены в табл. 2. IТаблица 2 Симметрия обмотки Несимметрична по фазам

Аппаратура переключени числа полюсов:

состав

число пар контактов 1 Значение Kpg при 2р 4 для О 18 .+5 () 18 ±7 к О, 1, 2 ... при 2р 6 для О 12к+5

Обмоточный коэффициент распределения К р

при 2р 4 2р 6 Из приведенный: данных видно, что предлагаемая обмотка обладает лучшими фильтрующими свойствами по срав нению с прототипом, так как имеет меньше значения Kp)2 при р 2 и практически одинаковые с прототипом значения при р 3. Для расчета электромагнитного момента асинхронного двигателя необходимо знать, как изменяется амплитуда магнитной индукции в воздушном зазоре В л, Г1ри изменении числа полюсов обмотки. Значение В можно определить из формулы для ЭДС обмотки;

10

10

20

12

0,21

0,188 0,532 0,184

0,268

0,273

неработоспособнаНесиммет-Полностью Полностью рична посимметрична симметричпараллель-наным ветвям (4) Е, 4,44 f, W К,Г, Фе/-- U, f де ,. . В сГмакс 5 VtV a c- -VHlV) Р D и .- и расчетная длина статора двигателя. Па основании (4) и (5) - (Ы c MdKc-V f.Ce Для различных чисел пар полюсов I « РП PI 0 оЪ1п В.. 0 ФС PU 1 0611 II Для обеих сравниваемых обмо PJ 2, р. 3, w W- , иф Следовательно, для предлаг обмотки и обмотки-прототипа мо написать V(2l 2 o5 1{Ъ) Приняв для обеих обмоток од вые максимальные амплитуды инд в зазоре Ъ В получим В 2 51(3) , ( Электромагнитный момент аси ного двигателя, как известно, М -Ф. sin где /5 L(, ) , sin ft z cos4 уЯ -) I,al a - число параллельных вет схеме фазы J,,- ток одной параллельной к Следовательно, 1/2W - Ko5i FI Обозначим К - коэффициент использо обмотки; VJr- - суммарное число витк мотки . Тогда можно написать К j Kp,w 1 где Qp - площадь поперечного ния паза; коэффициент заполнен за проводами} плотность тока в про обмотки статора. Из (12) и (13) получаем pF., Здесь .1 К.Крт, произвед К -К может быть названо эфф или результирующим коэффициен распределения обмотки. 4 ,Цля предлагаемой обмотки К, 1 и Р обмотки прототиPI 2 К 1, а для р 3 па при р К, 3/4, так как в последнем случае в работе участвуют лишь 3/4 общего числа витков обмотки. На основании (10), (5) и (14) М ;(D е. ZQ j) ,. -Коб1 К K cosQJ (15) Из выражения (15) видно, что электомагнитный момент двигателя прямо ропорционален коэффициенту заполнения паза Кр , который у предлагаеой обмотки при прочих равных услоиях выше, чем у прототипа, так как редлагаемая обмотка имеет меньшее число параллельных ветвей (а 1 место четырех у прототипа) и больее сечение проводов. Приняв за базисное значение момента его значение M6 tT°fs ZQn JAonBcf4on os,(16) и пренебрегая изменением cos Ч, при изменении числа полюсов, получим из (15) и (16) величину момента в относительных единицах М/М К„ (17) V ой 1 и п Преобразованная мощность на валу электродвигателя равна пр .. 5 М Я/1-s) Я. - и, /г, - - угло- 1. VAJ f 1 вая скорость Приняв за базисное значение мощное v v И Пренебрегая изменением скольжения, получим Результаты расчетов по формулам (9), (17) и (19) для предлагаемой обмотки и обмотки-прототипа приведены в табл. 3. Расчеты выполнены для двух значений шага обмоток: J вариант У т rain 6, II вариант у 7 Г min, При расчетах значения cos Ч и КП для обеих обмоток приняты одинаковыми.

3

Из приведенных данных видно, что наилучшими характеристиками обладают обмотки с у 6 (1 вариант), эти обмотки и сравниваются далее.

Из табл. 3 видно, что минимальное значение мощности, развиваемой двигателем с предлагаемой обмоткой (Pnpjuu 0,8311),в 1,216 раза большеминимальной мощности двигателя с обмоткой З (Р рми1Г 0,6831). Следовательно, предлагаемая обмотка обеспечивает увеличение мощности двигателя в приводах постоянной мощности на 21,6%.

Что касается минимального значения момента, то без учета различия в коэффициенте заполнения паза оно у предлагаемой обмотки на 8,7% ни1105984

i Таблица 3

же, чем в обмотки-прототипа (у предлагаемой обмотки 0,5541, а у прототипа 0,6072) . Учитьгеая, что коэффициент заполнения паза у предлагаемой обмотки несколько выше, можно считать, что в отношений приводов с постоянным моментом и с вентиляторной нагрузкой предлагаемая обмотка практически равноценна обмотке-прототипу .

Таким образом, предлагаемая обмотка имеет на 21,6% большее значение коэффициента распределения (Кр К ) при 2р 6 при практически одинаковых значениях указанного коэффициента при 2р 4, обладает лучшими фильтрующими свойствами, так как имеет значительно меньшее относительнос содержание высших прострянственньгх гармоник МДС при 2р 4 при практически одинаковых значениях j при 2р 6.

В результате этого при применении предлагаемой обмотки в асинхронных приводах с постоянной мощностью и ступенчатым регулированием частоты вращения в отношении 3:2 может быть получен следующий эффект: увеА-3

()

личение допускаемой по условиям нагрева мощности двигателя на 21,6%, уменьшение тока холостого хода, что обеспечивает повьппение КПД и коэффициента мощности двигателя при р 3, повьппение надежности двигателя благодаря ослаблению вредного влияния высших пространственных гармоник МДС при р 2,

fJ2

Yi/

/F

лг/у/ /f/v

КГЗ

(2f.22)(2.24)

rVNГУ-

(5,6) (/ff,20)

VIII

У. КГУ КГ6

,,

(5,26)f27,28)

a

У/

КГУ Л/Х5

КГ7 КГВ

,/в) (У f, 52)

(d,l4)(f5,f6)