Трехфазная полюсопереключаемая обмотка электрической машины переменного тока Советский патент 1985 года по МПК H02K17/14 

с номерами 9 , 34 , 35 , 36 включены последовательно - соггде S - начасть С2 число.

ТРЕХФАЗНАЯ ПОЛЮСОПЕРЕКЛЮЧАЕМАЯ ОБМОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАИМНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА с целым числом катушек на фазную зону шириной 2ii/3 электрических радиан, соединенная в звезду при обоих числах пар полюсов, состоящая из 36 одинаковых равномерно распределенных катушечных групп с номерами 1-36 по S последовательносогласно включенных катушек, соединенных в девять частей А1, А2, A3, В2, В1, ВЗ, С1, С2, 03, и двух трехполюсных переключателей, каждый из которых 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 (при ) или между средним и нижним (при ) выводами, причем начала частей А1, В1 и С1 соединены с внешними обмотками А, В и С соответственно, а их концы с первым, вторым и третьим верхними выводами первого переключателя, начала частей А2, В2 и С2 соединены с первым, вторым и третьим средними выводами первого переключателя, а их концы - с первым, вторым и третьим верхними выводами второго переключателя, начала частей A3, ВЗ и СЗ соединены с первым, вторым и третьим средними выводами второго переключателя, а их концы соединены между собой, кроме того, переключатели снабжены перемычками, соединяющими первый нижний с вторым верхним, второй нижний с третьим верхним итретий нижний с первым i верхним выводами каждого переключаео теля, отличающаяся тем, что, с целью расширения области ее применения, катушечные группы с номерами 1, 2, 3, 28 включены последовательно-согласно в часть А1, катушечные группы с номерами 4, 13, 14, 15 включены последовательно-согласно в часть , катушечные группы с номерами 16, 25, 26, 27 включены последовательно в часть A3, катушечные группы с номерами 19, 20, 29, 30 включены последовательно-согласно в часть ВЗ, катушечные группы с номерами 5, 6, 31, 32 включены последовательно-согласно в часть В1, катушечные группы с номерами 7, 8, 17, 18 включены последовательно-согласно в часть В2, катушечные группы с номерами 10, 11, 12,21 включены последовательно-согласно в . часть С2, катушечные группы с номерами 22 , 23 , 24 , 33 вклю;чены последовательно - согласно в часть СЗ , катушечные группы

Изобретение относится к электрическим машинам и может найти примен ние в асинхронных короткозамкнутых электродвигателях со ступенчатым регулированием угловой скорости путем переключения числа пар полюсов статорной обмотки. Многоскоростные асинхронные электродвигатели применяются в различных областях народного хозяйства. Изобретение может найти применение в асинхронных тяговых двигателях на железнодорожном транспорте, а также в асин хронных двигателях привода вентиляторов и насосов на электровозах, в асинхронных двигателях привода эс-; калаторов метрополитена. Известна двухслойная полюсопереключаеная обмотка на 3 и 4 пары полюсов, выполненная из одинаковых катушек, число которых кратно 54, соединенная в звезду с тремя параллельными ветвями при обоих числах пар полюсов, имеет шесть выводов и переключается с одного числа полюсо на другое с помощью одного трехфазного переключателя Ql. Недостатком обмотки является неидентичность параллельных ветвей пр , причем разность ЭДС параллель ных ветвей и ЭДС фазы составляет 0,8-1,4% от ЭДС фазы, а уравнительные токи могут достигать значений до 20% от номинального тока ветви. Наличие уравнительных токов приведет к снижению мощности двигателя на 18-25%. Недостатком обмотки является также то, чтОПРи она является дробной, так как созд;а ет субгармонику ВДС порядка с периодом, вдвое большим основного периода, причем эта НДС составляет 8,5% от основной ВДС и вращается в сторону, противоположную основному полю. Субгармоники МДС, как известно 5вызывают шум и вибрацию двигателя, увеличивают потери и тсудшают пусковы свойства асинхронных двигателей. Поэтому наличие субгармоник в кривой МДС обмоток асинхронных двигателей является крайне нежелательным. Известна трехфазная полюсопереключаемая обмотка на 3 и 4 пары полюсов. Обмотка двухслойная, целая, т.е. имеет целое число катушек на фазную зону, выполняется из одинаковых катушек, число которых кратно 72. При обоих числах полюсов обмотка соединена в звезду и имеет 3 параллельные ветви при Р(3 и 2 параллельные ветви при . Обмотка симметрична как по фазам, так и по параллельным ветвям, имеет идентичные параллельные ветви, что исключает протекание по ним уравнительных токов. Обмотка имеет одиннадцать выводов и переключается с одного числа пар полюсов на другое с помощью трех коммутационных аппаратов: двух трехполюсных переключателей и одного трехполюсного выключателя 21. Недостатком данной обмотки является то, что при включении ее по схеме с 3 парами полюсов (р, 3) четвер -ь общего числа катушек выключается из работы, что приводит к снижению мощности и энергетических показателей асинхронного двигателя. с Наиболее близкой к изобретению является трехфазная двухслойная полюсопереключаемая обмотка электрической машины переменного тока на 2 и 3 пары полюсов. Обмотка имеет целое число катушек на-фазную зону шириной зл. рад. и соединена в звезду при обоих числах пар полюсов, состоит из одинаковых равномерно распределенных катушек, соединенных в частей. А1, А2, A3, В1, В2, ВЗ, С1, С2, СЗ и двух трехполюсных переключателей, каждый из которых имеет три группы выводов, по три вывода в каждой группе - верхний, средний и нижний, и замыкает в каждой группе

3

одну цепь между средним и верхним (при , ) или между средним и нижним (при ) выводами4 причем начала частей с номерами А1, В1 и С1 соединены с внешними выводами обмотки А, В и С соответственно, а их концы - с первым, вторым и третьим верхними выводами первого переключателя, начала частей с номерами А2, В2 и С2 соединены с первым, вторым и третьим средними выводами первого переключателя, а их концы - с первым, вторым и третьим верхними выводами второго переключателя, на.чала частей с номерами A3, ВЗ и СЗ соединены е первым, вторым и третьим средними выводами второго переключателя, а их концы - между собой кроме того, переключатели снабжены перемычками, соединяющими первый нижний с вторым верхним, второй нижний с третьим верхним и третий нижний с первым верхним выводами каждого переключателя З ,

Недостатком известной обмотки является ограниченная область применения, так как обмотка может быть выполнена только на соотношение чисел пар полюсов .

Целью изобретения является расширение области применения обмотки, состоящей из девяти частей и двух трехполюсных переключателей, на двухскоростные асинхронные двигатели, с соотношением чисел пар полюсов Р,.

Поставленная цепь достигается тем, что в трехфазной полюсопереключаемой обмотке электрической машины переменного тока с целым числом катушек на фазную зону шириной 27/3 эл. рад., соединенной в звезду при обоих числах пар полюсов, состоящей из 36 одинаковых равномерно распределенньгх катушечных групп с номерами 1-36, по S последовательно-согласно включенных катушек,- соединенных в девять частей А1, А2, A3, В1, В2, ВЗ, С1, С2, СЗ и двух трехполюсных переключателей, каждый из которых 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 (при ) или между средним и нижним (при ) выводами, причем начала частей А1, В1, С1 соединены с внешними вывода264

ми обмотки А, в и с соответственно, а их :;онцы - с первым, вторым и третьим верхними выводами первого переключателя, начала частей А2, В2 и С2 соединены с первым, вторым и третьим средними выводами первого переключателя, а их концы - с первым, вторым и TpeTb vi верхними выводами второго переключателя, начала частей A3, ВЗ и СЗ соединены с первым, вторым и третьим средними выводами второго переключателя, а их концы - между собой, кроме того, переключатели снабжены перемычками,

соединяющими первый нижний с вторым верхним, второй нижний с третьим верхним и третий нижний с первым верхним выводами каждого переключателя, катушечные группы с номерами

1, 2, 3, 28 включены последовательно в часть с номером А1, катушечные группы с номерами 4, 13, 14, 15последовательно-согласно в часть А2, катушечные группы с номерами 16, 25,

26, 27 - последовательно-согласно

в часть A3, катушечные группы с номерами 19, 20, 29, 30 - последовательно-согласно в часть ВЗ, катушечные группы с номерами 5, 6, 31, 32 последовательно-согласно в часть В1, катушечные группы с номерами 7, 8, 17, 18 - последовательно-согласно в часть В2, катушечные группы с номерами 10, 11, 12, 21 - последовательно-согласно в часть С2, катушечные группы с номерами 22, 23, 24, 33 - последовательно-согласно в часть СЗ, катушечные группы с номерами 9, 34, 35, 36 - последовательно согласно в часть С1, где S - натуральное число.

Предлагаемая обмотка отличается от известной числом катушечных групп (36 вместо 18) и распределением катушеч11ых групп по 9 частям обмотки, что обеспечивает возможность использования ее в двухскоростных асинхронных двигателях с 3 и 4 парами полюсов .

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

Через Af, А2, A3, Б1, В2, ВЗ, С1, С2, СЗ обозначены девять частей обмотки а через П1, П2 - трехполюсные переключатели (переключающие контакторы), с помощью которых производится переключение числа пар полюсов. BepxFieMy положению переключателе обозначенному р , соответствует вкл чение обмотки на 3 пары полюсов, а нижнему, обозначенному р2, - включ ние обмотки на 4 пары полюсов. Из фиг. 1 видно, что в состав фаз А, В и С при различных числах пар полюсов входят катушечные груп пы, номера которых указаны в табл. 1. Табл. 1 содержит 3 строки и 3 столбца, причем в строках 1, 2, 3 указаны номера катушечных групп, вх дящих в состав фаз А, В и С при включении обмотки на 3 пары полюсо а в столбцах 1, 2, 3 - номера кату шек, входящих в состав фаз А, В и при включении обмотки на 4 пары по люсов . Из фиг. 1 видно, что при переход от схемы с к схеме с части А1, В1, С1 остаются в состав прежних фаз, части А2, В2, С2 пере ключаются в соседние фазы справа (из фазы А - в фазу В, из В - в С и из С - в А).и части A3, ВЗ, СЗ переключаются в соседние фазы слев (из фазы А - в фазу С, из С - в В и из В -В А). Тем самым обеспечивается при верхнем положении переключателей максимальное значение амплитуды пространственной гармони ки МДС с периодом 2(/| iiI)/3, т.е. обмотка создает вращающееся поле с 3 парами полюсов (р 3), а при нижнем положении пространственной гармоники ВДС с периодом 2 , т.е. обмотка создает вращающееся поле с 4 парами полюсов (). На фиг. 2 и 3 изображены вектор ные диаграммы пазовых ЭДС предлага мой обмотки, состоящей из 36 катушек (, , ), причем фиг. 2 относится к схеме с 3 парам полюсов, а фиг. 3 - к схеме с 4 па рами полюсов. Цифрами 1-36 на фиг. 2 и 3 обозначены номера катушек, к которым относятся соответст вующие векторы ЭДС. Одним, двумя и тремя штрихами на фиг. 2 и 3 отмечены векторные ЭДС катушек, входящих в состав фаз А, В и С соответственно. 266 Из фиг. 2 и 3 видНо, что предлагаемая обмотка при обоих числах пар полюсов является симметричной, имеет сплошные фазные зоны шириной 21Г/3 эл.рад., а также одинаковое число катушек под разными полюсами, т.е. обмотка является целой и не создает низших гармоник М,ЦС. На фиг. 4 показана схема-развертка предлагаемой обмотки при , . Цифрами 37-72 на фиг. 4 обозначены номера пазов, а буквами Н и К обозначены начала и концы 9 соответствующих частей обмотки. Предлагаемая обмотка работает следующим образом. При установке переключателей П1 и П2 в положение, обозначенное р, замыкаются цепи между верхними и средними контактами переключателей, и катушечные группы распределяются по фазам А, В и С так, как указано в строках 1, 2 и 3 табл. 1. При подключении обмотки к трехфазной сети по ней протекают синусоидальные токи, и обмотка создает в воздушном зазоре асинхронного двигателя магнитное поле с 3 парами полюсов, которое вращается с угловой скоростью (об./мин), где Г( - частота сети. При переключении переключателей П1 и П2 в положение р замыкаются цепи между нижними и средними контактами переключателей, и катушечные группы распределяются по фазам А, Bj С обмотки так, как указано в столбцах 1, 2 и 3 табл. 1. При включении в трехфазную сеть такая обмотка создает в воздушном зазоре магнитное поле, вращающееся в том же направлении, что и при Р,3, с угловой скоростью - 60 , (об./мин). Тем самым обеспечивается ступенчатое регулирование угловой скорости двигателя. Сравнение полюсопереключаемых обмоток, как известно, производится по следующим параметрам: по энергетическим характеристикам асинхронного двигателя с обмоткой данного типа, которые оцениваются минимальными значениями момента, полезной мощности и коэффициента пропорциональности (Кщ) в формуле момента нагрузки вентиляторного типа (,2); при одинаковых допустимых максимальных значениях индукции в воздушном зазоре (Bf Р.„,, 9 макс о доп И действующего значения плотности то ка в проводах обмотки, допустимого по условиям нагрева двигателя; по фильтрующим свойствам обмотки, которые оцениваются относительными значениями обмоточных коэффициентов оь помощью коэффициента .диф Ъеренциального рассеяния K.,Zr . (К с/) (отдельно оц 1) 060 нивается наличие низших пространственньпс гармоник в кривой ЩС F (х), которые являются нежелательными, так как ухудшают условия работы дви гателя и снижают его надежность); по сложности схемы управления чи лом пар полюсов, которая оцениваетс числом коммутационных аппаратов или числом пар их контактов; по сложности изготовления обмотки, о которой судят по числу различающихся между собой катушек, входя щих в схему обмотки; по величине тока холостого хода двигателя, которая зависит от произ ведения обмоточного коэффициента на коэффициент использования обмотки (KOB,- К„еп)Электромагнитный момент асинхрон ного двигателя в относительных единицах рассчитывается по формуле м7 8/ ла« оБГ Исп (1) 8 обмоточный коэффи где , циент; коэффициент испол зования, равный о ношению числа вкл ченных в работу витков к полному их числу; :л,акс fi oikc/ Aon Mj - базисное значение момента, равное S lY°« s(0« 5ni5i f -BsAon)5 л p-(B5F,)(iH/2 + Q,V5inf -co5t, - диаметр и расчетная длина якоря двигателя; (2 Z - число пазов; Ор - площадь паза; К , коэффициент заполнения паза медью; 1 - плотность тока. Значение В находится на основе соотношения k -К S I ф PI Of ов а к BSMc..cnU P где индексы I и II относятся к режимам работы при и соответственно;о число параллельных ветвей обмотки; Uq3 - фазное напряжение. Приняв большее значение . равным , на основе (3) находят маке обоих чисел пар полюсов. Полезная мощность определяется по формуле , г„е Р„, „. nisiiiza преобразованная мощность;скольжение; . со,, со,-2.7f . Коэффициент пропорциональности в формуле момента нагрузки вентиляторного TJina определяется формулой 1 f H/K«B M PS (5) где K Mg/co;, Результаты расчетов с использованием приведенных формул представлены в табл. 2. Расчеты выполнены для нескольких значений шага обмотки, а в табл. 2 приведены параметры обмотки для наиболее выгодного значения шага. При расчете момента и мощности обмотки ( 1) при Pj 4 влияние- уравнительных токов в параллельных ветвях учитывалось умножением расчетных значений М и Р на 0,8. Значения D, Jg,, (Z-Q), costf, К(, при расчетах приняты одинаковыми для двигателей со сравниваемыми обмотками, хотя в отношении коэффициента заполнения паза , предлагаемая обмотка имеет некоторое преимущество перед известными, так как может быть выполнена с меньшим числом пазов. В табл. 2 приведены и другие оце ночные параметры обмоток, в частнос ти коэффициент дифференциального рассеяния К., который для трехфазных обмоток определяется без учета гармоник оде, кратных трем. Из табл. 2 видно, что несмотря на различие чисел пар полюсов предлагаемая обмотка обладает такими же высокими электромагнитными свойствами, что и,известная. В частности по мощности двигателя предлагаемая обмотка практически равноценна известной (у предлагаемой обмотки РМИН 0.207, у известной 0,209) По сравнению с данной обмоткой предлагаемая обмотка имеет следующи преимущества: увеличение на 7,5% мощности двигателяРпредл 0.207/0,,075 (п.16 табл. 2); меньшее число коммутационных аппаратов (два вместо трех); вдвое меньшее число пазов (36 вместо 72), что упрощает изготовлен обмотки и позволяет применять ее в двигателях меньшей мощности.

Сз10, 11, 12, 21 22, 23, 24, 33 9, 34, 35, 36 В отношении электромагнитного момента и фильтрующих свойств сравниваемые обмотки практически равноценны (пп.15, 18, 19 табл. 2). По сравнению с обмоткой предлагаемая обмотка имеет следующие преимущества: отсутствие уравнительных токов в обмотке и увеличение благодаря этому на 10-11% электромагнитного момента, полезной мощности и нагрузки вентиляторного типа 0,627/0,,1; предп, /Рд„ 0,207/0,,11; 1,88/1,,10; л прем ЯН отсутствие субгармоник в кривых НДС при обоих числах пар полюсов, улучшение благодаря этому условий работы двигателя (уменьшение вибраций) и повьшение его надежности; меньшее число пазов (36 вместо 54), что упрощает изготовление обмотки и позволяет использовать ее в двигателях меньшей мощности. I Таблица 1

00 ON

О -

г

чО

Л1

mz7

Л28

Щ29

Фиг2

20,29

;//

Фиг.3