Регулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей путем переключения числа пар полюсов

В различных отраслях промышленности имеется очень много различных производственных механизмов, которые выполняют ограниченное количество операций, не требующих плавного регулирования скорости вращения и способных удовлетвориться лишь ограниченным числом скоростей. К числу подобных машин относят деревообрабатывающие и металлорежущие станки, лебедки нефтяных скважин, центробежные сепараторы и другие механизмы. Ограниченное количество скоростей вращение вполне может быть обеспечено многоскоростными короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями. При  этом возможны две конструкции электродвигателей: с несколькими обмотками на статоре, уложенными в одни и те же пазы, или с одной обмоткой, допускающей переключение ее для получения различного числа пар полюсов.

Взаимодействие МДС ротора и статора возможно только при условии равного количества пар полюсов обмоток статора и ротора. Поэтому изменяя количество пар полюсов статорной обмотки необходимо не забывать изменять количество пар полюсов и на обмотке ротора. Если рассматривать асинхронную машину с фазным ротором, то для выполнения этого условия необходимо наличие дополнительных контактных колец, что сильно увеличивает габариты и стоимость электрической машины. Короткозамкнутый ротор с беличьей клеткой обладает очень ценным свойством автоматического образования числа пар полюсов, равному числу пар полюсов МДС обмотки статора. Именно это свойство и обусловило использование именно короткозамкнутых роторов в многоскоростных асинхронных электродвигателях.

Многоскоростные двигатели с несколькими независимыми обмотками на статоре по экономическим и техническим показателям уступают однообмоточным. В многообмоточных машинах плохо используется обмотка статора, нецелесообразно заполнение паза статора, значения КПД и cos φ ниже оптимальных. Поэтому в последние временя большее распространение  получили многоскоростные однообмоточные электрические машины с переключением на различное число пар полюсов. Суть данного способа заключается в том, что путем переключения направления тока в части обмотки изменяют распределение магнитодвижущей силы внутри расточки статора, результатом чего становится изменение скорости вращения магнитодвижущей силы, а следовательно, и магнитного потока в пространстве. Наиболее часто осуществляют переключения в соотношении 1:2. В этом случае обмотки каждой фазы выполняются в виде двух секций. Изменение направления тока в одной из них позволяет получить изменение числа пар полюсов в 2 раза. Рассмотрим это применительно к двигателю, переключаемому на 8 и 4 полюса.

На рисунке ниже для простоты изображена обмотка одной фазы, состоящей из двух секций:

Схема переключения секций обмотки статора АД с 2р=8 на 2р=4

При последовательном соединении секций, то есть при соединении конца первой секции 1К с началом второй 2Н, получаем 8 полюсов или 4 пары. Если поменять направление тока во второй секции на обратное, то число полюсов, образуемое обмоткой, уменьшится в 2 раза. Изменение направления тока во второй секции может быть осуществлено путем разрыва перемычки между 1К – 2К. Количество образовавшихся при этом полюсов указано на рисунке б).

Такое же изменение числа полюсов можно получить, осуществив изменение направления тока во второй секции путем параллельного включения с первой (рисунок в)). В этом случае, точно также как и в предыдущем, обмотка образует 4 полюса, что соответствует вдвое большей скорости вращения электрической машины.

При сопоставлении схем обмоток многоскоростных электродвигателей предпочтение должно отдаваться схемам, обеспечивающим нужный характер зависимости допустимого по нагреву момента от скорости и имеющим наименьшее количество выводов и контактов.

Установим критерий, дающий возможность отнести соединение обмоток к той или иной группе. Момент, развиваемый асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором равен:

Момент асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором

Где:

  • р – число пар полюсов обмотки статора;
  • N2 – полное число стержней обмотки ротора (беличьей клетки);
  • I2 – ток стержня ротора;
  • Ψ2 – угол сдвига вектора тока относительно вектора ЭДС ротора;
  • Ф – магнитный поток одной пары полюсов;

По условиям нагрева ротора (в случае пренебрежения изменения условий охлаждения) ток I2 при работе с различным числом пар полюсов должен оставаться одинаковым; cos ψ2 в пределах от холостого хода до номинального момента остается близким к единице. При таких условиях момент электрической машины будет выражен равенством:

Момент АД при определенных условиях

Где:

Коэффициент с для асинхронной машины при смене количества пар полюсов

С другой стороны, электромагнитный момент в джоулях будет равен:

Электромагнитный момент АД в джоулях

Приравняв друг к другу уравнения (2) и (3) и решая относительно Р, получим Р = 314с1Ф.

В полученное выражение подставим значение магнитного потока из выражения ЭДС обмотки статора и ротора:

Мощность выраженная через ЭДС обмоток статора и ротора АД

Таким образом, электромагнитная мощность электрической машины при любом числе пар полюсов обмотки статора определяется отношением фазного напряжения статора к числу витков, последовательно соединенных в фазной обмотке. Пользуясь этим признаком, проанализируем рассмотренные выше способы переключения числа пар полюсов. Для большей наглядности воспользуемся упрощенными трехфазными изображениями для случаев переключения с большего числа пар полюсов на меньшее, в нашем случае с 8 на 4. На рисунке ниже приведена схема с сохранением для обеих скоростей последовательного соединения обмоток:

Схема переключения полюсов обмотки АД в отношении 1 к 2 при соединении секций звезда звезда

Видно, что левая схема (рисунок а)), в которой обе секции обтекаются токами одного направления, соответствует большему числу пар полюсов. В правой же схеме (рисунок б)) встречное направление токов указывает на меньшее число пар полюсов. В обоих случаях число последовательно соединенных витков в обмотке одной фазы остается одно и то же, и к ним прилагается одинаковое фазное напряжение. Отношение мощностей при обоих соединениях равно единице, что означает работу с постоянной мощностью Р = const.

На рисунке ниже приведены механические характеристики двухскоростного электродвигателя, работающего при Р = const:

Механическая характеристика двухскоростного асинхронного электродвигателя при постоянной мощности

В данном случае для сохранения постоянства мощности при переходе на вдвое большую скорость момент должен измениться обратно пропорционально скорости.

Схема переключения полюсов с помощью перехода с последовательного соединения секций на низшей скорости на параллельное для большей, приведено на рисунке ниже:

Принципиальная схема переключения полюсов обмотки статора

Нетрудно заметить, что параллельное соединение секций обмотки обеспечивает изменение направления тока в одной из секций. Последнее соответствует переходу на меньшее число пар полюсов. При этом обмотка образует две параллельные звезды, включенные на линейное напряжение. Используя приведенный выше критерий (4) видим, что при переходе на высшую скорость мощность возрастает в два раза, а именно:

Изменение мощности АД при переходе на другую скорость

Это соответствует работе при М = const. Механические характеристики двухскоростного электродвигателя при М = const показана на рисунке ниже:

Механическая характеристика двухскоростного асинхронного электродвигателя при постоянной мощности

Сравнивая схемы в отношении необходимого числа выводов и контактов на аппарат управления (контроллер, переключатель и тому подобное) видим, что при соединении по схеме соединение звезда звезда требует девяти выводов и двенадцати контактов. Схема соединение звезда двойная звезда позволяет уменьшить количество выводов до 6, а количество контактов до 8.

В рассмотренных схемах на обеих скоростях сопряжения обмоток были выполнены либо последовательной, либо параллельной звездой. При необходимости изменить напряжение, приходящееся на обмотку одной фазы, пользуются сопряжением обмоток треугольником, двойным треугольником, а в отдельных случаях смешанным звезда – треугольник. В последнем случае три секции обмотки образуют треугольник, а три оставшиеся секции присоединяются к вершинам треугольника, образуя, таким образом, лучи звезды. Примером подобных соединений может служить схема, получившая широкое распространение в приводе металлорежущих станков и осуществляющая переход с последовательного соединения треугольником на две параллельные звезды.

При работе на низшей скорости две секции обмотки каждой фазы, соединенные последовательно, образуют стороны треугольника, к вершинам которого подводится питание. В этом случае обе секции обмотки фазы обтекаются одним током, что соответствует большему числу пар полюсов. Для получения большей скорости вершины треугольника, образованного обмотками фаз, замыкаются накоротко, а питающие провода переносятся в средние точки соединения секций обмотки каждой фазы, образуя, таким образом, две параллельные звезды. Ниже показаны схемы включения обмоток на двух  скоростях:

Принципиальная схема переключения полюсов обмотки статора при соединении секций треугольник двойная звезда

В этой схеме при работе на низкой скорости линейное напряжение приложено к двум последовательно соединенным секциям с общим числом витков 2 wc.

При соединении двойной звездой фазное напряжение приложено к одной секции. Из соотношения (4) получим соотношение мощностей:

Соотношение мощностей при соединении треугольник звезда

Таким образом, схеме переключения числа пар полюсов последовательный треугольник – двойная звезда при работе на большой скорости мощность на 15,5% больше, чем на низкой. Обычно пренебрегают этим увеличением мощности и схему относят к P = const. Электродвигатели с переключением полюсов на 3 и 4 скорости изготавливаются с двумя обмотками на статоре. Каждая из обмоток может быть выполнена с переключением полюсов по схеме треугольник – двойная звезда.

В данном случае каждая из переключаемых обмоток представляет разомкнутый треугольник. Это делается для устранения нагрева неработающей обмотки током, созданным ЭДС, индуктированной магнитным потоком. За этот счет число выводов трехскоростного двигателя равно 10 и контактов 12, для четырехскоростного 14 и 18 соответственно.

Стоит отметить, что трудоемкость изготовления обмоток многоскоростных однообмоточных электрических машин значительно ниже, чем двухобмоточных.  Итак, приняв трудоемкость изготовления обмотки односкоростного электродвигателя за 100%, трудоемкость изготовления двухобмоточного четырехскоростного двигателя составит 180%, в то время как однообмоточном четырехскоростном она составляет всего 120%.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *