АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ С СОВМЕЩЕННЫМИ ОБМОТКАМИ
Комбин Николай Николаевич
студент 4 курса, кафедра электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО ОГУ, РФ, г. Оренбург
Е-mail: [email protected]
Количество энергии потребляемой асинхронными двигателями в России составляет от 45 до 50 % от общего объема вырабатываемой электроэнергии. Известно, что в промышленности эти цифры изменяются до 60 %, а в системах снабжения холодной водой до 90 %. За счет электрических двигателей на заводах производят все технологические процессы, нуждающиеся в передвижении частей оборудования. Существует возможность количественно повысить их параметры с использованием в конструкции совмещенных обмоток при сохранении прежней цены.
В советской практике существовало такое явление, как применение электродвигателей с запасом мощности, то есть энергосберегающие мероприятия не проводились совсем. Стоит отметить, что использование энергоэффективного оборудования развито за границей. Российская промышленность не нуждалась в оборудовании такого типа. Однако развитие рыночных отношений принудило отечественных потребителей к экономии [4].
Возможность увеличить эффективность работы асинхронных двигателей существуют благодаря улучшению качества используемых материалов и оптимизации конструкции. Такой подход позволяет повысить КПД на 1–1,5 %, соответственно 4–4,5 % при меньшей номинальной мощности. Указанный способ актуален при малом изменении нагрузки, то есть, когда нет необходимости в постоянной корректировке скорости при правильно настроенных параметрах.
Значительно повысить эффективность работы электрических двигателей можно при применении совмещенной обмотки. Энергопотребление можно снизить 50%, при сохранении исходных показателей. Посредством сглаженного регулирования, такие двигатели наиболее эффективны при работе с переменно изменяющейся нагрузкой. Так как электрические двигатели повсеместно используется в промышленности, данный технический вариант положительно повлияет на энергопотребление в целом.
Вследствие конструктивных особенностей электродвигатель работает с загрузкой 0,35, то есть соотношение мощности привода и самого двигателя (за рубежом достигает 0,65) Таким образом, двигатели постоянно недогружены, соответственно КПД занижен. Повышенная мощность создает дополнительную нагрузку на оборудование, что приводит к преждевременному выходу из строя. Совмещенные обмотки двигателя позволяют сохранить номинальный коэффициент мощности при различной нагрузке. Загрузка таких двигателей составляет 0,8 при пониженном энергопотреблении.
Ключевые моменты
Основа данной технологии заключается в схеме подключения нагрузки к сети. Так как к трехфазной сети можно подключить только такой же двигатель, то совмещение обмоток (звезда-треугольник) в конструкции двигателя дает в результате шестифазную систему, подключенную к трехфазной. В ней половина обмотки включено звездой, другая – треугольником. Система токов возбуждает магнитные потоки, причем угол между ними составляет 30 электрических градусов [2].
Такое слияние выдает результат с более сглаженной кривой магнитного поля в зазоре между статором и ротором, что положительно отразится на характеристике электродвигателя. Стандартное исполнение магнитного поля в зазоре ступенчатое. Резкопеременное поле вызывает гармоники, приводящие к тормозным моментам и вибрации в результате. Режим работы ухудшается сильнее при работе двигателя в отличиях от номинальной нагрузки. Общие показатели стандартного асинхронного двигателя и КПД будут понижены.
Рисунок 1. Форма магнитного поля в воздушном зазоре двигателя 3000об/мин, 24 паза в статоре: а) стандарт; б) совмещенные обмотки
Совмещенные обмотки понижают влияние от нечетных гармоник, индуцирующих противоположно направленные магнитные потоки, которые являются причиной потерь в электрической машине. Такой двигатель может быть выполнен с расчетом на большую частоту питающего напряжения с применением стандартных материалов. У ДСО меньше кратность пусковых токов и больше вращающий момент при пуске. Указанные преимущества играют огромную роль при работе с оборудованием, режим работы которого характеризуется частыми перезапусками, либо при работе в электрической сети большой длины, соответственно с высоким значением падения напряжения. Еще одно преимущество заключается в меньшем влиянии на форму питающего напряжения и сниженное генерирование помех в сеть. Это является важным при работе с потребителями, имеющими в своей структуре сложные электронные системы [3].
Экономическая оценка
Электропривод является самым энергозатратным пунктом в промышленности, уменьшение энергопотребления в этой сфере открывает огромный потенциал энергосберегающих технологий.
Судя по статистике объем электропотребления составляет для 2014 года [7, 5] 1035,2 млрд кВт·ч.
Согласно приказу Федеральной службы по тарифам от 10.10.2014 г. № 225-э/1 «О предельных уровнях тарифов на электрическую энергию (мощность) на 2015 год», составит 174,23 коп/кВт·ч (без НДС) [6].
Взяв в процентном соотношении количество двигателей и их загрузку, можем примерно оценить экономию от внедрения:
1035,2·0,47·0,3·1,7423 = 246,4503 млрд руб. в год.
Очевидно, что в регионах, где тариф гораздо выше указанного значения, экономия будет еще больше. Также, использование двигателей с совмещенными обмотками (ДСО) с экономической точки зрения целесообразно в установках с круглосуточным режимом работы, либо при высокой нагрузке (система водоснабжения, установки вентиляторов, эскалаторы, транспортеры) [1].
Целесообразность предлагаемой технологии
В настоящее время существует возможность применения регулируемых асинхронных приводов, благодаря преобразователем частоты. Тонкая настройка асинхронного двигателя позволяет добиться показателей работы, схожих с двигателем постоянного тока, при снижении общего энергопотребления. Однако надежность работы регулятора частоты ниже, чем электрических двигателей. В совокупности с высокой ценой последних, частотное регулирование не является энергоэффективным мероприятием. Таким образом, проблема в самом оборудовании электропривода, в его себестоимости и материалах установки.
Для выхода из указанной ситуации в мире существует два направления. Уменьшение энергопотребления посредством подачи энергии в зависимости от момента времени и количества необходимой мощности. Другое направление заключается в производстве с использованием новых материалов и улучшения общего конструктивного исполнения электрических машин и их размеров.
Предлагаемый метод с использованием совмещенных обмоток отличается именно изменением принципа работы обычной электрической машины. Другой вариант создания обмотки, изменение соотношения пазов ротора и статора является новым в своем роде. В соответствии с этим существует конструкции для схем однослойной или двухслойной обмотки в зависимости от типа укладки (автоматическая, ручная)
Измененная конструкция ДСО позволяет работать с меньшими потерями в стали магнитопроводов при регулировании частоты. Таким образом, уменьшается уровень шумов и вибрации при работе двигателя.
Преимущества на рынке.
Неоспоримым фактом является то, что изменения в данной отрасли связанные с модернизацией стандартных двигателей без совмещенных обмоток, можно осуществить на старых специализированных предприятиях. Стандартное оборудование без внесения каких-либо изменений подходит для проведения вышеуказанных манипуляций. Стоит отметить, что для проведения указанных работ не требуется специальные разрешения, лицензии и сертификаты. Частотный привод не позволяет добиться схожих показателей экономии электроэнергии без увеличения капитальных затрат. Оборудование менее требовательно в эксплуатации и обслуживании в сравнении с аналогами.
Сегодня асинхронные двигатели применяются в большинстве аспектов жизнедеятельности человека. Любой производственный процесс скорее всего будет нуждаться в применении последних. Усовершенствование последних приведет к значительной экономии энергии, а следовательно и уменьшении затрат на электроснабжение. Учитывая современные тенденции снижения влияния промышленности на окружающую среду, двигатель с совмещенными обмотками будет необходим, так как при значительном уменьшении электропотребления, количество полезной работы остается прежним. То есть удельное потребление углеводородов сократится.
Список литературы:
sibac.info
Изобретение относится к области электротехники и электротехнической промышленности и позволяет изготавливать энергоэффективные электрические машины, в частности высокомоментные малошумные асинхронные двигатели с повышенными эксплуатационными характеристиками. Предлагаемая совмещенная обмотка асинхронной машины с числом пар полюсов 2р=2, с числом пазов z=18 для числа параллельных ветвей а=1 выполнена с шагом у=1-10 и 6 содержит катушек, при этом число mз витков нечетных катушек и число m тр витков четных катушек удовлетворяет отношению 
Изобретение относится к электротехнической промышленности и позволяет изготавливать энергоэффективные электрические машины, в частности высокомоментные малошумные асинхронные двигатели с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Известно, что форма кривой магнитного поля обмотки в рабочем зазоре классических (стандартных) электрических машин имеет «негладкий», ступенчатый характер, отличный от синусоиды. Это приводит к модулированию МДС и снижению тягового усилия ротора машины, нежелательным акустическим шумам и вибрациям [1] что является известным недостатком. Поэтому изготовители стремятся указанную кривую приблизить к синусоиде различными способами [2, 3].
Известен принцип формирования обмоток энергоэффективных электрических машин с шестифазными так называемыми совмещенными обмотками (RU 109934 U1, опубл. 27.10.2011, и RU 113090 U1, опубл. 27.01.2012). К ним относятся серийно выпускаемые высокомоментные асинхронные двигатели серии АДЭМ (промобразец, http://www.uralelectro.ru/), некомбинированная совмещенная обмотка статора которых выбрана в качестве прототипа предложенного технического решения. Эта обмотка позволяет эффективно подавить высшие нечетные гармоники МДС и состоит из пространственно-совмещенной композиции двух трехфазных взаимозависимых частей (обмоток), собранных одна в звезду, другая в треугольник, при соотношении чисел витков треугольника и звезды, равном 
, при этом на каждую фазу приходится равное число пазов, катушки различных фаз уложены в разные пазы так, что результирующие векторы индукции магнитного потока каждой из двух соседних фаз образует между собой угол в 30 эл. градусов, нечетные фазы соединены в звезду, а четные - в треугольник, или наоборот, а выводы их фаз соединены между собой и образуют точки их подключения. Совмещение магнитных полей звезды и треугольника приближает к синусоиде форму кривой вращающегося магнитного поля в рабочем воздушном зазоре, за счет чего улучшаются энергетические характеристики машины, понижаются материалоемкость, уровень шумов и вибраций.
Неизвестна схема комбинированной совмещенной обмотки электрической машины с шагом у=1-10, числом пар полюсов 2р=2, числом параллельных ветвей а=1 и числом пазов z=18, в которой в двухслойных пазах число витков в два раза меньше, чем число витков в однослойных пазах.
Задача, на решение которой направлена заявляемое решение, заключается в технической реализации ранее не применяемой в электромашиностроении комбинированной совмещенной обмотки в машине с шагом у=1-10, числом пар полюсов 2р=2, числом параллельных ветвей а=1, и числом пазов z=18 с целью получения технического результата в виде увеличения ее удельной мощности, снижения материалоемкости, уровня шумов и вибраций.
Указанный технический результат достигается тем, что совмещенная обмотка асинхронной машины с числом пар полюсов 2р=2, с числом пазов z=18 для числа параллельных ветвей а=1, выполнена с шагом у=1-10 содержит 6 катушек, при этом число mз витков нечетных катушек и число mтр витков четных катушек удовлетворяет отношению 
Схема обмотки в стандартных обозначениях для a=1 представлена на фиг.1.
Новизна заявляемого технического решения обусловлена тем, что схема совмещенной обмотки электрической машины с шагом у=1-10, числом пар полюсов 2р=2, числом параллельных ветвей а=1, и числом пазов z=18 выполнена комбинированной, включает полюсные катушки, которые состоят из двух равных по числу секций отдельных групп, при этом четные группы соединены в звезду/ нечетные - в треугольник или, наоборот, четные - в треугольник, нечетные - в звезду, а выводы одноименных фаз звезды и треугольника соединены между собой и образуют точки подключения фаз согласно поясняющего сущность заявленного технического решения чертежа на фиг.1. В отличие от аналогов и прототипа в указанных обмотках в двухслойных пазах число витков в два раза меньше, чем число витков в однослойных пазах.
По данным научно-технической и патентной литературы авторам не известна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи для электрической машины с совмещенной комбинированной обмоткой с шагом у=1-10, числом пар полюсов 2р=2, числом параллельных ветвей а=1 и числом пазов z=18, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо.
Источники информации
1. Проектирование электрических машин. Под ред. И.П. Копылова. М.: Энергия, 1980.
2. А.В. Барков, Н.А. Баркова. Интеллектуальные системы мониторинга и диагностики машин по вибрации. Труды петербургского энергетического института повышения квалификации Минтопэнерго РФ и Института вибраций США, вып., 9, С-Пб, 1999 г.
3. А.В. Иванов-Смоленский. Электрические машины, том 1, М.: изд. дом МЭИ, 2006 г.
Совмещенная обмотка асинхронной машины с числом пар полюсов 2р=2 с числом пазов z=18 для числа параллельных ветвей а=1 выполнена с шагом y=1-10 содержит 6 катушек, при этом число mз витков нечетных катушек и число mтр витков четных катушек удовлетворяет отношению 
www.freepatent.ru
Я ничего не рекламирую, у меня вызывает восхищение гениальное и ПРОСТОЕ решение. Ну и гордость за то, что русские сделали в очередной раз невозможное. Кто далек от электротехники, могу для справки напомнить очевидные вещи, которые не ПРИНЯТО упоминать в приличном обществе. Ну ЧТО могут придумать эти дикие русские? Я имею в виду общемировой стандарт питающих трехфазных электросетей. Эту схему разработал наш соотечественник, русский инженер Доливо-Добровольский. Еще в конце 19-го века. Как и асинхронный электродвигатель, лучше которого по отношению цена – простота – надежность – технологичность за больше чем 100 лет ничего не родили. Давно ходили легенды про некого «Кулибина», который особым способом перемотал статорные обмотки, совместив в одном устройстве два включения – «звезду» и «треугольник». Как всегда, нашлись халявщики – плагиаторы, которые нагло давали заявки на авторство, но когда дело дошло до теоретического обоснования, так сразу позорно сдулись. Ничего не хочу больше расписывать, пройдите по ссылке первоисточника. Я просто скопировал страницу, а сертификаты с экспертизами уже читайте сами. Русская техническая мысль FOREVER !
Более 100 лет изобретатели во всех промышленно развитых станах мира предпринимали безуспешные попытки изобрести такие электродвигатели, которые могли бы заменить двигатели постоянного тока более простыми, надежными и дешевыми как асинхронные.
Решение было найдено в России, но установить действительного изобретателя на сегодняшний день не представляется возможным.
Существует патент RU 2646515 (на 01.01.2013 не действует) с приоритетом от 22.07.1991 года авторов: Власова В. Г. и Морозова Н. М., патентообладатель: Научно-производственное объединение «Кузбассэлектромотор» - «Статорная обмотка двухполюсного трёхфазного асинхронного двигателя», который практически полностью соответствует последующим заявкам на патенты Н. В. Яловеги, преподавателя Московского института электронной техники, от 1995 года (по этим заявкам патенты не выданы). Получается, что первоначальная идея не принадлежит Н. В. Яловеге который везде представляется изобретателям – «российского параметрического двигателя Яловеги» (РПДЯ). Но существует патент США, выданный 29.06.1993 г. Яловеге Н.В., Яловеге С.Н. и Беланову К.А., на электродвигатель аналогичный патенту РФ 1991 года, но создать по названным патентам электродвигатель никому не удалось т.к. теоретическое описание не содержит информации об конкретном исполнении обмоток, а «авторы» не могут дать разъяснений т.к. не обладают «видением» применения изобретения.
Вышеописанная ситуация с патентами указывает на то, что «авторы» патентов не являются истинными изобретателями, а скорее всего «подсмотрели» его воплощение у какого-то практика - обмотчика асинхронных двигателей, но не сумели развить реальное применение эффекта.
Электродвигатель с 2×3 двухслойными обмотками, сдвинутыми относительно друг друга получил название асинхронный электродвигатель с совмещенными обмотками (АЭД СО). Свойства АЭД СО позволили создать на его основе целый ряд технологического оборудования, отвечающего самым жестким требованиям энергосберегающих технологий. Выполненные проекты АЭД СО охватили мощностной ряд от 0,25 кВт до 2000 кВт.
Высокомоментные малошумные энергоэффективные асинхронные двигатели с совмещенными обмотками
Основные преимущества:
Примером таких двигателей могут послужить асинхронные электродвигатели (АД) серии АДЭМ. Их можно приобрести у завода-изготовителя УралЭлектро. Двигатели серии АДЭМ по установочно – присоединительным размерам полностью соответствует ГОСТ Р 51689. По классу энергоэффективности соответствуют IE 2 по IEC 60034-30.
Проведение модернизационных, ремонтных и сервисных работ на АД другой модификации позволяет довести их основные характеристики до уровня двигателей АДЭМ в области уменьшения потребления тока и увеличения наработки на отказ в 2-5 раза
По мнению международных экспертов, 90% существующего парка насосных агрегатов потребляют на 60% больше электроэнергии, чем это требуется для существующих систем. Несложно представить, какие объемы природных ресурсов можно сберечь, если учитывать, что доля насосов в общемировом потреблении электрической энергии составляет около 20%.
Европейским союзом разработан и принят к действию новый стандарт IEC 60034-30, согласно которому установлено три класса энергоэффективности (IE - Международная энергоэффективность) односкоростных трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:
По требованиям упомянутого стандарта изменения касаются практически всех двигателей в диапазоне мощностей от 0,75 кВт до 375 кВт. Внедрение нового стандарта в Европе будет проходить в три этапа:
Все двигатели, изготовленные по стандарту IE3, при определенных условиях экономят до 60% электрической энергии. Технология, применяемая в новых электродвигателях, позволяет максимально уменьшить потери в обмотке статора, пластинах статора и ротора двигателя, связанные с вихревыми токами и отставанием фаз. Кроме того, в этих двигателях сведены к минимуму потери при прохождении тока через пазы и контактные кольца ротора, а также потери на трение в подшипниках.
Электропривод - главный потребитель электрической энергии.
Сегодня он потребляет более 40% от всей производимой электроэнергии, а в ЖКХ до 80%. В условиях дефицита энергетических ресурсов это делает особенно острой проблему энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода.
Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта
В последние годы, в связи с появлением надёжных и приемлемых по цене преобразователей частоты, широкое распространение стали получать регулируемые асинхронные приводы. Хотя их цена и остаётся достаточно высокой (в два–три раза дороже двигателя), они позволяют в ряде случаев снизить потребление электроэнергии и улучшить характеристики двигателя, приблизив их к характеристикам двигателей постоянного тока. Надёжность частотных регуляторов также в разы ниже, чем электродвигателей. Не каждый потребитель имеет возможность вложить такие огромные деньги на установку частотных регуляторов. В Европе к 2012 году лишь 15% регулируемых электроприводов укомплектовано двигателями постоянного тока. Поэтому актуально рассматривать проблему энергосбережения главным образом применительно к асинхронному электроприводу, в том числе частотно-регулируемому, оснащённому специализированными двигателями с меньшей материалоёмкостью и себестоимостью.
В мировой практике сложилось два основных направления решения указанной проблемы:
В первом случае усилия направлены на снижение стоимости частотных преобразователей. Во втором случае – на разработку новых электротехнических материалов и оптимизацию основных размеров электрических машин
maxpark.com
1 ЭЛЕКТРОННЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «APRIORI. CЕРИЯ: ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» УДК 62 НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ В ПЛАНЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С СОВМЕЩЕННОЙ ОБМОТКОЙ Лесков Иван Алексеевич студент Троценко Владислав Михайлович студент Калимуллин Алик Талгатович ассистент Омский государственный технический университет, Омск Аннотация. Представлен обзор новых технологических усовершенствований асинхронного двигателя разных стран мира. Приведено сравнение характеристик асинхронного двигателя до и после усовершенствования. Рассмотрен экономический расчет энергоэффективного асинхронного двигателя с совмещенной обмоткой и заводского обычного асинхронного двигателя. Ключевые слова: асинхронный двигатель; полюс; обмотка; энергоэффективность; экономический расчет. 1
2 NEW DEVELOPMENTS OF ENERGY EFFICIENCY OF ASYNCHRONOUS ENGINES. ECONOMIC CALCULATION OF ASYNCHRONOUS ENGINE WITH THE COMBINED PUTTEE Leskov Ivan Alekseevich student Trotcenko Vladislav Mikhailovich student Kalimullin Alik Talgatovich teaching assistant Omsk state technical university, Omsk Abstract. Reviewed new technological improvements of asynchronous engine of different countries of the world. Comparison of descriptions of asynchronous engine before and after an improvement is described. Economic calculation of energy effective asynchronous engine with the combined puttee and plant ordinary asynchronous engine is investigated. Key words: asynchronous engine; pole; puttee; energy efficiency; economic calculation. Асинхронные машины большее распространение получили как двигатели. Это основной двигатель, применяемый в промышленности, сельском хозяйстве и в быту. Только асинхронных двигателей мощностью от 0,06 до 400 квт в России ежегодно выпускается несколько млн. штук [1]. 2
3 Асинхронные двигатели подразделяются на два типа, одни имеют короткозамкнутый ротор, вторые фазный. Большинство используемых электрических двигателей являются асинхронными, имеющими короткозамкнутый ротор. Их широкое применение в первую очередь обуславливается простотой в обслуживании, эксплуатации, простотой конструкции, низкой стоимостью и высокой надежностью. Ранее, поскольку задачи экономии энергоресурсов не было, при проектировании оборудования стремились «подстраховаться», и использовали двигатели с мощностью, превышающей расчетную. Экономия электроэнергии в проектировании отходила на второй план. В последние годы энергоэффективность все более актуальна. В данной работе мы проанализируем и представим некоторые новые разработки в данном направлении. Учеными университета Токио в статье [2] предложена новая модель двигателя, позволяющая обеспечить значительную экономию электроэнергии, в его основу положена методика, позволяющая быстро изменять число магнитных полюсов в двигателе с постоянными магнитами (PM). Рис. 1. Конфигурация двигателя 3
4 Двигатель ПК-ПМ способен изменять количество магнитных полюсов с коэффициентом 3, благодаря встроенному ротору с ПМС, который имеет постоянные магниты и переменный магнит. Основные характеристики двигателя приведены в таблице 1 [2]. Таблица 1 Характеристики двигателя Фаза / полюс 3 фазный / 6 полюсный Наружный диаметр статора φ120 мм Наружный диаметр ротора φ60 мм Длина воздушного зазора 0,5 мм Номинальный ток 5 Плотность тока 4.3a / мм 2 Количество очереди 30 Скорость вращения 3600 оборотов в минуту Принудительная сила переменно 120 ка / м намагниченного магнита Принудительная сила постоянного 1675 ка / м намагниченного магнита Длина воздушного зазора φ60 мм В процессе перехода двигателя из состояния 6-полюсного в 2- полюсный намагниченность в ФМШ варьируется от 100 % до 60 % под током намагничивания 10 ПУ. При обратном процессе намагниченность в ФМШ варьируется от 100 % до 100 % при токе намагничивания 1 ПУ. Таким образом, результаты показывают, что в процессе перехода от состояния 6-полюсного к 2-полюсному и обратно возможно намагнитить ЛС с небольшим током намагничивания в области 2-полюсного двигателя. 4
5 Авторами также было проведено исследование характеристик магнитного поля до и после изменения полюса при помощи метод конечных элементов (МКЭ): Рис. 2. Фазовые характеристики крутящегося момента тока Рис. 3. Характеристики крутящего момента При уменьшении числа полюсов, уменьшается частота в двигателе, что приводит к уменьшению потерь в сердечнике. Как видим из результатов эксперимента, приведённых ниже, двигатель может уменьшить потери в сердечнике на высоких оборотах примерно на 34,3 %, изменение полюсов повышает эффективность двигателя. 5
6 Рис. 4. Потери в сердечнике статора на холостом ходу Рис. 5. Принцип смены полюсов в модифицированном двигателе Полученные результаты доказали способность предлагаемого двигателя изменять количество полюсов в 3 раза, его высокую производительность и эффективность. Основной целью разработки группы китайских ученых в статье [3] стал новый способ управления системой привода, позволяющий снизить радиальную вибрацию. 6
7 Радиальная вибрация, возникающая в основном при вращающейся эксцентричной нагрузке, может значительно снизить надежность двигателей и срок их службы [4]. Для ее уменьшения в вентильных электродвигателях был предложен метод обнаружения в режиме реального времени на основе теоретического анализа вибрации двигателей и механического анализа для вращательной эксцентричной нагрузки, а также новая стратегия управления на базе ВК (векторный контроль). Частота вибрации соответствует скорости движения. Эксцентричный ротор создает минимальный воздушный зазор, поле которого вращается вместе с ротором с одинаковой частотой. При этом магнитная сила, действующая в точке минимального воздушного зазора, превышает соответствующую силу, действующую при максимальном промежутке [5]. Как следствие односторонняя магнитная сила вызывает радиальную вибрацию. Проходя через муфту, фаза радиальной вибрации изменяет свое значение на 180 градусов. Следует отметить, что влияние величины расцентровки на уровень вибраций не линейно. При этом, направление относительного смещения насоса и двигателя влияет на уровень вибрации. Однако наибольшее влияние на уровень вибрации, а соответственно и на износ механизма в целом, оказывают угловые расцентровки. Вследствие большей жесткости, данное влияние особенно ощутимо в вертикальной плоскости. Эта однонаправленная магнитная сила будет вращаться с частотой, вызывающей в воздушном зазоре вибрацию такой же частоты вращения, по заданному времени. Тип движение вибрации, как правило, определяется ускорением [6]. Экспериментальные результаты, приведенные на рисунке 6, показывают, что радиальная вибрация двигателя, вызванная эксцентрической нагрузкой, по осям X и Y является линейной. Способ управления системой привода основан на ПОУ (поле ориентированного управления). Приняв за основу быстрый динамический от- 7
8 клик крутящего момента от ВОК [7], можно разработать алгоритм управления нового рода, основанный на динамической пульсации крутящего момента для уменьшения вибрации. Рис. 6. Вибрации электродвигателя, вызываемые посредством эксцентриковой нагрузки Схема алгоритма управления приведена на рисунке 7. Это основной метод управления ПОУ, где крутящийся момент определяется моментом тока I д [8]. После этого ток I QS создает контролируемый пульсирующий крутящийся момент, который контролирует искусственную вибрацию. Полученная в результате искусственная вибрация позволяет уменьшить первоначальную вибрацию, вызванную эксцентрической нагрузкой. Это рабочее включение производит синусоидальный крутящийся момент в определенное время, обеспечивая возможность получения подходящих вибраций для максимального амплитудного значения к восстановленной оригинальной вибрации. 8
9 Рис. 7. Принципиальная схема алгоритма с самоадаптацией Принимая во внимание ряд факторов, приведенных ниже, для обеспечения эффективности снижения вибрации временной порог должен быть установлен таким образом, чтобы своевременно создать искусственную вибрацию. Необходимо учитывать время отклика системы, то есть то, что реакция вибрации будет происходить с некоторой задержкой. Порог, установленный для включения функции заранее, позволяет решить эту проблему. Отношение между пульсирующим крутящимся моментом и вибрацией не линейно, и трудно изменить всю форму волны вибрации. Таким образом, сглаживание высших гармоник является более практичным. Скорость пульсирующего потока, вызванного крутящимся моментом, может привести к нестабильности системы привода. Во избежание данного влияния установленный порог должен позволять отключить эту функцию своевременно. 9
10 Рис. 8. Принципиальная схема системы привода Основная стратегия управление приводом ОВК предлагает быстрый отклик крутящего момента. Эта характеристика является основополагающей в самоадаптационной модели. Изменение значения тока, порождающее крутящийся момент, вследствие электромагнитной индукции преобразовано в виде напряжения, где сигнал выходного напряжения является преобразователем источника напряжения. Тогда на выходе инвертора будет изменен трехфазный напряжение для запуска PM (постоянный магнит) двигатель работает с низкой вибрацией. В безадаптированной модели амплитуда виброускорения превышает 10 м/с 2 и доходит до м/с 2. При той же скорости двигателя около 300 об/мин амплитуда в самоадаптированной модели сведена к 10 м/с 2. Процент уменьшения вибрации в зависимости от скорости двигателя показан на рисунке 9. 10
11 Рис. 9. Процент подавления вибраций с разной скоростью двигателя В ходе основных экспериментов доказано, что амплитуда колебаний была уменьшена более чем на 10 %. Это указывает на то, что алгоритм самоадаптации существенно уменьшил вибрации и данная стратегия управления для уменьшения вибрации является эффективной. Россия так же не стоит на месте, и в плане энергоэффективности, мы вполне можем конкурировать с другими странами мира. Так Д.А. Дуюнов в своем патенте [9] предложил новую конструкцию обмотки асинхронного двигателя для z = 18, 2p = 2, а также в работе [10] схему обмотки малошумного асинхронного двигателя с совмещенной обмоткой. Главная мысль разработок сводится к тому, что, исходя из схемы подключения трехфазной нагрузки к трехфазной сети, а это может быть соединение в «звезду» либо в «треугольник», можно получить 2 системы токов, которые производят угол в 30 0 между векторами индукции магнитных потоков. Следовательно, к трехфазной сети можно подключить электродвигатель, имеющий шестифазную обмотку. На каждую фазу достается равное число пазов, а катушки разных фаз находятся в разных пазах так, что результирующие векторы индукции магнитного потока каждой из двух 11
12 парных фаз формируют угол в 30 0 между собой. Нечетные фазы соединены в «звезду», а четные в «треугольник», или наоборот, а выводы их фаз соединены друг с другом и образуют точки их включения. Сочетание двух схем в одной обмотке дает возможность значительно улучшить характеристики двигателя. Поле в рабочем зазоре заводского асинхронного двигателя не сглаженное, ступенчатое. Вследствие этого стандартный асинхронный двигатель располагает приемлемыми характеристиками только в режиме номинальной нагрузки. Соединение в шестифазной обмотке ротора (или статора) асинхронного двигателя 2-х трехфазных совмещенных и зависимых друг от друга обмоток «треугольника» и «звезды» благодаря наибольшему числу фаз и сложению магнитных полей этих двух обмоток, приводит к тому, что такой двигатель характеризуется наиболее «гладкой» и близкой к синусоиде кривой М.Д.С. Совмещение обмоток так же позволяют понизить уровень магнитной индукции полей от нечетных гармоник, что, уменьшит потери в магнитопроводе и увеличит его перегрузочную способность и удельную мощность. Данная обмотка так же позволяет производить двигатели для работы на больших частотах питающего напряжения. Двигатели с совмещенными обмотками имеют меньшую кратность пусковых токов при более высоких пусковых моментах. Из ниже приведенных графиков мы видим, что форма кривых распределения магнитодвижущей силы двигателя с совмещенными обмотками при разных значениях времени более сглажена и ближе к синусоидальной, чем у стандартного, заводского двигателя. Автором были сняты механические характеристики двигателей со стандартной обмоткой и с совмещенной. За основу был взят двигатель: АДМ100S2У2. КПД и cos, полученные при испытаниях двигателя с совмещенной обмоткой превышают данные стандартных двигателей, следовательно, они гораздо энергоэффективнее двигателей со стандартной обмоткой. 12
13 Рис. 10. Кривая распределения М.Д.С. по зубцам статора стандартного двигателя с однослойной обмоткой Z1 = 36, 2p = 2 в различные моменты времени Рис. 11. Кривая распределения М.Д.С. по зубцам статора двигателя с однослойной совмещенной обмоткой Z1 = 24, 2p = 2 в различные моменты времени 13
14 Пример схемы двухслойной обмотки малошумного асинхронного двигателя, которая представлена на рисунке 12 [9]. Где: U1, V1, W1 точки подключения электродвигателя к внешней трехфазной питающей сети, Z1 число пазов статора, p число пар полюсов, a1 число параллельных ветвей, y1 шаг обмотки, C i выводы обмотки «звезды», C i' выводы обмотки «треугольника», Арабскими цифрами обозначен порядковый номер катушки. Рис. 12. Вариант схемы двухслойной обмотки малошумного асинхронного двигателя В патенте [10] разработана схема совмещенной обмотки асинхронного двигателя с шагом у = 1-10, числом пар полюсов 2р = 2, числом параллельных ветвей а = 1 и числом пазов z = 18. В двухслойных пазах число витков в 2 раза меньше, чем число витков в однослойных пазах, благодаря тому, что совмещенная обмотка содержит 6 катушек и выполнена комбинированной. Число m з витков нечетных катушек и число m тр витков четных катушек удовлетворяет соотношению: 14
15 тр 3, (1) Рис. 13. Вариант схемы двухслойной обмотки для числа параллельных ветвей а = 1 асинхронного двигателя Предлагаемая автором разработка дает возможность получить экономию электроэнергии при минимальных капиталовложениях. Также в полученных двигателях КПД и cos, близки к номинальному в диапазоне нагрузок от 25 до 150 %, пусковые токи на 35 % меньше, напротив, пусковой момент на 35 % больше, а также понижен уровень акустических шумов и вибраций двигателя. Но, так как разработанный Дуюновым, энергоэффективный асинхронный двигатель с совмещенной обмоткой стоит гораздо дороже обычного двигателя той же мощности, данные траты должны быть обоснованы с экономической точки зрения. Для наглядности сравним и рассчитаем два асинхронных двигателя 4А180М2У3 и АДЭМ180М2. Чем выше КПД (и соответственно ниже потери в стали), тем меньше энергии потребляет электродвигатель из сети для создания той же самой мощности P2. В качестве демонстрации экономии электроэнергии при использовании энергоэффективных двигателей сравним количества 15
16 потребляемой мощности на примере электродвигателей ABB обычной (М2АА) и энергоэффективной (М3АА) серий. 1. Двигатель 4А180М2У3 (класс энергоэффективности IE1, заводской двигатель): мощность Р2 = 30 квт, n = 3000 об/мин, η = 90,5 %, cosφ = 0,9 Стоимость двигателя: руб. Расчет: Активная мощность, потребляемая из сети: P2 30 P1 = = = 33, 15кВт, (2) η 0,905 Суммарные потери: P = P1 P2 = 33,15 30 = 3, 15кВт, (3) Предположим, что данный двигатель работает 24 часа в сутки, 365 дней в году, то количество энергии, теряемое и выделяемое в виде тепла: Q = 3, = 27587кВт, (4) При средней стоимости электроэнергии 2 руб. за квт/ч количество потерянной электроэнергии за 1 год составит: C = = руб., (5) 16
17 2. Двигатель АДЭМ180М2 (класс энергоэффективности IE2, с совмещенной обмоткой): мощность Р2 = 30 квт, n = 3000 об/мин, η = 92 %, cosφ = 0,88 Стоимость двигателя: руб. Расчет: P2 30 P1 = = = 32, 6кВт, (6) η 0,920 P = P1 P2 = 32,6 30 = 2, 61кВт, (7) Q = 2, = 22852кВт, (8) C = = 45704руб., (9) Исходя из расчетов, мы видим, что в случае замены обычного электродвигателя на энергоэффективный с совмещенной обмоткой, экономия эл. энергии составляет 4795 квт в год на один двигатель. При применении 10 таких электродвигателей экономия составит квт в год или в денежном выражении 9469,5 руб./год. Следовательно, использование энергоэффективных двигателей дает предприятию уменьшить себестоимость производимой продукции, тем самым, повысив ее конкурентоспособность. 17
18 Список использованных источников 1. Расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором [Электронный ресурс]. Режим доступа: 3c0b65625a2ad68a4c43b c36.html (дата обращения: ). 2. Yuji О., Kazuto Sakai. Permanent Magnet Motor Capable of Changing the Number of Poles by a Factor of Three // International Conference on Electrical Machines and Systems Busan, Korea. Р Hao Z., Rong-xiang Zhao, Huan Yang, Hui Cai. A Vibration Mitigation Approach for Inverter-fed Permanent Magnet Motor Drive System // IEEE SENSORS JOURNAL Р William R., William Finley, Mark Hodowanec, WarrenHolter. Diagnosing motor vibration problems // Conference Record of 2000 Annual Pulp and Paper Industry Technical Conference Р Li J., Liu Z., Nay L. Effect of Radial Magnetic Forces in Permanent Magnet Motors With Rotor Eccentricity // IEEE Transactions on Magnetics V. 43. Is. 6. Р Bogh D., Crowell J., Amstutz R. IEEE 841 motor vibration // Industry Applications Magazine IEEE. V P Bose B. Modern Power Electronics and AC Drives. Beijing, China Machine Press, Pillay P., Allen C.R., Budhabhathi R. DSP-based vector and current controllers for a permanent magnet synchronous motor drive // Conference Record of the 1990 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting V Р Дуюнов Д., Агриков Ю., Блинов В., Яковлев И. Малошумный асинхронный двигатель // Патент Российской Федерации RU Дуюнов Д. Асинхронный двигатель с совмещенными обмотками // Энергосовет (27). С
docplayer.ru
ЭЛЕКТРОННЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ДРтот. СЕРИЯ: ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ»№ 2 2015УДК 62НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ В ПЛАНЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТАСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С СОВМЕЩЕННОЙ ОБМОТКОЙЛесков Иван АлексеевичстудентТроценко Владислав МихайловичстудентКалимуллин Алик ТалгатовичассистентОмский государственный технический университет, Омскаи^ог@аргюг1-]оигпа! гиАннотация. Представлен обзор новых технологических усовершенствований асинхронного двигателя разных стран мира. Приведено сравнение характеристик асинхронного двигателя до и после усовершенствования. Рассмотрен экономический расчет энергоэффективного асинхронного двигателя с совмещенной обмоткой и заводского обычного асинхронного двигателя.Ключевые слова: асинхронный двигатель- полюс- обмотка- энергоэффективность- экономический расчет.NEW DEVELOPMENTS OF ENERGY EFFICIENCY OF ASYNCHRONOUS ENGINES. ECONOMIC CALCULATION OF ASYNCHRONOUS ENGINEWITH THE COMBINED PUTTEELeskov Ivan AlekseevichstudentTrotcenko Vladislav MikhailovichstudentKalimullin Alik Talgatovichteaching assistant Omsk state technical university, OmskAbstract. Reviewed new technological improvements of asynchronous engine of different countries of the world. Comparison of descriptions of asynchronous engine before and after an improvement is described. Economic calculation of energy effective asynchronous engine with the combined puttee and plant ordinary asynchronous engine is investigated.Key words: asynchronous engine- pole- puttee- energy efficiency- economic calculation.Асинхронные машины большее распространение получили как двигатели. Это основной двигатель, применяемый в промышленности, сельском хозяйстве и в быту. Только асинхронных двигателей мощностью от 0,06 до 400 кВт в России ежегодно выпускается несколько млн. штук [1].Асинхронные двигатели подразделяются на два типа, одни имеют короткозамкнутый ротор, вторые — фазный. Большинство используемых электрических двигателей являются асинхронными, имеющими коротко-замкнутый ротор. Их широкое применение в первую очередь обуславливается простотой в обслуживании, эксплуатации, простотой конструкции, низкой стоимостью и высокой надежностью.Ранее, поскольку задачи экономии энергоресурсов не было, при проектировании оборудования стремились «подстраховаться», и использовали двигатели с мощностью, превышающей расчетную. Экономия электроэнергии в проектировании отходила на второй план. В последние годы энергоэффективность все более актуальна. В данной работе мы проанализируем и представим некоторые новые разработки в данном направлении.Учеными университета Токио в статье [2] предложена новая модель двигателя, позволяющая обеспечить значительную экономию электроэнергии, в его основу положена методика, позволяющая быстро изменять число магнитных полюсов в двигателе с постоянными магнитами (РМ).Постоянные магнитыПеремнный магнитРис. 1. Конфигурация двигателяДвигатель ПК-ПМ способен изменять количество магнитных полюсов с коэффициентом 3, благодаря встроенному ротору с ПМС, который имеет постоянные магниты и переменный магнит. Основные характеристики двигателя приведены в таблице 1 [2].Таблица 1Характеристики двигателяФаза / полюс 3 фазный / 6 полюсныйНаружный диаметр статора ф120 ммНаружный диаметр ротора ф60 ммДлина воздушного зазора 0,5 ммНоминальный ток 5Плотность тока 4. 3а / мм 2Количество очереди 30Скорость вращения 3600 оборотов в минутуПринудительная сила переменно намагниченного магнита 120 кА / мПринудительная сила постоянного намагниченного магнита 1675 кА / мДлина воздушного зазора ф60 ммВ процессе перехода двигателя из состояния 6-полюсного в 2-полюсный намагниченность в ФМШ варьируется от 100% до -60% под током намагничивания 10 ПУ. При обратном процессе намагниченность в ФМШ варьируется от -100% до 100% при токе намагничивания 1 ПУ.Таким образом, результаты показывают, что в процессе перехода от состояния 6-полюсного к 2-полюсному и обратно возможно намагнитить ЛС с небольшим током намагничивания в области 2-полюсного двигателя.Авторами также было проведено исследование характеристик магнитного поля до и после изменения полюса при помощи метод конечных элементов (МКЭ):Рис. 2. Фазовые характеристики крутящегося момента токаРис. 3. Характеристики крутящего моментаПри уменьшении числа полюсов, уменьшается частота в двигателе, что приводит к уменьшению потерь в сердечнике. Как видим из результатов эксперимента, приведённых ниже, двигатель может уменьшить потери в сердечнике на высоких оборотах примерно на 34,3%, изменение полюсов повышает эффективность двигателя.3600 7200 10*00 14 400 1X000Ротационная скорость (об мин)Рис. 4. Потери в сердечнике статора на холостом ходу«смена полюсовРис. 5. Принцип смены полюсов в модифицированном двигателеПолученные результаты доказали способность предлагаемого двигателя изменять количество полюсов в 3 раза, его высокую производительность и эффективность.Основной целью разработки группы китайских ученых в статье [3] стал новый способ управления системой привода, позволяющий снизить радиальную вибрацию.Радиальная вибрация, возникающая в основном при вращающейся эксцентричной нагрузке, может значительно снизить надежность двигателей и срок их службы [4].Для ее уменьшения в вентильных электродвигателях был предложен метод обнаружения в режиме реального времени на основе теоретического анализа вибрации двигателей и механического анализа для вращательной эксцентричной нагрузки, а также новая стратегия управления на базе ВК (векторный контроль). Частота вибрации соответствует скорости движения. Эксцентричный ротор создает минимальный воздушный зазор, поле которого вращается вместе с ротором с одинаковой частотой. При этом магнитная сила, действующая в точке минимального воздушного зазора, превышает соответствующую силу, действующую при максимальном промежутке [5]. Как следствие — односторонняя магнитная сила вызывает радиальную вибрацию.Проходя через муфту, фаза радиальной вибрации изменяет свое значение на 180 градусов. Следует отметить, что влияние величины расцентровки на уровень вибраций не линейно. При этом, направление относительного смещения насоса и двигателя влияет на уровень вибрации. Однако наибольшее влияние на уровень вибрации, а соответственно и на износ механизма в целом, оказывают угловые расцентровки. Вследствие большей жесткости, данное влияние особенно ощутимо в вертикальной плоскости.Эта однонаправленная магнитная сила будет вращаться с частотой, вызывающей в воздушном зазоре вибрацию такой же частоты вращения, по заданному времени. Тип движение вибрации, как правило, определяется ускорением [6]. Экспериментальные результаты, приведенные на рисунке 6, показывают, что радиальная вибрация двигателя, вызванная эксцентрической нагрузкой, по осям X и Y является линейной.Способ управления системой привода основан на ПОУ (поле ориентированного управления). Приняв за основу быстрый динамический от-клик крутящего момента от ВОК [7], можно разработать алгоритм управления нового рода, основанный на динамической пульсации крутящего момента для уменьшения вибрации.кии5ЕС: 25. 00шТМ: Ш>-ОС Г 0. 00ТОИЯ: -100. 001Аи 4 V/…». V/ / Л / ! / … д / / Л V V у / 1 Л * N / / 1 / 1{ / I • 7 л V 1 ./ 1 / I / / / У к «/ / 1 / /: / / // 1 г ч 1 К / V 1 -V 1 — г (- • / - /| /А 1 / V / / & gt- V X (/ / V / / / /ч У ^ ч 7 1 Л /
См1: 0. 50 УМ: «у«2:0. 50 М: и«1:0. 50«1:2. 00 М:Рис. 6. Вибрации электродвигателя, вызываемые посредствомэксцентриковой нагрузкиСхема алгоритма управления приведена на рисунке 7. Это — основной метод управления ПОУ, где крутящийся момент определяется моментом тока 1д [8]. После этого ток !03 создает контролируемый пульсирующий крутящийся момент, который контролирует искусственную вибрацию. Полученная в результате искусственная вибрация позволяет уменьшить первоначальную вибрацию, вызванную эксцентрической нагрузкой. Это рабочее включение производит синусоидальный крутящийся момент в определенное время, обеспечивая возможность получения подходящих вибраций для максимального амплитудного значения к восстановленной оригинальной вибрации.Рис. 7. Принципиальная схема алгоритма с самоадаптациейПринимая во внимание ряд факторов, приведенных ниже, для обеспечения эффективности снижения вибрации временной порог должен быть установлен таким образом, чтобы своевременно создать искусственную вибрацию.Необходимо учитывать время отклика системы, то есть то, что реакция вибрации будет происходить с некоторой задержкой. Порог, установленный для включения функции заранее, позволяет решить эту проблему.Отношение между пульсирующим крутящимся моментом и вибрацией не линейно, и трудно изменить всю форму волны вибрации. Таким образом, сглаживание высших гармоник является более практичным.Скорость пульсирующего потока, вызванного крутящимся моментом, может привести к нестабильности системы привода. Во избежание данного влияния установленный порог должен позволять отключить эту функцию своевременно.DSP ControllerРис. 8. Принципиальная схема системы приводаОсновная стратегия управление приводом ОВК предлагает быстрый отклик крутящего момента. Эта характеристика является основополагающей в самоадаптационной модели.Изменение значения тока, порождающее крутящийся момент, вследствие электромагнитной индукции преобразовано в виде напряжения, где сигнал выходного напряжения является преобразователем источника напряжения. Тогда на выходе инвертора будет изменен трехфазный напряжение для запуска РМ (постоянный магнит) двигатель работает с низкой вибрацией.В безадаптированной модели амплитуда виброускорения превышает 10 м/с2 и доходит до 11. 36 м/с2. При той же скорости двигателя около 300 об/мин амплитуда в самоадаптированной модели сведена к 10 м/с2.Процент уменьшения вибрации в зависимости от скорости двигателя показан на рисунке 9.Рис. 9. Процент подавления вибраций с разной скоростью двигателяВ ходе основных экспериментов доказано, что амплитуда колебаний была уменьшена более чем на 10%. Это указывает на то, что алгоритм самоадаптации существенно уменьшил вибрации и данная стратегия управления для уменьшения вибрации является эффективной.Россия так же не стоит на месте, и в плане энергоэффективности, мы вполне можем конкурировать с другими странами мира. Так Д. А. Ду-юнов в своем патенте [9] предложил новую конструкцию обмотки асинхронного двигателя для z = 18, 2p = 2, а также в работе [10] схему обмотки малошумного асинхронного двигателя с совмещенной обмоткой.Главная мысль разработок сводится к тому, что, исходя из схемы подключения трехфазной нагрузки к трехфазной сети, а это может быть соединение в «звезду» либо в «треугольник», можно получить 2 системы токов, которые производят угол в 300 между векторами индукции магнитных потоков. Следовательно, к трехфазной сети можно подключить электродвигатель, имеющий шестифазную обмотку. На каждую фазу достается равное число пазов, а катушки разных фаз находятся в разных пазах так, что результирующие векторы индукции магнитного потока каждой из двухпарных фаз формируют угол в 300 между собой. Нечетные фазы соединены в «звезду», а четные — в «треугольник», или наоборот, а выводы их фаз соединены друг с другом и образуют точки их включения.Сочетание двух схем в одной обмотке дает возможность значительно улучшить характеристики двигателя. Поле в рабочем зазоре заводского асинхронного двигателя не сглаженное, ступенчатое. Вследствие этого стандартный асинхронный двигатель располагает приемлемыми характеристиками только в режиме номинальной нагрузки. Соединение в шести-фазной обмотке ротора (или статора) асинхронного двигателя 2-х трехфазных совмещенных и зависимых друг от друга обмоток «треугольника» и «звезды» благодаря наибольшему числу фаз и сложению магнитных полей этих двух обмоток, приводит к тому, что такой двигатель характеризуется наиболее «гладкой» и близкой к синусоиде кривой М.Д.С.Совмещение обмоток так же позволяют понизить уровень магнитной индукции полей от нечетных гармоник, что, уменьшит потери в магнито-проводе и увеличит его перегрузочную способность и удельную мощность. Данная обмотка так же позволяет производить двигатели для работы на больших частотах питающего напряжения. Двигатели с совмещенными обмотками имеют меньшую кратность пусковых токов при более высоких пусковых моментах.Из ниже приведенных графиков мы видим, что форма кривых распределения магнитодвижущей силы двигателя с совмещенными обмотками при разных значениях времени более сглажена и ближе к синусоидальной, чем у стандартного, заводского двигателя.Автором были сняты механические характеристики двигателей со стандартной обмоткой и с совмещенной. За основу был взят двигатель: АДМ100Б2У2. КПД и cos, полученные при испытаниях двигателя с совмещенной обмоткой превышают данные стандартных двигателей, следовательно, они гораздо энергоэффективнее двигателей со стандартной обмоткой.Рис. 10. Кривая распределения М.Д.С. по зубцам статора стандартного двигателя с однослойной обмоткой 21 = 36, 2р = 2в различные моменты времениРис. 11. Кривая распределения М.Д.С. по зубцам статора двигателя с однослойной совмещенной обмоткой 21 = 24, 2р = 2 в различные моменты времениПример схемы двухслойной обмотки малошумного асинхронного двигателя, которая представлена на рисунке 12 [9]. Где:и1, VI, W1 — точки подключения электродвигателя к внешней трехфазной питающей сети,71 — число пазов статора,р — число пар полюсов,а1 — число параллельных ветвей,у1 — шаг обмотки,01 — выводы обмотки «звезды»,С Г — выводы обмотки «треугольника»,Арабскими цифрами обозначен порядковый номер катушки.10 11 12 123 4 56 789I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 1 I I I I I I I I I I IШ VI О л/1Рис. 12. Вариант схемы двухслойной обмотки малошумногоасинхронного двигателяВ патенте [10] разработана схема совмещенной обмотки асинхронного двигателя с шагом у = 1−10, числом пар полюсов 2р = 2, числом параллельных ветвей, а = 1 и числом пазов г = 18. В двухслойных пазах число витков в 2 раза меньше, чем число витков в однослойных пазах, благодаря тому, что совмещенная обмотка содержит 6 катушек и выполнена комбинированной. Число тз витков нечетных катушек и число ттр витков четных катушек удовлетворяет соотношению:14m3Рис. 13. Вариант схемы двухслойной обмотки для числа параллельных ветвей, а = 1 асинхронного двигателяПредлагаемая автором разработка дает возможность получить экономию электроэнергии при минимальных капиталовложениях. Также в полученных двигателях КПД и cos, близки к номинальному в диапазоне нагрузок от 25 до 150%, пусковые токи на 35% меньше, напротив, пусковой момент на 35% больше, а также понижен уровень акустических шумов и вибраций двигателя.Но, так как разработанный Дуюновым, энергоэффективный асинхронный двигатель с совмещенной обмоткой стоит гораздо дороже обычного двигателя той же мощности, данные траты должны быть обоснованы с экономической точки зрения. Для наглядности сравним и рассчитаем два асинхронных двигателя 4А180М2У3 и АДЭМ180М2.Чем выше КПД (и соответственно ниже потери в стали), тем меньше энергии потребляет электродвигатель из сети для создания той же самой мощности P2. В качестве демонстрации экономии электроэнергии при использовании энергоэффективных двигателей сравним количествапотребляемой мощности на примере электродвигателей АВВ обычной (М2АА) и энергоэффективной (М3АА) серий.1. Двигатель 4А180М2У3 (класс энергоэффективности 1Е1, заводской двигатель):мощность Р2 = 30 кВт, п = 3000 об/мин, П = 90,5%, оовф = 0,9Стоимость двигателя: 38 000 руб. Расчет:Активная мощность, потребляемая из сети:Р1 = = = 33,15кВт, (2)Т] 0,905Суммарные потери:АР = Р1 — Р2 = 33,15 — 30 = 3,15кВт, (3)Предположим, что данный двигатель работает 24 часа в сутки, 365 дней в году, то количество энергии, теряемое и выделяемое в виде тепла:0 = 3,15 • 24 • 365 = 27 587кВт, (4)При средней стоимости электроэнергии 2 руб. за кВт/ч количество потерянной электроэнергии за 1 год составит:С = 2 • 27 587 = 55 173. 5 руб., (5)2. Двигатель АДЭМ180М2 (класс энергоэффективности 1Е2, с совмещенной обмоткой):мощность Р2 = 30 кВт, п = 3000 об/мин, П = 92%, оовф = 0,88Стоимость двигателя: 53 200 руб. Расчет:Р2 30Р1 = ?± = = 32,6кВт, (6)Т 0,920АР = Р1 — Р2 = 32,6 — 30 = 2,61кВт, (7)0 = 2,61 • 24 • 365 = 22 852кВт, (8)С = 2 • 22 852 = 45 704 руб., (9)Исходя из расчетов, мы видим, что в случае замены обычного электродвигателя на энергоэффективный с совмещенной обмоткой, экономия эл. энергии составляет 4795 кВт в год на один двигатель. При применении 10 таких электродвигателей экономия составит 47 350 кВт в год или в денежном выражении 9469,5 руб. /год.Следовательно, использование энергоэффективных двигателей дает предприятию уменьшить себестоимость производимой продукции, тем самым, повысив ее конкурентоспособность.Список использованных источников1. Расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: //knowledge. allbest. ru/physics/ 3c0b65625a2ad68a4c43b89421216c36. html (дата обращения: 26. 02. 2015).2. Yuji О., Kazuto Sakai. Permanent Magnet Motor Capable of Changing the Number of Poles by a Factor of Three // International Conference on Electrical Machines and Systems. 2013. Busan, Korea. Р. 1122−1126.3. Hao Z., Rong-xiang Zhao, Huan Yang, Hui Cai. A Vibration Mitigation Approach for Inverter-fed Permanent Magnet Motor Drive System // IEEE SENSORS JOURNAL. 2009. Р. 2017−2022.4. William R., William Finley, Mark Hodowanec, WarrenHolter. Diagnosing motor vibration problems // Conference Record of 2000 Annual Pulp and Paper Industry Technical Conference. 2000. 19−23. Р. 165−180.5. Li J., Liu Z., Nay L. Effect of Radial Magnetic Forces in Permanent Magnet Motors With Rotor Eccentricity // IEEE Transactions on Magnetics. 2007. V. 43. Is. 6. Р. 2525−2527.6. Bogh D., Crowell J., Amstutz R. IEEE 841 motor vibration // Industry Applications Magazine. 2005. IEEE. V. 11. № 6. P. 32−37.7. Bose B. Modern Power Electronics and AC Drives. Beijing, China Machine Press, 2003.8. Pillay P., Allen C.R., Budhabhathi R. DSP-based vector and current controllers for a permanent magnet synchronous motor drive // Conference Record of the 1990 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. 1990. V. 1. 7−12. Р. 539−544.9. Дуюнов Д., Агриков Ю., Блинов В., Яковлев И. Малошумный асинхронный двигатель // Патент Российской Федерации RU2507664. 2011.10. Дуюнов Д. Асинхронный двигатель с совмещенными обмотками // Энергосовет. 2013. № 2 (27). С. 19−25.
Показать Свернутьbakalavr-info.ru
