Трехфазная полюсопереключаемая обмотка

 

Использование: четырехскоростные асинхронные двигатели со ступенчатым регулированием угловой скорости. Сущность изобретения:обмотка статора асинхронного двигателя выполнена из 24 катушечных групп с выводами от их начал и концов. Коммутационные аппараты (7 трехполюсных и 1 двухполюсный) соединяют катушечные группы так, что они образуют на расточке статора двигателя фазные зоны с целым числом катушек на зону. При подаче трехфазного напряжения на входные зажимы обмотки последняя создает в воздушном зазоре магнитное поле, первая пространственная гармоника которого вращается в одном и том же направлении с угловой скоростью, зависящей от числа пар полюсов. В зависимости от положения переключателей угловая скорость поля равна 375 об/мин при включении на 8 пар полюсов, 750 об/мин - при включении на 4 пары полюсов, 1500 об/мин - при включении на 2 пары полюсов и 3000 об/мин - при включении на одну пару полюсов. 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано в электромашиностроении для создания трехфазных четырехскоростных короткозамкнутых асинхронных двигателей с 1/ 2/ 4 и 8 парами полюсов и одной статорной обмоткой/ предназначенных для привода механизмов с постоянной мощностью - колесных пар/ механизмов главного движения металлорежущих станков и т.д.

Известна трехфазная полюсопереключаемая четырехскоростная обмотка на 1/ 2/ 3 и 4 пары полюсов/ однослойная/ состоящая из 18 одинаковых равномерно распределенных по расточке статора двигателя катушек с шагом 5 зубцовых делений; катушки разделены на 12 частей/ из которых 6 содержат по одной катушке и 6 - по две катушки. Обмотка соединена по схеме D/D/D/D/ имеет фазные зоны шириной 60/60/120/120 эл. град./ снабжена 24 выводами/ по 2 вывода от каждой части. Управление обмоткой производится с помощью барабанного переключателя с 57 парами контактов [1].

Обмотка имеет ряд недостатков: сложная схема переключения чисел пар полюсов/ наличие низших пространственных гармоник МДС при p=1 и p=4/ что ухудшает пусковые свойства двигателя/ недостаточно высокое использование мощности четырехскоростного асинхронного двигателя с такой обмоткой по сравнению с односкоростным двигателем на 4 пары полюсов (P^*₂ = 0,78).

Известна трехфазная полюсопереключаемая обмотка на 1/ 2/ 3 и 4 пары полюсов/ двухслойная/ состоящая из 36 одинаковых равномерно распределенных катушек с шагом 5 зубцовых делений; катушки разделены на 12 частей/ из которых 6 частей содержат по две катушки и 6 - по четыре катушки. Обмотка соединена по схеме D²/D²/D³/D²/ имеет фазные зоны шириной 60/120/120/120 эл. град. и снабжена 24 выводами на схему управления. Управление обмоткой производится с помощью барабанного переключателя с 57 парами контактов [2].

Обмотка [2] имеет те же недостатки/ что и обмотка [1] и отличается от последней несколько лучшими фильтрующими свойствами/ но несколько худшим использованием мощности двигателя (P^*₂ = 0,72).

Известна четырехскоростная полюсопереключаемая обмотка на 1/ 2/ 3 и 4 пары полюсов/ двухслойная/ состоящая из 12 катушечных групп/ образующих 3 одинаковые части в виде Т-образного соединения горизонтальной и вертикальной ветвей [3].

Горизонтальная и вертикальная ветви состоят из двух последовательно встречных включенных катушечных групп с одинаковым суммарным числом витков (W₁). Каждая из трех частей снабжена 6 выводами на схему управления; от начала/ середины и конца горизонтальной ветви/ имеющей суммарное число витков 2W₁; от середины и конца вертикальной ветви/ а также дополнительного вывода/ который делит вертикальную ветвь на 3 участке с числами витков W₁, W₂ = 0,73 W₁ и W₂ = 0,17 W₁.

В обмотке используются следующие схемы соединения фаз: комбинированная схема Y-D()-при p = 1. При этом во избежание возникновения уравнительных токов вертикальная ветвь имеет число витков W₂= W₁; звезда с 4 параллельными ветвями по W₁ витков в каждой/ т.е. схема Y⁴- при p = 2; Т-образная схема с 3 параллельными ветвями (T³)- при p = 3. Для обеспечения симметрии линейных ЭДС вертикальная часть Т-образной схемы выполняется с W₂= W₁; при p = 4 - звезда с 2 параллельными ветвями с числом витков 2 W₁ в каждой ветви. При включении на p = 3 Т-образные части соединяются параллельно; при остальных числах пар полюсов горизонтальные ветви Т-образных частей соединяются в треугольник/ а вертикальные ветви вместе с горизонтальными образуют указанные схемы (, Y⁴, Y²).

Применение нетрадиционных схем соединения фаз при p = 1 и p = 3 обеспечивает упрощение схем управления числом пар полюсов/ но ухудшает электромагнитные характеристики двигателя.

Допустимое значение преобразованной мощности четырехскоростного двигателя с такой обмоткой (P^*_2min) составляет всего лишь 72/5% от мощности односкоростного двигателя с 4 парами полюсов.

Известна четырехскоростная полюсопереключаемая обмотка на 1/ 2/ 4 и 5 пар полюсов/ двухслойная/ состоящая из 12 одинаковых равномерно распределенных катушечных групп/ образующих 3 одинаковые части в виде Т-образного соединения горизонтальной и вертикальной ветвей. Горизонтальные и вертикальные ветви содержат по две последовательно встречно включенные катушечные группы с одинаковым числом витков (W₁).

В обмотке используются следующие схемы соединения фаз: комбинированная схема Y-D при p₁=1 и p₄=5; звезда с 4 или 2 параллельными ветвями - при p₂= 2 и p₃= 4 соответственно.

Обмотка имеет 12 выводов на схему управления; переключение числа пар полюсов призводится с помощью выключателейи переключателей с 32 парами контактов.

Обмотка [4] имеет еще более низкие электромагнитные свойства/ чем обмотка [3]: минимальное значение мощности двигателя с такой обмоткой составляет всего лишь 36% от мощности односкоростного двигателя с p₄=5/ что делает применение такой обмотки нецелесообразным.

Известна трехфазная трехскоростная полюсопереключаемая обмотка на 1/ 2 и 4 пары полюсов/ двухслойная/ трехзонная/ выполненная из 12 катушечных групп с одинаковыми катушками/ имеющими шаг Y = τ₃/ разделенная на 12 частей с отводами от их начал и концов. Обмотка соединена по схеме звезда с одной параллельной ветвью при всех включениях (Y/Y/Y) и управляется с помощью 4 переключателей/ имеющих 22 пары контактов. Обмотка обеспечивает высокое использование мощности асинхронного двигателя (P^*_2min= 0,844) в приводах постоянной мощности [5].

Недостатком обмотки [5]/ а также и указанных четырехскоростных обмоток [1-4] / является ограниченная область применения из-за сравнительно узкого диапазона регулирования угловой скорости Ω_max/Ω_min/ равного 4 для обмоток [1, 2, 3 и 5] и 5 - для обмотки [4].

По техническому решению обмотка [5] наиболее близка к заявляемому предложению и принята в качестве прототипа.

Целью изобретения является расширение области применения полюсопереключаемых трехфазных трехзонных обмоток путем увеличения диапазона регулирования угловой скорости двигателя при сохранении его высоких электромагнитных свойств.

Для достижения поставленной цели предложена трехфазная полюсопереключаемая обмотка на четыре числа пар полюсов/ двухслойная/ трехзонная/ соединенная в звезду с одной параллельной ветвью в каждой фазе при всех числах пар полюсов/ состоящая из одинаковых равномерно распределенных катушек/ входящих в катушечные группы по S рядом лежащих последовательно согласно включенных катушек (S=1, 2, 3...)/обмотка выполнена на 1/ 2/ 4 и 8 пар полюсов/ состоит из 24 катушечных групп/ разделенных на 24 одинаковые части с номерами A1-А8/ В1-В8/ С1-С8 так/ что катушечные группы с номерами 1/ 10/ 4/ 19/ 7/ 16/ 22/ 13 включены в части А1/ А2/ А3/ А4/ А5/ А6/ А7/ А8 соответственно/ катушечные группы с номерами 17/ 2/ 20/ 11/ 23/ 8/ 14/ 5 включены в части В1/ В2/ В3/ В4/ В5/ В6/ В7/ В8 соответственно/ катушечные группы с номерами 9/ 18/ 12/ 3/ 15/ 24/ 6/ 21 включены в части С1/ С2/ С3/ С4/ С5/ С6/ С7/ С8 соответственно/ части обмотки соединены с 8 переключателями/ из них первый переключатель двухполюсный/ имеет две группы выводов (первую и вторую) с 3 выводами в каждой группе - верхним/ средним и нижним/ с возможностью замыкания цепи между средним и верхним или между средним и нижним выводами/ второй/ третий/ четвертый/ пятый/ шестой/ седьмой и восьмой переключатели трехполюсные/ имеют по 3 группы выводов (первую/ вторую и третью) с 3 выводами в каждой группе - верхним/ средним и нижним с возможностью замыкания цепи между средним и верхним или между средним и нижним выводами/ причем начало части А1 соединено с внешним выводом А/ начала частей В1 и С1 соединены с первым и вторым соответственно верхними выводами первого переключателя/ концы частей А1/ В1/ С1 соединены с первым/ вторым и третьим соответственно верхними выводами пятого переключателя/ начало частей А2/ А3/ А4/ А5/ А6/ А7/ А8 соединены с первыми средними выводами переключателей П5/ П2/ П6/ П3/ П7/ П4/ П8 соответственно/ концы частей А2/ А3/ А4/ А5/ А6/ А7 соединены с первыми верхними выводами переключателей П2/ П6/ П3/ П7/ П4/ П8 соответственно; начала частей В2/ В3/ В4/ В5/ В6/ В7/ В8 соединены с вторыми средними выводами переключателей П5/ П2/ П6/ П3/ П7/ П4/ П8 соответственно/ концы частей В2/ В3/ В4/ В5/ В6/ В7 соединены с вторыми верхними выводами переключателей П2/ П6/ П3/ П7/ П4/ П8 соответственно; начала частей С2/ С3/ С4/ С5/ С6/ С7/ С8 соединены с третьими средними выводами переключателей П5/ П2/ П6/ П3/ П7/ П4/ А8 соответственно/ концы частей С2/ С3/ С4/ С5/ С6/ С7 соединены с третьими верхними выводами переключателей П2/ П6/ П3/ П7/ П4/ П8 соответственно; концы частей А8/ В8/ С8 соединены вместе; переключатели снабжены перемычками/ соединяющими первый и второй средний выводы первого переключателя с внешними выводами В и С соответственно/ первый верхний вывод первого переключателя с вторым нижним и первый нижний с вторым верхним выводами того же переключателя; первые верхние выводы переключателей П3/ П4/ П5/ П7 с вторыми нижними/ вторые верхние с третьими нижними и третьи верхние с первыми нижними выводами тех же переключателей; первые нижние выводы переключателей П2/ П6/ П8 с вторыми верхними/ вторые нижние с третьими верхними/ третьи нижние с первыми верхними выводами тех же переключателей.

Предложенная цель достигается за счет увеличения числа катушечных групп и числа частей/ перераспределения катушечных групп по частям и изменения схемы соединения частей.

На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема предлагаемой обмотки; на фиг.2 - векторные диаграммы катушечных ЭДС обмотки при S = 1 и Z = К = 24; на фиг.3 - схема-развертка предлагаемой обмотки при S = 1, Z = 24.

На фиг. 1 через А1-А8/ В1-В8/ С1-С8 обозначены 24 части обмотки/ а в скобках указаны номера катушечных групп/ входящих в состав соответствующих частей; через П1 обозначен двухполюсный переключатель и через П2-П8 - трехполюсные переключатели/ используемые для управления числом пар полюсов. Стрелки внизу переключателей указывают направление перемещения их подвижных контактов при включении обмотки на указанное рядом со стрелкой число пар полюсов. При указанном на фиг.1 исходном положении переключателей схема подготовлена для включения обмотки на 8 пар полюсов/ а включение производится подачей трехфазного напряжения на входные зажимы обмотки/ обозначенные буквами А/ В/ С.

Цифрами 1-24 на фиг.2 обозначены номера катушек/ к которым относится соответствующие векторы ЭДС для обмотки с S =1 и Z = К = 24. Так как при S = 1 номера катушек совпадают с номерами катушечных групп/ то цифры 1-24 на фиг. 2 одновременно обозначают и номера катушечных групп. Одним/ двумя и тремя штрихами обозначены векторы ЭДС катушек/ которые включены последовательно согласно в фазы А/ В и С обмотки соответственно. На фиг.3 цифрами 1-24 обозначены номера катушек/ а буквами Н и К обозначены выводы от начал и концов соответствующих частей.

Из фиг. 2 видно/ что предлагаемая обмотка при всех числах пар полюсов является симметричной/ имеет целое число катушек на фазную зону шириной 120 эл. град. Также обмотки/ как известно/ не создают низших пространственных гармоник МДС/ но при Y≠τ/ что имеет место в данном случае/ создают высшие четные гармоники МДС.

Полученное на основании фиг.1 распределение частей и (катушечных групп) по фазам приведено в табл.1.

Нетрудно убедиться в том/ что представленная на фиг.1 принципиальная электрическая схема при установке переключателей в соответствующие положения как раз и реализует распределение катушечных групп и частей по фазам/ приведенное на фиг.2 и в табл.1.

Предлагаемая обмотка работает следующим образом.

При подаче трехфазного напряжения на входные зажимы обмотки А/ В/ С и показанном на фиг.1 исходном положении переключателей катушечные группы распределяются по фазам согл. фиг.2/ г/ при этом обмотка создает в воздушном зазоре машины магнитное поле с периодом 2τ₄= πD_a· = πD_a/8/ первая пространственная гармоника которого вращается с угловой скоростью n₄= 60f₁/P₄= 3000/8 = 375 об/мин/ где f₁- частота сети/ равная 50 Гц.

При переключении переключателей П1/ П5/ П6/ П7/ П8 в нижнее по фиг.1 положение катушечные группы распределяются по фазам согласно фиг.2/ в/ в результате чего в воздушном зазоре машины возникает магнитное поле с периодом 2τ₃= πD_a·6/24 = / вращающегося в том же направлении с угловой скоростью n₃= 60f₁/P₃= 3000/4 = 750 об/мин.

При установке переключателя П1 в верхнее по фиг.1 положение/ переключателей П2/ П4 и П5-П8 в нижнее положение/ катушечные группы распределятся по фазам согл. фиг.2/ в и в воздушном зазоре возникает магнитное поле с периодом 2τ₂= πD_a/2, вращающееся со скоростью n₂=60f₁/2=1500об/мин.При установке всех переключателей П1-П8 в нижнее по фиг.1 положение катушечные группы распределяются по фазам согл. фиг.2/ а и в воздушном зазоре двигателя возникает основное магнитное поле с периодом 2τ₁==πD_a/ вращающееся со скоростью n₁= 60f₁/P₁= 3000/1 = 3000 об/мин.

Таким образом/ предлагаемая обмотка обеспечивает ступенчатое реулирование угловой скорости магнитного поля в отношении n₁:n₂:n₃:n₄= 8:4:2:1.

Сравнение полюсопереключаемых обмоток производят по энергетическим показателям асинхронных двигателей со сравниваемыми обмотками. Расчет производится по следующим формулам: M^*_i= M_i/M_б= B^*_δmaxK_обi; P^*_прi= P_прi/P_б= M^*_iP_max/P_i/ где за базисные величины момента и преобразованной мощности P_пр принимаются значения момента и мощности односкоростного двигателя с наибольшим числом пар полюсов при B_δmax=B_δдопдействующим значением плотности тока в проводах обмотки J= J_допи К_об=1.Результаты расчета приведены в табл. 2. Из табл.2 видно/ что несмотря на расширение диапазона регулирования угловой скорости вдвое по сравнению с известными четырехскоростными обмотками [1, 2] и трехскоростной обмоткой [5]/ предлагаемая обмотка не только не уступает/ но превосходит эти обмотки по использованию мощности в приводах постоянной мощности. Преобразованная мощность двигателя с предлагаемой обмоткой составляет P^*_пр=0,886,что на 2/6% больше/ чем у обмотки прототипа и на 10/8% больше/ чем у аналога [1].

Формула изобретения

ТРЕХФАЗНАЯ ПОЛЮСОПЕРЕКЛЮЧАЕМАЯ ОБМОТКА двухслойная, трехзонная, соединенная в звезду с одной параллельной ветвью в каждой фазе при всех числах пар полюсов, состоящая из одинаковых равномерно распределенных катушек, входящих в катушечные группы по S (где S = 1, 2, 3 ...) рядом лежащих последовательно согласно включенных катушек, отличающаяся тем, что обмотка выполнена на 1, 2, 4 и 8 пар полюсов, состоит из 24 катушечных групп, разделенных на 24 одинаковые части с номерами А1 - А8, В1 - В8, С1 - С8 так, что катушечные группы с номерами 1, 10, 4, 19, 7, 16, 22, 13 включены в части А1, А2, А3, А4, А5, А6, А7, А8, катушечные группы с номерами 17, 2, 20, 11, 23, 8, 14, 5 включены в части В1, В2, В3, В4, В5, В6, В7, В8, катушечные группы с номерами 9, 18, 12, 3, 15, 24, 6, 21 включены в части С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8 соответственно, части обмотки соединены с восемью переключателями, из них первый переключатель двухполюсный, имеет две группы выводов (первую и вторую) с тремя выводами в каждой группе (верхним, средним и нижним), с возможностью замыкания цепи между средним и верхним или между средним и нижним выводами, второй - восьмой переключатели трехполюсные, имеют по три группы выводов (первую, вторую и третью) с тремя выводами в каждой группе (верхним, средним и нижним выводами) с возможностью замыкания цепи между средним и верхним или между средним и нижним выводами, причем начало части А1 соединено с внешним выводом А, начала частей В1 и С1 соединены с первым и вторым соответственно верхними выводами первого переключателя, концы частей А1, В1, С1 соединены с первым, вторым и третьим соответственно верхними выводами пятого переключателя, начала частей А2, А3, А4, А5, А6, А7, А8 соединены с первыми средними выводами переключателей П5, П2, П6, П3, П7, П4, П8 соответственно, концы частей А2, А3, А4, А5, А6, А7 соединены с первыми верхними выводами переключателей П2, П6, П3, П7, П4, П8 соответственно , начала частей В2, В3, В4, В5, В6, В7, В8 соединены с вторыми средними выводами переключателей П5, П2, П6, П3, П7, П4, П8 соответственно, концы частей В2, В3, В4, В5, В6, В7 соединены с вторыми верхними выводами переключателей П2, П6, П3, П7, П4, П8 соответственно, начала частей С3, С2, С4, С5, С6, С7, С8 соединены с третьими средними выводами переключателей П5, П2, П6, П3, П7, П4, П8 соответственно, концы частей С2, С3, С4, С5, С6, С7 соединены с третьими верхними выводами переключателей соответственно, концы частей А8, В8, С8 соединены вместе, переключатели снабжены перемычками, соединяющими первый и второй средние выводы первого переключателя с внешними выводами В и С соответственно, первый верхний вывод первого переключателя - с вторым нижним и первый нижний - с вторым верхним выводами того же переключателя, первые верхние выводы переключателей П3, П4, П5, П7 - с вторыми нижними, вторые верхние с третьими нижними и третьи верхние - с первыми нижними выводами тех же переключателей: первые нижние выводы переключателей П2, П6, П8 - с вторыми верхними, вторые нижние с третьими верхними, третьи нижние с первыми верхними выводами тех же переключателей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3