Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины в системах регулируемых электроприводов. Том 1

Подождите немного. Документ загружается.

505

504

длина пакета по зaзopy 265 мм;

воздушный зазор 1,5 мм.

Отличительной особенностью рассматриваемой конструкции

является прямоугольное сечение пакета статора, что позволяет

дополнительно использовать железо угловых зон, которое при

цилиндрической конструкции идет в отход. Обмотка возбуждения

размещается в более широких и углублённых пазах статора в области

угловых зон. В этих же пазах находятся проводники соседних фазных

обмоток якоря катушечного типа. Обмотка якоря (ОЯ) образует

четыре фазных зоны. Соседние фазные зоны сдвинуты на 180 эл.

град., что обеспечивает существенное снижение пульсаций

электромагнитного момента.

Использование обмотки возбуждения (ОВ) позволяет

уменьшить число витков обмотки якоря. При этом может быть

увеличен диаметр расточки статора за счет уменьшения области

пазов, в которых размещается ОЯ, и, следовательно, растет

мощность двигателя при сохранении его габаритных размеров.

Отметим, что у трёхфазного ВИД с ОВ есть также резервы по

увеличению тяги на больших частотах вращения за счёт

возможности переключения ОЯ со "звезды" на "треугольник".

На рис.11.17 показаны результаты математического

моделирования режима трогания ВИД при частоте вращения ротора

n=60 об/мин, напряжении питания инвертора U

=1450 В (фазный

ток I

фн

= 410 А; ток возбуждения I

=18,1 А; I

фн

=1,04 на полюс,

пусковой момент М=4,03 кН.м). Конденсатор фильтра С

=5000 мкФ.

Гармонический состав переменной составляющей момента, в

процентах от среднего значения, приведён в табл.11.3 (гармоники

менее 1% в таблицу не включены).

Результаты математического моделирования ВИД, работающего

в номинальном режиме (P=300 кВт; n=1440 об/мин; I

=210 А;

M=2 кНм; пульсация момента

%18





) показаны на рис.11.18.

Рис. 11.15. Механические

характеристики ВИД, выполненного на

базе индукторного автотракторного

генератора Г700:



- угол

установки ДПР

11.6. Вентильные индукторные электродвигатели

с разноименно-полюсным (радиальным) возбуждением

Вентильные индукторные электродвигатели (ВИД), кроме

рассмотренного в предыдущем параграфе униполярного (осевого)

возбуждения, могут иметь и разноименно-полюсное (радиальное

возбуждение [189]. Возможная поперечная геометрия такого ВИД,

предложенная в [189], показана на рис.11.16.

Двигатель, пред-

ложенный для электро-

привода пригородной элек-

трички, имеет следующие

технические параметры:

номинальная мощность (длительная)

при n=1440 об/мин 300 кВт;

часовая мощность при n=1440 об/мин 350 кВт;

пусковой момент 4.0 кН.м;

число зубцов статора/ротора 12/10;

внутренний диаметр статора 518 мм;

Рис. 11.16. Поперечный

разрез ВИД с

разноименно-полюсным

возбуждением

Гармонический состав переменной

Составляющей момента, %

номер гармоники

Среднее

значение

момента, кН

Пульсации

момента, %

2 4 6 38 76 114

4,03 + 13,3; -10,9 2,5 2,2 2,1 4,6 2,1 1,1

Таблица 11.3

ставляющей

507

506

11.7. Вентильный двигатель с однозубцовыми обмотками

на статоре и активным ротором

Якорные обмотки с шагом, равным зубцовому делению, такие

же как и у ВИД, могут применяться у вентильных двигателей с

электромагнитным или магнитоэлектрическим возбуждением. В этом

случае удается получить достаточно большое число полюсов ротора

при умеренном числе пазов статора, при которых для трехфазной

машины число пазов на полюс и фазу q становится равным или

меньшим единицы.

Теоретические и опытные исследования показывают, что в

многополюсных синхронных машинах применение однозубцовых

обмоток позволяет существенно увеличить электромагнитный

момент [140, 141].

Иллюстрацией для этого вывода могут служить разработки

стартер-генератора для легковых автомобилей семейства ВАЗ-

2110. Стартер-генератор, выполненный на основе многополюсного

вентильного двигателя с постоянными магнитами (ВДПМ)

(



; 302



p ), развивает усилие на валу с моментом 200 Нм

[232]. Аналогичное устройство, изготовленное на базе вентильного

индукторного двигателя при той же активной длине (l=40 мм), что

и у ВДПМ, имеет в таких же условиях момент в 110 Нм [147].

Рассмотрим, используя [6], некоторые особенности

электрических машин с зубцовыми обмотками.

11.7.1. Обмотки якоря многополюсных вентильных

двигателей

Диаметральная обмотка

Большое число полюсов и малые размеры полюсного деления

не дают возможности выполнить обмотку с числом пазов на полюс

и фазу q более единицы. Наиболее простой является обмотка с

диаметральным шагом при q=1 (рис. 11.19).

В этом случае высшие гармоники в кривой ЭДС могут быть

устранены скосом полюсов ротора. Коэффициэнт снижения k-й

гармоники в кривой ЭДС за счет скоса полюсов равен

Рис. 11.17. Характеристики ВИД в режиме трогания:

а - линейное напряжение; б - фазный ток; в - момент на валу;

г - моменты, действующие на зубцы статора;

д - магнитная индукция в зубцах статора

90 180 270 360 450 540 630

эл. град

1,0

2,0

-150

150

-1,0

1,0

B ,

Тл M ,

кНм I ,

А u u ,

п аb

а)

б)

в)

г)

Рис. 11.18. Характеристики ВИД при номинальном режиме работы

(n=1440 об/мин): а -

- напряжение на выходе выпрямителя;

линейное напряжение якоря; б - фазный ток; в) момент на валу;

г -

- магнитная индукция в зубце

509

508

Зубцовые обмотки с укороченным шагом

Для получения кривой электродвижущей силы, близкой к

синусоиде, без скоса полюсов, при одновременном стремлении к

уменьшению числа пазов статора, число пазов статора на полюс и

фазу q делается несколько большим, равным или меньшим 0,5.

Обмотка выполняется двухслойной, с шагом по пазам из первого

во второй, что создает обмотку с укороченным шагом.

При q, близком 0,5, число пазов статора

оказывается

близким к полуторному числу полюсов ротора.

При

pppmqz 35,0322







имеем, как видно из рис. 11.20,

по три катушки с укороченным шагом на пару полюсов.

Катушки сдвинуты в пространстве по своему положению в

магнитном поле одна относительно другой на угол



Электродвижущие силы в этих катушках будут сдвинуты по фазе

на угол



, т. е. мы получим три катушки трех фаз с укороченным

шагом, равным 2/3 полюсного деления.

Под всеми остальными парами полюсов катушки

располагаются совершенно одинаково и такая обмотка дает за счет

укорочения шага уничтожение высших гармоник, кратных трем.

Если угол охвата катушки



, то коэффициент снижения для

k-й гармоники электродвижущей силы

sin





(11.94)

В рассматриваемом случае







Коэффициент для отдельных гармоник равен:

основная волна

865,060sin

1у







;

2-я гармоника

865,0120sin

2у









;

3-я гармоника

0180sin

3у







;

5-я гармоника

865,0300sin

5у









;

7-я гармоника

865,0420sin

7у







Гармоники, кратные трем, из кривой ЭДС исчезают, но

остальные гармоники уменьшаются незначительно и снизить их

можно только скосом полюсов.

Рис. 11.19. Диаметральная

обмотка c q=1

sin





где



- угол скоса в

электрических градусах.

Если полюсное деление

ротора равно

pD 2

2р







и полюс скошен таким образом, что с одного края сдвинут по

отношению к другому краю на дугу

, то





Значения коэффициента k

для различных гармоник при разных

углах



даны в табл.11.4.

Таким образом, при скосе полюсов ротора на угол



кривой ЭДС уничтожаются все гармоники порядков кратных трем;

5 и 7-я также значительно снижаются. Кривая ЭДС будет

практически синусоидальной. Однако это достигается за счет

снижения коэффициента основной волны.

Если фазы соединены звездой, то 3-я и все гармоники, кратные

трем, в кривой линейного напряжения будут отсутствовать и

достаточно скосить полюса на угол



, чтобы почти полностью

уничтожить 5 и 7-ю гармоники без значительного снижения основной

волны.

Таблица 11.3

Порядок гармоник



1 3 5 7

6

0,99 0,9 0,74 0,53

3

0,955 0,64 0,19 0,14

2

0,905 0,3 0,18 0,128

32

0,83 0 0,165 0,118

511

510

Число катушек одной фазы N

равно z

/3.

Число катушек одной фазы в одной симметричной группе

ф1

N 

. (11.95)

Угол охвата катушки равен при укороченном шаге

2



. (11.96)

Коэффициент снижения k-й гармоники за счет укорочения шага

sin





Угол сдвига между катушками одной фазы











(11.97)

Коэффициент снижения k-й гармоники в кривой ЭДС фазы за

счет сдвига катушек фазы в магнитном поле

sin

ф1





(11.98)

Суммарный обмоточный коэффициент для k-й гармоники

kkwk

kkk

фу



. (11.99)

Для симметричной трехфазной обмотки при различном числе

полюсов ротора и q, близком 0,5, число пазов статора должно быть

равно

р1





. Числитель дроби

после сокращения общих

делителей должен быть кратным трем.

11.7.2. Особенности формирования МДС якоря с зубцовыми

катушками

Для простоты анализа будем учитывать только первые

гармоники фазных токов обмотки якоря.

При симметричной нагрузке по обмоткам фаз статора проходят

переменные токи, мгновенные значения которых могут быть

выражены уравнениями

Кривая распределения поля

вдоль полюсной дуги не содержит

четных гармоник и кривая

мгновенных значений ЭДС при

холостом ходе их также

содержать не будет. При q

близком, но не равном 0,5, группы

из трех соседних катушек будут

одновременно расположены в

поле полюсов не одинаково.

На рис. 11.21 изображено для

некоторого момента времени рас-

положение катушек в магнитном

поле в пределах двух соседних пар

полюсов.

Многополюсную систему можем себе представить как ряд

одинаковых двухполюсных систем магнитных полей с периодом



Если все катушки, верхнее плечо которых расположено в

магнитном поле любой из двухполюсных систем в пределах углового

положения от 0 до



, соединить в одну фазу, катушки, лежащие в

пределах угла от



до



, во вторую, и катушки, расположенные

в пределах угла от



до



, - в третью, то мы получим трехфазную

систему, причем катушки, входящие в одну фазу, будут расположены

в магнитном поле неодинаково, что поведет к снижению высших

гармоник в кривой суммарной ЭДС фазы.

Для получения симметричной трехфазной обмотки должны

быть соблюдены следующие условия.

Число пазов статора

должно быть кратным трем. Если

и р не имеют общего множителя, то все катушки одной фазы

оказываются сдвинутыми в поле одна относительно другой.

Если

и р имеют общий делитель

, то обмотка распадается

на

симметричных групп, в каждой

р1

катушек. Для

выполнения симметричной трехфазной обмотки должно быть

кратным трем.

Если обмотка должна иметь а параллельных ветвей, то

должно быть равным или кратным а.

Рис. 11.20. Обмотка статора

при q =0,5

Рис. 11.21. Обмотка статора

при q близком, но не равном 0,5

513

512

Рассмотрим три соседние катушки трех фаз. Форма кривой

распределения МДС катушек в пространстве будет для всех

катушек одинаковой. В пространстве катушки сдвинуты одна

относительно другой на углы 2



/3. Во времени токи в катушках

сдвинуты по фазе на углы 2



/3. Рассмотрим суммарную МДС

трех катушек.

Постоянная составляющая МДС каждой катушки постоянна

по длине всего периода и выражается во времени для фаз:

I фаза



cos

;

II фаза

















cos

;

III фаза

















cos

где

- амплитудное значение.

Сумма их

cos

coscos

0000





































tCtCtCC

Составляющие основной частоты:

I фаза





sincos









;

II фаза

































sin

cos

;

III фаза

































sin

cos

где

- амплитуда.

Сумма их

 















































































sin

cos

sin

cossincos

1111

ttCC





 tIi sin2

















sin2

tIi

















sin2

tIi

где



- угол фазного сдвига между током и ЭДС в фазе.

При трех катушках на пару полюсов распределение

магнитодвижущей силы одной катушки в пространстве может быть

выражено прямоугольной кривой, изображенной на рис.11.22, высота

которой F

изменяется во времени по закону изменения тока в

катушках.

Максимальное значение F

обозначенное F

, равно



Если за начальный момент

времени принять момент, когда

ток в первой фазе максимален, то

для момента t мгновенное значение F

для трех фаз равно:

I фаза

tFF

amat





cos

;

II фаза

















cos

tFF

amat

;

III фаза

















cos

tFF

amat

Изображенная на рис.11.22 кривая с периодом



может быть

математически выражена рядом









...2sinsin

22110





















tttat

CCCF

(11.100)

Амплитуда этой кривой, а следовательно, и амплитуда всех ее

составляющих меняются во времени по закону изменения МДС

катушек.

Рис. 11.22. Кривая распределения

МДС одной катушки статора

515

514

III фаза

































2sin

4cos

Сумма их

   



 

,2sin

2sin

2sin2sin

















































































(11.102)

поскольку

2sin





















































Таким образом, взаимодействие трех катушек создает поле

второй гармоники, вращающееся с синхронной скоростью в сторону,

обратную вращению ротора.

Приняв за нуль центр катушки фазы, можно изобразить

распределение МДС одной катушки в пространстве, как показано

на рис. 11.23.

Такая четная функция, заданная в интервале от





до





может быть выражена рядом

 









cos

(11.103)

где

 













dkfa

cos

;



Рис. 11.23. Кривая распределения

МДС одной катушки статора по

отношению к оси катушки

 



 

   

 

,sin

sin

sinsin

sinsinsin

111

ttt















































(11.101)

поскольку

 

sin

sinsin

111

































 ttt

Таким образом, основная волна суммарной МДС вращается

в сторону вращения ротора синхронно с ротором, оставаясь

неподвижной по отношению к ротору, и создает вращающееся

магнитное поле, индуктирующее в обмотке статора переменные

противоэлектродвижущие силы основной частоты тока.

Составляющие третьих гармоник:

I фаза





3sincos









;

II фаза

































3sin

cos

;

III фаза

































3sin

cos

Сумма их

 

cos

coscos3sin

333

















































tttCC

Нулю равны и равнодействующие всех гармоник, кратных

трем. Составляющие вторых гармоник:

I фаза





2sincos









;

II фаза

































2sin

cos

;

517

516

Амплитуда равнодействующей вторых гармоник трех фаз

.585,0

CC 







(11.107)

Анализируя равнодействующие магнитодвижущих сил трех

катушек, видим следующие закономерности:

1. Постоянные составляющие и все гармоники, кратные трем,

взаимно уничтожаются.

2. Основная волна и гармоники нечетного порядка, но не

кратные трем, создают МДС, вращающиеся синхронно с ротором

и неподвижные по отношению к ротору. Под влиянием этих МДС в

магнитной системе возникнут вращающиеся магнитные поля,

которые, пересекая проводники обмотки статора, будут

индуктировать в катушках фаз противоэлектродвижущие силы

основной частоты и высших нечетных гармоник. При расчете этих

ЭДС следует учитывать коэффициенты укорочения катушек.

3. Вторые гармоники создадут магнитодвижущую силу

удвоенного числа полюсов, вращающуюся с синхронной частотой

навстречу ротору. Под влиянием этой МДС в магнитной системе

возникает вращающееся магнитное поле, которое будет

индуктировать в обмотке статора ЭДС двойной частоты и создавать

добавочные потери в полюсах.

Принимая во внимание, что амплитуда второй гармоники МДС

равна 50% от амплитуды основной волны и обмоточный коэффициент

укорочения для второй гармоники равен 0,865, видим, что при q=0,5

вторая гармоника в противоэлектродвижущей силе машины может

достичь значительной величины и сказаться на форме кривой

напряжения при нагрузке, что является недостатком данной системы.

Несколько меньшие значения в кривой ЭДС при нагрузке вторая

гармоника будет иметь при q близком, но не равном 0,5, за счет

понижающего действия коэффициента распределения обмотки,

зависящего от числа пазов статора.

На основании изложенного следует отдать предпочтение

машине с q=1 и скошенными полюсами, создающей синусоидальную

форму кривой напряжения при нагрузке, или при необходимости

сокращения числа пазов статора следует принимать q близким, но

не равным 0,5.

Рассмотрим значения отдельных составляющих. Постоянная

составляющая и гармоники, кратные трем, нас не интересуют, так

как при взаимодействии трех фаз они уничтожаются. Основная

волна

   

.551,0

sin

cos0cos

cos

amamamam

FFFF

ddFdfCa









































Амплитуда равнодействующей основных волн трех фаз

согласно уравнению (11.101)

amam

FFCC 827,0









. (11.104)

Или, подставляя значение



, получаем

.17,1

C 







(11.105)

Для сравнения, аналогичная МДС трехфазной распределенной

обмотки равна [184]

.35,1

Iwk









Вторая гармоника для одной фазы

 

.276,0

sin2sin

2cos

amam

dFdfCa































(11.106)

519

518

Вносим в таблицу (рис.11.25) порядковые номера катушек с

шагом

=5 клеток, переходя от полюса к полюсу. Пользуясь

таблицей, составляем схему обмотки с учетом фазного сдвига

(рис.11.26). Такая обмотка, являясь симметричной трехфазной

обмоткой, четных гармоник создавать не будет.

Рис. 11.25. Таблица распределения

катушек при отношении

кратном двум

Рис. 11.26. Схема обмотки статора при



12 и



p2 10

11.7.3. Построение трехфазной симметричной обмотки

с однозубцовыми катушками

У двух катушек, одинаково расположенных над полюсами

разной полярности (рис.11.24), основные гармоники кривых

мгновенных значений ЭДС будут сдвинуты по фазе на 180° и

катушки при встречном последовательном соединении могут быть

отнесены к одной фазе. При этом все нечетные гармоники кривой

ЭДС и реакции якоря будут складываться, а четные - взаимо

уничтожаться.

Если

кратно двум, тоо

обмотка каждой фазы

распадется на две группы

катушек таким образом, что для

каждой катушки первой группы

найдется во второй группе

катушка, сдвинутая в магнитном

поле по отношению к катушке

первой группы на 180°.

Для определения отношения катушек к той или иной фазе можно

воспользоваться таблицей, построенной по следующему принципу.

Число горизонтальных рядов принимаем равным

kp2



где

- число клеток в горизонтальном ряду;

- пазовый шаг..

Нечетные горизонтальные ряды относятся к полюсам одной

полярности, четные - другой полярности.

Двумя вертикальными линиями делим таблицу на три равные

части, в каждой

клеток в горизонтальном ряду. Первые

клетки ряда лежат в пределах от 0 до



и являются областью I

фазы; вторые

лежат в пределах

323







и являются

областью III фазы и остальные клетки относятся ко II фазе.

Пример. Построим таблицу для случая 2р=10;

= 12; k

=1;

=12 - кратно двум;

pz 2

=12/10 = 6/5;

= 6;

=5;

= 12/3 = 4;

kp2

=10 горизонтальных рядов.

Рис. 11.24. Две катушки статора,

расположенные под полюсами

разной полярности

521

520

электроприводов. Чебоксары: Изд-во. Чуваш. ун-та, 1991.

С. 91-106.

13. Аракелян А.К. Частотные характеристики синхронного

двигателя, питаемого от зависимого инвертора тока //

Электрооборудование промышленных предприятий.

Чебоксары: Изд-во. Чуваш. ун-та, 1981. Вып. 9. С. 3-13.

14. Аракелян А.К. Электромеханическая связь в системе

электропривода с вентильным двигателем // Электропривод

и автоматизация производственных механизмов: Межвуз.сб.

Чебоксары: Изд-во. Чуваш. ун-та, 1986. С. 55-67.

15. Аракелян А.К., Артюков И.П. К исследованию

электромеханических колебательных процессов синхронного

двигателя с ударной нагрузкой // Системы автоматического

управления электроприводами: Межвуз. сб. Чебоксары: Изд-

во. Чуваш. ун-та, 1988. С. 47-57.

16. Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Бесколлекторный

электропривод на основе синхронной машины и зависимого

инвертора / Чуваш. ун-т. Чебоксары, 1971. 244 с.

17. Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические

машины и регулируемый электропривод: В 2 кн. Кн.1:

Вентильные электрические машины.М.: Энергоатомиздат,

1997. 509 c.

18. Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические

машины и регулируемый электропривод: В 2 кн. Кн.2:

Регулируемый электропривод с вентильным двигателем. М.:

Энергоатомиздат, 1997. 498 c.

19. Аракелян А.К., Афанасьев А.А. К анализу возможных

режимов работы асинхронной машины с преобразователем

частоты в схемах электрического и электромеханического

каскадов // Электрооборудование промышленных

предприятий . Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1971. Вып.1.

С. 13-29.

20. Аракелян А.К., Афанасьев А.А., Чиликин М.Г. Вентильный

электропривод с синхронным двигателем и зависимым

инвертором. М.: Энергия, 1977. 224 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.с. 10898744 СССР. М.кл.3 НО2Р 7/78. Устройство

включения реле контроля скольжения синхронного двигателя/

Аракелян А.К., Бурмистров Ю.В., Ларионов В.Н. и др. Опубл.

в 1984, в Б.И. 16.

2. А.с. 312343 СССР. МПК НО2К 17/34. Машинно-вентильный

каскад / Аракелян А.К. Опубл. в 1971, в Б.И. 25.

3. А.с. 508874 СССР. М.кл.2 НО2К 17/34 НО2К 7/78. Машинно-

вентильный каскад / Аракелян А.К. Опубл. в 1976, в Б.И. 12.

4. А.с. 58458 СССР. М.кл.3 НО2Р 7/78. Электрический вал /

Аракелян А.К. Опубл. в 1980, в Б.И. №31.

5. Александров М.А., Аракелян А.К., Виндберг О.А. и др. /

Регулируемый электропривод насоса котлоагрегата ТЭЦ //

Электрические станции.1996. №3. С. 38-46.

6. Алексеева М.М. Машинные генераторы повышенной

частоты. Л.: Энергия, 1967. 344 с.

7. Альпер Н.Я., Терзян А.А. Индукторные генераторы. М.:

Энергия, 1970. 192 с.

8. Аракелян А.К. Асинхронный электромеханический каскад с

вентильным двигателем статорного включения //

Электрооборудование промышленных предприятий.

Чебоксары: Изд-во. Чуваш. ун-та, 1983. Вып. XI С. 3-17.

9. Аракелян А.К. К вопросу об использовании электрической

машины в электроприводе с вентильным двигателем //

Электрооборудование промышленных предприятий.

Чебоксары: Изд-во. Чуваш. ун-та, 1979. Вып. 7. С. 3-22.

10. Аракелян А.К. Многодвигательные системы

автоматизированных электроприводов с вентильным

двигателем // Электротехника. 1977. №8. С. 5-8.

11. Аракелян А.К. О перспективе применения вентильного

двигателя в электроприводах согласованного вращения //

Электрооборудование промышленных предприятий.

Чебоксары: Изд-во. Чуваш. ун-та, 1978. Вып. 6. С. 3-15.

12. Аракелян А.К. Оптимизация динамических нагрузок

механического звена электропривода вариационным

методом//Исследование систем автоматизированных