УДК 621.313.33
ОСОБЕННОСТИИ ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ СТАТОРОМ ИПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧИСЛА ФАЗ
Ставинский А.А., д-ртехнических наук, профессор; Миронов Д.В.
Украина, г. Николаев,Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова.
Забора И.Г., кандидаттехнических наук, доцент.
Россия, г. Москва,Московский институт коммунального хозяйства и строительства.
Зеленый Н.И.; ШурыгинВ.И.
Украина, г. НоваяКаховка, отделение УкрНИИВЭ.
Стоящие передчеловечеством задачи освоения космоса и глубин мирового океана требуютразработки специальных электрических машин, в частности асинхронных двигателей(АД). Задачу длительной и надежной защиты изолированных витков и катушекобмотки от агрессивной среды можно решить двумя способами. Первым способомявляется установка статора в герметичный корпус с отделением активнойповерхности от зазора и ротора сплошной металлической перегородкой, то естьэкранирование статора [1]. Согласно второму способу, можноприменить статор с короткозамкнутыми фазами, соединенными электрически черезгермовводы с преобразователем числа фаз в герметичной оболочке [2]. Такая машина является АД с короткозамкнутым статором ипреобразователем числа фаз и напряжения (АДКСП).
Использование каждогоспособа обуславливает существенное ухудшение массогабаритных и энергетическихпоказателей, однако применение АДКСП является более предпочтительным при толщинегерметичной перегородки (толщина металлической гильзы между статором иротором), превышающей 0,5…0,7 мм [3]. Согласно[4], применение АДКСП является также более предпочтительным в системахэлектрооборудования глубоководных комплексов, так как исключается дробление мощностипривода механизмов, обусловленное требованием снижения пусковых токов АД прилинейном напряжении питания 27 В, а также решается, без дополнительных мер,проблема взрывопожароопасности.
Электромеханическая частьАДКСП [2,3] содержит короткозамкнутый ротор и Z – фазный статор(Z – число пазов статора) с полувитковыми фазами в виде установленных в пазахмагнитопровода стержней, которые с одной лобовой стороны соединены с Z – фазнойвторичной обмоткой трансформаторного преобразователя (ТП). ТП содержитмагнитопровод с трехфазной первичной распределенной обмоткой, создающейвращающееся магнитное поле возбуждения. Вторичная обмотка ТП являетсяпродолжением статорной обмотки электромеханической части и замкнута в Z – лучевую(стержневую) звезду.
Особенностью статораАДКСП является практическое равенство площади паза сечению сплошного фазногостержня, а также малая длина вылета и металлоёмкость лобовых частей. Поэтомуудельные показатели электромеханической части АДКСП превышают показателиэквивалентного АД обычной конструкции со всыпной или стержневой многовитковойобмоткой статора. Однако в АДКСП [2, 3]для преобразования числа фаз m = 3 в mп = Z использован трансформаторс вращающимся магнитным полем и с первичной распределенной обмоткой.Недостатком такого трансформатора является значительный вылет и объем медилобовых частей. Кроме того, наличие преобразовательной части ухудшаетмассогабаритные показатели системы за счёт того, что ТП рассчитывается намощность надежного обеспечения пуска, которая превышает номинальную мощностьАДКСП. Существенным недостатком также является значительное количествогермовводов, а положительным качеством – низкая кратность пускового тока всвязи с наличием между сетью и электромеханической части ТП.
Указанные недостаткиобуславливают необходимость усовершенствования конструкции АДКСП [2, 3] уменьшением количества гермовводов до минимальногопазового числа образования вращающейся магнитодвижущей силы (МДС) и снижениемобъема меди и длины вылета лобовых частей первичной обмотки ТП.
В случае трехфазногопитания и образования в электромеханической части АДКСП вращающейся МДС на основечередования фаз по трехфазной системе (рис. 1, а) с заданным числом пар полюсов2р, возможный минимум числа отводов соответствует количеству пазов на полюс ифазу q = 1 и для 2р = 2, 2р = 4 или 2р = 6 соответственно составляет:
(1) />
/>
/>
Поэтомупреобразовательная часть АДКСП должна содержать шестифазную (шестистержневую) вторичнуюобмотку, позволяющую создать двух (рис. 1, б), четырех или шестиполюсную (рис.1, в) волну вращающейся МДС статора Fs(x) при наличии соответственно6, 12 или 18 герметичных отводов.
В связи с успехамиэлектроники и преобразовательной техники, на основе [5], можно предположить, что снижение числа вводов и исходныхфаз создает возможность разработки шестифазного полупроводникового преобразователя(ПП) со звездой фазных напряжений (рис. 1, а). При этом АДКСП приобретаетсвойства частотно – регулируемого асинхронного электромеханотронногопреобразователя. Замена ТП на ПП позволяет обеспечить чередование питающихимпульсов стержневой обмотки статора АДКСП по двухфазной системе. В этом случаев соответствии с числом фаз преобразователя mп = 2 число герметичныхотводов соответственно снизится относительно (1) до значений:
/>
/>
/>
Поэтому применениесистемы ПП с преобразованием m = 3 в mп = 2 является более предпочтительным.
Для реализациирассмотренной возможности снижения числа отводов или герметичных вводов вэлектромеханическую часть, необходимо решение задачи улучшение гармоническогосостава МДС статора АДКСП с q = 1. Указанная задача решается разделением каждойфазы ТП или ПП на входе в статор на части (долевые стержни), размещением этихчастей в отдельных пазах и замыканием автономными короткозамыкающими кольцами(рис. 2, а) [6]. Например, разделение каждого отводаот фазных гермовводов на четыре части (развертка короткозамкнутой обмотки нарис. 2, б), в соответствии со звездой (рис. 1, а) создает структуру Fs(x)(рис. 2, в), эквивалентную структуре МДС 24 – пазового статора традиционногоАД.
Применение первичнойобмотки ПТ с q = 1 упрощает укладку катушек и позволяет снизить длину вылета иметаллоемкость лобовых частей. Дополнительное снижение объема меди ТП возможноиспользованием двухслойной обмотки с q = 1 и укороченным шагом. Несмотря наповышение объема стали за счет уменьшения обмоточного коэффициента индуктора,такое решение может обеспечить минимальные массогабаритные показатели АДКСП.
/>
Основными объектамипримененния АДКСП являются машины и механизмы с герметичным электроприводом.Однако при использовапнии рассмотреных выше конструктивных преобразований и оптимизациигеометрических соотношений активной части электромеханического и индукционногопреобразовательного элементов системы, технические решения АДКСП (рис. 3, а )могут составить конкуренцию традиционной конструкции мощного короткозамкнутогоАД с многовитковой стержневой обмоткой и индукционным реакторным Р (рис. 3, б)или автотрансформаторным АТ (рис. 3, в) пускателем с группой выключателей В1… В3.
Другой вероятной областьюконкурентной возможности АДКСП являются асинхронные электромеханотронные микромашиныи машины малой мощности с полупроводниковой системой преобразования m = 3 в mп= 2. Такие машины будут отличаться минимальной материалоемкостью и максимальнойнадежностью электромеханической части.
Применение АДКСП такжеперспективно в системах рудничного и шахтного силового электрооборудования, вусловиях эксплуатации которых скапливающийся в результате резкой сменытемпературных режимов внутренний конденсат, приводит к быстрому выходу из строязакрытых АД традиционной конструкции [6].
/>
/>
Литература
1. Вишневский Н.Е., Глуханов Н.П., Ковалев И.С. Машины иаппараты с герметичным электроприводом. – Л.: Машиностроение, 1977. – 256 с.
2. Ставинский А.А., Забора И.Г., Кимстач О.Ю. Трансформаторно– асинхронная система электропривода герметичных объектов // Збірник науковихпраць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2000. – №1 (367). – с. 136 – 140.
3. Ставинский А.А., Забора И.Г., Кимстач О.Ю. Казанский С.Б.Анализ электромеханических преобразователей для герметичного электропривода //Электротехника. – 2002. – №3. – с. 48 – 53.
4. Ставинский А.А., Забора И.Г. Усовершенствованиеоборудования водолазных комплексов на основе специальных исполнений электромеханическихустройств // Проблеми автоматики та електрообладнання транспортних засобів.Матеріали Всеукраїнської науково – технічної конференції з міжнародною участю.– Миколаїв: НУК, 2006 – с. 194 – 202.
5. Лоренц Л. Состояние и направления дальнейшего развития всфере разработки, производства и применения силовых полупроводниковых приборов// Электротехника. – 2002. – №3. – с. 2 – 16.
6. Індукційна система електроприводу герметичних об’єктів.Деклараційний патент на винахід №45874А. Україна / Ставинський А.А., КімстачО.Ю., Забора І.Г., Казанський С.Б. Заявл. 07.08.2001; Опубл. 15.04.2002. Бюл.№4.
7. Взрывозащищенные асинхронные двигатели (конструкция,проектирование, эксплуатация) / В.А. Яковенко, Н.Н Волковой, В.В. Кашка и др.;Под ред. В.А. Яковенко. – М.: Энергия, 1977. – 312 с.