Совершенствование метода фазной модуляции для формирования схем полюсопереключаемых обмоток

Введение. Обеспечение в птицеводческих или животноводческих помещениях благоприятных нормативных режимов воздухообмена требует управления подачей и регулирования производительности самих вентиляторов. Устройства нагнетания воздуха, как правило, приводятся в действие непосредственно короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями. Выбор научных методов регулирования их скорости вращения [1–7] обуславливает необходимость знать и учитывать такие влияющие особенности, как относительная небольшая мощность электроприводов, зависимость от сезонности работы некоторых отдельных вентиляторных установок, отличающиеся условия технической эксплуатации, соответствующий уровень квалификации техникообслуживающего персонала, постоянно меняющаяся стоимость систем регулирования. Эти показатели играют роль при решении конструктивных и практических задач сельскохозяйственного регулируемого электропривода установок для подачи воздуха [8– 13] на основе асинхронных современных электродвигателей. Основными элементами большинства систем создания нормативного воздухообмена, принятыми в стандартных, типовых проектах, зачастую являются приточные воздушные камеры с набором общего промышленного оборудования и установки тепловентиляторов. Количественное воздушное регулирование в теплое или жаркое время года часто предусматривается вклю- чением сопутствующих, дополнительных вентиляторов с общепромышленными односкоростными или многоскоростными электродвигателями [3, 8, 10, 14, 15]. В сериях современных асинхронных электродвигателей значительное место занимают модификации многоскоростных полюсопереключаемых электродвигателей с короткозамкнутым ротором, выгодное применение которых в регулируемых изменяемой частотой вращения приводах переменного тока, как правило, позволяет исключать устаревшие, промежуточные передаточные звенья, уменьшать производственные затраты на комплектацию, изготовление и эксплуатацию, значительно повышать надежность работы.

Материалы и методы исследования. Согласно методу фазной токовой модуляции магнитодвижущие силы существующих трехфазных обмоток, характеризующихся числом пар полюсов p и заданным начальным сдвигом фазы токов, в своей сумме создают действующие магнитодвижущие силы имеющейся с p парой полюсов трехфазной обмотки. Примем, если по линейному закону β = ± kx , где k – число формирующих периодов фазной модуляции, х – пространственная модулирующая координата, изменять начальный существующий сдвиг фазы токов, то целевым результатом суммирования будут получены магнитодвижущие силы с другой частотой вращения.

Ғ_д = Ғф_т sin( tot — P) cos p x, Ғ_в = Ғф_т sin(tot — P — 2tt/3) cos(px — 2tt/3), Ғ_с = Ғф_т sin(tot — P — 4я/3) cos(px — 4tt/3).

Существующая трехфазная система только векторами ступеней 60 ° , 120 ° , 180 ° токов позволяет изменять фазовый сдвиг в (рисунок 1).

вдоль расточки статора электродвигателя

Рисунок 1 – Векторы модуляции Figure 1 – Modulation vectors

Если модуляцией изменить имеющуюся начальную фазу токов по расточке периметра статора на 360 ° , то из основного числа пар полюсов можно получить иное, измененное на единицу.

Наиболее качественно и просто можно осуществить переключение с не кратного трем числа полюсов обмотки на кратное трем число при схемах соединения фазных обмоток YYY/YYY, полученных по методу фазной токовой модуляции.

На рисунке 2 а представлены направления токов двухслойной обмотки на восемь полюсов. Вся расточка разделяется на три зоны. Промодулируем 120°-ой ступенью токи в зоне А. При этом токи в этой зоне сохраняют свой сдвиг фаз постоянным, но в других зонах (С и В) они поменяют фазу на 120° и 240° соответственно. На основании такой модуляции разработана двухслойная обмотка на шесть полюсов. На рисунке 2 б показано схемное решение обмотки. Преимуществом разработанных схемных решений полюсопереключаемых обмоток, созданных по методу модуляции сдвига фаз токов, являются их более рациональные схемы переключения при соединении фаз YYY/YYY.

Характеристика схемных решений обмоток по этому методу с простыми схемами коммутации содержит выявленную по значению величины или по сдвигу фаз электродвижущих сил неуравновешенность параллельных ветвей при смежном не кратном трем числе полюсов. На рисунке 2 а схема характеризуется неуравновешенностью фаз 5 ° . Внутри фазных обмоток дисбаланс величин электродвижущих сил в ветвях параллелей вызывает появление уравнительных токов, которые в значительной мере влияют на энергетические показатели сельскохозяйственных электродвигателей, ухудшая их.

Предлагаемый метод непосредственного формирования схемных решений полюсопереключаемых обмоток для агропромышленных энергосберегающих многоскоростных электродвигателей является дальнейшим совершенствованием и развитием метода модуляции сдвига фаз [1–9] и заключается в повторной дополнительной модуляции модифицированно укороченных на треть фазномодулированных полюсопереключаемых обмоток [10–15].

D oTown □ own oTown □ own oTown □ oWn oTown □ OW ппа^^ос^о^ппо^^ас^о^ппа^^ас^о^ппа^^ас^РИ

2р = S

В п оТо^п п oWn o/aIq o№jn п 0'aTa'q ojaId ошпп o’aTaib oJaI ™? П PtaJ П OjOTy И И іртдмг Q qTaJ q O^OJaI n D O/aTaj П №J П JD^W D D Р'

а a

б b

Рисунок 2 – Фазная модуляция и схема обмотки на 8/6 полюсов YYY/YYY

Figure 2 – Phase modulation and winding circuit for 8/6 poles YYY/YYY

Основы данного метода изменения фаз ступенями можно продемонстрировать с помощью модуляции восьмиполюсной обмотки асинхронного короткозамкнутого электродвигателя. На рисунке 3 приведена схема двухслойной восьмиполюсной обмотки для электродвигателя, на статоре которого 54 паза. На рисунке 4 показано создающееся направление тока по верхнему слою в сторонах катушек. По теории метода фазной модуляции при ступенчатой модуляции распределения направлений тока исходной восьмиполюсной обмотки 120°-ми векторами в секции модуляции зоны А токи своей фазы не меняют, но в зонах модуляции В и С фазы токов соответственно меняются на 120° и 240°. Полученное на рисунке 4 б распределение тока в катушках соответствует обмотке на шесть полюсов и является результатом такой модуляции.

Симметрирование обмотки при обоих полюсах, как при 2 р = 8, так и при 2 р = 6, выполнено переменой местами в схемном решении катушечных групп, содержащих по одной катушке в фазах В и С (рисунок 4 в ).

На рисунке 5 а и б приведены схема разработанной обмотки на 8/6 полюсов и распределение магнитодвижущих сил.

6 6 6  0   6                                            6

С5 Cl С6 С2   СЗ                                                     С4

Рисунок 3 – Восьмиполюсная обмотка

Figure 3 – Eight-pole winding 2р=8

ҒІ+К^ААттАААҒІ+І^ААГТТТтААҒІ+К^ААГТТт^

----------А----------► N----------С----------► М----------В► N

ЕШ®®©АДЕПЮОАААЕЕ)ӨАЕЕ)®©ӨАДЕЕ1СХЭАААЕЕ)©АЕЕ)®®©ААЕЕІООАААЕЕ)©А б 2р=б

ЕШӨЭААШСЮАААІШ1АӨ[±І±)®ФЭААШСОАААІ±^в

Рисунок 4 – Токораспределение прифазной модуляции восьмиполюсной обмотки Figure 4 – Current distribution with phase modulation of an eight-pole winding

8С2 6 6С2оо6С16бСЗ 68СЗ 68С1

а a

б b

Рисунок 5 – Схема обмотки YYY/YYY и магнитодвижущие силы двухслойной обмотки на 8/6 полюсов Figure 5 – Winding circuit YYY/YYY and magnetic forces of a two-layer winding for 8/6 poles

Очевидно, что укороченное на треть при 2р = 6 распределение токов в сторонах катушек соответствует 2р = 4 (рисунок 6). Фазное модулирование токов этого укоро- ченного распределения следующей 180°-ой ступенью таким образом позволяет получить 2р = 6 [1–10].

Рисунок 6 - Модуляция нового укороченного слоя 6-полюсной обмотки 180 ° -ой ступенью

Figure 6 - Modulation of a new short layer for a 6-pole winding with a 180 ° step

По рисунку 6 направления токов катушек фазной схемы обмотки В имеют полное зеркальное отображение по непосредственному отношению к расположению сторон токов катушек фазной обмотки С. Сумма векторов результирующих электродвижущих сил фазных обмоток А и С теперь относительно центра начального первого паза имеет следующие значения:

.          (-2,494\                         /2,494\

^Arctg4 4 V452?) = ^{-30 ; Arctg}(4325j = ^{30 ;}

.           /3,732^                            / 5.098 \

Arctg(6)-4 (,,J = -45°;   Arctg(6)c (Z^) = 105°.

,,

Вычисленные значения составляют 60 ° и представляют собой разницу между векторами. В электротехнике векторы электродвижущих сил должны отставать друг от друга на 120°. Добиться этого можно, указав началами фазных обмоток В и С концы катушечных групп. Фазную обмотку А при этом надо оставить без изменения. Таким образом можно получить симметричную трехфазную обмотку.

Результаты исследований и их обсуждение. На рисунках 7–9 представлены новые схемы обмоток, разработанные таким усовершенствованным методом. Схемы характеризуются переключением полюсов 6/4, универсальными схемами коммутации и соединения фаз YY/ A , A /YY, Y/YY.

К вентиляторной нагрузке в приводах наиболее подходящей и целесообразной считается переключаемая обмотка многоскоростных электродвигателей со схемой сопряжения фаз Y/YY. К приводам с постоянным номинальным моментом рекомендуются полюсопереключаемые обмотки электродвигателей со схемой A /YY, а с постоянной номинальной мощностью - YY/ A . При расчете электродвигателей со схемами сопряжения фаз Y/YY и A /YY базовыми для расчета являются четырехполюсные электродвигатели, шестиполюсные электродвигатели используются для проектирования схем YY/ A .

а a

б b

Рисунок 7 – Схема обмотки и магнитодвижущие силы обмотки на 6/4 полюса Y/ YY

Figure 7 – Winding circuit and magnetic forces of the winding for 6/4 poles Y/ YY

а a

б b

Рисунок 8 – Схема обмотки и магнитодвижущие силы обмотки на 6/4 полюса Δ /YY

Figure 8 – Winding circuit and magnetic forces of the winding for 6/4 poles Δ /YY

4СЗО О4С1 О4С2 6бСЗ дбС1       6бС2

а a

б b

в      c

Рисунок 9 – Схемы обмоток ( а, в ) с переключением на 6/4 полюса (YY/ Δ ) и магнитодвижущие силы ( б )

Figure 9 – Winding circuits ( a, c ) with 6/4 pole switching (YY/ Δ ) and magnetic forces ( b )

Аналогичным образом проведенная и выполненная модуляция восьмиполюсной обмотки при 36 пазах на статоре (рисунок 10 а )

позволяет получить схемные решения обмоток на 6/4 полюса при следующих 24 и 48 пазах на статоре (рисунки 10 б, в ).

а а

6СЗб 66С1 О6С2 О4СЗ О4С1 64С2 б b

в c

Рисунок 10 – Модуляция восьмиполюсного распределения ( а ) при 36 пазах на статоре и схемы обмоток ( б, в ) на 6/4 полюса (Y/ YY)

Figure 10 – Modulation of an eight-pole distribution ( a ) with 36 slots on the stator and winding circuits ( b, c ) for 6/4 poles (Y/YY)

Следует также отметить, что эти полюсопереключаемые обмотки при указанных значениях пазов на статоре при кратном трем числе полюсов не симметричны. Угловая асимметрия составляет 7,5 ° .

Целесообразность этих схем обмоток в электродвигателях с соответственно 24 и 48 пазами на статоре также требует анализа влияния обратновращающегося поля на значения энергетических показателей агропромышленного электродвигателя при расчетном большем числе полюсов.

Выводы. По результатам проведенного моделирования видно, что на определенных частотах работы многоскоростного электродвигателя схемное решение его обмотки должно соответствовать и обеспечивать такой режим работы, который наиболее бы соответствовал режиму работы нагрузочной приводимой машины. Предложен метод, заключающийся в дополнительной фазной модуляции укороченных на 1/3 полюсопереключаемых обмоток. Развитие метода фазной модуляции позволяет формировать полюсопереключаемые обмотки со схемами соединения фаз Y/YY, наиболее соответствующие вентиляторному характеру нагрузки.

Зависимость статического момента сопротивления на валу приводного многоскоростного электродвигателя вентилятора от частоты вращения носит квадратичный характер. Подводимая к вентилятору мощность без учета потерь на трение пропорциональна кубу частоты вращения. Формируемые по данному методу схемы полюсопереключаемых обмоток на определенных частотах вращения многоскоростного электродвигателя позволяют обеспечивать режим работы, наиболее полно соответствующий режиму работы приводимой машины. Это позволяет ограничить такие явления, как нагрев активных частей двигателя, изменение потерь и коэффициента полезного действия, потребление из сети активной и реактивной мощностей.