Синхронный реактивный двигатель с удвоенной частотой вращения ротора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.313.323

А. Ю. Афанасьев, А. В. Кальдяев СИНХРОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С УДВОЕННОЙ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА

Ключевые слова: удвоенная частота вращения, синхронный реактивный двигатель.

Показано, что для турбомеханизмов является актуальной задача получения частоты вращения более 3000 об/мин. Предлагается конструкция синхронного реактивного двигателя с удвоенной частотой вращения, отличительной особенностью которого является наличие сосредоточенной шестифазной обмотки статора, расположенной на П-образных шихтованных магнитопроводах и ферромагнитный ротор с двумя зубцами

Keywords: double the frequency of rotation, synchronous reactive motor.

It is shown that for the turbomechanism is an urgent task of obtaining a frequency of rotation of more than 3000 rev/min. It is proposed a construction of synchronous reactive motor with double frequency of rotation, the distinguishing feature of which is the presence of a concentrated six-phase stator winding located on the U-shaped laminated magnetic core and a ferromagnetic rotor with two prongs.

Введение

Существует ряд механизмов, требующих регулирования частоты вращения приводного двигателя. Современные асинхронные двигатели серии 4 А [1] имеют число пар полюсов от одного до шести, что позволяет получить синхронную частоту вращения от 3000 до 750 об/мин при питании от трехфазной сети частотой 50 Гц. В серии асинхронных двигателей 4А имеются многоскоростные двигатели, обеспечивающие ступенчатое регулирования частоты вращения. Данные двигатели могут быть двух-, трех- и четырехскоростными.

Плавное регулирования частоты вращения асинхронного двигателя может быть осуществлено за счет питания от преобразователя частоты. В большинстве случаев преобразователь частоты обеспечивает регулирование частоты вращения двигателя вниз от номинального значения.

Существуют модели преобразователей частоты, позволяющие осуществлять двухзонное регулирование скорости, когда возможно регулирование вверх от номинального значения. Существенным недостатком этого способа является значительное уменьшение критического момента двигателя при увеличении частоты питающего напряжения [1,2,3,4].

В авиационной технике используются асинхронные двигатели с частотой питающего напряжения 400 Гц, синхронная частота вращения которых может достигать 24 000 об/мин. В устройствах автоматики используются двигатели с частотой питающего напряжения 200 и 400 Гц, мощность которых не превышает 1 кВт.

Для турбомеханизмов (компрессоры, вентиляторы, насосы) в ряде случаев необходима высокая частота вращения, порядка 6000-12000 об/мин. В [5] рассматривается управляемый каскадный электрический привод, принцип действия которого основан на соосном размещении двух двигателей, таким образом, что вал первого двигателя жестко закреплен со статором второго, а вал второго - с рабочим органом. Данное устройство предназначено для плавного регулирования частоты вращения от ноля до двойной номинальной.

В [6] рассматривается аксиальный каскадный электрический привод с жидкостным токосъемом, принцип действия которого основан на соосном размещении двух двигателей один в другом. Данный привод может развивать частоту вращения близкой к двойной номинальной.

Предлагается для решения данной проблемы использовать синхронный реактивный двигатель с удвоенной частотой вращения.

Конструкция синхронного реактивного двигателя с удвоенной частотой вращения ротора

Рассмотрим синхронный электродвигатель, имеющий П-образные шихтованные магнито-проводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, ферромагнитный ротор, имеет напряжения питания фаз обмоток, сдвинутых по фазе на угол, меньший пространственного сдвига П-образных магнитопроводов, а ротор содержит два зубца, смещенных по оси и имеющих одинаковое угловое положение.

✓—I"

Рис. 1 - Поперечное сечение электродвигателя

Рис. 2 - Продольное сечение электродвигателя

3

3

П-образные элементы 1 магнитопровода статора выполнены шихтованными из электротехнической стали и объединены в единую конструкцию с помощью двух колец 3, выполненных из немагнитного материала. На каждом П-образном магнитопроводе 1 имеется фаза 2 обмотки статора. Ротор 4 выполнен из ферромагнитного материала. Он имеет форму цилиндра с двумя зубцами, смещенными по оси и имеющими одинаковое угловое положение.

Принцип действия синхронного реактивного двигателя с удвоенной частотой вращения

Предлагается выполнить обмотку статора шестифазной. На фазы обмотки статора подаются переменные напряжения, сдвинутые по фазе на угол п/6. В рабочих воздушных зазорах возникает волна магнитной индукции, соответствующая углу п. За время, соответствующее половине периода синусоидального напряжения, волна магнитной индукции поворачивается на угол 2п. На рис. 3 показан график магнитной индукции, соответствующий положительной волне. При этом ротор в отсутствии момента нагрузки занимает положение, при котором его магнитный поток

Рис. 3 - График магнитной индукции, соответствующий положительной волне

На рис. 4 показан график магнитной индукции, соответствующий изменению фазы напряжений питания по сравнению с фиг. 3 на угол п. Однако ротор повернулся относительно рис. 3 на угол 2п. Следовательно, за полный период напряжений питания ротор сделает два оборота.

Рис. 4 - График магнитной индукции, соответствующий изменению фазы напряжений на угол п от первоначального

Отметим, что П-образные магнитопроводы 1 статора могут выполняться витыми. Каждый П-образный магнитопровод вместе со своей фазой может собираться и транспортироваться отдельно, и лишь на месте эксплуатации все П-образные магнитопроводы 1 с фазами 2 обмотки статора объединяются в единую конструкцию с помощью колец 4, что важно при больших мощностях электродвигателей.

Таким образом, благодаря тому, что магни-топровод статора выполнен в виде П-образных маг-нитопроводов с фазами обмотки, а ротор содержит два зубца, смещенных по оси и имеющих одинаковое угловое положение, получен синхронный электродвигатель с повышенной частотой вращения при питании от трехфазной сети.

Экспериментальное исследование

Анализ предлагаемой конструкции синхронного реактивного двигателя с удвоенной частотой вращения ротора показывает, что существующие методики [7-9] проектирования электрических машин не позволяют провести конструктивный расчет данного двигателя. В связи с этим была разработана инженерная методика проектирования синхронного реактивного двигателя с удвоенной частотой вращения ротора, в основу которой положены параметры обобщенной электрической машины. На основании проведенного расчета изготовлен макетный образец двигателя, проведены экспериментальные исследования. Установлена работоспособность макетного образца, подтверждающая правильность теоретических положений, методик проектирования и корректность их применения.

Литература

1. В. Г. Макаров, Актуальные проблемы асинхронного электропривода и методы их решения, Вестник Казанского технологического университета, 14, 6, 79-93 (2011).

2. В. Г. Макаров, Анализ современного состояния теории и практики асинхронного электропривода, Вестник Казанского технологического университета, 14, 6, 109-120 (2011).

3. В. Г. Макаров, Ю.А. Яковлев, Анализ состояния и пере-спективы развития работ по идентификации параметров электрических машин, Вестник Казанского технологического университета, 14, 1, 134-144 (2011).

4. В. Г. Макаров, В. В. Тамбов, Анализ состояния и пере-спективы развития работ по бездатчиковому определению скорости электропривода, Вестник Казанского технологического университета, 16, 21, 245-248 (2013).

5. Пат. Российская Федерация № 2402857, (2010).

6. Пат. Российская Федерация №2483415 (2013).

7. П. С. Сергеев, Электрические машины, М.: Госэнерго-издат, 1962. 280с.

8. Копылов И. П, Клоков Б. К. Справочник по электрическим машинам: в 2хт., т.1. М.: Энергоатомиздат, 1988. 456 с.

9. Ключев В. И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 2001. 704 с.

© А. Ю. Афанасьев - д-р. техн. наук, проф., проф. кафедры электрооборудования КНИГУ им. А.Н. Туполева - КАИ; А.В. Кальдя-ев - асс. каф. электропривода и электротехники КНИГУ, [email protected].

© A. Y. Afanasyev, D.Eng, prof., prof. of chair of electric equipment, KNRTU named after A.N. Tupolev"; А. V. Kaldyaev, assistant, KNRTU, Electric Drive and Electrotechnics Department, e-mail: [email protected].