Принцип получения разного числа пар полюсов

Фазные обмотки статора, уложенные в пазы сердечника статора, представляют собой мощные электромагниты. Уменьшая число пар полюсов обмотки статора, можно увеличивать скорость двигателя, и наоборот уменьшить, в соответствии с выражением

n = 60f ( 1 – s ) / р.

Для получения несколько скоростей электродвигателя применяют два способа:

1. Размещают на статоре отдельные обмотки в количестве, равном числу скоростей. Эти обмотки имеют разное число пар полюсов и при работе двигателя включаются поочередно. Например, на судах применяются двигатели серии МАП на две или три скорости ( М – морской, А – асинхронный, П – полюсо-переключаемый );

2. На статоре размещают обмотку, схему которой можно изменять по одному из двух вариантов:

а) переключение обмотки со «звезды» на «двойную звезду»;

б) переключение обмотки с «треугольника» на «двойную звезду».

Этот второй способ получения нескольких скоростей широко применяется на судах иностранной постройки.

У таких двигателей, допускающих изменение схемы обмотки, каждая фазная обмотка состоит из двух одинаковых частей (секционных групп) с выводами Н1-К1, Н2-К2 (Н – начало, К – конец).

Объясним принцип изменения числа пар полюсов на примере только одной фазной обмотки (рис. 9.18).

Рис. 9.18. Схема переключения секционных групп обмотки статора с последовательного (а) на параллельное (б) соединение; Н и К – начала и концы секционных групп

Пусть секционные группы соединены последовательно при помощи перемычки К1 – Н2, а на выводы Н1 и К2 подается питание (рис. 9.18, а). Задавшись произвольно выбранным направлением тока в сторонах секций (обозначено стрелками), перенесем эти направления в поперечные сечения проводников секций в верхней части в виде крестиков и точек.

По правилу буравчика найдем направление магнитных силовых линий вокруг каждого проводника с током. Рядом расположенные силовые линии позволят определить положение электромагнитных полюсов обмотки статора. На рис. 9.18,”а” таких полюсов – четыре (2р = 4), поэтому синхронная частота вращения ротора составит

n = 60f / р = 60*50 / 2 = 1500 об / мин.

При переходе от последовательного соединения к параллельному соединению надо соединить перемычками выводы Н1 и К2 (а не Н1 и Н2) и К1 и Н2 (а не К1 и К2) (рис. 9.18, б).

Повторяя сделанные выше рассуждения, можно найти, что при переходе от последовательного к параллельному соединению секционных групп число полюсов уменьшилосьв 2 раза (2р = 2), поэтому синхронная частота вращения ротора составит

n = 60f / р = 60*50 / 1 = 3000 об / мин.

.

Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду»

При переключении обмотки статора первым способом, путем переключения обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду» ,двигатель при пуске включают в сеть по схеме «звезда» ( рис.9.19, а ), при этом питание сети подается на выводы С1, С2 и С3. Секционные группы Н1-К1 и Н2-К2 в каждой из трех фазных обмоток соединены последовательно.

Рис. 9.19. Схемы включения и механические характеристики асинхронного двигателя при переключении обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду» (а) и с «треугольника» на «двойную звезду» (б)

Для перехода на «двойную звезду» поступают таким образом:

а) снимают питание с выводов С1, С2 и С3;

б) при помощи контактов первого трехполюсного контактора соединяют вместе выводы Н1 и К2;

в) при помощи контактов второго трехполюсного контактора подают питание на средние выводы С4, С5 и С6 фазных обмоток.

В результате этих переключений секционные группы в каждой фазной обмотке соединяются параллельно, в целом образуя две «звезды», включённые параллельно.

Переходный процесс протекает по траектории «0АВСD». При пуске двигатель включают «звездой», при этом он переходи из точки «0» в точку «А», развивая пусковой момент, выражаемый отрезком «0А».

Поскольку в точке «А» пусковой момент больше номинального М , двигатель разгоняется по участку «АВ». В точке «В» наступает установившийся режим на «звезде».

При переключении обмотки на «двойную звезду» двигатель при постоянстве скорости переходит из точки «В» в точку «С», после чего разгоняется до точки «D», в которой наступает установившийся режим на «двойной звезде» Скорость для соединения двойной звездой увеличивается в два раза.

При всех переключениях двигатель необходимо использовать полностью, т.е. зависящий от нагрузки ток статора должен быть равен номинальному току, на который рассчитана обмотка статора.

Расчёт момента и мощности при регулирование скорости переключением обмоток статора со звезды(Y) на двойную звезду(YY)

Если при переключении обмоток статора со звезды(Y) на двойную звезду(YY) принять и η- к.п.д. двигателя одинаковыми на всех ступенях переключения, то получим мощность:

1) При соединении фаз обмотки статора звездой

P_Y = 3U_ФI_н = U_Л I_н (1-1)

Учитываем, что при соединении звездой I_н = I_л = I_ф , = _Ф

Скорость и момент для соединения одинарной звездой :

ω_Y = (1-s) ; M_Y = P_Y/ω_Y .

- две пары полюсов

2) При соединении фаз обмотки статора дойной звездой секции обмоток статора включаются по две параллельно, и ток каждой фазы увеличивается в два раза

P_YY = 3U_Ф 2I_н = U_Л I_н = 2P_Y. (1-2)

Окончательно получаем, что мощность для двойной звезды увеличилась в два раза

P_YY = 2P_Y.

Скорость для соединения двойной звездой увеличивается в два раза:

ω_YY = (1-s) = (1-s) =2ω_Y (1-3)

Уравнение (1-3) умножили и разделили на 2 и получили(1-4)

ω_YY = 2ω_Y (1-4)

Момент двигателя после соединения двойной звездой не изменяется:

M_YY = P_YY/ω_YY =2P_Y/2ω_Y =P_Y/ω_Y

M_YY = M_Y

Таким образом, получили, что переключение обмоток статора асинхронного двигателя со звезды(Y) на двойную звезду(YY) позволяет вдвое увеличить скорость и мощность двигателя при неизменном (постоянном) моменте на валу.

При переходе со «звезды» на «двойную звезду мощность и скорость увеличиваются в 2 раза, но момент двигателя не изменяется (отсюда название способа - «регулирование скорости при постоянном моменте»).

Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора с «треугольника» на «двойную звезду»

При переключении обмотки статора вторым способом двигатель при пуске включают в сеть по схеме «треугольник» (рис.9.19, б), этом питание сети подается на выводы С1, С2 и С3. Секционные группы Н1-К1 и Н2-К2 в каждой из трех фазных обмоток соединены последовательно.

Для перехода на «двойную звезду» точно так же, как в предыдущем случае, а именно:

а) снимают питание с выводов С1, С2 и С3;

б) при помощи контактов первого трехполюсного контактора соединяют вместе выводы Н1 и К2;

в) при помощи контактов второго трехполюсного контактора подают питание на средние выводы С4, С5 и С6 фазных обмоток

В результате этих переключений секционные группы в каждой фазной обмотке соединяются параллельно, в целом образуя две «звезды», включены параллельно.

Расчёт момента и мощности при регулирование скорости переключением обмоток статора с треугольника на двойную звезду(YY)

1) При соединении фаз обмотки статора треугольником мощность равна

P_тр. = 3U_ФI_н = U_Л I_н (2-1)

Учитываем, что фазное напряжение равно линейному напряжению

U_Ф = U_Л

Скорость и момент для соединения треугольником:

ω_тр. = (1-s) M_тр. = P_тр./ω_тр. (2-2)

2) При соединении фаз обмотки статора двойной звездой секции обмоток статора, соединённые ранее треугольником, включаются по две параллельно, и ток каждой фазы увеличивается в два раза. Уравнение (2-1) умножаем на 2 и получим (2-3)

P_YY = U_Л I_н (2- 3)

Умножим и разделим (2- 3) на 3 и получим

P_YY = U_Л I_н = U_Л I_н = P_тр. = 1,15 P_тр.

P_YY = P_тр. = 1,15 P_тр. (2-4)

Из (2-4) видно, что мощность при переключении обмоток статора с треугольника на двойную звезду(YY) практически почти не изменилась. Скорость для соединения фаз обмоток статора двойной звездой увеличивается в два раза:

ω_YY = (1-s) = (1-s) = 2ω_тр., (2-5)

ω_YY = 2ω_тр..

Определим, как изменяется момент двигателя при переключении обмоток статора с треугольника на двойную звезду(YY):

M_YY = P_YY/ω_YY =1.15P_тр./2ω_тр. = 0,58 M_тр.

M_YY =0,58 M_тр. (2-6)

Таким образом, получили, что переключение обмоток статора асинхронного двигателя с треугольника на двойную звезду позволяет вдвое увеличить скорость, при этом мощность двигателя почти не изменяетсяно моментна валу уменьшается в 0,58 раз(почти в два раза).

Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов экономичное, но при этом способе ограничена плавность регулирования (регулирование ступенчатое).

При переходе с «треугольника» на «двойную звезду:

a) мощность увеличивается на 16%, т.е. почти не изменяется (отсюда название способа - «регулирование скорости при постоянной мощности» );

b) скорость увеличивается в 2 раза;

c) момент двигателя уменьшается почти в 2 раза

( М = 0,58 М ).

На судах регулирование скорости переключением обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду» применяют в грузоподъемных механизмах, т.к. при этом способе критический момент двигателя не изменяется и потому отсутствует опасность опрокидывания двигателя. В то же время такая опасность существует при переключением обмотки статора с «треугольника» на «двойную звезду», потому что момент двигателя уменьшается почти в 2 раза ( М = 0,58 М ).

На судах переключение обмотки статора с «треугольника» на «двойную звезду» применяют ограниченно, в электроприводах якорно-швартовных устройств для получения самой высокой скорости, которая используется для перемещения свободного (ненагруженного) швартовного каната.

Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением частоты тока статора

Изменяющийся по частоте ток приводит к изменению угловой скорости поля статора

И пропорционально изменяется скорость ротора. Из выражения (1-1) следует, что регулирование скорости двигателя изменением происходит без значительного изменения скольжения и позволяет получать различные скорости на жестких механических характеристиках.

С помощью электромашинных и полупроводниковых устройств можно плавно изменять частоту тока статора , а следовательно и скорость двигателя. Скорость двигателя можно увеличить вверх до от номинальной и уменьшать в раз от номинальной.

Верхний предел скорости ограничивается механической прочностью ротора, нижний – особенностями роботы преобразователей частоты. Наиболее целесообразно применение тиристоры преобразователей частоты, в которых происходит сначала выпрямление переменного тока частоты сети, а затем инвертирование в переменный ток нужной частоты.

Для сохранения постоянной (неизменной) перегрузочной способности двигателя на всех скоростях и поддержания постоянных значений КПД и , одновременно с изменением частоты тока, необходимо изменять напряжение, подводимое к двигателю.

Перегрузочная способность не будет изменяться при изменении частоты тока статора, если отношение критических моментов двигателя при всех частотах тока и соответствующих напряжениях будет равно отношению соответствующих статических моментов нагрузки .

(1-2)

Подставим в уравнение (1-2) значения критических моментов из известного ранее соотношения:

И получим:

После преобразования получим (1-3):

Где : – статические моменты при скоростях, соответствующих частотам и ;

и напряжения при тех же частотах тока статора.

Из уравнения (1-3) следует, что с изменением частоты нужно так же изменить и величину подводимого к двигателю напряжения . Т.е. для каждой частоты необходимо соответствующее этой частоте напряжение .

Закон изменения напряжения определяется характером зависимости статического момента от скорости.

Если пренебречь моментом холостого хода рабочего механизма, то уравнение статического момента можно записать в виде

Подставив значения статических моментов (1-4) в уравнение (1-3) получим

откуда

Где : – относительная частота напряжения, подавшего на статор двигателя;

– показатель степени, определяющий закон изменения напряжения с изменением частоты тока статора.

С изменением частоты тока будут изменяться синхронная скорость поля статора и индуктивные сопротивления обмоток двигателя.

Двигатель будет развивать критический момент при критическом скольжении для данной частоты тока

Рассмотрим регулирование напряжения для наиболее распространенных законов изменения нагрузки.