Асинхронная машина с массивным ферромагнитным ротором и конденсаторным возбуждением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Асинхронная машина с массивным ферромагнитным ротором и конденсаторным возбуждением

Введение

Асинхронная машина трехфазного исполнения простой конструкции, высокой надежности и отсутствием скользящих контактов, наиболее широко применяемая при создании электроприводов в различных областях техники.

В зависимости от конструктивного исполнения асинхронные машины имеют ряд модификаций и специализированных исполнений для обеспечения различных эксплуатационных требований электроприводов. Режимами их работы могут быть: двигательный, генераторный и электромагнитного тормоза. Такие режимы представляют определенный интерес в ряде практических случаев.

Однако в новых областях применения асинхронных машин предъявляются новые технические требования, для решения которых необходимо создание новых исполнений машины, в том числе и роторов, со специальными характеристиками и параметрами.

Одним из таких перспективных технических решений является асинхронная машина с массивным ферромагнитным ротором, который по конструктивному исполнению может быть гладким или зубчатым. Исследования электрических машин в этой области показали, что наилучших результатов можно достичь за счет перехода от гладкого массивного ротора к зубчатому с оптимальной зубцовой зоной и торцевыми короткозамкнутыми кольцами высокой электропроводимости.

В данной работе рассматриваются условия практической реализации электрической редукции скорости вращения ротора асинхронной машины при ее работе в различных режимах. Поэтому ниже рассматриваются конструктивные особенности массивных роторов и возможности получения пониженной скорости вращения.

1. Конструктивное исполнение ферромагнитных роторов АМ

Массивные ферромагнитные роторы. Асинхронная машина (АМ) с массивным ферромагнитным ротором (МФР) занимает особое место. Она отличается от АМ традиционного исполнения не только конструкцией ротора, но и формой основных характеристик и значений технических параметров. Это объясняется весьма сложным характером электромагнитных процессов, происходящих в МФР, в том числе и в АМ [1].

Гладкий массивный ротор представляет собой сплошной ферромагнитный гладкий цилиндр, который выполнен из магнитного материала с высокими значениями магнитной проницаемости и без обмоток на нем. При этом МФР является одновременно магнитопроводом и проводником вихревых токов АМ. Здесь следует отметить, что АМ с гладким МФР имеет низкие значения КПД и cos ц в номинальном режиме, особенно в диапазоне малой и средней мощности. Поэтому использование габарита АМ по мощности составляет всего лишь 40ч50% [2, 3].

Улучшение параметров и характеристик гладкого МФР возможно путем: применения торцевых короткозамкнутых колец высокой электропроводности (медь, бронза, латунь), соединяемых с МФР пайкой, сваркой или наплавкой; уменьшения активной длины МФР по сравнению с длиной пакета статора; изменения конструктивной геометрии торцов МФР. Анализ результатов теоретического и экспериментального исследований различных вариантов гладкого МФР показал, что вышеуказанные исполнения МФР обеспечивают лишь частичное улучшение рабочих характеристик и энергетических показателей АМ [1, 2]. Зубчатый массивный ротор выполняется с частично или полностью сквозными продольными пазами на поверхности МФР в пределах активной зоны АМ. Пазы могут быть одно- или двухступенчатыми по ширине. Существенного улучшения параметров МФР можно достичь при оптимальной зубчатости, т.е. ротор должен иметь определенное число пазов Z₂ при их оптимальной ширине и глубине [4, 5]. Кроме того, конструкция концевых частей зубчатого МФР (ЗМФР) должна обеспечить минимальные значения активного и индуктивного сопротивлений ротора при соответствующих режимах АМ. Это объясняется тем, что конструктивное исполнение ЗМФР оказывает существенное влияние на показатели и характеристики АМ.

2. Асинхронный генератор с МФР и пониженной скоростью вращения

На основании анализа научно-технической литературы можно сделать вывод о том, что возможности АМ с МФР еще далеко не исчерпаны. Эти машины могут быть использованы и как тихоходные двигатели или генераторы с пониженной скоростью вращения ротора при зубчатой конструкции массивного ротора [6, 7]. В данном случае статор АГ ничем не отличается от статора обычной АМ, который состоит из пакета, набранного из листов электротехнической стали, в пазах которого размещена обычная трехфазная обмотка, а ротор АГ представляет собой ЗМФР. При этом число пазов ротора Z₂ не равно числу пазов статора Z₁, а разность Z₂ - Z₁, от которой зависит скорость вращения ротора, является числом четным и равным числу пар полюсов - 2p. В этом случае скорость вращения ротора определяется по формуле:

. (1)

Из формулы видно, что соответствующее увеличение Z₂ и Z₁ приводит к существенному уменьшению скорости вращения ротора.

Таким образом, генераторный режим АМ в данном случае работает по принципу взаимодействия зубцовых гармоник поля, вследствие чего получается малая скорость вращения ротора. Такой принцип работы АМ называется электрической редукцией скорости вращения. Поэтому такие АМ не нуждаются в механических редукторах. Например, в случае АМ с двумя полюсами (2p=2), при f₁= 50 Гц и Z₂ = 26, Z₁ = 24, скорость вращения ротора будет равна

. (2)

Следовательно, правильный выбор соотношения числа пазов и их размеров при зубчатом роторе в значительной степени определяет свойства тихоходного АГ. Кроме того, трудоемкость изготовления тихоходного АГ с размещением на окружности ротора определенного числа зубцов ограничена технологическими соображениями, толщиной зуба и его электромагнитной нагрузкой. Поэтому, электромагнитная редукция скорости вращения ЗМФР отражается на рабочих характеристиках АМ, а АГ имеет следующие недостатки: низкие КПД и cosц, малый вращающий момент и низкий коэффициент использования габаритной мощности машины.

3. Исполнение асинхронного генератора с МФР и конденсаторным возбуждением

Реконструкция серийной АМ в соответствии с требованиями изготовления тихоходного АГ заключалась в замене шихтованного короткозамкнутого ротора ЗМФР с торцевыми короткозамкнутыми кольцами (ТКЗК) из меди. При этом был выполнен ряд специфических расчетов, характерных для данного АГ, работающего в автономном режиме. Для исполнения АГ с ЗМФР был использован серийный АД типа 4АМ80А2УЗ, технические данные которого представлены в таблице 1.

Таблица 1. Технические данные АМ

Конструктивные и обмоточные данные АД, форма и геометрические размеры пазов приведены в [8], что позволяет рассчитать конструктивные размеры массивного ротора, определить электромагнитные нагрузки и магнитные напряжения в зубцах и ярме ЗМФР, учитывая неизменность величины индукции в воздушном зазоре АМ [9].

Емкость конденсаторов возбуждения, применяемых как источник реактивной мощности АГ, определяется с учетом исходных данных АД 4АМ80А2УЗ и по следующим соотношениям [10]:

- проводимость фазы в номинальном режиме

;

- относительное значение емкостной проводимости

.

Из этих соотношений следует, что величина емкости возбуждения АГ при работе на активную нагрузку равна

,

где емкостная проводимость .

4. Процесс самовозбуждения АГ с массивным ротором

Самовозбуждение АГ возможно при обеспечении определенных условий: наличие остаточного намагничивания в ферромагнитном массивном роторе, определенная величина емкости и частоты вращения ротора. Следовательно, при расчетной величине емкости возбуждения С_воз = 31,7 мкФ и скорости вращения выше критической за счет необходимого остаточного магнитного потока Ф_ост, в обмотке статора создается (наводится) небольшая ЭДС, под действием которой в конденсаторе С_воз потечет ток I_C, усиливающий остаточный поток в АМ. Однако АГ может возбудиться только при определенной начальной величине Е_ост и согласованном ее направлении с напряжением генератора и при условии, что Е_ост больше напряжения на емкости возбуждения. Представляет интерес значение напряжений фазы генератора на холостом ходу при синхронной скорости ротора без емкости возбуждения, которые имели следующие линейные значения:

U₁₂ = 1,2 В; U₂₃ = 1,17 В; U₃₁ = 1,19 В.

При соединении в звезду обмоток генератора с изолированной нейтралью и подключением емкости возбуждения к одной из фаз линейные напряжения фаз имели следующие значения:

U₁₂ = 4,0 В; U₂₃ = 4,0 В; U₃₁ = 2,25 В при С_воз = 40 мкФ,

U₁₂ = 2,5 В; U₂₃ = 2,5 В; U₃₁ = 0,8 В при С_воз = 60 мкФ.

В данном случае, величины напряжений очень незначительны, следовательно, процесс самовозбуждения АГ с ЗМФР может не произойти. Сообщив ротору генератора число оборотов выше синхронной скорости на холостом ходу, его возбуждение не имело места даже при увеличении емкости возбуждения с 30 до 60 мкФ. Следовательно, самовозбуждение АГ с ЗМФР возможно лишь в этом случае, когда начальная ЭДС будет иметь необходимое значение для создания в конденсаторе возбуждения емкостного тока - опережающий ток, который подмагничивает АМ и способствует увеличению ЭДС в обмотке статора АГ. Таким образом, электромагнитный переходной процесс самовозбуждения происходит до тех пор, пока ЭДС генератора больше напряжения на конденсаторе. Из изложенного вытекает, что процесс самовозбуждения АГ с ЗМФР не обеспечивается из-за малой величины остаточного намагничивания в ферромагнитной среде зубчатого массивного ротора.

Анализ результатов и выводы

Асинхронный генератор с МФР может надежно возбудиться и работать на активную нагрузку при определенном насыщении его магнитной цепи, что обеспечит ему определенный запас реактивной мощности, который сосредоточен в контуре намагничивания, в том числе, в его массивном роторе, который должен обладать хорошими магнитными характеристиками и электрическими параметрами. Результаты экспериментальных исследований трехфазного АГ с зубчатым МФР при различной величине емкости конденсаторов возбуждения показывают, что определенное геометрическое исполнение ЗМФР требует проведения оптимизационных расчетов и определенной реализации зубцовой зоны ротора для нормальной работы АМ в генераторном режиме.

Анализ результатов по выполненной научно-технической работе позволяет сделать следующие выводы:

- исполнение АГ с зубчатым МФР не позволяет осуществить электрическую редукцию скорости вращения ротора при определенных зубчатых зонах только ротора;

- частота вращения ротора генератора определяется разностью Z₂ - Z₁, которая должна быть четным числом, равным числу пар полюсов асинхронной машины;

- разница Z₂ - Z₁ должна быть четной;

- пакеты статора и ротора, выполненные из шихтованных листов электротехнической стали определенной толщины, должны иметь открытые пазы.

Из вышеизложенного вытекает, что исполнение работоспособного тихоходного АГ возможно при выполнении перечисленных выводов и реализации статора и ротора с определенными зубцовыми зонами и открытыми пазами.

Литература

асинхронный ферромагнитный ротор

1. Куцевалов В.М. Вопросы теории и расчета асинхронных машин с массивными роторами. - М.: Энергия, 1966, 302 с.

2. Куцевалов В.М. Асинхронные и синхронные машины с массивным ротором. - М.: Энергия, 1979, 160 с.

3. Известия ВУЗов «Электромеханика», 1962, №10, с.1181-1185.

4. Лищенко А.И., Лесник В.А. Асинхронная машина с массивным ферромагнитным ротором оптимальной геометрии. -1978, №175, 54 с.

5. Дружинин О.Б. и другие. Исследование параметров и характеристик асинхронных двигателей с массивным ротором. -1983, №316, 51 с.

6. Проблемы технической электродинамики. 1973, вып.44, с.19-23.

7. Вольдек А.И. Электрические машины. -Л.: Энергия, 1974, 640 с.

8. Справочник. Асинхронные двигатели серии 4А. - М.: Энергоиздат, 1982, 503 с.

9. Лищенко А.И., Лесник В.А. Асинхронная машина с массивным ферромагнитным ротором. - Киев, 1984, 167 с.

10. Адаменко А.И. Однофазные конденсаторные двигатели. - Киев, 1960, 247 с.

Размещено на Allbest.ru