к чему приводит увеличение числа пар полюсов

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Увеличение числа полюсов в двигателях классической конструкции связано с увеличением диаметра статора. Во избежание этого в микродвигателях применяют конструкцию статора с когтеобразными полюсами. Полюсная система статора охвачена кольцевой обмоткой возбуждения. [2]

Увеличение числа полюсов вызывает уменьшение полюсного деления т, что в свою очередь приводит к уменьшению магнитного потока. Магнитная индукция в спинке снижается. [3]

Увеличение числа полюсов необходимо для повышения крутящего момента на валу якоря. [4]

Увеличение числа полюсов до определенных пределов положительно сказывается на весе и размерах машины. На величину диаметра и длины якоря, как следует из (1.1), число полюсов влияния не оказывает. [5]

Увеличение числа полюсов до определенных пределов положительно сказывается на весе и размерах машины. На величину диаметра и длину якоря, как следует из (1.1), число полюсов влияния не оказывает. [6]

При увеличении числа полюсов при данной мощности Р величина / обычно также уменьшается ( рис. 262), так как с ростом числа полюсов и диаметра окружную скорость приходится уменьшать. [8]

Но, с другой стороны, увеличение числа полюсов ведет к росту трудоемкости. [10]

Из (36.9) следует, что с увеличением числа полюсов ( зубцов Zp) ротора статический момент ШД возрастает. Однако следует иметь в виду, что при большом числе зубцов увеличивается магнитный поток рассеяния, что приводит к уменьшению производной № м ( 6эл) / сШэл, а следовательно, и момента. Увеличение Zp в разумных пределах при заданных размерах ШД позволяет увеличить как удельный, так и максимальный синхронизирующий момент. Мощность же ШД остается неизменной, так как при этом уменьшается средняя частота вращения ротора. [11]

Формула (10.57) показывает, что при увеличении числа полюсов диаметр якоря растет. Однако при этом может уменьшаться масса якоря и всей машины. [13]

Основным средством борьбы с краевыми эффектами является увеличение числа полюсов на индукторе. [14]

Ввиду того, что коэффициент рассеяния с увеличением числа полюсов может достигать значительной величины, то для последующего рассмотрения полечно рассмотреть изменение коэффициента рассеяния с изменением числа полюсов. [15]

Источник

Регулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей путем переключения числа пар полюсов

В различных отраслях промышленности имеется очень много различных производственных механизмов, которые выполняют ограниченное количество операций, не требующих плавного регулирования скорости вращения и способных удовлетвориться лишь ограниченным числом скоростей. К числу подобных машин относят деревообрабатывающие и металлорежущие станки, лебедки нефтяных скважин, центробежные сепараторы и другие механизмы. Ограниченное количество скоростей вращение вполне может быть обеспечено многоскоростными короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями. При этом возможны две конструкции электродвигателей: с несколькими обмотками на статоре, уложенными в одни и те же пазы, или с одной обмоткой, допускающей переключение ее для получения различного числа пар полюсов.

Взаимодействие МДС ротора и статора возможно только при условии равного количества пар полюсов обмоток статора и ротора. Поэтому изменяя количество пар полюсов статорной обмотки необходимо не забывать изменять количество пар полюсов и на обмотке ротора. Если рассматривать асинхронную машину с фазным ротором, то для выполнения этого условия необходимо наличие дополнительных контактных колец, что сильно увеличивает габариты и стоимость электрической машины. Короткозамкнутый ротор с беличьей клеткой обладает очень ценным свойством автоматического образования числа пар полюсов, равному числу пар полюсов МДС обмотки статора. Именно это свойство и обусловило использование именно короткозамкнутых роторов в многоскоростных асинхронных электродвигателях.

Многоскоростные двигатели с несколькими независимыми обмотками на статоре по экономическим и техническим показателям уступают однообмоточным. В многообмоточных машинах плохо используется обмотка статора, нецелесообразно заполнение паза статора, значения КПД и cos φ ниже оптимальных. Поэтому в последние временя большее распространение получили многоскоростные однообмоточные электрические машины с переключением на различное число пар полюсов. Суть данного способа заключается в том, что путем переключения направления тока в части обмотки изменяют распределение магнитодвижущей силы внутри расточки статора, результатом чего становится изменение скорости вращения магнитодвижущей силы, а следовательно, и магнитного потока в пространстве. Наиболее часто осуществляют переключения в соотношении 1:2. В этом случае обмотки каждой фазы выполняются в виде двух секций. Изменение направления тока в одной из них позволяет получить изменение числа пар полюсов в 2 раза. Рассмотрим это применительно к двигателю, переключаемому на 8 и 4 полюса.

На рисунке ниже для простоты изображена обмотка одной фазы, состоящей из двух секций:

При последовательном соединении секций, то есть при соединении конца первой секции 1К с началом второй 2Н, получаем 8 полюсов или 4 пары. Если поменять направление тока во второй секции на обратное, то число полюсов, образуемое обмоткой, уменьшится в 2 раза. Изменение направления тока во второй секции может быть осуществлено путем разрыва перемычки между 1К – 2К. Количество образовавшихся при этом полюсов указано на рисунке б).

Такое же изменение числа полюсов можно получить, осуществив изменение направления тока во второй секции путем параллельного включения с первой (рисунок в)). В этом случае, точно также как и в предыдущем, обмотка образует 4 полюса, что соответствует вдвое большей скорости вращения электрической машины.

При сопоставлении схем обмоток многоскоростных электродвигателей предпочтение должно отдаваться схемам, обеспечивающим нужный характер зависимости допустимого по нагреву момента от скорости и имеющим наименьшее количество выводов и контактов.

Установим критерий, дающий возможность отнести соединение обмоток к той или иной группе. Момент, развиваемый асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором равен:

По условиям нагрева ротора (в случае пренебрежения изменения условий охлаждения) ток I₂ при работе с различным числом пар полюсов должен оставаться одинаковым; cos ψ₂ в пределах от холостого хода до номинального момента остается близким к единице. При таких условиях момент электрической машины будет выражен равенством:

С другой стороны, электромагнитный момент в джоулях будет равен:

Приравняв друг к другу уравнения (2) и (3) и решая относительно Р, получим Р = 314с₁Ф.

В полученное выражение подставим значение магнитного потока из выражения ЭДС обмотки статора и ротора:

Таким образом, электромагнитная мощность электрической машины при любом числе пар полюсов обмотки статора определяется отношением фазного напряжения статора к числу витков, последовательно соединенных в фазной обмотке. Пользуясь этим признаком, проанализируем рассмотренные выше способы переключения числа пар полюсов. Для большей наглядности воспользуемся упрощенными трехфазными изображениями для случаев переключения с большего числа пар полюсов на меньшее, в нашем случае с 8 на 4. На рисунке ниже приведена схема с сохранением для обеих скоростей последовательного соединения обмоток:

Видно, что левая схема (рисунок а)), в которой обе секции обтекаются токами одного направления, соответствует большему числу пар полюсов. В правой же схеме (рисунок б)) встречное направление токов указывает на меньшее число пар полюсов. В обоих случаях число последовательно соединенных витков в обмотке одной фазы остается одно и то же, и к ним прилагается одинаковое фазное напряжение. Отношение мощностей при обоих соединениях равно единице, что означает работу с постоянной мощностью Р = const.

На рисунке ниже приведены механические характеристики двухскоростного электродвигателя, работающего при Р = const:

В данном случае для сохранения постоянства мощности при переходе на вдвое большую скорость момент должен измениться обратно пропорционально скорости.

Схема переключения полюсов с помощью перехода с последовательного соединения секций на низшей скорости на параллельное для большей, приведено на рисунке ниже:

Нетрудно заметить, что параллельное соединение секций обмотки обеспечивает изменение направления тока в одной из секций. Последнее соответствует переходу на меньшее число пар полюсов. При этом обмотка образует две параллельные звезды, включенные на линейное напряжение. Используя приведенный выше критерий (4) видим, что при переходе на высшую скорость мощность возрастает в два раза, а именно:

Это соответствует работе при М = const. Механические характеристики двухскоростного электродвигателя при М = const показана на рисунке ниже:

Сравнивая схемы в отношении необходимого числа выводов и контактов на аппарат управления (контроллер, переключатель и тому подобное) видим, что при соединении по схеме требует девяти выводов и двенадцати контактов. Схема позволяет уменьшить количество выводов до 6, а количество контактов до 8.

В рассмотренных схемах на обеих скоростях сопряжения обмоток были выполнены либо последовательной, либо параллельной звездой. При необходимости изменить напряжение, приходящееся на обмотку одной фазы, пользуются сопряжением обмоток треугольником, двойным треугольником, а в отдельных случаях смешанным звезда – треугольник. В последнем случае три секции обмотки образуют треугольник, а три оставшиеся секции присоединяются к вершинам треугольника, образуя, таким образом, лучи звезды. Примером подобных соединений может служить схема, получившая широкое распространение в приводе металлорежущих станков и осуществляющая переход с последовательного соединения треугольником на две параллельные звезды.

При работе на низшей скорости две секции обмотки каждой фазы, соединенные последовательно, образуют стороны треугольника, к вершинам которого подводится питание. В этом случае обе секции обмотки фазы обтекаются одним током, что соответствует большему числу пар полюсов. Для получения большей скорости вершины треугольника, образованного обмотками фаз, замыкаются накоротко, а питающие провода переносятся в средние точки соединения секций обмотки каждой фазы, образуя, таким образом, две параллельные звезды. Ниже показаны схемы включения обмоток на двух скоростях:

В этой схеме при работе на низкой скорости линейное напряжение приложено к двум последовательно соединенным секциям с общим числом витков 2 w_c.

При соединении двойной звездой фазное напряжение приложено к одной секции. Из соотношения (4) получим соотношение мощностей:

Таким образом, схеме переключения числа пар полюсов последовательный треугольник – двойная звезда при работе на большой скорости мощность на 15,5% больше, чем на низкой. Обычно пренебрегают этим увеличением мощности и схему относят к P = const. Электродвигатели с переключением полюсов на 3 и 4 скорости изготавливаются с двумя обмотками на статоре. Каждая из обмоток может быть выполнена с переключением полюсов по схеме треугольник – двойная звезда.

В данном случае каждая из переключаемых обмоток представляет разомкнутый треугольник. Это делается для устранения нагрева неработающей обмотки током, созданным ЭДС, индуктированной магнитным потоком. За этот счет число выводов трехскоростного двигателя равно 10 и контактов 12, для четырехскоростного 14 и 18 соответственно.

Стоит отметить, что трудоемкость изготовления обмоток многоскоростных однообмоточных электрических машин значительно ниже, чем двухобмоточных. Итак, приняв трудоемкость изготовления обмотки односкоростного электродвигателя за 100%, трудоемкость изготовления двухобмоточного четырехскоростного двигателя составит 180%, в то время как однообмоточном четырехскоростном она составляет всего 120%.

Источник

В целом эти двигатели имеют жесткие механические характеристики, повышенный пусковой момент и меньшую кратность пускового тока, чем двигатели с короткозамкнутым ротором обычной конструкцией.

2.12. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

При работе многих механизмов, приводящихся во вращение асинхронными двигателями, в соответствии с технологическими требованиями возникает необходимость регулировать скорость вращения этих механизмов. Способы регулирования частоты (скорости) вращения асинхронных двигателей раскрывает соотношение:

.

Отсюда следует, что при заданной нагрузке на валу частоту вращения ротора можно регулировать:

2.12.1. Изменение скольжения

Этот способ используют в приводе тех механизмов, где установлены асинхронные двигатели с фазным ротором. Например, в приводе подъемно-транспортных машин. В цепь фазного ротора вводится регулировочный реостат. Увеличение активного сопротивления ротора не влияет на величину критического момента, но увеличивает критическое скольжение (рис. 2.21).

На рис. 2.21 приведены механические характеристики асинхронного двигателя при разных сопротивлениях регулировочного реостата R_р3>R_р2>0, R_р1=0.

Как следует из рис. 2.21 при этом способе можно получить большой диапазон регулирования частоты вращения в сторону понижения. Основные недостатки этого способа:

Из-за перечисленных недостатков этот способ применяют для кратковременного снижения частоты вращения.

2.12.2. Изменение числа пар полюсов

Эти двигатели (многоскоростные) имеют более сложную обмотку статора, позволяющую изменять ее число пар полюсов, и короткозамкнутый ротор. При работе асинхронного двигателя необходимо, чтобы обмотки ротора и статора имели одинаковое число пар полюсов. Только короткозамкнутый ротор способен автоматически приобретать то же число пар полюсов, что и поле статора. Многоскоростные двигатели нашли широкое применение в приводе металлорежущих станков. Нашли применение двух, трех и четырех скоростные двигатели.

На рис. 2.22 показана схема соединения и магнитное поле статора двигателя при последовательном (б) и параллельном (а) соединении полуобмоток.

У двухскоростного двигателя обмотка каждой фазы состоит из двух полуобмоток. Включая их последовательно или параллельно можно в 2 раза изменять число пар полюсов.

У четырехскоростного двигателя на статоре должно размещаться две независимые обмотки с разным числом пар полюсов. Каждая из обмоток позволяет в два раза изменять число пар полюсов. Например, у двигателя, работающего от сети c частотой f=50 Гц, со следующими частотами вращения 3000/1500/1000/500 [об/мин] с помощью одной из обмоток статора можно получить частоту вращения 3000 об/мин и 1500 об/мин (при этом р=1 и р=2). С помощью другой из обмоток можно получить частоту вращения 1000 об/мин и 500 об/мин (при этом р=3 и р=6)..

При переключении числа пар полюсов изменяется и магнитный поток в зазоре, что приводит к изменению критического момента М_кр (рис. 2.23 б). Если при изменении числа пар полюсов одновременно изменять и подведенное напряжение, то критический момент может остаться неизменным (рис. 2.23 а). Поэтому при этом способе регулирования могут быть получены два вида семейства механических характеристик (рис. 2.23).

Достоинства этого способа регулирования: сохранение жесткости механических характеристик, высокий К.П.Д. Недостатки: ступенчатое регулирование, большие габариты и большая стоимость двигателя.

Источник

Регулирование скорости ад изменением числа пар полюсов

Этот способ используется для регулирования скорости многоскоростных АД с короткозамкнутым ротором. Возможность получения искусственных характеристик АД данным способом, и следовательно, регулирования его скорости, непосредственно следует из выражения для угловой скорости магнитного поля АД ω₀ = 2 πf₁/p.

Изменение числа пар полюсов АД р производится за счет переключений в обмотке статора, при этом число пар полюсов короткозамкнутого ротора изменяется автоматически. Так как количество полюсов АД может быть равным только целому числу — 1, 2, 3 и т. д., то следовательно, данный способ обеспечивает только ступенчатое регулирование скорости. Двигатели, допускающие регулирование скорости этим способом, получили название многоскоростных.

Изменение числа полюсов АД достигается, когда на статоре АД располагаются две (или больше) не связанные друг с другом обмотки, имеющие разное число пар полюсов р₁ и р₂. При подключении к сети одной обмотки, например с p₁ парами полюсов, АД имеет синхронную скорость

Вторая обмотка при этом обесточена. Для получения другой скорости отключается первая обмотка и подключается на сеть вторая обмотка с р2 парами полюсов, при этом синхронная скорость АД станет равной

и АД будет иметь уже другую механическую характеристику.

Наряду с такими АД, получившими название многообмоточных, широкое распространение получил другой тип многоскоростных АД, у которых изменение числа пар полюсов вращающегося магнитного поля достигается за счет изменения схемы соединения статорной обмотки АД. Для этого каждая фаза статора разделена на несколько одинаковых частей (чаще всего на две части) и имеет от них соответствующее число выводов.

Рассмотрим принцип получения различного числа пар полюсов при переключении частей обмотки статора на следующем упрощенном примере.

На рис. 1 показана схема одной фазы статорной обмотки, которая состоит из двух одинаковых частей 1н—1к, 2н—2к, имеющих два проводника. Если секции соединены так, как это показано на рис. 4.9, а, и к обмотке статора подведен ток I, имеющий в данный момент времени направление, показанное стрелками, то образуется магнитное

Рис. 1. Изменение числа пар полюсов обмотки статора

поле с четырьмя полюсами, т. е. p = 2 (направление магнитных силовых линий определяем с помощью правила буравчика). Оставив направление тока тем же, изменим несколько схему соединения обмотки, подключив конец первой секции 1к к концу второй 2к (рис. 1б). Из рис. 1б следует, что в этом случае статорная обмотка образует магнитное поле с числом пар полюсов, вдвое меньшим по сравнению с полем рис. 1а. Уменьшение вдвое числа пар полюсов достигается и в схеме рис. 1в, где секции соединены параллельно (1н с 2к, 1к с 2н). В том и другом случае (рис. 1 б и в) уменьшение числа пар полюсов, и следовательно, увеличение скорости АД, достигается изменением направления тока на противоположное в одной из секций (в данном случае во второй). При этом диапазон изменения угловой скорости магнитного поля равен двум.

Наиболее часто на практике встречаются две схемы переключения статорной обмотки многоскоростных АД: 1) с треугольника (Д) на двойную звезду (УУ); 2) со звезды (У) на двойную звезду (УУ)..

Рассмотрим схемы соединения статора ‘и механические характеристики АД для этих случаев.

Треугольник — двойная звезда. Для получения большего числа пар полюсов р^ секции каждой фазы статора включены в треугольник согласно, т. е. так, как это показано на рис. 2а, где А_1н и A_2н — начала соответственно первой и второй секций фазы A; А_1к и A_2к — их концы. Обозначения для выводов секций фаз В и С, схемы включения которых аналогичны схемам фазы A, опущены. Соединение секций по схеме рис.2 б, как отмечалось выше, вызовет уменьшение в 2 раза числа пар полюсов АД. Схема рис. 2б, получила название двойной звезды.

Для получения общего вида механических характеристик определим допустимую мощность АД при включении его статора по схемам рис. 2, а и б. Учитывая, что допустимый ток в секции обмотки статора I_1доп = I_1ном остается неизменным при переключении числа пар полюсов, допустимую первичную мощность определим:

для схемы треугольник (рис. 2, а)

(1)

для схемы двойная звезда (рис. 2, б)

Соединение обмоток статора в треугольник (а), двойную звезду (б) и механические характеристики при схемах треугольник — двойная звезда (Д—УУ) (в)

Из полученных выражений следует, что при cos φ1д ≈ cos φ1уу допустимая мощность АД остается практически неизменной. Поэтому при увеличении вдвое числа пар полюсов АД и уменьшении тем самым вдвое синхронной скорости допустимый момент на валу АД увеличивается примерно в 2 раза. Механические характеристики АД для данного способа переключения обмоток показаны на рис. 2в. Они соответствуют регулированию скорости при постоянной мощности.

Звезда — двойная звезда. В этой схеме меньшей угловой скорости АД соответствует соединение обмоток статора, показанное на рис. 3а. Секции фаз статора

Соединение обмоток статора в звезду (а) и механические характеристики двигателя при схемах звезда — двойная звезда (б) соединены в этой схеме также последовательно и согласно и образуют при подключении АД к сети систему р1. пар полюсов вращающегося магнитного поля, которой соответствует синхронная скорость ω₀₁. Переключение на двойную звезду осуществляется по схеме на рис. 2б, при этом число пар полюсов станет p₂ = p₁/2. Получаемые механические характеристики такого двухскоростного АД изображены на рис. 3б,. В отличие от рассмотренной выше схемы переключения треугольник — двойная звезда, в которой регулирование скорости АД осуществляется при постоянной мощности нагрузки на его валу, в этой схеме изменение скорости может осуществляться при постоянном моменте нагрузки М_с. Это следует из рассмотрения выражений допустимой мощности АД, которая для схемы двойная звезда (рис. 4.10, б) определяется формулой (2), а для схемы звезда согласно рис. 3а — формулой

Из (2) и (3) видно, что допустимая мощность при переключении статорной обмотки на меньшее число пар полюсов (когда скорость АД увеличивается в 2 раза) возрастает также в 2 раза. Тем самым допустимые моменты при работе АД в обеих схемах включения примерно одинаковы и характеристики имеют показанный на рис. 3б вид.

Помимо рассмотренных двухскоростных АД применяются также трех- и четырехскоростные АД. Первые из них помимо переключаемой обмотки статора, выполняемой аналогично рассмотренной выше, имеют также и одну непереключаемую обмотку. Четырехскоростные АД с различным числом пар полюсов р₁, р₂, p₃, p₄ позволяют получить четыре различные механические характеристики.

Рассматриваемый способ регулирования скорости характеризуется рядом положительных показателей, что определяет широкое его применение в регулируемом электроприводе переменного тока. К ним в первую очередь следует отнести экономичность регулирования, так как регулирование скорости изменением числа пар полюсов не сопровождается выделением в роторной цепи больших потерь энергии скольжения, вызывающих излишний нагрев АД и ухудшающих его КПД.

Из рис. 2в и 3б видно, что механические характеристики многоскоростных асинхронных электродвигателей отличаются хорошей жесткостью и достаточной перегрузочной способностью.

Рис. 4. Схема управления двухскоростным АД

Недостатком этого способа является ступенчатость изменения скорости двигателя и относительно небольшой диапазон ее регулирования, не превышающий обычно 6—8.

На рис. 4 показана практическая схема управления двухскоростным АД с короткозамкнутым ротором. Схема обеспечивает две скорости АД путем соединения обмотки статора в треугольник или двойную звезду, а также его реверсирование. Она состоит из контакторов большой КМ1 и малой КМ2 скорости, линейных контакторов направления вращения АД «Вперед» КМ3 и «Назад» КМ4, блокировочного реле KV и кнопок управления SB3, SB1, SB2, SB4, SB5. Защита электропривода осуществляется тепловыми реле KK1 и КК2 и предохранителями FA.

Для пуска АД, например, на низкую скорость нажимается кнопка SB4, после чего срабатывает контактор КМ2 и реле KV. Статор АД оказывается включенным по схеме треугольник, а реле KV, замкнув свои контакты в цепях аппаратов КМЗ и КМ4, подготавливают двигатель к подключению к сети. Далее нажатие кнопки SB1 или SB2 приводит к включению АД соответственно в направлении «Вперед» или «Назад».

После разбега АД до низкой скорости может быть осуществлен его разгон до высокой скорости. Для этого должна быть нажата кнопка SB5, что приведет к отключению контактора КМ2 и включению контактора KM1 и пересоединению в результате этого обмотки статора со схемы треугольник на схему двойная звезда.

Остановка АД производится нажатием кнопки SB3, после чего он отключается от сети и схема возвращается в исходное положение.

Применение двухцепных кнопок в схеме позволяет осуществить блокировку от одновременного срабатывания контакторов КМ1 и КМ2, КМЗ и КМ4. Этой же цели служат включенные в цепи катушек этих контакторов размыкающие блокировочные контакты КМ1, КМ2, КМЗ, КМ4.

Источник