Контрольные вопросы

1. Как проводится выбор сечений кабелей по условиям нагрева?

2. Как проводится выбор сечений кабелей по допустимому падению напряжения?

3. Как проводится проверка по условиям пуска электродвигателей?

4. Как проводится выбор сечений кабелей по экономической плотности тока?

Раздел 3 электродвигатели для автономных объектов

(Раздел предназначен для самостоятельной творческой работы студентов СНО и аспирантов)

При разработке, проектировании и расчетах электродвигателей автономных энергоустановок [10] (изучить самостоятельно с целью определения наиболее перспективных решений) решаются задачи снижения массообъемных показателей электрооборудования и повышения его энергоэффективности [11] (ознакомиться самостоятельно). Часто эти задачи являются противоречивыми. Действительно, при попытке снизить объем меди электрических машин и аппаратуры управления и защиты уменьшением сечения проводников, в рамках традиционных технических решений, растут сопротивления этих проводников и растут потери в меди.

Далее рассмотрена возможность повышения энергоэффективности машин переменного тока, с учетом необходимости управления (в простейшем случае – пуск, торможение, останов) и защиты (от перегрузок коротких замыканий и т.п.). Снижение потерь достигается не только за счет значительного уменьшения вылета лобовых частей обмоток машин [12,13] (изучить самостоятельно и выявить достоинства и недостатки технических и научных решений), но и за счет значительного уменьшения длины проводов, соединяющих расположенную в корпусе машины аппаратуру управления и защиты с выводами обмотки статора.

В работах [14,15] рассматриваются ЕС-двигатели (BLDC-двигатели) - синхронные двигатели со встроенным электронным управлением. Их применение уменьшает потребление электроэнергии и увеличивает производительность оборудования. Однако, их электронные блоки располагаются в отдельном корпусе, соединенным с корпусом машины. В разделе рассмотрены машины с блоками находящимися внутри корпуса машины – вблизи обмотки статора, что приводит к существенной экономии материалов.

Тема 3.1. Расположение блоков управления и защиты

В работе [16] (изучить самостоятельно) рассмотрена обмотка статора управляемой многополюсной асинхронной машины для стартер-генераторной системы гибридного автомобиля. Рассмотрим конструкцию энергоэффективной машины переменного тока с блоками управления и защиты [18], обмотка которой выполнена подобно обмотке, приведенной в [16] (изучить самостоятельно).

На рис.3.1 в качестве примера показана эскизная компоновка асинхронной машины с управлением и защитой, ротор которой имеет короткозамкнутую обмотку, а обмотка статора - коммутируется электронными блоками. Изображены: корпус асинхронной машины 1, статор машины 2, сердечник статора 3, в пазы 4 которого уложена обмотка 5, ротор 6 с короткозамкнутой обмоткой, который закреплен на валу 7, вращающегося в подшипниках 8. Показаны также проводники выводов фаз обмотки статора 9, с которыми соединены выводы блоков 10 управления и защиты

Рис. 3.1. Эскизная компоновка управляемой асинхронной машины

На рис. 3.2 показана схема трехфазной обмотки 9, с электронными блоками управления и защиты, соответствующая эскизной компоновке, представленной на рис.3.1. Обозначения на схеме соответствуют [17] (Обозначения в схемах электрических машин изучить самостоятельно).

Как видно, сердечник статора имеет двенадцать пазов, которые пронумерованы в центре рисунка в направлении чередования фаз. Сплошными линиями в пазах обозначены активные проводники 12 верхнего слоя обмотки, а пунктиром – активные проводники 11 нижнего слоя.

На рис. 3.2 показаны также витковые лобовые перемычки 13, соединяющие активные проводники витков, лобовые перемычки 14, соединяющие витковые группы, а также показаны лобовые перемычки 15, соединяющие ветви фаз.

Выводы фаз обмотки статора имеют следующее обозначения: начало и конец первой фазы обозначены U₁ ,U₂, начало и конец второй – V₁, V₂, третьей – W₁, W₂. Эта схема соответствует четырехполюсной трехфазной волновой обмотке с диаметральным шагом.

Блоки 10 управления и защиты соединяют концы и начала фаз, образуя схему соединения «треугольник». Они включают симметричные тиристоры 17 с управляющими электродами 18 и имеют силовые выводы 19,20, с которыми соединены катоды тиристоров 17. Силовые выводы 19,20 соединены с выводами 16 фаз обмотки 5. Управляющие электроды 18 связаны с синхронизирующими входами 21, а также с входами защиты 22 блоков 10.

К входам защиты 22 присоединены выходы датчиков токов 23, расположенных между силовыми выводами 20 электронных блоков и выводами концов фаз (например, U₂).

Синхронизирующие входы 21 блоков 10 соединены с выходами датчиков напряжения 24, которые представляют собой последние ветви фаз обмотки 5.

Рис. 3.2. Схема обмотки статора с одним из электронных блоков

Таким образом, длина шин, соединяющих вентили 17 с выводами фаз обмотки, а также датчики 23, 24 с входами 21, 22 блоков управления и защиты, минимальна. Это уменьшает массу медных проводников и снижает электрические потери в асинхронной машине, позволяет увеличить помехозащищенность системы управления. Для нормальной работы системы управления и защиты необходимо включить между выводами обмотки статора, по крайней мере, еще один электронный блок, аналогичный блоку, представленному на рис.3.2 [19] (работ электронных устройств изучить самостоятельно).

На рис.3.3. показан вид сверху активной части статора энергоэффективной электрической машины переменного тока, схема обмотки которой приведена на рис. 3.2. Пазы сердечника пронумерованы соответственно схеме обмотки. Лобовые части отдельных фаз выделены оттенками серого цвета.

Показаны активные проводники 11, 12 обмотки, лобовые перемычки 13, соединяющие активные проводники витков, лобовые перемычки 14, соединяющие витковые группы, а также перемычки 15, соединяющие ветви фаз.

Рис. 3.3. Вид со стороны выводов обмотки статора

Площади сечения лобовых перемычек в местах их соединения с активными проводниками 11, 12 обмотки в два раза меньше площадей поперечных сечений соединяемых проводников. Такое выполнение обмотки позволяет разместить электронные блоки управления и защиты 10 между выводами обмотки статора, над торцевой поверхностью сердечника. На рис. 3.3 показано расположение трех блоков управления и защиты. Третий электронный блок позволяет обеспечить резервирование и повысить надежность работы системы управления и защиты энергоэффективной электрической машины переменного тока.

Рис. 3.4. Вид активной части статора снизу

На рис.3.4. показан вид активной части статора этой электрической машины с со стороны торца, где нет выводов фаз (снизу). Нумерация пазов по внутренней окружности чертежа, соответствующей зубцовой поверхности сердечника, соответствует рис. 2, 3. Показаны витковые лобовые перемычки 13. Перемычки разных фаз выделены оттенками серого цвета. Лобовые перемычки фазы U – самый светлый оттенок, лобовые перемычки фазы W – более темный оттенок и лобовые перемычки фазы V – самый темный оттенок. Они расположены над торцевой поверхностью зубцовой зоны сердечника. Места соединений этих витковых лобовых перемычек с проводниками верхнего слоя обмотки расположены со стороны зубцовой поверхности сердечника, а места соединений этих лобовых перемычек с проводниками нижнего слоя обмотки расположены со стороны спинки сердечника. Площади сечения лобовых перемычек в местах их соединения с активными проводниками, также как на рис.3.3, в два раза меньше площадей поперечных сечений соединяемых проводников.