Двухскоростные электромеханические системы. Учебное пособие. Литвиненко А.М

А. М. Литвиненко

ДВУХСКОРОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Воронеж 2001

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

А.М. Литвиненко

ДВУХСКОРОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Воронеж 2001

УДК 658.52.011.56.012.3.05

Литвиненко А. М. Двухскоростные электромеханические системы: Учеб.

пособие / А. М. Литвиненко: Изд-во ВГТУ, 2001, 93 с.

Учебное пособие посвящено изучению критериев оценки полюсоперек-

лючаемых статорных обмоток трехфазных многоскоростных асинхронных дви-

гателей, оценки качества многоскоростных обмоток электродвигателей, орби-

тально-планетарного электропривода с внешними магнитными системами а также двухскоростного орбитального электропривода.

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 210100 «Управление и информатика в ТС» и 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в текстовом ре-

дакторе MS WORD 97 и содержится в файле ―2x-speed.rar‖

Табл. 1. Илл. 50. Библиография: 23 назв.

Научный редактор: д-р техн. наук В.Л.Бурковский Рецензенты:

НИИ Механотроника-Альфа (ген. Директор к.т.н. Э.Г.Кузнецов)

д-р техн. наук Ю. С. Сербулов

Издается по разрешению редакционно-издательского совета Воронежско-

го государственного технического университета Литвиненко А. М., 2001

Оформление. Издательство Воронежского государственного технического университета, 2001

ВВЕДЕНИЕ Универсальные орбитальные многоскоростные электромеханические

системы находят применение в электромеханических комплексах с трехфаз-

ными (одно- и двухфазными) асинхронными двигателями с короткозамкну-

тым и фазным ротором при использовании в качестве привода общепромыш-

ленных механизмов, а также в сельском хозяйстве, строительстве и бытовой технике.

Технико-экономические показатели существующих планетарных и волновых мотор-редукторов существенно улучшаются за счет использования орбитальных электроприводов, являющихся частным случаем более широко-

го класса электроприводов с внешними магнитными системами (ВМС). При-

воды с ВМС относятся к таким устройствам, оси якорей (роторов) которых перемещаются в пространстве. Траектория перемещения может быть линей-

ной, дуговой или замкнутой круговой (орбитальные электроприводы). Как планетарные, так и волновые редукторы имеют подвижные элементы, оси которых перемещаются по замкнутой круговой траектории (орбите). В пер-

вом случае это сателлиты, во втором - роликовые генераторы волн. Отличи-

тельной особенностью универсального орбитального электропривода являет-

ся то, что сателлиты или ролики-генераторы волн выполнены конструктивно как одно целое с ротором асинхронного короткозамкнутого двигателя, при-

чем роторы помещены в кольцевой зазор, образованный обычным статором асинхронного двигателя.

При этом в состав системы входят тормозные устройства, фиксирую-

щие роторы и растормаживающие центральное колесо. В результате затор-

моженная совокупность роторов-сателлитов выступает в качестве интеграль-

ного ротора, обеспечивающего повышенную (подсинхронную) скорость вращения. Пониженная скорость определяется передаточным числом редук-

тора, которая может быть не кратна подсинхронной.

На рисунке показан продольный и поперечный разрезы привода для

центральной шестерни с внешним зацеплением. При подаче напряжения на выводы 3 обмотки 6 в статоре 7 находится вращающееся магнитное поле. В

кольцевом канале 14 магнитной системы в роторах 5 наводится эдс, в резуль-

тате чего токи в короткозамкнутых обмотках роторов, взаимодействуя с вращающимся полем обмотки, инициируют вращающий момент.

Таким образом, роторы приходят во вращение и передают его сателли-

там 9 в подшипниках 10. Поскольку сателлиты обкатывают колесо 13, а

подшипники закреплены во вращающемся водиле 11, каждый из роторов участвует в двух движениях: вращательном вокруг оси вала 8 – по стрелке 15

и планетарном (тоже вращательном) вокруг центра оси вала 12 по стрелке 16.

Сателлиты, обкатывая колесо, приводят в движение водило и вал, соединен-

ный с механизмом. Такое исполнение может иметь передаточное отношение до 10.

При питании от статических преобразователей частоты возможна реа-

лизация регулируемого электропривода.

Универсальный орбитальный электропривод

1. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ПОЛЮСОПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ СТАТОРНЫХ ОБМОТОК ТРЕХФАЗНЫХ МНОГОСКОРОСТНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Одним из важных направлений повышения надежности электропривода станков, подъемных устройств и тягового электропривода является замена коллекторных двигателей постоянного тока бесколлекторными двигателями переменного тока с регулированием угловой скорости. Наряду с асинхрон-

ным электроприводом с частотным управлением все более широкое при-

менение находит электропривод со ступенчатым регулированием угловой скорости путем изменения числа пар полюсов статорной обмотки коротко-

замкнутых асинхронных двигателей (АД). Для этой цели на статоре много-

скоростного АД укладывают одну или две обмотки, которые создают в воз-

душном зазоре двигателя вращающееся магнитное поле с различным числом пар полюсов (рi) с помощью одних и тех же катушек в зависимости от схемы их включения в сеть.

Для улучшения использования магнитной системы АД одновременно с изменением (переключением) чисел пар полюсов необходимо изменять на-

пряжение сети или, при неизменном напряжении сети, изменять схему вклю-

чения фаз полюсопереключаемой обмотки и число параллельных ветвей

(ПВ) в фазах. Отечественные АД, как известно, выпускаются без регу-

лирования напряжения, что усложняет задачу разработки полюсопереклю-

чаемых обмоток и делает ее неоднозначной.

В связи со спецификой требований к многоскоростным АД и полюсо-

переключаемым обмоткам, а также отсутствием методики расчета их харак-

теристик возникает задача выбора критериев оценки ППО и разработки ме-

тодики их оценки. Этой задаче и посвящена настоящая статья.

Требования к ППО многоскоростных трехфазных асинхронных

двигателей и выбор критериев их оценки. К полюсопереключаемым ста-

торным обмоткам наряду с общими требованиями, такими как высокая ме-

ханическая и электрическая прочность, нагревостойкость, технологичность и

т.д., предъявляется целый ряд специфических требований:

1)высокое использование многоскоростного АД в соответствии с его назначением, т. е. характером нагрузки;

2)высокие фильтрующие свойства, т.е. малое содержание так называе-

мых «паразитных» пространственных гармоник в кривых распределения МДС F(x) при всех значениях числа пар полюсов или кратко — при всех включениях;

3)симметрия обмотки по фазам и идентичность параллельных ветвей;

4)простота схемы управления числом пар полюсов (рi).

Следует отметить, что требования обеспечения высоких энергетиче-

ских характеристик многоскоростных АД и простоты управления числом пар полюсов взаимно противоречивы, так как улучшение энергетических харак-

теристик АД, как показывает опыт, неизбежно влечет за собой усложнение схемы управления. Между тем, до последнего времени основное внимание в литературе уделялось простоте схем управления в ущерб энергетическим ха-

рактеристикам многоскоростных АД, что не всегда является оправданным. В

ряде случаев возникает задача обеспечения высоких энергетических характе-

ристик многоскоростных АД при некотором усложнении схемы управления,

т.е. задача многокритериальной оценки ППО, которая и рассматривается в данной работе.

Эффективность использования многоскоростных АД зависит от харак-

тера нагрузки, т.е. от механической характеристики приводимого устройства.

Сэтой точки зрения обычно различают три основных типа приводов:

1.Приводы с постоянным моментом нагрузки (Mн=const). Мерой ис-

пользования многоскоростного АД с заданными ступенями скорости в при-

водах такого типа является минимальное относительное значение электро-

магнитного момента, реализуемого этим АД при всех заданных ступенях уг-

ловой скорости (т.е. при р=р1, p2, … , pn):

где

Мmin - минимальное допустимое значение момента многоскоростного

АД;

Мб - базисное значение момента односкоростного двигателя с той же магнитной системой и при тех же значениях допустимых электромагнитных

нагрузок ( В m B доп , J J доп ), что и у многоскоростного АД, и при Kоб1=1

(значение Mб определяется ниже).

2. Приводы постоянной мощности нагрузки (Pн=const). Эффективность использования многоскоростного двигателя в приводах такого типа можно оценить минимальным относительным значением электромагнитной мощно-

сти при заданных n ступенях угловой скорости, т.е.

3. Привод с нагрузкой вентиляторного типа, момент на валу которой

Мерой эффективности использования многоскоростных АД в приводах такого типа может служить относительное значение электромагнитного мо-

мента М1* , развиваемого двигателем при наибольшей угловой скорости.

Из изложенного видно, что для оценки степени использования много-

скоростных АД с полюсопереключаемыми обмотками необходимо разрабо-

тать прежде всего методику расчета относительных значений электромаг-

нитного момента при всех заданных значениях числа пар полюсов (рi=р1, p2

… pn, причем pi<p1<p2 ... рn).

Расчет электромагнитного момента многоскоростных коротко-

замкнутых АД. Электромагнитный момент АД выражается известной фор-

мулой:

где

F1 - амплитуда первой пространственной гармоники МДС обмотки ста-

тора;

- поток на полюсное деление в воздушном зазоре от основной гар-

моники поля;

(F1 B) - угол сдвига между пространственными изображающими век-

торами МДС статора F1 и индукции в зазоре B .

Для сравнительной оценки статорных обмоток в формуле (1.4) целесо-

образно использовать амплитуду МДС статора F1, что дает возможность оце-

нить влияние параметров ППО на энергетические характеристики АД. В из-

вестных работах по многоскоростным АД электромагнитный момент АД вы-

ражается через МДС ротора F2, что исключает возможность оценки парамет-

ров ППО, так как обмотка ротора короткозамкнутого АД при переключении числа пар полюсов остается неизменной.

Выразим значение МДС F1 через ток I1 а также поток Фчерез ампли-

туду магнитной индукции в зазоре с помощью известных соотношений: