Учебное пособие 800516

УДК 621.313

Д. Р. Черкасов, А. Н. Шкурин, А. Ю. Писаревский

ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫЕ НАСОСНЫЕ СИСТЕМЫ

В статье рассматриваются перспективные конструкции высокотехнологичных насосных систем для перекачивания. Одним из путей дальнейшего совершенствования насосных систем является применение бесщёточных электродвигателей постоянного тока (БДПТ). В настоящее время такие системы можно отнести к инверторным электроприводам. Возможность создания интегрированного электромеханического преобразователя модульной конструкции. Применение БДПТ обеспечивает широкий диапазон регулирования частоты вращения. Насос получает следующие важные качества: плавная подача жидкости с образованием минимального количества турбулентных потоков; лёгкость очистки; отсутствие недоступных и скрытых полостей; устойчивость к износу за счёт отсутствия клапанов и сальниковых уплотнений обеспечивает высокую степень герметичности.

Ключевые слова: модульная конструкция насоса, бесщёточный электродвигатель постоянного тока, герметичные насосы и компрессоры.

Проблема транспортировки жидкостей c различными физическими свойствами возникает практически во всех отраслях промышленности. Конструкции насосов зависят от того, какова вязкость транспортируемой среды. Большинство предприятий, выпускающих насосы, стремятся применять стандартные асинхронные электродвигатели, которые рассчитаны на питание от стандартного напряжения частотой 50 Гц. В результате мы автоматически получаем привязку к стандартному ряду частот вращения по синхронной скорости 3000, 1500, 750 об/мин и т.д. Необходимость перекачивания высоковязких сред, при наличии прямого привода, требует пониженных оборотов и повышенных моментов, а для перекачивания сжиженного газа целесообразно применение частот вращения более 3000 об/мин. Как первое, так и второе невозможно при использовании стандартных машин даже при условии применения векторного управления.

Особый интерес представляют герметичные насосы с приводом от бесщёточного электродвигателя постоянного тока. Бесщёточный электродвигатель постоянного тока (БДПТ) позволяет получить высокие энергетические показатели машины при относительно большом немагнитном зазоре, который, в свою

31

очередь, позволяет реализовать герметичную конструкцию насоса за счёт немагнитной перегородки между статором и ротором двигателя. Появляется возможность создания интегрированного электромеханического преобразователя модульной конструкции. Модульная конструкция даёт возможность увеличивать мощность насоса за счёт последовательного включения электромеханических преобразователей. Кроме этого, БДПТ обладает широким диапазоном регулирования частоты вращения, поэтому конструкция насоса получает следующие важные качества: плавная подача жидкости с образованием минимального количества турбулентных потоков; лёгкость очистки; отсутствие недоступных и скрытых полостей; устойчивость к износу за счёт отсутствия лопастей и клапанов; отсутствие сальниковых уплотнений обеспечивает высокую степень герметичности. Очевидно, что перечисленные качества существенно расширяют область применения данных машин при высокой технологичности устройства за счёт унификации основных деталей и узлов изделия.

Высокотехнологичные насосные системы производят многие российские предприятия. В качестве примера можно отметить предприятие «Гидрогаз НG» (г. Воронеж), которое производит герметичные насосы, не уступающие зарубежным аналогам ни по энергопотреблению, ни по надёжности и безопасности (по данным НG). Практически все эти установки имеют магнитную муфту и приводятся в движение асинхронными электродвигателями [1]. Магнитная муфта позволяет применять для насосов любой тип двигателя, что является её неоспоримым преимуществом, а применение асинхронного электродвигателя оправдано низкой стоимостью машины и её высокой надёжностью. Однако при этом имеем недостатки, рассмотренные выше и связанные с использованием стандартных асинхронных машин. Применение бесщёточных электродвигателей постоянного тока (БДПТ) можно отнести к инверторным электроприводам. Суть этих устройств состоит в том, что большое количество различных насосных систем создаётся из минимального количества унифицированных узлов и деталей. Причём могут быть реализованы как осевые, так и центробежные типы насосов для транспортировки практически любых жидкостей. Ограничением является температура перекачиваемой жидкости, при которой магниты размагничиваются (150-200 С), если не применять систему

32

охлаждения). Количество деталей и узлов определяется необходимым диапазоном мощностей и частот вращения насосов. Применение БДПТ позволяет обеспечить транспортировку широкого диапазона жидкостей с различными физическими свойствами. Бесщёточный электродвигатель постоянного тока обеспечивает широкий диапазон регулирования частоты вращения, плавную подачу жидкости с образованием минимального количества турбулентных потоков и высокий пусковой момент.

Кроме этого, появляется возможность создания интегрированного электромеханического преобразователя модульной конструкции. В отличие от магнитных муфт герметичная перегородка БДПТ опирается на сталь статора и не предназначена для удерживания давления среды внутри насоса. Поэтому перегородка или экран допускает применение большего разнообразия материалов, чем магнитная муфта (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Магнитная муфта

Рис. 2. Герметичный двигатель

33

Применение ММ в комплекте с асинхронным двигателем упрощает создание герметичных насосов [2]. Однако в этом случае герметизирующий экран должен выдерживать полное давление насоса. При этом экран должен быть немагнитным и не электропроводным. В настоящее время это циркониевая керамика. Стоимость экрана примерно равна стоимости электродвигателя. Герметичный электродвигатель позволяет отказаться от этого изделия.

Литература

1.Писаревский А. Ю. Исследование и разработка магнитных муфт для герметичных машин: монография / А. Ю. Писаревский. – Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009. – 174 с.

2.Писаревский А. Ю. Анализ и расчет перспективных конструкций магнитных муфт для передачи вращения через герметичную перегородку / А. Ю. Писаревский // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: труды Всерос. конф. – Воронеж: ВГТУ,

2005. – С. 108-109.

Воронежский государственный технический университет

34

УДК 621.313

Д. Р. Черкасов, Т. Е. Черных, С. А. Белозоров

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ПУСКОВОГО МОМЕНТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Рассматривается вопрос повышения пускового момента асинхронного двигателя при его проектировании.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, пусковой момент.

Нередко при проектировании новых асинхронных электродвигателей требуется обеспечить достаточно большое значение пускового момента.

Классическими приёмами увеличения пускового момента являются:

-использование длинных и узких пазов на роторе (глубокопазная конфигурация);

-использование двойной «беличьей» клетки;

-увеличение активного сопротивления стержней КЗ обмотки. Следует отметить, что все перечисленные методы

направлены на изменение конфигурации ротора и КЗ обмотки. Использование такого подхода не всегда позволяет выполнить требования технического задания. В этом случае приходится использовать другие методы.

Кроме вышеперечисленных, для повышения пускового момента можно воспользоваться следующими методами:

-увеличение основного магнитного потока;

-изменение соотношения чисел пазов статора/ротора;

-изменение раскрытия паза ротора.

Так, одним из способов повышения пускового момента является увеличение магнитного потока. Это достигается за счёт уменьшения числа витков обмотки. Данные изменения приводят к пересмотру размеров всех участков магнитопровода, в том числе и к увеличению ширины зубцов статора/ротора. Такой подход позволяет повысить, в том числе, и максимальный момент.

При этом следует отметить, что для машин большой мощности, когда число проводников в пазу менее 10, уменьшение даже на 1 проводник может привести к резкому перенасыщению магнитной системы, что неблагоприятно скажется на её

35

характеристиках. В этом случае рекомендуется увеличить число пазов на статоре, с соответствующим пересчётом обмотки. Это позволит уменьшить шаг изменения магнитного потока.

Повышение пускового момента с помощью изменения чисел пазов статора/ротора рассматривалось в [1]. Этот метод заключается в подборе чисел паза ротора таким образом, чтобы при пуске момент был максимален. Так на рис. 1. представлена зависимость пускового момента от числа пазов на роторе четырёхполюсного асинхронного двигателя с КЗ ротором мощностью 15 кВт. При 48 пазах статора пусковой момент можно увеличить в 2 раза путём уменьшения числа пазов ротора с 38 до 12 (следует отметить снижение номинального момента при этом на 10 %). При 18 пазах на роторе номинальный момент будет соответствовать варианту с 38 пазами (рис. 2.).

Рис. 1. Зависимость пускового момента от числа пазов ротора

Рис. 2. Зависимость изменения момента от числа пазов на роторе

36

Ещё один интересный результат даёт изменение ширины шлица паза ротора. На рис. 3. представлена кривая зависимости пускового момента от раскрытия шлица для асинхронной машины мощностью 7,5 кВт.

Рис. 3. Зависимость пускового момента от ширины шлица паза ротора

Использование комбинированных подходов по повышению пускового момента позволяет выполнить требования технического задания на проектирование новых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

Литература

1. Белозоров С. А. Оценка эффективности обмоток трехфазных асинхронных двигателей с учетом зубчатого строения воздушного зазора [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук :

05.09.03 / С. А. Белозоров. – Воронеж, 2012. – 17 с.

Международный институт компьютерных технологий Воронежский государственный технический университет

37

УДК 621.314

А. В. Слепых, В. А. Сергеев, В. Н. Крысанов

ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ МНОГОФАЗНЫХ ОСЕВЫХ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА РОССИЙСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Описываются перспективы создания систем электроснабжения подвижного состава российских железных дорог на основе специальных безредукторных электрических машин малой мощности.

Ключевые слова: осевой синхронный генератор, безредукторный электропривод.

В соответствии со «Стратегией развития железнодорожного транспорта России до 2030 года» ставится задача интеллектуализации систем управления существующим подвижным составом на базе локальных систем электроснабжения [1]. Источником питания таких систем являются трехфазные синхронные генераторы с выпрямительными устройствами. Привод генераторов производится непосредственно от буксового узла (оси колесной пары) без использования повышающих редукторов (мультипликаторов), поэтому такие генераторы получили в специальной литературе название «осевых генераторов» (ОГ) [2]. Создание локальной системы электроснабжения (в пределах одного вагона грузового поезда) позволяет создать информационную подсистему для точного определения положения транспортного средства (ТС) на достаточном удалении от центра управления, системы передачи координат и скорости движения ТС, систему управления разгоном и торможением поезда, предотвращения проскальзывания (боксования) осей рельсового подвижного состава, а также обеспечить измерение температуры подшипников буксового узла. Система электроснабжения ТС при использовании ОГ может не иметь второго независимого источника питания -аккумуляторной батареи (АКБ). В этом случае ОГ играет роль «спящего» источника питания, потребность в котором возникает только при движении ТС. В состоянии покоя ОГ отключен, и ТС «невидимо» в системе передачи координат и скорости движения.

38

Режимы и условия работы ОГ характеризуются следующими особенностями:

• частота вращения первичного двигателя варьируется

вшироких пределах (от десятков до тысяч оборотов в минуту);

•разгон и торможение ТС производится плавно, что не предъявляет дополнительных требований к быстродействию системы управления движением. Задержка в канале передачи информации об изменении скорости движения может составлять от нескольких миллисекунд до 1-2 секунд;

•конструктивная несоосность вала транспортного средства (ТС) с валом генератора во всех условиях эксплуатации обеспечивается за счет использования муфты с упругими (компенсирующими) элементами;

•генераторы в условиях эксплуатации подвергаются жестким

механическим (вибрации, многократные и одиночные удары) и климатическим воздействиям (широкий температурный диапазон при эксплуатации, воздействие влаги, агрессивных сред и пыли);

• ресурс генераторов должен составлять не менее 20 000 часов без проведения регламентных работ в течение срока эксплуатации.

Анализ указанных выше технических требований позволил сформулировать ряд принципиальных решений по конструкции силовой части ОГ:

•ОГ конструктивно выполняется в цилиндрическом корпусе

смалой осевой длиной не выходящей за пределы габарита ТС или

и минимально необходимой частоте вращения (от 10 до 50 об/мин). Такое техническое решение позволяет увеличить КПД ОГ до величин 0,85-0,90 при использовании маловитковых катушек обмотки статора с увеличенным сечением обмоточного провода;

• минимальная мощность генератора (при минимальной частоте вращения) должна составлять от 0,5 Вт до 30 Вт, а максимальная мощность зависит от наклона токо-скоростной характеристики и определяется необходимой для заряда аккумуляторной батареи избыточной мощностью ОГ;

39

• стабилизация напряжения ОГ производится после его выпрямления, сеть постоянного напряжения на ТС является ультракороткой, а в ряде случаев – беспроводной.

Нами проанализированы две хорошо известные схемы регулирования напряжения: трехфазная с соединением обмоток генератора в «звезду» и схема пофазного выпрямления напряжения, одна фаза которой представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема соединения вентилей одной фазы при пофазном выпрямлении

ОГ при использовании схемы пофазного выпрямления напряжения может быть выполнен с числом фаз от 3 до 6 и с числом вентилей в системе выпрямления – от 12 до 24. При возрастании частоты вращения ротора используется схема коммутации обмоток с последовательного соединения фаз на попарно параллельное, а затем и параллельное соединение всех фаз. При этом, очевидно, для обеспечения оптимальности выполнения обмоток по числу витков и их сечению необходимо, чтобы число пазов ОГ имело как можно большее число делителей. Число пазов статора генератора в рассматриваемом диапазоне наружных диаметров корпусов ОГ не превышает 36, поэтому имеется только пять вариантов чисел пазов статора (12, 18, 24, 30, 36) имеющих не менее трех вариантов соединения фазных групп. Варианты отключения одной или нескольких фаз при максимальной частоте вращения ротора не рассматривались ввиду их очевидной неэкономичности.

На рис. 2, 3 представлены результаты моделирования рабочего процесса во многофазном синхронном генераторе, полученные для

40