Silniki elektryczne wielobiegowe i ich zastosowanie — przeznaczenie i charakterystyka, wyznaczanie mocy przy różnych prędkościach obrotowych

Silniki elektryczne wielobiegowe — silniki asynchroniczne o kilku stopniach prędkości przeznaczone są do napędzania mechanizmów wymagających bezstopniowej regulacji prędkości.

Silniki wielobiegowe to specjalnie zaprojektowane silniki. Mają specjalne uzwojenie stojana i normalny wirnik w klatce.

W zależności od stosunku biegunów, złożoności obwodów i roku produkcji wielobiegowych silników elektrycznych, ich stojany produkowane są w czterech wersjach:

• niezależne cewki jednobiegowe dla dwóch, trzech, a nawet czterech prędkości;

• z jedną lub dwiema cewkami z przełączaniem biegunów, w pierwszym przypadku dwustopniowym, w drugim czterostopniowym;

• przy obecności trzech prędkości obrotowych silnika elektrycznego jedna cewka jest przełączana biegunem - dwubiegowa, a druga - jednobiegowa, niezależna - dla dowolnej liczby biegunów;

• z jedną cewką z przełączaniem biegunów dla trzech lub czterech prędkości.

Silniki samozwijające mają słabe wykorzystanie i wypełnienie szczelin ze względu na obecność dużej liczby drutów i uszczelnień, co znacznie zmniejsza moc w krokach prędkości.
Obecność w stojanie dwóch przełączanych biegunowo uzwojeń, a zwłaszcza jednego dla trzech lub czterech prędkości obrotowych, poprawia wypełnienie żłobków i pozwala na bardziej racjonalne wykorzystanie rdzenia stojana, w wyniku czego moc silnika elektrycznego wzrasta.

W zależności od złożoności obwodów wielobiegowe silniki elektryczne są podzielone na dwie części: o stosunku biegunów równym 2/1 i - nie równym 2/1. Pierwsza obejmuje silniki elektryczne o prędkości obrotowej 1500/3000 obr/min lub 2p = 4/2, 750/1500 obr/min lub 2p = 8/4, 500/1000 obr/min lub 2p = 12/6 itd., a do drugiej — 1000/1500 obr/min lub 2p = 6/4, 750/1000 obr/min lub 2p = 8/6, 1000/3000 obr/min lub 2p = 6/2, 750/3000 obr/min lub 2p = 8/2, 600/3000 obr/min lub 2p = 10/2, 375/1500 obr./min lub 2p = 16/4 itd.

W zależności od wyboru obwodu uzwojeń przełączanych biegunowo, o różnej liczbie biegunów, silnik elektryczny może być albo o stałej mocy, albo o stałym momencie obrotowym.

W przypadku silników z przełączanym biegunowo uzwojeniem i stałą mocą liczba zwojów w fazach przy obu liczbach biegunów będzie taka sama lub zbliżona, co oznacza, że ​​ich prądy i moce będą takie same lub zbliżone. Ich momenty obrotowe będą różne w zależności od liczby obrotów.

W silnikach elektrycznych stałomomentowych o mniejszej liczbie biegunów grupy uzwojeń podzielone na dwie części w każdej fazie są połączone równolegle w podwójny trójkąt lub podwójną gwiazdę, w wyniku czego zmniejsza się liczba zwojów w fazie, a przekrój poprzeczny drutu, prąd i moc są podwojone.Podczas przełączania z dużych na mniej biegunów w układzie gwiazda / trójkąt liczba zwojów maleje, a prąd i moc wzrosną 1,73 razy. Oznacza to, że zarówno przy większej mocy i wyższych obrotach, jak i przy mniejszej mocy i niższych obrotach momenty będą takie same.

Najprostszym sposobem uzyskania dwóch różnych liczb par biegunów jest układ stojana silnika indukcyjnego z dwoma niezależnymi uzwojeniami… Przemysł elektryczny produkuje takie silniki o synchronicznych prędkościach obrotowych 1000/1500 obr./min.

Istnieje jednak wiele schematów przełączania drutu uzwojenia stojana, w których to samo uzwojenie może wytwarzać różną liczbę biegunów. Prosty i rozpowszechniony przełącznik tego typu pokazano na ryc. 1, aib. Cewki stojana połączone szeregowo tworzą dwie pary biegunów (ryc. 1, a). Te same cewki połączone w dwa równoległe obwody, jak pokazano na ryc. 1b, tworzą jedną parę biegunów.

Przemysł produkuje wielobiegowe silniki jednouzwojeniowe z przełączaniem szeregowo-równoległym i przełożeniem 1: 2 z synchronicznymi prędkościami obrotowymi 500/1000, 750/1500, 1500/3000 obr./min.

Opisana powyżej metoda przełączania nie jest jedyną. na ryc. 1, c pokazuje obwód, który tworzy taką samą liczbę biegunów jak obwód pokazany na ryc. 1, b.

Jednak najbardziej rozpowszechnioną w branży była pierwsza metoda łączenia szeregowo-równoległego, ponieważ przy takim przełączniku można usunąć mniej przewodów z uzwojenia stojana, a zatem przełącznik może być prostszy.

Ryż. 1. Zasada przełączania biegunów silnika indukcyjnego.

Uzwojenia trójfazowe można podłączyć do sieci trójfazowej w gwiazdę lub trójkąt. na ryc. 2, aib przedstawiają powszechne przełączanie, w którym silnik elektryczny w celu uzyskania mniejszej prędkości łączy się w trójkąt z szeregowym połączeniem cewek, a dla uzyskania większej prędkości w gwiazdę z równoległym połączeniem cewki (t.aka podwójna gwiazda).

Wraz z dwubiegową branża elektryczna produkuje również trzybiegowe silniki asynchroniczne... W tym przypadku stojan silnika elektrycznego ma dwa oddzielne uzwojenia, z których jedno zapewnia dwie prędkości poprzez opisane powyżej przełączanie. Drugie uzwojenie, zwykle zawarte w gwieździe, zapewnia trzecią prędkość.

Jeżeli stojan silnika elektrycznego posiada dwa niezależne uzwojenia, z których każde umożliwia przełączanie biegunów, możliwe jest uzyskanie czterostopniowego silnika elektrycznego. W takim przypadku liczbę biegunów dobiera się tak, aby prędkości obrotowe tworzyły wymagany szereg. Schemat takiego silnika elektrycznego pokazano na ryc. 2, ok.

Należy zauważyć, że wirujące pole magnetyczne indukuje trzy E w trzech fazach uzwojenia biegu jałowego. D. s, tego samego rozmiaru i przesunięte w fazie o 120 °. Suma geometryczna tych sił elektromotorycznych, znana z elektrotechniki, wynosi zero. Jednak ze względu na nieprecyzyjną fazę sinusoidalną (np. itp. c. prąd sieciowy, suma tych d., itp. v. może wynosić zero. W tym przypadku w zamkniętej niedziałającej cewce powstaje prąd, który ogrzewa tę cewkę.

Aby temu zapobiec, obwód przełączania biegunów jest wykonany w taki sposób, że cewka jałowa jest otwarta (ryc. 12, c).Ze względu na małą wartość prądu górnego w niektórych silnikach elektrycznych czasami nie następuje przerwa w zamkniętej pętli uzwojenia biegu jałowego.

Produkowano silniki dwuzwojowe trzybiegowe o synchronicznych prędkościach obrotowych 1000/1500/3000 i 750/1500/3000 obr/min oraz silniki czterobiegowe o 500/750/1000/1500 obr/min. Silniki dwubiegowe mają sześć, trzybiegową dziewięciobiegową i czterobiegową 12 końcówek do przełącznika biegunowego.

Należy zauważyć, że istnieją obwody dla silników dwubiegowych, które przy jednym uzwojeniu umożliwiają uzyskanie prędkości obrotowych, których stosunek nie jest równy 1:2. Takie silniki elektryczne zapewniają synchroniczne prędkości obrotowe 750/3000, 1000/1500 , 1000/3000 obr./min

Stosując specjalne schematy dla jednego uzwojenia można uzyskać trzy i cztery różne liczby par biegunów.Takie wielobiegowe silniki elektryczne z jednym uzwojeniem są znacznie mniejsze niż silniki dwuuzwojeniowe o tych samych parametrach, co jest bardzo ważne w budowie maszyn .

Ponadto silniki elektryczne z pojedynczym uzwojeniem mają nieco wyższe wskaźniki energii i mniej pracochłonnej produkcji. Wadą silników wielobiegowych z jednym uzwojeniem jest obecność większej liczby przewodów wprowadzanych do wyłącznika.

Jednak złożoność przełącznika zależy nie tyle od liczby wyprowadzonych przewodów, ile od liczby jednoczesnych przełączników. W związku z tym opracowano schematy, które pozwalają, w obecności jednej cewki, uzyskać trzy i cztery prędkości za pomocą stosunkowo prostych przełączników.

Ryż. 2. Schematy przełączania biegunów silnika indukcyjnego.

Takie silniki elektryczne są produkowane przez inżynierię mechaniczną przy prędkościach synchronicznych 1000/1500/3000, 750/1500/3000, 150/1000/1500, 750/1000/1500/3000, 500/750/1000/1500 obr./min.

Moment obrotowy silnika indukcyjnego można wyrazić znanym wzorem

gdzie Ig jest prądem w obwodzie wirnika; F to strumień magnetyczny silnika; ? 2 to kąt fazowy między wektorami prądu a e. itp. v. wirnik.

Ryż. 3. Trójfazowy wielobiegowy silnik klatkowy.

Rozważ ten wzór w odniesieniu do sterowania prędkością silnika indukcyjnego.

Najwyższy dopuszczalny ciągły prąd w wirniku jest określony przez dopuszczalne nagrzewanie i dlatego jest w przybliżeniu stały. Jeśli regulacja prędkości odbywa się przy stałym strumieniu magnetycznym, to przy wszystkich prędkościach silnika maksymalny długookresowy dopuszczalny moment obrotowy będzie również stały. Ta regulacja prędkości nazywana jest regulacją stałego momentu obrotowego.

Regulacja prędkości poprzez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika jest regulacją ze stałym maksymalnym dopuszczalnym momentem obrotowym, ponieważ strumień magnetyczny maszyny nie zmienia się podczas regulacji.

Maksymalna dopuszczalna moc użyteczna wału silnika przy mniejszej prędkości obrotowej (a zatem większej liczbie biegunów) jest określona przez wyrażenie

gdzie If1 — prąd fazowy, maksymalny dopuszczalny w zależności od warunków ogrzewania; Uph1 — napięcie fazowe stojana o większej liczbie biegunów.

Maksymalna dopuszczalna moc użyteczna wału silnika przy większej prędkości obrotowej (i mniejszej liczbie biegunów) Uph2 — w tym przypadku napięcie fazowe.

Podczas przełączania z połączenia w trójkąt na gwiazdę napięcie fazowe zmniejsza się o współczynnik 2.Tak więc, przechodząc z obwodu a do obwodu b (ryc. 2), otrzymujemy stosunek mocy

Biorąc ostro

Weź to

Innymi słowy, moc przy niższej prędkości wynosi 0,86 mocy przy wyższej prędkości wirnika. Biorąc pod uwagę stosunkowo niewielką zmianę maksymalnej ciągłej mocy przy dwóch prędkościach, taka regulacja jest umownie określana jako regulacja stałej mocy.

Jeśli podczas łączenia połówek każdej fazy sekwencyjnie użyjesz połączenia w gwiazdę, a następnie przełączysz się na równoległe połączenie w gwiazdę (ryc. 2, b), otrzymamy

Lub

Tak więc w tym przypadku istnieje stała kontrola obrotów momentu obrotowego. W obrabiarkach do obróbki metali główne napędy ruchu wymagają stałej regulacji prędkości obrotowej mocy, a napędy posuwu wymagają stałej regulacji prędkości obrotowej momentu obrotowego.

Powyższe obliczenia stosunku mocy przy najwyższej i najniższej prędkości są przybliżone. Na przykład nie uwzględniono możliwości zwiększenia obciążenia przy dużych prędkościach z powodu intensywniejszego chłodzenia uzwojeń; zakładana równość jest również bardzo przybliżona.Tak więc dla silnika 4A mamy

W rezultacie stosunek mocy tego silnika wynosi P1 / P2 = 0,71. Mniej więcej te same przełożenia dotyczą innych silników dwubiegowych.

Nowe wielobiegowe silniki elektryczne jednocewkowe, w zależności od schematu przełączania, umożliwiają sterowanie prędkością ze stałą mocą i stałym momentem obrotowym.

Niewielka liczba stopni sterowania, jaką można uzyskać za pomocą silników indukcyjnych zmiennobiegunowych, zwykle pozwala na stosowanie takich silników w obrabiarkach tylko ze specjalnie zaprojektowanymi przekładniami.

Zobacz też: Zalety stosowania silników wielobiegowych