Návrh jednofázového asynchronního elektromotoru se zvýšeným rozběhovým momentem – téma vědeckého článku o elektrotechnice, elektronickém inženýrství, informačních technologiích. Přečtěte si text výzkumné práce zdarma v elektronické knihovně CyberLeninka.

Abstrakt vědeckého článku o elektrotechnice, elektronickém inženýrství, informačních technologiích, autor vědecké práce – Kachin Oleg Sergejevič, Kachin Sergej Iljič, Kiselev Alexander Viktorovič, Serov Alexander Borisovič

Je popsána konstrukce jednofázového asynchronního elektromotoru se zvýšeným rozběhovým momentem a jsou zvažovány principy jeho činnosti. Jsou navrženy způsoby modernizace jednofázových asynchronních elektromotorů ve směru snižování spotřeby energie. Jsou prezentovány experimentální mechanické vlastnosti elektromotoru navrhovaného provedení ve srovnání s elektromotorem standardního provedení. Jsou uvedeny vypočítané hodnoty ukazatelů energetické účinnosti pro různé verze jednofázových asynchronních elektromotorů na základě navrhovaného provedení.

Podobná témata vědeckých prací z oblasti elektrotechniky, elektronického inženýrství, informačních technologií, autor vědecké práce – Kachin Oleg Sergejevič, Kachin Sergej Iljič, Kiselev Alexander Viktorovič, Serov Alexander Borisovič

Jednofázový asynchronní elektromotor se zvýšeným rozběhovým momentem
Výzkum návrhu jednofázového asynchronního motoru se zvýšeným rozběhovým momentem

Výzkum návrhu jednofázového asynchronního elektromotoru se zvýšeným rozběhovým momentem v softwarovém prostředí ANSYS Electromagnetic Suite 3D

Ventilový motor pro vysokorychlostní elektrický pohon radarových zařízení
Analýza možností snížení spotřeby energie malých ventilátorů
i Nemůžete najít, co potřebujete? Vyzkoušejte službu výběru literatury.

Jednofázový indukční motor

Je popsána konstrukce jednofázového asynchronního motoru se zvýšeným rozběhovým momentem. Jsou zvažovány principy fungování motoru. Jsou nabízeny způsoby modernizace jednofázových asynchronních motorů směrem k energetické účinnosti. Jsou uvedeny experimentální mechanické vlastnosti navrhovaného elektromotoru ve srovnání se standardním elektromotorem. Jsou uvedeny hodnoty energetické účinnosti pro různé navrhované konstrukční varianty jednofázových asynchronních motorů.

Text vědecké práce na téma “Návrh jednofázového asynchronního elektromotoru se zvýšeným rozběhovým momentem”

O.S. Kachin, S.I. Kachin, A.V. Kiselev, A.B. Serov

Návrh jednofázového asynchronního elektromotoru se zvýšeným rozběhovým momentem

Je popsána konstrukce jednofázového asynchronního elektromotoru se zvýšeným rozběhovým momentem a jsou zvažovány principy jeho činnosti. Jsou navrženy způsoby modernizace jednofázových asynchronních elektromotorů ve směru snižování spotřeby energie. Jsou prezentovány experimentální mechanické vlastnosti elektromotoru navrhovaného provedení ve srovnání s elektromotorem standardního provedení. Jsou uvedeny vypočítané hodnoty ukazatelů energetické účinnosti pro různé verze jednofázových asynchronních elektromotorů na základě navrhovaného provedení.

Klíčová slova: jednofázový asynchronní elektromotor, energetická účinnost, rozběhový moment, rozběhové vinutí.

Nízkoenergetické jednofázové asynchronní elektromotory (SAM) se široce používají v různých oblastech moderního života jako součást elektrických pohonů napájených jednofázovou střídavou sítí. Rozšíření získaly díky svému použití v domácích spotřebičích. Tato třída elektromotorů je klasifikována jako sériově vyráběné výrobky a vyrábí se v desítkách milionů kusů ročně, což určuje zvýšený zájem výrobců o zdokonalování svých konstrukcí a výrobních technologií. Zároveň v globálních trendech posledních desetiletí dochází k neustálému upřednostňování parametru energetické účinnosti elektrických pohonů.

V tomto ohledu je jedním z hlavních ukazatelů výkonu jednofázových elektromotorů pro domácí spotřebiče jejich úroveň spotřeby energie. Podle odhadů Ministerstva hospodářského rozvoje Ruské federace (zpráva prezidiu Státní rady Ruské federace „O zvýšení energetické účinnosti ruské ekonomiky“) mají chladicí kompresory hlavní potenciál pro snížení spotřeby elektřiny v „nejlepších“ domácnostech (až o 50 % celkového potenciálu). Donedávna byl úkol snižování spotřeby elektřiny v bytovém sektoru relativně úspěšně řešen „dovozem energetické účinnosti“ ze zahraničí, nákupem „velkých“ domácích spotřebičů (především ledniček) se zvýšenou energetickou účinností. Například nahrazení zastaralých konstrukcí ledniček moderními energeticky úspornými modely může v Ruské federaci ušetřit až 10 miliard kWh elektřiny ročně. Vzhledem ke strategickému významu tohoto ukazatele plánuje Ministerstvo hospodářského rozvoje Ruské federace snížit do roku 2020 spotřebu energie na jednu chladničku na 250–280 kWh/rok (podobný ukazatel v roce 2000 byl 387 kWh/rok a v roce 2007 – 325 kWh/rok). Státní program Ruské federace „Úspory energie a zvyšování energetické účinnosti na období do roku 2020“ (schválený nařízením vlády Ruské federace ze dne 27. prosince 2010 č. 2446-r) počítá s výměnou zastaralých chladniček a mrazniček v letech 2013–2020 za vysoce energeticky účinné v množství 125,78 milionu kusů. Zároveň se plánuje zajistit významné úspory elektrické energie v bytovém sektoru v průběhu 10–30 let (průměrná životnost domácích chladniček v Rusku).

Dosažení významného snížení spotřeby energie domácích chladniček je možné, pokud se použijí nové materiály, technologie a technická řešení, a to především v souvislosti s elektrickým pohonem chladicích kompresorů, kde se jako elektromotor obvykle používají jednofázové asynchronní elektromotory se spouštěcím vinutím. Tento typ jednofázových elektromotorů se vyznačuje tím, že spouštěcí vinutí je připojeno k síti pouze po dobu spouštění, má malý průřez vodiče ve srovnání s hlavním vinutím a zabírá méně než 1/3 objemu statorové drážky.

Vymezení problému. Jedním z hlavních směrů zlepšování jednofázových asynchronních elektromotorů se spouštěcím vinutím je zlepšení jejich spouštěcích charakteristik a

konkrétně zvýšení rozběhového momentu [1-6]. Tento parametr je obzvláště důležitý pro elektromotory, které pohánějí kompresory. Přítomnost určitého přebytku rozběhového momentu elektromotoru nad maximálním zatěžovacím momentem je také nezbytná z důvodů zachování podmínek pro rozběh elektromotoru při poklesu napětí napájecí sítě, k čemuž nejčastěji dochází za podmínek přetížení energetických systémů v příměstských a venkovských oblastech Ruské federace. Tento problém je relevantní, protože přítomnost rezervy pro rozběhový moment v řadě případů umožňuje snížit konstrukční výkon elektromotoru, což zajišťuje jeho větší zatížení v nominálním režimu a snížení spotřeby elektřiny. Účelem práce je tedy zvýšit rozběhový moment jednofázových asynchronních elektromotorů se rozběhovým vinutím a také analyzovat způsoby, jak zlepšit jejich energetickou účinnost.

Vývoj nových konstrukčních řešení jednofázových asynchronních elektromotorů. Tým Tomské polytechnické univerzity vyvinul konstrukci jednofázového asynchronního elektromotoru, který umožňuje zvýšení rozběhového momentu, chráněného patentem Ruské federace na vynález č. 2510120 [7]. Podle navrhovaného řešení jsou ve statoru v oblasti štěrbin umístěných v zónách magnetických os hlavního vinutí vytvořeny průchozí nemagnetické mezery buď s náplní vzduchem, nebo s nemagnetickými vložkami (obr. 1).

Obr. 1. Aktivní část jednofázového asynchronního elektromotoru navrhované konstrukce se zobrazením siločar magnetického pole rotoru Фр: 1 — rotor; 2 — stator;

3 a 4 — drážky hlavního a pomocného vinutí; 5 — hlavní vinutí;

6 – pomocné vinutí; 7 – průchozí nemagnetickou mezerou

Pólové dělení každého z pólových systémů je 180°, posun hlavního a pomocného pólového systému je proveden o 90° vůči sobě navzájem. Navrhovanou konstrukci elektromotoru je možné realizovat s velkým počtem pólů v každé z fází, například se čtyřmi póly. Pomocná vinutí 6 mají větší poměr činného a indukčního odporu ve srovnání s hlavními vinutími 5 nebo jsou zapojena sériově s kondenzátorem.

Při provedení v navrhovaném provedení (viz obr. 1) přes nemagnetické mezery ve statoru v oblasti štěrbin umístěných v zónách magnetických os hlavního vinutí je magnetický tok příčné reakce rotoru souborem dvou magnetických toků Фр’ a Фр”. Navíc každý ze specifikovaných magnetických toků je téměř dvakrát menší než magnetický tok Фр elektromotoru tradiční konstrukce, protože jsou vytvářeny sníženou (přibližně dvojnásobnou) magnetomotorickou silou rotoru. Každý z magnetických toků Фр’ a Фр” pokrývá menší počet vodičů rotoru ve srovnání s prototypem (viz obr. 1). V důsledku toho je hodnota indukčnosti rotoru v konstrukci navrhovaného jednofázového asynchronního elektromotoru snížena téměř dvakrát ve srovnání s jednofázovým elektromotorem vyrobeným podle tradiční konstrukce.

Implementace průchozích nemagnetických mezer 7 v navrhovaném provedení statoru jednofázového asynchronního elektromotoru nemá prakticky žádný vliv na velikost hlavního magnetického toku vytvářeného hlavním vinutím a na elektromagnetické parametry hlavní fáze statoru.

Snížení indukčnosti rotorového vinutí je tedy doprovázeno snížením hodnoty fázového indukčního odporu rotoru a v důsledku toho zvýšením rozběhového momentu elektromotoru, protože se zvyšuje kritický moment a kritický skluz [8]. Navrhovaná konstrukce jednofázového asynchronního elektromotoru proto umožňuje zlepšit jeho rozběhové vlastnosti ve srovnání se známými technickými řešeními v této oblasti techniky.

Jednofázový elektromotor navrhované konstrukce pracuje následovně. Když je hlavní fáze s hlavními vinutími 5 a pomocná fáze s pomocnými vinutími 6 připojena k střídavé síti, vznikají dva pulzující magnetické toky, posunuté v prostoru a čase. Celkové magnetické pole statoru 2, působící na rotor 1, se bude otáčet v prostoru a indukovat elektromotorické síly ve zkratovaném vinutí rotoru 1, pod jehož působením budou ve zkratovaném vinutí rotoru 1 protékat proudy a vytvářet magnetický tok rotoru 1. Interakce magnetických toků statoru 2 a rotoru 1 vytváří točivý moment na rotoru 1. Navíc přítomnost průchozích nemagnetických mezer 7 ve statoru v oblasti štěrbin 4 pomocného vinutí 6, umístěných v zónách magnetických os hlavního vinutí 5, vede ke snížení indukčního odporu vinutí rotoru 1, což je doprovázeno změnami v interakci magnetických toků statoru 2 a rotoru 1 a zvýšením rozběhového momentu jednofázového asynchronního elektromotoru. V důsledku toho se rozběh elektromotoru při daném zatížení provádí v kratším časovém úseku nebo se může provádět se zvýšeným zatížením hřídele. Po vstupu elektromotoru do provozního režimu lze pomocnou fázi s pomocnými vinutími 6 odpojit, protože při provozní rychlosti otáčení lze zajistit dostatečný rotační elektromagnetický moment, když pracuje pouze hlavní fáze s hlavními vinutími 5.

Výkon navrhované konstrukce byl experimentálně testován na jednofázovém asynchronním elektromotoru elektrické brusky “Tomsk 1U4.2” se spouštěcím vinutím TU 16-539.53372, v jehož statoru byly vytvořeny průchozí nemagnetické mezery. Z uvedených závislostí momentu M na skluzu £ jednofázových asynchronních elektromotorů (obr. 2) vyplývá, že spouštěcí moment v elektromotoru navrhované konstrukce je ve srovnání s tradiční konstrukcí (křivka 23) zvýšen o 2 % (křivka 1) a jeho frekvence otáčení v pracovní části mechanické charakteristiky je mírně snížena.

Obr. 2. Závislosti točivého momentu M na skluzu £ jednofázových asynchronních elektromotorů vyrobených podle tradiční (křivka 1) a navrhované (křivka 2) konstrukce

Použití navrhovaného jednofázového asynchronního elektromotoru tedy umožňuje zvýšit počáteční moment, což může zajistit spolehlivé spuštění elektromotoru při zatížení hřídele blízkém nominální hodnotě nebo ji dokonce překračující, a také při poklesu napětí napájecí sítě vzhledem k nominální hodnotě.

Navrhovaná metoda pro zvýšení rozběhového momentu OAD se spouštěcím (pomocným) vinutím v důsledku snížení zkratové indukčnosti v důsledku konstrukčních změn v magnetickém obvodu statoru umožňuje navrhnout nové elektrické

motorová zařízení se zlepšenými technickými vlastnostmi a provozními parametry, jakož i modernizace stávajících konstrukcí tohoto typu elektromotorů.

Jednou z oblastí modernizace OAD se spouštěcím vinutím pro chladicí jednotky může být zvýšení jejich odolnosti vůči poklesu napájecího napětí oproti jeho jmenovité hodnotě. K řešení tohoto problému nejsou nutné žádné další změny v prvcích OAD, s výjimkou výše popsaných změn v konstrukci magnetického obvodu statoru. Zároveň lze hodnotu spouštěcího momentu (podle vypočítaných údajů) zvýšit o 20-28 %, což umožňuje dodatečnou 11% rezervu pro pokles napětí napájecí sítě (překračuje maximální přípustnou hodnotu odchylky ustáleného napětí v univerzálních napájecích systémech), což umožní rozšířit použití takto modernizovaných elektromotorů do dříve nepřístupných oblastí.

Dalším směrem modernizace OAD se spouštěcím vinutím je snížení spotřeby elektrické energie při dané hodnotě mechanické energie přiváděné do zátěže. Řešení tohoto problému má několik způsobů realizace. Je možné, když se současně s navrhovanými změnami v konstrukci statoru sníží měrný odpor prvků klece nakrátko na hodnotu, která zajišťuje udržení spouštěcího momentu elektromotoru na dané úrovni. V tomto případě lze očekávat snížení elektrických ztrát v OAD o 10-16 % a zvýšení výstupního výkonu o 4-6 % (v důsledku snížení skluzu v provozním režimu). Podle předběžných odhadů může úspora elektrické energie spotřebované chladicím kompresorem pouze z implementace těchto konstrukčních změn činit přibližně 13 %. To je o něco více než celkové plánované snížení spotřeby elektřiny chladničky do roku 2020 (přibližně 11 % s přihlédnutím ke všem očekávaným vylepšením jejích součástí, včetně zvýšení tepelně izolačních vlastností tělesa chladničky).

Radikálnější možností modernizace pohonu proudem je výroba rotorové klece veverky z mědi nebo slitin s blízkým specifickým odporem (mosaz, bronz) spolu s výše popsanými změnami v konstrukci statoru a v případě potřeby dalšími vylepšeními, která zajistí udržení počátečního momentu elektromotoru na požadované úrovni. V tomto případě lze podle výpočtů zvýšit výkon na hřídeli elektromotoru o 8-10 % a úspora spotřebované elektřiny bude činit asi 22 %.

Závěr. Na základě provedeného výzkumu lze vyvodit následující závěry:

1. Navrhovaná konstrukční řešení zaměřená na změnu indukčních parametrů OAD mají teoretické zdůvodnění své technické účinnosti a otevírají nové možnosti pro zlepšení hlavních výkonnostních ukazatelů elektrických pohonů pro domácí spotřebiče.

2. V navrhovaném provedení jednofázového asynchronního elektromotoru bylo možné dosáhnout zvýšení rozběhového momentu snížením hodnoty indukčního odporu fáze rotoru o 23 %. Použití navrhovaného jednofázového asynchronního elektromotoru se zvýšeným rozběhovým momentem tedy může zajistit spolehlivý rozběh elektromotoru při zatížení hřídele blízkém jmenovitému nebo dokonce překračujícím jeho hodnotu, a také při poklesu napětí napájecí sítě vzhledem k jmenovité hodnotě.

3. Analýza provedená na příkladu kompresoru chladicího zařízení ukazuje, že optimalizací elektromagnetické části je možné zvýšit energetickou účinnost až o 22 %.

1. Abramov A. D. Jednofázový asynchronní elektromotor se zvýšeným rozběhovým momentem / A. D. Abramov, A. R. Kudelko // Elektřina. – 1990. – č. 12. – s. 67-69.

2. Patent 2 028 024 RF, IPC N 02 K 17/08. Jednofázový elektromotor / E.I. Jefimenko (RF). – č. 5 000 293/07; deklarováno 16.08.91; publikováno 27.01.95. Věstník č. 3. – 6 s.

3. A. s. 1 410 203 RF, IPC N 02K 17/04. Stator jednofázového asynchronního elektromotoru / B.F. Kovalev (SSSR). — č. 4167693; deklarováno 26.12.86; publikováno 15.07.88. Bulletin č. 20. — 3 s.

4. Patent 2 010 410 RF, IPC N 02K 17/04. Jednofázový asynchronní elektromotor / B.F. Kovalev (RF). — č. 4 948 371/07; deklarováno 24.06.91; publikováno 30.03.94. Věstník č. 9. — 4 s.

5. Velarde N.M. Studium jednofázových asynchronních motorů s rozběhovým feromagnetickým vinutím v ustálených a přechodových režimech: Abstrakt disertační práce kandidáta věd (Ing.): 05.09.01 / Moskevský energetický institut. — Moskva, 1995. — 20 s.

6. Korotkov L. Asynchronní motory: perspektivy zlepšení // Trh elektrotechniky. – 2006. – č. 4. – s. 171-176.

7. Patent 2 5101 20 RF, IPC N 02K 17/08. Jednofázový elektromotor / S.I. Kachin, O.S. Kachin (RF). — č. 2 012 139 937/07; prohlášeno 18.09.12; publikováno 20.03.14. Věstník č. 8. — 8 s.

8. Moskalenko V.V. Automatizovaný elektrický pohon / V.V. Moskalenko. – M.: Nakladatelství Energoatom, 1986. – 196 s.

Kačin Oleg Sergejevič

Docent, Katedra elektrických pohonů a elektrických zařízení

Národní výzkumná Tomská polytechnická univerzita (NITPU)

Kačin Sergej Iljič

Doktor technických věd, profesor katedry elektrických pohonů a elektrických zařízení NITPU Tel.: 8 (382-2) 70-63-30 E-mail: [email protected]

Kiselev Alexandr Viktorovič

Asistent katedry elektromechanických komplexů a materiálů NITPU

Tel.: 8 (382-2) 56-34-53

Serov Alexandr Borisovič

Student magisterského studia na katedře elektromechanických komplexů a materiálů NITPU

Tel.: 8 (382-2) 56-34-53

Kachin OS, Kachin SI, Kiselev AV, Serov AB

Jednofázový indukční motor

Je popsána konstrukce jednofázového asynchronního motoru se zvýšeným rozběhovým momentem. Jsou zvažovány principy fungování motoru. Jsou nabízeny způsoby modernizace jednofázových asynchronních motorů směrem k energetické účinnosti. Jsou uvedeny experimentální mechanické vlastnosti navrhovaného elektromotoru ve srovnání se standardním elektromotorem. Jsou uvedeny hodnoty energetické účinnosti pro různé navrhované konstrukční varianty jednofázových asynchronních motorů.

Klíčová slova: jednofázový asynchronní motor, rozběhový moment, energetická účinnost, rozběhové vinutí.