Схемы обмоток многоскоростных двигателей

У машин трехфазного тока скорость вращения зависит от числа полюсов. При частоте 50 Гц ток в проводах обмотки меняет направление 100 раз в секунду. Если обмотка выполнена на два полюса, то при частоте 50 Гц ротор должен вращаться со скоростью 50 об/сек или 3000 об/мин. В четырехполюсной машине при одном обороте ротора в обмотке происходят изменения направления тока, соответствующие двум периодам. Поэтому скорость вращения ротора уменьшается вдвое.

Скорость вращения для машины с любым числом пар полюсов p в можно определить по формуле

Для синхронных машин формула дает действительное число оборотов ротора, а для асинхронных двигателей - условное, так как вследствие скольжения ротора он вращается с несколько меньшей скоростью.

Рис. 92 Схема переключения числа полюсов

Как видно из формулы (10), изменяя число полюсов, можно изменять числа оборотов ротора. На этом принципе основана работа многоскоростных асинхронных электродвигателей, применяемых в металлорежущих станках, на элеваторах и транспортерах, в подъемных, крановых и насосных установках.

Применение многоскоростных электродвигателей позволяет упростить передачи; повысить производительность установок; устранить шумы и вибрации от работы зубчатых передач; упростить автоматическое управление процессами пуска, останова, реверсирования и торможения и, наконец, что очень важно, повысить коэффициент полезного действия установки благодаря снижению потерь в передачах.

• Многоскоростные электродвигатели могут быть выполнены на 2; 3 или 4 скорости. Чтобы избежать сложных устройств для переключения обмотки ротора, многоскоростные двигатели выполняют с короткозамкнутым ротором. Однако при этом надо следить за тем, чтобы не образовалось неблагоприятное соотношение чисел пазов статора и ротора для данного количества полюсов.

• Двухскоростные электродвигатели можно разделить по кратности отношения скоростей на электродвигатели с отношением скоростей кратным и некратным двум. Первые почти всегда выполняют с одной обмоткой, которая переключается на разные числа полюсов, вторые - с двумя отдельными обмотками. Чтобы можно было переключать числа полюсов, обмотка должна иметь шесть выводов на дощечке зажимов и дополнительные отводы от середины каждой фазы. На рис. 92 показаны схемы переключения числа полюсов обмотки.

Рис. 93 Схема обмотки двухскоростного двигателя с постоянным вращающимся моментом

Общие принципы обмоток с переключением числа полюсов заключаются в следующем. Если необходимо иметь две скорости вращения при отношении их 2:1, то числа полюсов должны находиться в отношении 1:2. Например, если синхронные скорости двигателей должны быть 1500 и 750 об/мин, то обмотка должна создавать числа полюсов 4 и 8. По отношению к меньшему числу полюсов - это петлевая обмотка с последовательным соединением катушечных групп и с шагом, близким к половине полюсного деления. Удвоение числа полюсов получается при изменении направления тока в одной из ветвей фазы. Полюсное деление при этом уменьшается вдвое, а шаг обмотки близок к полюсному делению.

В зависимости от условий работы электродвигателя предъявляют два основных требования к полюсопереключаемой обмотке. В одном случае для обеих скоростей нужен неизменный вращающий момент двигателя. В виде примера можно привести электродвигатель для привода воздушного компрессора, у которого необходимый вращающий момент не меняется при изменении скорости. Мощность такого двигателя возрастает пропорционально скорости вращения.

В другом случае мощность двигателя должна оставаться постоянной при изменении скорости вращения. Примером могут служить двигатели сверлильных станков. Эти требования выполняют путем соответствующего соединения фаз обмотки.

В качестве примера полюсопереключаемой обмотки возьмем асинхронный двигатель с обмоткой, переключаемой на 4 и 8 полюсов при 72 пазах статора. В этой обмотке число пазов на полюс и фазу по формуле:

число катушечных групп k = 3·4 = 12; шаг обмотки по пазам у_z = 72:8 = 9(1−10).

На рис. 93 показана схема этой обмотки для постоянного вращающего момента при обеих скоростях вращения. Рассмотрим фазу А. Из четырех катушечных групп этой фазы группы 1 и 7, лежащие под полюсами одной и той же полярности, соединяют последовательно. Также соединяют последовательно катушечные группы 4 и 10, лежащие под полюсами противоположных полярностей. Выполнив аналогично соединения для других фаз, получим по две ветви в каждой фазе. На рис. 94, а изображена принципиальная схема соединений этой обмотки на четыре полюса. Она представляет собой двойную звезду. К трехфазной сети присоединяют выводы С4, С5, С6; выводы С1, С2, С3 замыкают между собой.

Рис. 94 Принципиальные схемы обмотки двухскоростного двигателя: а - включение на четыре полюса, б - включение на восемь полюсов

Переключение на восемь полюсов может быть получено соединением двенадцати катушечных групп в треугольник (рис. 94, б). При этом меняется направление тока в катушечных группа 4 и 10; 6 и 12; 2 и 8. Для соединения с трехфазной сетью надо выводы C1, С2, С3 присоединить к сети, а выводы С4, С5, С6 оставить разомкнутыми.

При необходимости получить для обеих скоростей вращения постоянную мощность надо соединить обмотку по схеме, показанной на рис. 95. При этом соединение с сетью должно быть в треугольник для четырех полюсов и в двойную звезду для восьми полюсов.

Рис. 95 Схема обмотки двухскоростного двигателя с постоянной мощностью

• При отношении скоростей, некратном двум, обычно применяют две раздельные обмотки. В машинах малой мощности с мягкими катушками две двухслойные обмотки вкладывают в пазы одну над другой, получая таким образом четыре слоя в пазах и лобовых частях. Для двигателей большей мощности обе обмотки укладывают таким образом, чтобы получилось два слоя как в пазах, так и в лобовых частях. Обмотки получаются как бы встроенными одна в другую.

Если в нечетных пазах на дне лежат стороны катушек для меньшего числа полюсов, а над ними стороны катушек для большего числа полюсов, то в четных они меняются местами. Для выполнения этого требования число пазов статора должно быть четным, все катушки должны иметь одинаковый шаг, выражающийся нечетным числом, и толщины катушек должны быть примерно одинаковыми. Соединения обмоток производят на противоположных сторонах статора.

Разберем пример. Отношение скоростей 3:2, а значит отношение чисел полюсов 2:3. Числа полюсов в данном примере 8 и 12, число пазов статора 144. Полюсное деление восьмиполюсной обмотки равно 144:8=18 пазовым делениям, а для двенадцатиполюсной обмотки 144:12=12 пазовым делениям. Шаг обмотки выбирают меньше полюсного деления обмотки с меньшим числом полюсов и больше полюсного деления обмотки с большим числом полюсов. В данном случае можно взять шаг, равный 13 пазовым делениям (1-14). При этом шаг составляет 13:18×100=72% полюсного деления восьмиполюсной обмотки и 13:12×100=108% полюсного деления двенадцатиполюсной обмотки.

Рассмотрим еще один пример. Отношение скоростей 7:5, т. е. отношение чисел полюсов 5:7. Числа полюсов в данном примере 10 и 14, число пазов статора 168. Полюсное деление десятиполюсной обмотки равно 168:10=16,8 пазового деления, а четырнадцатиполюсной обмотки 168:14=12 пазовых делений. Шаг обмотки может быть выбран равным 13 пазовым делениям (1-14). При этом шаг обмотки составляет 13:16,8×100=77,4% полюсного деления для десятиполюсной обмотки и 13:12×100=108% полюсного деления для четырнадцатиполюсной обмотки.

Для получения постоянного вращающего момента надо обмотку с большим числом полюсов соединить в звезду, а с меньшим числом полюсов - в треугольник. Чтобы получить постояную мощность, следует обе обмотки соединить в звезду.

Чтобы не появлялись токи при включении одной из обмоток, надо разомкнуть все контуры в другой обмотке. Такими контурами могут быть треугольник или параллельные ветви двойной звезды.

Если требуется три скорости, из которых две имеют отношение 2:1, то могут быть использованы две встроенные одна в другую обмотки, рассмотренные выше. Наиболее часто встречающиеся отношения чисел полюсов 4/6/8; 6/8/12; 8/12/16 и 12/16/24. Здесь также надо размыкать все контуры одной обмотки при включении другой.

Если требуются четыре скорости, две из которых имеют отношение 2:1, то используют две различные обмотки. Возможны два способа получения четырех скоростей:

1. 1) обмотки размещаются в пазах в четыре слоя, причем два верхних слоя принадлежат одной обмотке, а два нижних - другой;

Рис. 96 Схема укладки катушек в пазы

1. 2) используют две встроенные обмотки, наматывая каждую через один паз.

Типичным примером четырехскоростного двигателя может служить двигатель с отношением чисел полюсов 6/8/12/16.