Технические науки/Электротехника и радиоэлектроника

Профессор Алиев И.И.

Северокавказская государственная гуманитарно-технологическая академия

О методике расчета постоянных магнитов для асинхронных энергосберегающих машин

Под энергосберегающими здесь понимаются асинхронные машины, в которых реактивная мощность частично компенсируется за счет энергии небольших постоянных магнитов, расположенных в зубцах ротор. Описание конструкции, а также аналитическое описание асинхронного генератора с гарантированным самовозбуждением (АГГС) приводится, например, в [1, 2], а асинхронного энергосберегающего двигателя (АЭМ) в [3, 4] и других работах.

Одной из наиболее важных и интересных проблем при проектировании АГГС и АЭМ является проблема расчета энергии постоянных магнитов, которые устанавливаются в специальных пазах, изготовленных на зубцах ротора машины. Для магнита заданной марки задача сводится к определению суммарного объема постоянных магнитов и определению размеров магнитов на каждый паз. Поскольку АГГС и АЭМ являются машинами новыми, то такая задача в общем виде не решалась, а в экспериментальных образцах АГГС и АЭМ использовались магниты, выбранные сообразно ширине зубцов ротора.

Рассмотрим расчет энергии магнитов для АГГС.

Расчет объема постоянных магнитов (ПМ) осуществляется исходя из следующих соображений:

1) реактивная мощность ПМ должна компенсировать часть реактивной мощности конденсаторов;

2) ПМ располагаются в пазах, изготовленных в зубцах ротора типовой машины так, чтобы не повреждались стержни обмотки ротора;

3) число ПМ на полюс зависит от полученного объема магнита и может быть равно 1, 2, или числу пазов на полюс ротора;

4) расчет объема ПМ осуществляется в предположении, что нагрузка АГГС активная.

Реактивная мощность трехфазного АГ при активной нагрузке:

Q = m U I, вар,

где U и I соответственно фазное напряжение и фазный ток намагничивания.

В режиме самовозбуждения автономного АГ при активной нагрузке реактивная мощность равна мощности конденсатора: Q= Q.

Реактивная мощность одной фазы генератора:

Q = U I.

Емкость конденсаторов при соединении их в треугольник:

С = 0,177 10 Q / fU, мкФ.

При объеме ПМ V = 0, АГГС превращается в обычный АГ с конденсаторным самовозбуждением. При этом Q= Q. По мере увеличения объема ПМ будет расти величина мощности возбуждения генератора Q от ПМ. В пределе реактивная мощность Q может достигнуть значения Q, а АГГС превратится в синхронный генератор (СГ). Следовательно, по мере увеличения объема ПМ, т.е. их энергии, чтобы обеспечить постоянство Q следует соответственно снижать мощность возбуждения от конденсаторов q, т.е. уменьшать емкость конденсаторов.

Будем считать, что АГ не насыщен во всем диапазоне изменения реактивной мощности. Тогда зависимости реактивной мощности от объема ПМ:

q = f(V) = Q - q и q= f(V)

будут линейными (рис.1). Линейные зависимости построены в предположении, что, когда объем ПМ V=0, намагничивающая мощность фазы равна мощности конденсаторов возбуждения Q=Q (режим обычного АГ), а когда V= V, то возбуждение осуществляется целиком за счет ПМ и АГ превращается в обычный СГ с ПМ. Тогда Q= Q, а Q= 0. Через указанные точки проводим линии q = f(V) и q= f(V).

Левая часть диаграммы будет соответствовать режиму АГ, правая (вправо от линии аб) режиму синхронного генератора СГ. Таким образом, область выбора мощности конденсаторов и ПМ находится левее прямой аб. Исходя из этого, примем объем магнитов равным половине их объема, необходимого для обеспечения режима номинального возбуждения СГ.

Намагничивающая мощность ПМ зависит от скорости вращения АГГС, поле АГГС от магнитов тем больше, чем больше скорость вращения ротора:

Q = Q/ 2 ω(1-s).

Для определенности при расчетах мощности примем скольжение близким к 0, а частоту f = 50 Гц.

Рис.1. Зависимости реактивных мощностей АГГС от объема ПМ

С другой стороны мощность ПМ:

Q = WVf ,

откуда окончательно получим:

V = Q/ W f,

где: W - удельная энергия магнита.

Полученное выражение определяет объем магнитов необходимых для намагничивания машины при заданных выше условиях. В случае АЭМ в качестве источника реактивной мощности вместо конденсатора выступает сеть переменного тока.

В соответствии с полученным для объёма ПМ выражением выполним практические расчёты для асинхронных двигателей. Возьмем для определенности сплав марки ЮНДК с удельной энергией W= 50 кДж/ м.

Расчеты намагничивающих мощностей и объемов магнитов выполним для серии асинхронных машин, используемых для станков-качалок нефтепромыслов серии CH-Б, обладающих из-за пониженных значений скоростей весьма низкими значениями коэффициентов мощностей. Расчеты сведены в таблицу 1.

Таким образом, на фазу каждой из машин приходится от 11.6 см до 34.1 см магнита марки ЮНДК. Для получения всего объема ПМ на каждую машину эти значения следует утроить. Магниты устанавливаются в пазах, которые в экспериментальных образцах машин были выполнены в зубцах ротора фрезерованием. При этом ширина паза не должна превышать ширину зубца, высота паза - высоту зубца, а длина паза - находится в пределах длины зубца или длины пакета ротора.

Таблица 1. Расчет реактивных мощностей и объемов постоянных магнитов

	АИР180МВ12	5А200L12	5A225M12	5AM250S8	5AM250M8
P, Вт	12900	15000	18500	37000	45000
I, А	13.4	21.1	45.7	50.7	59.3
Q, вар	2948	4642	10054	11154	13046
Q, вар	29.0	45.5	98.5	72.7	85.3
V, м	0.0000116	0.0000182	0.0000394	0.0000291	0.0000341

ПМ впрессовываются в паз, либо вклеиваются специальным клеем. В целях защиты от размагничивающего влияния поля машины ПМ целесообразно обернуть медной фольгой. При этом необходимо, чтобы полюса ПМ под разноименными полюсами были разными.

Выполненные на математической модели расчеты [4] показали, что выбранные по данной методике ПМ позволяют увеличить коэффициент мощности двигателя АИР180МВ12, равный 0,678 до 0,842, двигателя 5AM250S8 - до 0,927 и т.д. Полученные результаты качественно подтверждаются результатами экспериментальных исследований, представленных в [3].

Выводы. Предложена методика расчета энергии постоянных магнитов для АГГС и АЭМ, обеспечивающая выбор объема постоянных магнитов для их установки в асинхронных энергосберегающих машинах. Результаты расчетов энергетических показателей машин, выполненные на математической модели, качественно подтверждаются экспериментальными данными, полученными на физической модели.

Литература

1. I.Aliev, V.Bespalov. Asynchronous generator with guaranteed self-excitation. 5th International conference "Unconventional elektromechanical and electrical systems", Poland, - Szczecin: TU-Press. 2001. Volume 2. - p.p. 209-212.

2. И.И. Алиев. Динамические режимы асинхронного генератора с гарантированным самовозбуждением. "Электричество", № 6, 2002. с. 37-40.

3. И.И. Алиев. Асинхронный энергосберегающий двигатель. "Электротехника", №11, 2001, с. 39-41.

4. И.И. Алиев, В.Я. Беспалов. Повышение эффективности многополюсных асинхронных двигателей. Алушта, 2003. Труды пятой МКЭЭЭ-2003. ч.1. -С.449-452.