Не хотелось мне вмешиваться в эту тему, но в последнее время создаётся какая-то эйфория по двигателям с совмещёнными обмотками. Дело дошло до того, что даже 1-фазные двигатели просят перемотать с такими обмотками. Так же стали обращаться с просьбой о пересчёте высоковольтных двигателей на совмещённые обмотки, которые якобы дают фантастические результаты по сравнению с традиционной обмоткой. При этом ссылаются на эту статью
http://www.kopen.narod.ru/product_1.html?quot;Прочитав её, невольно вырвалось ОБАЛДЕТЬ, и не от восхищения, а от удивления, а скорее от возмущения. Вся статья выдаёт желаемое за действительное и рассчитано, по видимому, на аудиторию не слишком разбирающуюся в электрических машинах.
Ну да всё по порядку:
Автор утверждает «Малый пусковой момент вынуждает конструкторов и специалистов по эксплуатации оборудования, завышать установочную мощность АД в 1,5 - 2 раза, а в случаях тяжелого пуска в 3 - 4 раза».
Что же это получается, оказывается по мнению автора двигатели работают на половинной мощности, а с тяжёлым пуском вообще загружены на 25%. Поэтому автор делает вывод, что из за того, что двигатели недогружены имеют низкий КПД , а двигатели с совмещёнными обмотками такого недостатка в отношении КПД не имеют и поэтому автор статьи утверждает «при выполнении аналогичной с трехфазными АД работы, потребляют в 3 - 4 раза меньше, а в отдельных случаях в 5 - 6 раз меньше электроэнергии».
Вопрос только в том, откуда взялось такое утверждение? Достаточно подойти к любому работающему высоковольтному двигателю и убедиться, что он работает практически на максимальной мощности. Вспоминаю 80-е годы, когда электромашиностроительные заводы стали переходить на изоляцию «Монолит 2» и у ремонтников из за отсутствия соответствующего оборудования не было возможности повторить заводскую технологию и поэтому не удавалось сохранить паспортную мощность двигателей. Запрашивали у заказчиков об уровне нагрузки двигателей, практически все ответили, нагружают до 95 … 100 %.
При тяжёлых пусках применяются двигатели с двойной беличьей клеткой или глубокими пазами на роторе. Такие роторы установлены на двигателях серий АТД , АТМ, АЗМ, 4АЗМ … И ни кто и никогда для облегчения пуска не закладывал мощность в 1,5 … 2 раза, а тем более в 4 раза больше. При очень тяжёлом пуске применяют двигатели с фазным ротором.
Ещё одно уникальное свойство отмеченное автором «Кроме того, у модернизированного электродвигателя частота вращения вала регулируется простым многообмоточным трехфазным трансформатором» Это что же к каждому двигателю надо приставить ещё и трансформатор да ещё и переключаемый под нагрузкой. Да такой трансформатор будет стоить раза в три дороже самого двигателя. Да и такое свойство, а именно как зависимость частоты вращения от напряжения не обнаружено, но об этом ниже.
График изменения cos «фи» в зависимости от нагрузки мягко выражаясь вызывает недоумение. Ощущение такое, что автор не знаком векторными диаграммами, в частности треугольником токов или мощностей. Получается так, что при уменьшении одного из катетов треугольника в 4 раза углы нём практически не меняются, один из которых и есть тот самый «фи».
Теперь по модернизации высоковольтных двигателей. При пересчёте на совмещённые обмотки количество витков необходимо увеличивать в 2 раза (для звезды) и в 3,46 раза (для треугольника) с соответствующим уменьшением сечения витка. Но в высоковольтных двигателях применяются провода со стекловолокнистой изоляцией с двухсторонней толщиной 0,5 мм. И чем больше проводов в пазу, тем больше эта изоляция занимает места в пазу. Поэтому, чтобы катушка уместилась в паз, приходится уменьшать размеры провода больше положенного.
Разберём подробно, что получается в модернизированном автором двигателе А4 400Х-4.Этот двигатель с 2-слойной обмоткой статора, в катушке 12 витков, в пазу 24 витка, провод ПЭТВСД 1,5 х 6,3 сечением 9,45 кв. мм. Двухсторонняя толщина изоляции у провода этой марки 0,5 мм. Толщина корпусной изоляции 2,0 мм. на сторону. Эскиз заполнения паза на рисунке 1.
В модернизированном двигателе делаем однослойную обмотку, так как при такой обмотке лучше заполнение паза.
Для катушек, соединяемых в звезду количество витков должно быть
Nз = 24 х 2 = 48 витков.
Размеры провода берём таким, что бы они уместились в пазу. Получаем максимально возможный размер провода 0,625 х 6,3 мм. Такой размер провода заводы не делают (минимальная толщина 0,8 мм.). Да и сечение провода всего 3,93 кв. мм., а должно быть в два раза меньше чем у донора, т. е. 4,7 кв. мм. Эскиз заполнения паза на рис. 2.
Выбираем другой вариант расположения витков в пазу, а именно в два ряда. Между рядами необходимо установить изолирующую прокладку толщиной 0,5 мм. Максимально возможные размеры провода при таком расположении витков 1,7 х 2,8 мм. сечением 4,76 кв. мм. Эскиз заполнения паза на рис. 3.
Дальше считаем витки для катушек, соединяемых в треугольник
Nт = 24 х 3,46 = 83,04 витка. Принимаем 82 витка.
Максимально возможные размеры провода при этом количестве витков 0,8 х 2,8 мм. сечением 2,24 кв. мм. при требуемом сечении 2, 73 кв. мм. Снижение сечения составляет 18%. Эскиз заполнения паза для катушек, соединяемых в треугольник на рис. 4.
Дальше считаем плотность тока в обмотке при заявленных автором мощности 646 кВт и токе 72,5 А:
- для звезды 72,5/2/4,76 = 7,61 А/кв. мм.
- для треугольника 72,5/2/1,73/2,24 = 9,35 А/кв. мм.
Такая плотность тока в двигателях с длительным режимом работы просто недопустима.
Для сравнения рассчитаем плотность тока в исходном двигателе мощностью 500 кВт. и номинальном токе 58 А.
58/ 9,45 = 6,14 А/кв. мм.
а если нагрузить этот двигатель до плотности тока 9,35 А/кв. мм. мощность будет 769 кВт.
Остаётся только удивляться, как при такой плотности тока температура обмотки составила всего 28 градусов, а в доноре при гораздо меньшей плотности тока составила 60 градусов. Может за счёт уменьшения потерь в сердечнике статора. Что же рассчитаем эти потери. По известным размерам сердечника находим его массу, она равна 600 кг. Состояние сердечника статора считается нормальным если удельные потери в нём не превышают 2,5 Вт/кг. при индукции 1,0 Тл. При работе двигателя индукция около 1,5 Тл. Потери в сердечнике при этом тоже возрастают, примем их равными 4,0 Вт/кг, тогда потери будут равны 4,0 х 600 = 2400 Вт = 2,4 кВт. и ни как не смогут дать такую разницу температур, если даже в модернизированном двигателе они вовсе отсутствуют.
Десятки раз приходилось испытывать сердечники статоров аналогичных двигателей на удельные потери и при индукции 1,0 Тл. в течение 1.5 часа сердечник обычно нагревался до 40…50 градусов. А тут вдруг всего 28 градусов да ещё и под нагрузкой. Непонятно.
Может потери в проводе так повлияли на температуру обмотке. Рассчитаем и эти потери. Потери в проводе равны произведению тока в квадрате на сопротивление фазы. Тогда потери для базового двигателя в 3-х фазах при 20 градусах будет
Рм = 52 х 52 х 0,9475 х 3 = 7,686 кВт.
При 60 градусах сопротивление меди возрастает на 14% и составит 8,762 кВт.
Аналогично рассчитаем потери в обмотках модернизированного двигателя.
В обмотке соединённых в звезду ( 36,25 А и 1,8529 Ом) потери равны 8,327 кВт.
В обмотке соединённой в треугольник при (20,95 А и 6,7265 Ом) потери равны 10,1 кВт.
Суммарные потери в обмотке 18,427 кВт, Как видим, они более чем в 2 раза больше чем в базовом двигателе и естественно нагревают двигатель до более высокой температуры, а не наоборот.
Теперь можно перейти к КПД. Как известно КПД это отношение мощности на валу Р2 к потребляемой активной мощности Р1
КПД = Р2/ Р1
При работе двигателя без нагрузки (холостой ход) Р2 = 0, но потребляемая активная мощность Р1 не равна нулю так как расходуется на потери в сердечнике, вентиляционные потери и потери в подшипниках. Эти потери не зависят от типа обмотки и практически от величины нагрузки на двигатель и составляют 7 …10% от номинальной мощности двигателя. К этим потерям ещё добавляются потери в обмотке. Потери в обмотке были рассчитаны при полной нагрузке на двигатель, которые в модернизированном двигателе даже выше чем в базовом м те самым уменьшают КПД в модернизированном двигателе. При частичной нагрузке, допустим в два раза меньшей, потери в обмотке уменьшаются в 4 раза, но тем не менее они всё же больше чем в базовом и также уменьшают КПД в модернизированном двигателе.
Рассчитаем КПД для базового двигателя при 50% нагрузке. Суммарные потери при 10% от номинальной мощности составляют Рп= 50 кВт.
КПД = Р2/ (Р2 + Рп) = 250/ (250+50) = 0,83
Так почему же Яловега С.Н. заявляет о таком низком КПД при неполной нагрузке на базовый двигатель. Да просто потому, что иначе ни как не «доказать» экономичность «изобретённого» двигателя. График изменения КПД от нагрузки на рис. 5, на котором видно, что КПД не опускается ниже 0,8 в широком диапазоне нагрузки на двигатель.
Теперь о практическом воплощении идеи с совмещёнными обмотками в высоковольтном двигателе. Ещё в 1998 году под руководством автора статьи и его отца Яловеги Н.В. была выполнена модернизация подобного двигателя на 400 кВт. 3000 об/мин. принадлежащий Московскому нефтеперерабатывающему заводу. Все мои доводы, что мы не выйдем даже на паспортную мощность не увенчались успехом. Заказчик согласился платить тройную цену, поэтому всё-таки сделали такой двигатель. Начали испытывать на холостом ходу, напряжение подавали плавно через потенциал регулятор. По утверждению Яловеги Н.В. ротор должен был начать вращаться при 10…15 В. и плавно набирать обороты по мере увеличения напряжения. В действительности ротор начал крутиться при 450 В. и быстро набрал положенные ему обороты 3000 при том же напряжении. Яловега Н.В. объяснил это тем, что мешает индуктивность потенциал регулятора. Тогда включили напрямую 380 В., ротор вращаться не стал. К стати, двигатели на 6000 В. 400 кВт с обычной обмоткой начинали вращаться при 450…500 В. После 2-х часов работы экспериментального двигателя на холостом ходу температура была около 45 градусов. К сожалению провести полные испытания модернизированного двигателя с целью проверки обещанных фантастических свойств не было технической возможности. На нефтеперерабатывающем заводе при полной нагрузке 400 кВт двигатель через час разогрелся до 90 градусов после чего его отключили и больше к нему не возвращались. Уже здесь на этом форуме я узнал, что Яловега Н.В. включил гл. энергетика нефтеперерабатывающего завода Беланова в соавторы. Вот почему я не смог его отговорить от этой затеи.
Вот такой печальный опыт перевода высоковольтного двигателя на совмещенные обмотки.
Можно ещё напомнить, что патент на обмотки с комбинацией звезда + треугольник выдан в 1918 году и за прошедшие почти 100 лет не нашёл практического применения. А почему, да потому, что нет этих «сногсшибательных» свойств перечисленных в статье Яловеги С.Н.