Двухскоростной взрывозащищенный двигатель для привода горно-шахтного оборудования
Двухскоростные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором представляют широкий класс преобразователей энергии, поскольку они могут быть реализованы в различных конструктивных формах, в том числе по выполнению обмотки статора.
Наиболее простым решением вопроса по изменению частоты вращения асинхронного двигателя, в любом отношении, является укладка независимых обмоток в одни пазы сердечника статора; соотношение их чисел пар полюсов может быть произвольным, число выводов минимальное и количество необходимой коммутирующей аппаратуры минимальное -для каждой частоты вращения только один выключатель. Однако неверный выбор схемы обмоток может привести к значительной величине э.д.с. на неработающей обмотке.
Второй, нашедший распространение в последние годы, способ -одна специальная обмотка на статоре. Изменение числа пар полюсов достигается за счет фазной или полюсной модуляции. Такие обмотки при определенных соотношениях числа пар полюсов дают значительный эффект в части использования активного объема электрической машины. Однако их недостатком является форма поля в воздушном зазоре с большим спектром как низших, так и высших гармонических и, как следствие, повышенным потерям и нагреву активных элементов двигателя. При определенных соотношениях чисел пар полюсов требуется не менее девяти выводов и не менее трех выключателей.
В зависимости от требуемых параметров двигателя, особенно в части пусковых характеристик и уровня нагрева в процессе пуска, возможны конструктивные исполнения ротора:
глубокопазный с вытеснением тока в стержнях, наиболее широко применяемый в крупных электрических машинах;
массивный, редко используемый вследствие низких характеристик в номинальном режиме, но обеспечивающий высокую добротность пусковых характеристик;
двухклеточный, также не нашедший широкого распространения вследствие сложности своей конструкции и сложности в части расчета параметров ротора, но обеспечивающий высокие значения пускового момента, хорошие показатели в номинальном режиме, однако при некорректном выборе материалов клеток и размеров зубцовой зоны возможны значительные провалы в моментной характеристике в процессе пуска. За 50 лет с момента основания ОАО "ЭЛСИБ" выпущено 60 тысяч электрических машин многих типов для различных отраслей промышленности, в которых все выше приведенные технические решения использовались и проверялись на испытательном стенде завода и в эксплуатации. Наиболее широко использовались конструкции с глубокопазным ротором, на которых проводились ресурсные испытания в пусковых режимах и отрабатывалась методика расчета работы в этих режимах.
В 1999 году на ОАО "ЭЛСИБ" было принято решение в короткий срок разработать и изготовить для шахт Кузбасса взрывозащищенные двухскоростные асинхронные двигатели в исполнении по взрывозащите РВ-3В, "взрывонепроницаемая оболочка" на напряжение 1140 и 660 В для привода горно-шахтных механизмов, в том числе скребковых конвейеров проходческих комбайнов. Основные технические требования, предъявленные к двигателям:
номинальная мощность 250 и 200 кВт на частоте вращения 1500 об/мин, 85 и 65 кВт на частоте вращения 500 об/мин;
режим работы S1 и S4-60%, 75 включений в час F12, 0 для обеих частот;
пусковой момент должен быть не менее 2, 1 номинального момента при минимальном моменте не менее 1, 4 номинального момента для обеих частот вращения при пусковом токе 6, 2 номинального тока при частоте вращения 1500 об/мин и 3, 1 номинального тока при частоте вращения 500 об/мин;
охлаждение водяное при давлении воды до 30 кг/см кв., в том числе и подшипников качения;
конструктивное исполнение по способу монтажа: на лапах с подшипниковыми щитами, с фланцем на подшипниковом щите; с жестким ограничением габаритных размеров.
Поставленная задача решалась в нескольких направлениях, первое -определение типа и схемы обмотки статора.
Из всех вышеописанных типов обмотки статора, после ряда оптимизационных расчетов, оказалось, что только выполнение двух независимых обмоток, лежащих в одних пазах, позволяет удовлетворить требованиям в части габаритных размеров. При этом обмотки должны быть всыпными с полузакрытым пазом статора и зубцом равной ширины. Совместно с рядом технических решений в части охлаждения удалось добиться нагрева активных элементов двигателя в номинальных режимах на уровне не превышающем допустимого для класса нагревостойкости F.
В качестве изоляции пазовой и лобовой частей обмотки статора используются материалы типа "Номекс". Сердечник статора с обмотками подвергается вакуум-нагнетательной пропитке по технологии типа "Монолит", что позволяет значительно повысить ее надежность в эксплуатации.
Особое внимание было обращено на конструкцию ротора, тип короткозамкнутой обмотки, которая в полной мере должна удовлетворить заданным требованиям в части пусковых характеристик, уровню нагрева при работе в режиме S4 при частых пусках, а также параметров в продолжительном номинальном режиме S1. В наиболее полной мере всем предъявленным требованиям удовлетворяет ротор с двойной короткозамкнутой клеткой.
Потребовались расчеты, разработка методов и программ, позволивших найти оптимальное соотношение материалов нижней и верхней клеток, геометрии зубцовой зоны ротора, в полной мере удовлетворяющих заданным требованиям. При этом определяющим являлся нестационарный нагрев верхней клетки в повторно-кратковременном режиме S4, проведены термомеханические расчеты, подтвержденные ресурсными испытаниями натурных образцов двигателей.
При разработке основных конструктивных узлов двигателей, от работы которых зависит надежность и работоспособность двигателя в целом, большое внимание было уделено подшипниковым узлам. Двигатели выполнены на подшипниках качения фирмы SKF последней разработки:
со стороны привода тороидальный роликоподшипник CARB;
со стороны свободного конца вала однорядный сферический роликоподшипник 21318ЕКС3.
Для улучшений условий работы подшипников посадочные поверхности в щитах под подшипники обрабатываются совместно за одну установку. Камеры подшипниковых узлов снабжены манжетными уплотнениями, полностью исключающими загрязнение подшипников и обеспечивающими стабильный объем смазки во время эксплуатации двигателей. Для эффективного охлаждения подшипников предусмотрена циркуляция охлаждающей воды через специальные камеры в щитах.
В сентябре 2000 года был изготовлен опытный образец двигателя АДКВ-250/85-1140-4/12У5 на напряжение 1140 В мощностью 250 и 85 кВт при частотах вращения 1500 и 500 об/мин соответственно. Двигатель был испытан в объеме квалификационных и специальных испытании на стенде завода и принят межведомственной комиссией. Испытания показали, что по всем параметрам он соответствует заданным требованиям, а по многим даже превосходит. Так средняя температура обмотки статора в номинальном режиме не превышает 110 шС, при допустимой 140 гр.С, а максимальная температура корпуса не превышает 50 шС, при допустимой 150 гр.С. Уровень вибрации при установке на лапах, на фланце и под наклоном к оси вращения 10ш не превышает 2, 3 мм/с при частоте вращения 1500 об/мин и 6 мм/с при частоте вращения 500 об/мин, при этом температура подшипников не превышает 52 шС при температуре охлаждающей воды 30 шС.
Приведено сравнение номинальных гарантированных параметров двигателя АДКВ-250/85-1140-4/12У5 с аналогичными двигателями других фирм-изготовителей, в том числе польской фирмы "DAMEL S.A.". Сравнение их показывает, что двигатели производства ОАО "ЭЛСИБ" превосходят практически по всем параметрам.
В настоящее время ведутся проектные работы по расширению номенклатуры двигателей серии АДКВ, в том числе односкоростных на напряжение 660В и 1140В и двухскоростных на напряжение 6000 В.