Двигатели с улучшенными пусковыми свойствами

§ 96. ДВИГАТЕЛИ С УЛУЧШЕННЫМИ ПУСКОВЫМИ СВОЙСТВАМИ

Простота конструкции и надежность в эксплуатации двигате­лей с короткозамкнутым ротором являются их очень существенным достоинством, благодаря чему они получили очень широкое приме­нение в промышленности. Однако эти двигатели имеют плохие пу­сковые характеристики.

Значительное улучшение пусковых характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором достигается изменением конструкции ротора: используют роторы с двойной короткозамкну-т0й обмоткой и с глубокими пазами.

Ротор с двойной короткозамкнутой обмоткой был впервые предложен М. О. Доливо-Добровольским в 1889 г . Он имеет две короткозамкнутые обмотки, выполненные в виде беличьих клеток (рис. 118).

Число пазов верхней А и нижней Б клеток может быть одинаково или раз­лично. Наружная обмотка А выполнена из стержней малого поперечного сечения, а внутренняя обмотка Б — из стержней большого поперечного сечения. Поэтому активное сопротивление обмотки А ока­зывается значительно большим, чем ак­тивное сопротивление обмотки Б (r_A>r_Б). Вследствие того что стержни внутренней обмотки Б глубоко погружены в тело ротора и окружены сталью, индуктивное сопротивление внутренней обмотки значительно больше, чем индуктивное сопро­тивление внешней обмотки (X_Б>>Ха).

Принцип действия этого двигателя состоит в следующем. В мо­мент включения двигателя в сеть ротор неподвижен и частота тока в роторе равна частоте тока сети f2=f1. Ток в обмотках А и Б рас­пределяется обратно пропорционально их полным сопротивле­ниям.

Так как реактивные сопротивления обмоток асинхронных ма­шин значительно больше их активных сопротивлений, то при пуске в ход распределение тока между обмотками А к Б примерно обрат­но пропорционально их индуктивным сопротивлениям. Поэтому при пуске в ход ток в основном протекает по проводникам внешней обмотки А, имеющей меньшее индуктивное и большее актив­ное сопротивление. Эта обмотка называется пусковой.

В рабочем режиме скольжение мало и, следовательно, частота тока в роторе также мала (f₂»0). Поэтому индуктивные сопротивления обмоток не имеют значения и токи в обмотках А и Б обратно пропорциональны их активным сопротивлениям.

Таким образом, в рабочем режиме ток в основном протекает по проводникам внутренней обмотки Б, имеющим меньшее активное сопротивление. Эта обмотка называется рабочей. При такой конструкции ротора увеличивается активное сопротивление его обмоток в момент пуска в ход двигателя, что уменьшает пусковой ток и увеличивает пусковой момент так же, как включение пуско­вого реостата в цепь фазного ротора.

В двигателях с глубокими пазами на роторе коротко замкнутая обмотка ротора выполняется в виде тонких и высоких полос (рис. 119). При такой конструкции обмотки происходит оттеснение

тока к верхней части проводников вследствие того, что нижние части проводников сцеплены с большим числом магнитных линий потока рассеяния, чем верхние части.

Таким образом, ток, протекающий по проводникам, стремится сконцентрироваться преимущественно в верхней их части, что равносильно уменьшению поперечного сечения или увеличению актив­ного сопротивления этих проводников.

Это явление оттеснения тока в верхние части проводников осо­бенно сильно сказывается в момент включения двигателя, когда частота тока в роторе равна частоте тока сети, и, следовательно, при пуске в ход повышается активное сопротивление обмотки ротора, что увеличивает пусковой момент. При увеличении скорости вращения ротора частота тока в его обмотке уменьшается и ток более равномерно распределяется по сечению стержней, и при нормальной скорости вращения неравномер­ность распределения тока по поперечному сечению стержней почти полностью исчезает. Пусковой момент двигателей этого типа Мп= (1 ÷1,5) Мн, а пусковой ток Iп= (4÷5) Iн.

Таким образом, в двигателях с двойной короткозамкнутой обмоткой и с глубокими пазами пусковые моменты больше и пусковые токи меньше, чем у обычных короткозамкнутых двигателей.

Однако рабочие характеристики этих двигателей несколько хуже, чем обычных короткозамкнутых двигателей — несколько меньше соs j, к. п. д. и максимальный момент, так как больше по­токи рассеяния, т. е. больше индуктивные сопротивления обмоток ротора.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми характеристиками

Стремление улучшить пусковые свойства асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором привело к созданию асинхронных двигателей с особой конструкцией ротора: двигателей с глубокими пазами на роторе и двигателей с двумя короткозамкнутыми клетками на роторе.

Двигатель с глубокими пазами на роторе.От обычного асинхронного двигателя этот двигатель отличается тем, что у него пазы ротора сделаны в виде узких глубоких щелей, в которые уложены стержни обмотки ротора, представляющие собой узкие полосы. С обеих сторон эти стержни приварены к замыкающим кольцам. Обычно глубокий паз имеет соотношение размеров h_п/ b_п = 9÷10, где h_п, b_п — высота и ширина паза.

В момент включения двигателя, когда частота тока в роторе имеет наибольшее значение (f₂ = f₁), индуктивное сопротивление нижней части каждого стержня значительно больше верхней. Объясняется это тем, что нижняя часть стержня сцеплена с большим числом магнитных силовых линий поля рассеяния (рис. 15.6, а). На рис. 15.6, б показан график распределения плотности пускового тока в стержне ротора с глубокими пазами по высоте стержня. Из этого графика следует, что почти весь ток ротора проходит по верхней части стержня, поперечное сечение которой намного меньше сечения всего стержня. Это равноценно увеличению активного сопротивления стержня ротора, что, как известно, способствует росту пускового момента двигателя и некоторому ограни­чению пускового тока (см. § 15.2).

Таким образом, двигатель с глубокими пазами на роторе об­ладает благоприятным соотношением пусковых параметров: большим пусковым моментом при сравнительно небольшом пус­ковом токе. По мере нарастания частоты вращения ротора частота тока в роторе убывает (f₂ = sf₁). В связи с этим уменьшается индук­тивное сопротивление обмотки ротора x₂ ≡ f₂. Распределение плотности тока по высоте стержня в том случае становится более равномерным, что ведет к уменьшению активного сопротивления ротора. При работе двигателя с номинальной частотой вращения, когда f₂

Эффект вытеснения тока хорошо проявляется при пазах рото­ра бутылочной формы (рис. 15.7). В этом случае «вытесне­ние» тока происходит в верхнюю часть паза, имеющую меньшее сечение, а следовательно, большее активное со­противление. Применение пазов бутылочной формы позволяет сократить высоту пазов ротора, а следовательно, уменьшить диаметр ротора по сравнению с глубокопазным ротором.

Двигатель с двумя клетками на роторе.Еще лучшими пусковыми свойствами

Рис 15.6 Ротор с глубокими пазами:

а — устройство, б — распределение плотности тока ротора

по высоте стержня при пуске и при работе двигателя

обладают асинхронные двигатели с двумя короткозамкнутыми клетками на роторе (рис. 15.8, а): рабочей клеткой 1, стержни которой расположены в ниж­нем слое, и пусковой клеткой 2, стержни которой расположены в верхнем слое, ближе к воздушному зазору.

Рис 15.7. Буты­лочная форма стержней рото­ра

Стержни пусковой клетки обычно выполняют из латуни или бронзы — материалов, обладающих более высоким, чем у ме­ди, активным сопротивлением. Индуктивное сопротивление рас­сеяния пусковой клетки невелико, так как ее стержни расположе­ны вблизи воздушного зазора и к тому же с двух сторон имеют воздушные щели (рис. 15.8, б). Стержни рабочей клетки выполня­ют из меди, и по сравнению со стержнями пусковой клетки они имеют большее сечение. Это обеспечивает рабочей клетке малое активное сопротивление. Но зато индуктивное сопротивление ра­бочей клетки больше, чем у пусковой, особенно в начальный период пуска, когда частота тока в роторе сравнительно велика (f₂ ≈ f₁).

В момент пуска двигателя ток ротора проходит в основном по верхней (пусковой) клетке, обладающей малым индуктивным со­противлением. При этом плотность тока в стержнях пусковой клетки намного больше плотности тока в стержнях рабочей клетки (рис. 15.8, б). Повышенное активное сопротивление этой клетки обеспечивает двигателю

значитель­ный: пусковой момент при пони­женном пусковом токе. По мере увеличения частоты вращения ро­тора уменьшается частота тока в роторе, при этом индуктивное

Рис. 15.8 Двухклеточный ротор:

а — устройство; б — распределение плотности тока в рабочей и пусковой клет­ках при пуске и работе двигателя

со­противление рабочей клетки уменьшается, и распределение плотности тока в стержнях пусковой и рабо­чей клеток становится почти оди­наковым. В итоге происходит пере­распределение вращающего момента между клетками: если в начальный период пуска момент создается главным образом токами пусковой клетки, то по окончании периода пуска вращающий момент создается в основном токами рабочей клетки. Так как активные сопротивления клеток ротора неодинаковы, то зависимость M = f(s) этих клеток изображается разными кривыми (рис. 15.9). Максимальное значение момента пусковой клетки вследствие ее повышенного активного сопротивления смещено в сторону скольжений, близких к единице. Вращающие моменты от обеих клеток направлены в одну сторону, поэтому результирующий момент двигателя равен сумме моментов пусковой М_пк и рабочей М_раб.к клеток М = М_п.к + М_раб.к

Рис. 15.9. Механическая характеристика двухклеточного

Двигатели с двумя клетками на роторе по сравнению с асин­хронными двигателями обычной конструкции имеют повышенную стоимость, что объясняется сложностью конструкции.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми свойствами (пояснить рисунками пазов и механическими характеристиками

Для механизмов, имеющих тяжелые условия пуска, где по ряду причин желательно использовать асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, применяются двигатели с улучшенными пусковыми свойствами: большим пусковым моментом и меньшим пусковым током, чем у двигателей общего назначения. Эти двигатели отличаются от двигателей нормального исполнения только устройством короткозамкнутой обмотки ротора. Одни из них снабжены двумя самостоятельными обмотками типа «беличьей клетки» (рис. 10.24, а), другие имеют более глубокие пазы ротора (рис. 10.24, б), в которые укладывается короткозамкнутая обмотка, имеющая в отличие от обы­чной стержни с большим отношением высоты к ширине, третьи обладают повышенным сопротивлением стержней обмотки. Первые называются двигателями с двойной «беличьей клеткой», вторые — с глубоким пазом, третьи — с повышенным скольжением. Рассмотрим процессы, происходящие при пуске двигателя с двойной «беличьей клеткой».

Рис. 10.24 Двигатель с улучшенными пусковыми свойствами: с двойной «беличьей клеткой» (а), с глубоким пазом (б)

Обмотка 1 (рис. 10.24, а) имеет меньшее активное сопротивление по сравнению с обмоткой 2, так как она большего диаметра и выполнена из материала с меньшим удельным сопротивлением (медь), чем вторая (латунь). Стержни обмотки1 расположены в толще ферромагнитного сердечника ротора, стержни обмотки 2 —ближе к воздушному зазору. В результате этого при пуске магнитное поле, образованное токами обмоток, располагается примерно так, как показано на рис. 10.24.

Из рисунка следует, что магнитный поток, сцепленный с обмоткой 1, больше, чем магнитный поток, сцепленный с обмоткой 2, следовательно, индуктивность первой обмотки будет также больше.

В первый момент пуска (s = 1) индуктивное сопротивление обмоток будет иметь наибольшее значение, так как

xs = 2πf2L= 2πf1sL = 2πf1L,

и токораспределение между обмотками будет определяться главным образом их индуктивными сопротивлениями. Поскольку индуктивное сопротивление первой обмотки значительно больше, чем второй, ток в ней, как следует из закона Ома для роторной цепи (10.29), будет значительно меньше по сравнению с током второй обмотки. Таким образом, основной

момент будет возникать в результате действия тока второй обмотки, имеющей значительное активное сопротивление. По мере разгона двигателя уменьшаются частота тока ротора и индуктивные сопротивления обеих обмоток, что вызывает перераспределение тока в обмотках: в первой обмотке ток увеличивается, во второй уменьшается. После окончания разгона частота тока ротора становится настолько малой (0,5 — 5 Гц), что индуктивное сопротивление обмоток оказывается намного меньше их активного сопротивления, вследствие чего весь ток ротора практически будет располагаться в первой обмотке, активное сопротивление которой значительно меньше, чем второй. Таким образом, роль рабочей выполняет первая обмотка, роль пусковой — вторая. Получается картина, подобная пуску двигателя с контактными кольцами и введенным в цепь ротора добавочным сопротивлением.

Асинхронные короткозамкнутые двигатели с улучшенными пусковыми свойствами

Многие электроприводы для достижения высокого быстродействия и надежности запуска требуют повышенного пускового момента, близкого к максимальному. Этой цели можно достичь, выполнив обмотку ротора с повышенным активным сопротивлением (кривая 1 рис. 4.19). Однако рабочая ветвь механической характеристики такого двигателя оказывается весьма «мягкой», поэтому в номинальном режиме двигатель будет работать с большим скольжением, что связано со значительными потерями и низкими энергетическими показателями. Для достижения высоких энергетических показателей желательно иметь «жесткую» механическую характеристику (кривая 2 рис. 4.19). Получить механическую характеристику, сочетающую положительные свойства характеристик 1 и 2, можно, если использовать поверхностный эффект в стержнях роторной обмотки для повышения активного сопротивления обмотки в начале пуска, когда частота тока в роторе близка к частоте сети. По мере разгона двигателя частота тока в роторе падает, поверхностный эффект ослабляется и сопротивление ротора снижается. Вид механической характеристики такого двигателя представлен кривой 3 на рис. 4.19. Существует несколько конструктивных решений, обеспечивающих использование поверхностного эффекта.