Кулик Ю.А. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

как двигатель развернется, обмотку статора быстрым переключением рубильника Р слева

нанраво (рис. 4.43) соединяют в треугольник.

В некоторых случаях для уменьшения пускового тока последовательно со статором на

время пуска включают реактор или автотрансформатор, при этом уменьшение пускового

тока приблизительно пропорционально уменьшению напряжения, а уменьшение

пускового момента пропорционально квадрату напряжения.

Рис. 4.43. Схема соединения обмотки статора, допускающая пуск двигателя с переключением со звезды на

треугольник

Рис. 4.44. Вытеснение тока в проводнике, находящемся в глубоком пазу: а — картина поля; б —

распределение плотности тока по высоте проводника

Двигатель с глубоким пазом. В короткозамкнутом асинхронном двигателе активное

сопротивление стержней ротора при пуске может быть увеличено за счет вытеснения

тока, которое усиливается в случае применения глубокого паза. Вытеснение тока к

поверхности ротора происходит из-за неодинакового индуктивного сопротивления

рассеяния по высоте паза. На рис. 4.44, а линиями магнитной индукции показаны пу

ти

потоков пазового рассеяния проводника. Все эти потоки проходят под дном паза по

стальному пакету (поскольку его магнитное сопротивление мало). Потоки рассеяния

пересекают паз на разной высоте, вследствие чего их сцепление с проводником обмотки,

определяющее индуктивное сопротивление, меняется по высоте паза; на дне индуктивное

сопротивление наибольшее, в верхней части паза наименьшее. Поэтому большая часть

тока проходит по верхней части па

за, имеющей меньшее полное сопротивление, в

результате чего плотность тока Δ по высоте паза различна (рис. 4.44, б). Следствием

261

вытеснения тока является увеличение активного сопротивления проводника, что приводит

к увеличению пускового момента. Интенсивность вытеснения тока зависит от отношения

ширину к высоте паза и размеров его про-

рези. Одновременно с вытеснением тока происходит насыщение усика зубца у прорези

паза.

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора пропорционально скольжению,

поэтому в начале пуска эффект вытеснения выражен наиболее заметно. При уменьшении

скольжения вытеснение тока становится менее интенсивным и при номинальном

скольжении практически отсутствует. Таким образом, при вращении

Рис. 4.45. Пазы ротора с двойной клеткой: а — пазы обеих клеток имеют общую прорезь; б — пазы каждой

клетки имеют отдельные прорези; в — пазы для заливки алюминия

Рис. 4.46. Кривая вращающего момента двухклеточного двигателя

двигателя активное сопротивление обмотки ротора уменьшается. Действие вытеснения

тока в стержнях глубокопазного двигателя эквивалентно введению в обмотку ротора

пускового сопротивления, которое выводится автоматически по мере разгона

двигателя. Отсутствие контактных колец, пусковых сопротивлений и переключающих

устройств снижает стоимость глубокопазного двигателя по сравнению с фазным,

повышает надежность его работы и облегчает эксплуатацию. В глубокопазном двигателе

обеспечивается высокий момент в широком диапазоне скольжений и меньший пусковой

ток.

Двигатель с двойной клеткой. Значительный эффект дает использование

двухклеточного ротора. В пазах 1 (рис. 4.45), размещенных по периферии поверхности

ротора, закладывают стержни обычно небольшого сечения, имеющие высокое активное

сопротивление. Индуктивность рассеяния этих стержней мала, так как они расположены

262

неглубоко. Поэтому в начале пуска по ним проходит большой ток и создаваемый ими

момент М

(рис. 4.46) имеет максимум при скольжениях, близких к единице. Клетку,

образуемую этими стержнями, называют пусковой.

В пазах 2 (рис. 4.45), размещенных дальше от поверхности ротора, закладывают стержни

обычно большого сечения, имеющие небольшое активное сопротивление. Индуктивность

рассеяния этих стержней велика. Поэтому в момент пуска, при большом скольжении, они

имеют большое индуктивное сопротивление, и по ним про-

ходит малый ток. По мере разгона двигателя индуктивное сопротивление рассеяния

оказывает меньшее влияние, в результате чего токи в клетках начинают

перераспределяться соответственно активным сопротивлениям. Активное сопротивление

стержней второй клетки мало, проходящий по ней ток велик и в результате создаваемый

ею момент М

(рис. 4.46) при скольжении, близком к номинальному, большой. Таким

образом, эта клетка обеспечивает высокий момент двигателя при номинальном режиме

работы, поэтому ее называют рабочей. В настоящее время из технологических

соображений двухклеточную обмотку ротора обычно выполняют путем заливки в пазы

алюминия (см. рис. 4.45, в).

Момент двигателя складывается из моментов, создаваемых пусковой и рабочей клетками,

и имеет достаточно высокое значение во всем диапазоне скольжений (см. рис. 4.46).

Двигатель с двойной

может устойчиво работать в диапазоне скольжений от 0 до критического s

У асинхронных двигателей обычного исполнения s

=0,l4÷0,15. Поэтому их зона

устойчивой работы весьма незначительна. В системах автоматического регулирования

263

применяют двигатели с повышенным активным сопротивлением ротора, у которых s

>l.

Такие двигатели устойчиво работают во всем диапазоне скольжений от 0 до 1.

Двигатели с массивным стальным ротором. В случаях, когда не требуется

быстродействия и необходимо иметь устойчивую работу в диапазоне скольжений от 0 до

1, применяются двигатели со сталь-

ным массивным ротором. Эти двигатели отличаются от обычных асинхронных лишь

конструкцией ротора, который не имеет обмотки и представляет собой сплошной

массивный цилиндр. Обмотку ротора заменяют контуры вихревых токов в массивных

участках стали, которые вследствие вытеснения тока имеют большое активное

сопротивление, в результате чего критическое скольжение s

>1. Глубина проникновения

потока в тело массивного ротора зависит от частоты перемагничивания. При частоте

токов ротора f

= 1÷3 гц поток проникает в тело ротора на глубину до 20 мм, а при частоте

50 гц — всего до 2 мм. Малая глубина проникновения потока приводит к увеличению

индукции на поверхностных участках ротора вследствие уменьшения сечения слоя, по

которому проходит поток, поэтому значительно увеличивается намагничивающий ток

двигателя.

Ротор имеет большое индуктивное сопротивление, так как поток рассеяния свободно

замыкается по массиву. В результате повышенного намагничивающего тока и большого

индуктивного сопротивления ротора двигатель имеет низкий coscp. Большие потери на

вихревые токи и перемагничивание ротора снижают к. п. д. двигателя, поэтому двигатель

с массивным ротором имеет более низкий cosφ и к. п. д., чем двигатели обычного

исполнения.

Иногда с целью увеличения к. п. д. и вращающего момента при номинальном скольжении

омедняют поверхность ротора. В некоторых случаях омедняют торцевую поверхность

ротора или к торцам приваривают медные кольца.

Положительными свойствами двигателя с массивным ротором являются большой

пусковой момент, устойчивая работа во всем диапазоне скольжений, простота устройства

и надежность в работе.

Регулирование скорости вращения трех

фазных двигателей. Трехфазные асинхронные

двигатели обычно применяются для приводов, которые работают при постоянной

скорости вращения, однако в некоторых случаях встречается необходимость ее

изменения. Введением активного сопротивления в цепь обмотки ротора фазного

двигателя можно регулировать скорость вращения в сторону ее уменьшения.

Рассмотрим регулирование скорости при М

ст

= const. При введении в цепь ротора

регулировочного реостата ток двигателя, а следовательно, и его момент уменьшаются, в

результате чего двигатель начинает тормозиться. Увеличение скольжения вызывает

увеличение э. д. с. ротора и его тока до тех пор, пока не будет достигнуто прежнее

значение момента при пониженной скорости вращения.

Если увеличить активное сопротивление цепи ротора от значения r

2а

до r

2б

, то моментная

характеристика переходит с кривой а на кривую б (см. рис. 4.42). При этом скольжение

двигателя, определяемое точкой пересечения моментной характеристики с прямой

статистического момента М

ст

, увеличится от s

до s

. При увеличе-

264

нии сопротивления цепи ротора до r

2в

скольжение увеличится до s

и т. д. Этим способом

можно осуществлять плавную регулировку скорости вращения до 70% синхронной.

Недостаток способ — его неэкономичность, так как в регулировочном реостате имеются

большие потери энергии. Для регулирования скорости вращения запрещается

пользоваться пусковыми реостатами, так как они не рассчитаны на длительную работу.

Изменять вид момент-ной характеристики можно понижением напряжения на обмотке

статора. При этом, согласно выражения (4.67), М ≡ U

. Если при уменьшении

напряжения моментная ха-рактеритика переходит с кривой а на кривую б, то скольжение

двигателя увеличивается от s

до s

(рис. 4.47). Этот способ позволяет регулировать

скорость вращения в диапазоне скольжения от 0 до критического s

. У двигателей

обычного испол-

Рнс. 4.48. Момент-ные характеристики двигателя с массивным стальным ротором при изменении

напряжения

Рис. 4.49. Зависимость скорости вращения двигателя с массивным стальным ротором от напряжения сети

нения этим способом можно регулировать скорости вращения лишь в небольших

пределах. С увеличением активного сопротивления ротора диапазон регулирования

увеличивается.

265

У двигателей с массивным ротором s

>l. При изменении напряжения существенно

меняется их моментная характеристика

(рис. 4.48), в результате чего представляется возможным плавно регулировать скорость

вращения практически от нуля до максимального значения (рис. 4.49). На рис. 4.48

характеристики начинаются не от нуля, а от скольжения при холостом ходе.

Скорость вращения асинхронного двигателя можно регулировать изменением скорости

вращения поля статора, что осуществляется изменением частоты питающей сети или

изменением числа полюсов. При изменении частоты пита

ющей сети следует иметь в виду,

что в этом случае пропорционально изменяются угловая частота со и индуктивные

сопротивления x

и х'

. Поэтому для сохранения момента двигателя при изменении

частоты согласно (4.67) необходимо изменить подведенное напряжение U

. Недостатком

этого способа регулирования является необходимость иметь специальный генератор с

регулированием частоты и напряжения.

Асинхронный двигатель, допускающий переключение обмоток на различное число

полюсов называется многоскоростным. Для возможности изменения числа полюсов

обычно каждую фазу обмотки статора делят на две одинаковые части, которые включают

последовательно или параллельно (рис. 4.50). В некоторых случаях выполняют отдельные

обмотки на разные скорости вращения. Ротор многоскоростного двигателя делают

короткозамкнутым, так как в этом случае не требуется переключения числа полюсов на

обмотке ротора. Многоскоростные двигатели выпускаются на две, три и четыре скорости

вращения. При этом в пазах статора могут быть заложены одна или две раздельные

обмотки. Недостатком многоскоростных двигателей является уменьшение мощности при

тех же габаритных размерах и повышенная стоимость.

Рис. 4.50. Регулирование скорости вращения изменением числа полюсов обмотки статора: а—2р=4; б—2р=2

ВОПРОСЫ

1. Каким образом в асинхронной машине создается вращающий момент? Как зависит вращающий момент

от величины напряжения и частоты сети? Почему при введении в цепь ротора активного сопротивления во

время пуска ток асинхронного двигателя уменьшается, а момент увеличивается?

2. По каким данным можно построить круговую диаграмму? Как, пользуясь круговой диаграммой, можно

определить токи и моменты для различных нагрузок асинхронного двигателя?

266

3. Как изменится скольжение асинхронного двигателя при увеличении активного сопротивления обмотки

ротора? При каких скольжениях практически имеет место вытеснение тока? Отчего зависит устойчивая

работа двигателя?



267

§ 4.7. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ПИТАЕМЫЕ ОТ ОДНОФАЗНОЙ СЕТИ

Однофазный двигатель. Однофазная обмотка статора двигателя создает пульсирующую

м. д. с. Основную ее волну можно рассматривать как две вращающиеся в

противоположные стороны м. д. с, амплитуды которых равны половине пульсирующей.

Одна из них создает поток Ф

, другая — Ф

. Поток, вращающийся в ту же сторону, что и

ротор, называют прямым, а вращающийся

Рис. 4.51. Моментные характеристики однофазного двигателя

встречно — обратным. Если при вращении ротора его скольжение относительно прямого

потока равно s, то относительно обратного равно 2 — s.

На оси абсцисс (рис. 4.51) показаны шкалы скольжений ротора относительно обоих

потоков. Потоку Ф

соответствует моментная характеристика М

(пунктирная кривая 1, к

этой кривой относится верхняя шкала скольжений). Потоку Ф

соответствует моментная

характеристика М

(пунктирная кривая, к этой кривой относится нижняя шкала

скольжений). Кривая результирующего момента М однофазного двигателя получается как

наложение моментных характеристик M

и М

. Ордината результирующей

характеристики М при любом скольжении меньше, чем ордината характеристики,

создаваемой одним из вращающихся потоков.

Однофазный двигатель можно рассматривать как два последовательно соединенных в

сети одинаковых трехфазных двигателя, имеющих общий вал, магнитные потоки которых

вращаются встречно. Поэтому схема замещения (рис. 4.52) однофазного двигателя

состоит из двух последовательно соединенных схем для прямой и обратной

последовательностей. Активное сопротивление r'

ротора на схеме прямой

последовательности разделено на скольжение s,

на схеме обратной последовательности — на скольжение 2 — s. Электромагнитная

мощность P

эм

однофазного двигателя равна разности электромагнитных мощностей

прямой P

эм1

и обратной Р

эм2

последовательностей. С учётом (4.62)

268

где I'

и I'

— приведенные к обмотке статора токи прямой и обратной

последовательностей ротора. Электромагнитный момент

При неподвижном роторе (s = 1) момент М однофазного двигателя равен нулю, так как в

этом случае M

= М

. Если ротор раскрутить в какую-либо сторону (s≠1), то M

≠ М

, и в

результате этого возникает момент М, действующий в сторону вращения. При некотором

значении скольжения, определяемом на рис. 4.51 абсциссой точки б, момент М двигателя

становится больше момента М

ст

. Вследствие этого скорость двигателя начинает

увеличиваться. В точке а при М = М

ст

двигатель работает устойчиво.

При вращении ротора с небольшим скольжением s относительно прямого потока,

вызванный им ток обмотки ротора определяется в основном активным сопротивлением,

так как пропорциональное скольжению индуктивное сопротивление мало. При этих

условиях короткозамкнутая обмотка ротора лишь незначительно демпфирует (ослабляет)

прямой поток. В то же время скольжение ротора относительно обратного потока весьма

велико (2 — s). Вызванный этим потоком ток ротора не определяется активным

сопротивлением, так как оно оказывается ничтожно малым по сравнению с индуктивным,

пропорциональным скольжению (2 — s). Поэтому короткозамкнутая обмотка ротора по

отношению к обратному потоку действует как демпфирующий контур. В результате этого

при малом скольжении ротора результирующий поток однофазного двигателя в

некоторых случаях может быть близким к вращающемуся.

Рис. 4.52. Схема замещения однофазного асинхронного двигателя

Вызванный обратным потоком ток ротора увеличивает реактивную составляющую тока

статора, вследствие чего ток статора однофазного двигателя при холостом ходе больше, а

коэффициент мощности (cos φ) меньше, чем трехфазного. Кроме того, из-за добавочных

потерь, обусловленных обратным потоком, полные электрические потери однофазного

двигателя больше и к. п. д. его ниже. Максимальный момент однофазного двигателя

меньше, чем трехфазного.

В результате взаимодействия моментов, создаваемых прямым и обратным потоками,

максимальный момент однофазного двигателя зависит от величины, активного

сопротивления обмотки ротора (рис. 4.53). Для случаев, представленных на рис. 4.53,

269

сопротивления обмотки ротора взяты таким образом, чтобы s

< s

kб

< s

kв

= 1, где s

, s

kб

kв

критические скольжения для случаев а, б и в, представленных на рисунке. Если

активное сопротивление ротора настолько велико, что s

≥ 1, то результирующий момент

М является тормозным (рис. 4.53, в) и работа двигателя невозможна ни при каком

скольжении.

Пуск однофазного двигателя. Для создания пускового момента на статоре однофазного

двигателя помещают дополнительную пусковую обмотку, которую располагают под

углом 90 эл. град к основной. При сдвиге по фазе тока дополнительной обмотки по

отношению к току основной создается вращающееся в большинстве случаев

эллиптическое поле и возникает пусковой момент. Обычно основная обмотка А занимает

2/3 пазов, а дополнительная пусковая В — 1/3. Основную и дополнительную обмотки

соединяют по одной из схем, приведенных на рис. 4.54.

Следует заметить, что сдвиг токов на 90 эл. град можно получить лишь при включении в

цепь дополнительной обмотки емкости (рис. 4.54, в). При включении пусковой обмотки, в

цепи которой имеются токосмещающие элементы, разгон двигателя происходит по

кривой 1. При отсутствии пусковой обмотки зависимость момента от скольжения

представлена кривой 2. На рисунке видно, что при малых скольжениях (порядка 0,1)

кривая 1 пересекает кривую 2 и располагается ниже ее. Следовательно, при малых

скольжениях момент двигателя при включенной пусковой обмотке становится меньше,

поэтому пусковую обмотку рассчитывают на кратковременную работу, и после

достижения скорости вращения порядка 70 ÷ 80% номинальной ее отключают

центробежным выключателем или с помощью реле, характеристика переходит с точки а в

точку б, и дальнейший разгон происходит по кривой 2 двигателя с одной обмоткой на

статоре. В точке в, в которой момент механической характеристики равен номинальному

, устанавливается режим работы двигателя. Нерабочие участки кривых на рисунке

показаны пунктиром.

После отключения пусковой обмотки двигатель работает как однофазный с одной

обмоткой на статоре.

270