Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

обмотке и потоком взаимной индукции по отношению к вторичным

обмоткам.

Строгий в своей основе и удобный с практической точки зрения

метод расчетно-теоретического определения параметров Хр, и

Хр,

заключается в следующем.

По картине пазового поля, создаваемого током рабочей обмотки

(рис. 27-7, б), находится собственное потокосцепление стержня

рабочей обмотки и взаимное потокосцепление со стержнем

пусковой обмотки Ч^.р. Отношения

Ёр

—

Фр/fp',

= W

определяют собственную индуктивность стержня рабочей обмотки

и взаимную индуктивность стержней рабочей и пусковой обмо-

ток М

п р

от пазового поля.

Аналогично по картине поля, создаваемого током пусковой

обмотки (рис. 27-7, в), находится собственное потокосцепление пу-

сковой обмотки и взаимное потокосцепление стержней обеих

обмоток ?

р п

, а также собственная индуктивность стержня пуско-

вой обмотки

и взаимная индуктивность стержней обеих обмоток

М =Ч

* V р. п Р«п/

от пазового поля.

Очевидно, что М

= М

Индуктивности рассеяния стержней рабочей и пусковой обмо-

ток соответственно равны:

= L

-M

; S

= L

— М

п-р

. (27-10)

Величины L

, L

и М

можно рассчитать методом, аналогич-

ным рассмотренному ранее (см. § 23-3) методу расчета пазового

рассеяния. К величинам 5

, S„ и М

р п

необходимо прибавить

соответствующие индуктивности от лобовых полей обмоток. Умно-

жая найденные таким образом индуктивности на co

= 2я/

и на

коэффициент приведения сопротивлений k [см. равенство (24-32)],

получим индуктивные сопротивления лгр, и х

п р

схемы замещения

рис. 27-6.

Из рис. 27-7, бив следует, что пазовый поток пусковой обмотки

значительно меньше пазового потока рабочей обмотки. Кроме того,

из рис. 27-7, в видно, что поток пусковой обмотки создает почти

одинаковое потокосцепление с обеими обмотками. Поэтому

L r^M

'-а '"п.р»

в соответствии с выражениями (27-10) S

мало и

По этой причине также

Хр ^ Х

и иногда при проектировании двухклеточных двигателей прини-

мают

Геометрическое место токов и характеристики. Эквивалентное

активное сопротивление г двух параллельных ветвей вторичной

цепи схемы замещения (рис. 27-6) представляет собой более сложную

функцию скольжения, чем

сопротивление вторичйой

цепи одноклеточного двига-

теля r'Js (рис. 24-6). Кроме

того, и эквивалентное ин-

дуктивное сопротивление х

этих ветвей (рис. 27-6) яв-

ляется функцией скольже-

ния. Поэтому геометриче-

ское место токов двухкле-

точного двигателя (рис.

27-8) существенным обра-

зом отличается от окружности. Однако в области малых скольже-

ний и в области s« 1 концы векторов тока перемещаются по

кривым, которые с большой точностью представляют собой дуги

некоторых окружностей (рис. 27-8). Способы построения этих

окружностей описываются в ряде руководств [1, 3, 5, 21].

Для величин к. п. д., cos ф, максимального и пускового моментов

и пускового тока в общем действительны замечания, сделанные

в конце § 27-1 в отношении глубокопазного двигателя. Необходимо,

однако, отметить, что при проектировании двухклеточных двига-

телей имеется возможность варьировать в определенных пределах

сечения и удельные сопротивления стержней отдельных клеток,

а также глубину утопления рабочей клетки. В связи с этим крат-

ности пусковых моментов и токов у двухклеточных двигателей

могут изменяться в более широких пределах. Обычно у двухкле-

точных двигателей

£„ = ^ = 1,24-2,0; k

= j~ = 4,0-ь 6,0.

Характерный вид зависимости М = f (s) двухклеточного двига-

теля представлен на рис. 27-4 (кривая 3).

клеточного двигателя

§ 27-3. Другие разновидности асинхронных двигателей

с вытеснением тока. Асинхронные двигатели

отечественного производства

Из числа других конструктивных вариантов двигателей с вы-

теснением тока наряду с рассмотренными в 27-1 и 27-2 наибольшее

распространение получили двигатели с колбовидной и

трапецеидальной формой пазов (рис. 27-9). Форма

выполнения короткозамкнутых колец при колбовидной форме пазов

показана на рис. 27-9 справа.

Утолщение нижней части стержней (рис. 27-9) усиливает эффект

изменения сопротивлений при вытеснении тока по сравнению

с глубокопазным двигателем (см. рис. 27-1). Поэтому двигатели

с пазами по схеме рис. 27-9 приближаются по своим свойствам

к двухклеточным двигателям. В то же время в технологическом

отношении изготовление двигателей с пазами по схеме рис. 27-9

проще, чем двухклеточ-

ных. Наряду с двигате- а)

лями с колбовидной и тра-

пецеидальной формой паза

для тяжелых условий пу-

ска строятся также двух-

клегочные двигатели. Для

двигателей с Р„> 100квт

и 2d > 6 обычно ппиме-

Рис

' Колбовидная и трапецеидальная

—

* формы сечения стержней роторов

няются роторы С глубо- г г г

кими пазами.

В двигателях с короткозамкнутым ротором при 2р = 2 роторы

часто приходится выполнять с круглыми пазами, так как небольшая

высота ярма ротора не позволяет применять рассмотренные выше

формы пазов. В этом случае короткозамыкающие кольца на обоих

торцах ротора охватываются массивными стальными кольцами.

При пуске токи в короткозамыкающих кольцах индуктируют

в стальных кольцах большие токи, и в стальных кольцах возни-

кают значительные потери. Это эквивалентно увеличению актив-

ного сопротивления вторичной обмотки, что приводит к увеличению

пускового момента. В рабочем же режиме вследствие малой ча-

стоты токи, индуктируемые в стальных кольцах, незначительны.

Поэтому такие двигатели по своим свойствам приближаются к глу-

бокопазным.

В асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором мощ-

ностью 100—150 квт и ниже обмотка ротора выполняется путем

алюминиевой заливки. При этом с целью использования явления

вытеснения тока и улучшения пусковых характеристик приме-

няются вытянутые в радиальном направлении пазы той или иной

формы (рис. 27-10), которые заливаются алюминием по всему

сечению. Одновременно отливаются также короткозамыкающие

кольца с вентиляционными крылышками.

В связи с изложенным необходимо отметить, что во всех изго-

товляемых в СССР асинхронных двигателях с короткозамкнутым

ротором мощностью от 500—600 вт и выше используется явление

вытеснения тока, и поэтому, а также вследствие насыщения путей

потоков рассеяния такие двигатели обладают переменными пара-

метрами и для них круговая диаграмма токов действительна только

в пределах нормальных рабочих режимов. В двигателях мощностью

в несколько десятков ватт и ниже размеры пазов ротора получаются

настолько малыми, что использование эффекта вытеснения тока

в них обычно невозможно. Такие двигатели,

кроме того, имеют малое насыщение участ-

ков магнитной цепи, вследствие чего они

обладают постоянными параметрами и для

них круговая диаграмма действительна в пол-

ной мере.

В СССР асинхронные двигатели изготов-

ляются в виде унифицированных серий. Наи-

более массовым является выпуск двигателей

общепромышленного назначения с номиналь-

ными мощностями 0,6—100 кет. В течение

ряда послевоенных лет на такие мощности

в СССР выпускались двигатели с коротко-

замкнутым ротором серии А и АО, а в настоящее время выпускаются

двигатели модернизированной серии А2 и А02 с улучшенными

технико-экономическими показателями (А и А2 — защищенного

исполнения, АО и А02 — закрытого обдуваемого исполнения). Дви-

гатели этой серии охватывают 9 габаритов, от 1-го до 9-го, с наруж-

ными диаметрами сердечников статора от 133 до 458 мм, с несколь-

кими длинами в каждом габарите. Двигатели 1-го—5-го габаритов

выпускаются только в закрытом исполнении. Роторы всех двигателей

серии имеют алюминиевую заливку. Тип А02-72-4, например, озна-

чает: трехфазный короткозамкнутый двигатель серии А02 (закрытое

обдуваемое исполнение), 7-го габарита и 2-й длины, с 4 полюсами.

В качестве примера в табл. 27-1 приводятся номинальные и неко-

торые другие данные ряда асинхронных двигателей.

На базе нормальных двигателей серии А2 и А02, с использо-

ванием их основных деталей и узлов, предусматривается также

специальное исполнение двигателей: 1) с повышенным пусковым

моментом, 2) с повышенным скольжением, 3) для текстильной

промышленности, 4) многоскоростных, 5) с фазным ротором,

а также ряд других специальных исполнений (малошумные на

подшипниках скольжения, со встроенным электромагнитным

Рис 27-10 Формы па-

зов роторов двигателей

с заливкой алюминием

тормозом для быстрой остановки, рудничные, для тропического

климата и др.).

Таблица 27-1

Данные асинхронных двигателей

квт

л.

н-

об/мин

Чн

cos ф

Л.

'н

«п

С короткозамкнутым ротором

А02-11-4 0,6 220/380 1360 0,72

0,76

7,0

1,8

2,2

A02-1I-6 0,4

220/380 915

0,68

0,65 6,5

1,8

2,2

А02-41-4

4,0 220/380 1440

0,86 0,85 7,0

1,5

2,0

А02-41-6 3,0

220/380

955 0,83

0,78

6,5

1,3

1,8

А02-71-4

220/380 1450 0,90

0,90 7,0

1,2

2,0

208

А02-71-8 13

220/380

725

0,89 0,84 7,0

1Д

1,7

200

А02-92-4 100

220/380

1480

0,93 0,92 7,0

1,1

2,0 640

А02-92-8 55

220/380

735

0,92 0,90

0,92

7,0

1,1

1,7

625

А114-2М

400

6000 2970

0,930

0,90

0,92 7,0

1,4

2,6 2080

А114-10М 160 3000 590

0,919

0,825 5,6 1,75

2,4

1850

АН15-51-6 2000 6000 990

0,954

0,88 6,5

1,1

2,4

8900

С фазным ротором

АК51-4 2,8 220/380 1370

0,780 0,82

— —

2,2

81,5

АК71-8 10,0 220/380

700

0,815 0,76

— —

1,9

230

АК-92-4 100 220/380

1460 0,905 0,88

— —

2,8 715

АКП4-4М 320 6000 1480 0,959 0,90

— —

2,8

2100

АКН-15-51-6

2000

6000 990 0,924 0,89

— —

2,7 9600

Повышенный пусковой момент достигается специальной формой

пазов ротора, а повышенное номинальное скольжение — заливкой

ротора, силумином (сплав алюминия и кремния), который имеет

более высокое по сравнению с алюминием удельное сопротивление.

Двигатели с повышенным скольжением обладают в определенных

случаях лучшими средневзвешенными энергетическими показа-

телями при пульсирующей нагрузке. Двигатели большинства

текстильных машин имеют большой коэффициент использования,

т. е. они находятся в работе в течение большей части суток и несут

при этом номинальную или близкую к ней нагрузку. В этих усло-

виях экономически выгодно повышение к. п. д. двигателей, что

достигается выполнением двигателя в данных габаритах на меньшую

мощность. На металлообрабатывающих станках (токарных, фре-

зерных и др.) для облегчения и удешевления коробки скоростей

в большинстве случаев устанавливаются короткозамкнутые асин-

хронные двигатели, обмотка статора которых допускает переклю-

чение на разные числа полюсов, в результате чего двигатель имеет

несколько номинальных скоростей вращения (см. § 28-2).

Кроме двигателей серии А2 и А02, в СССР изготовляются

также асинхронные двигатели других серий, в том числе

на мощности ниже 0,6 кет и выше 100 кет. Выпускаются

также двигатели ряда специальных серий (взрывобезопасные,

крановые и др.).

Глава двадцать восьмая

ПУСК ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

И РЕГУЛИРОВАНИЕ ИХ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ

§ 28-1. Способы пуска асинхронных двигателей

Общая характеристика вопроса. Прямой пуск. При рассмотре-

нии возможных способов пуска в ход асинхронных двигателей

необходимо учитывать следующие основные положения: 1) двига-

тель должен развивать при пуске достаточно большой пусковой

момент, который должен быть больше статического момента сопро-

тивления на валу, чтобы ротор двигателя мог прийти во вращение

и достичь номинальной скорости вращения; 2) величина пускового

тока должна быть ограничена таким значением, чтобы не происхо-

дило повреждения двигателя и нарушения нормального режима

работы сети; 3) схема пуска должна быть по возможности простой,

а количество и стоимость пусковых устройств — малыми.

При пуске асинхронного двигателя на холостом ходу в активном

сопротивлении его вторичной цепи выделяется тепловая энергия,

равная кинетической энергии приводимых во вращение маховых

масс, а при пуске под нагрузкой количество выделяемой энергии

соответственно увеличивается. Выделение энергии в первичной

цепи обычно несколько больше, чем во вторичной. При частых*

пусках, а также при весьма тяжелых условиях пуска, когда махо-

вые массы приводимых в движение механизмов велики, возникает

опасность перегрева обмоток двигателя. Подробно динамика дви-

жения электропривода и энергетические соотношения при пуске

рассматриваются в курсах электропривода. Число пусков асин-

хронного двигателя в час, допустимое по условиям его нагрева,

тем больше, чем меньше номинальная мощность двигателя и чем

меньше соединенные с его валом маховые массы. Двигатели мощ-

ностью 3—10 кет в обычных условиях допускают до 5—10 вклю-

чений в час.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проще

по устройству и обслуживанию, а также дешевле и надежнее в ра-

боте, чем двигатели с фазным ротором.

Поэтому всюду, где это возможно, применяются двигатели

с короткозамкнутым ротором и подавляющее большинство на-

ходящихся в эксплуатации асинхронных двигателей являются

двигателями с короткозамкнутым ротором.

Наиболее простым способом пуска двигателя с короткозам-

кнутым ротором является включение обмотки его статора непо-

средственно в сеть, на номинальное напряжение обмотки статора

(рис. 28-1, а).Такой пуск называется прямым.

реключением со звезды на треугольник

При этом пусковой ток двигателя /„ = (4 т- 7,0) /

Современные асинхронные двигатели с короткозамкнутым рото-

ром проектируются с таким расчетом, чтобы они по величине возни-

кающих при пуске электродинамических усилий, действующих на

обмотки, и по условиям нагрева обмоток допускали прямой пуск.

Поэтому прямой пуск всегда возможен, когда сеть достаточно мощна

и пусковые токи двигателей не вызывают недопустимо больших

падений напряжения в сети (не более 10—15%). Современные

энергетические системы, сети и сетевые трансформаторные под-

станции обычно имеют такие мощности, что в подавляющем

большинстве случаев возможен прямой пуск асинхронных дви-

гателей.

Нормальным способом пуска двигателей с короткозамкнутым

ротором поэтому является прямой пуск.

Нередко таким образом осуществляется пуск двигателей мощ-

ностью в тысячи киловатт.

Если по условиям падения напряжения в сети прямой пуск

двигателя с короткозамкнутым ротором невозможен, применя-

ются различные способы пуска двигателя при пониженном напря-

жении (рис. 28-1, б, в и г). Однако при этом пропорционально

квадрату напряжения на зажимах обмотки статора или квадрату

пускового тока двигателя понижается также пусковой момент,

что является недостатком пуска при пониженном напряжении.

Поэтому эти способы пуска применимы, когда возможен пуск

двигателя на холостом ходу или под неполной нагрузкой. Необ-

ходимость пуска при пониженном напряжении встречается чаще

всего у мощных высоковольтных двигателей.

Реакторный пуск осуществляется согласно схеме рис. 28-1, б.

Сначала включается выключатель В1, и двигатель получает питание

через трехфазный реактор (реактивную или индуктивную катушку)

Р, сопротивление которого х

ограничивает величину пускового

тока. По достижении нормальной скорости вращения включается

выключатель В2, который шунтирует реактор, в результате чего

на двигатель подается нормальное напряжение сети.

Пусковые реакторы строятся обычно с ферромагнитным сердеч-

ником (см. § 18-4) и рассчитываются по нагреву только на крат-

ковременную работу, что позволяет снизить их вес и стоимость.

Для весьма мощных двигателей применяются также реакторы

без ферромагнитного сердечника, с обмотками, укрепленными

на бетонном каркасе. Выключатель В1 выбирается на такую от-

ключающую мощность, которая позволяет отключить двигатель

при глухом коротком замыкании за выключателем, а выключатель

В2 может иметь низкую отключающую мощность.

Если составляющие сопротивления короткого замыкания дви-

гателя равны г

и х

, то начальный пусковой ток при прямом пуске

а при реакторном пуске, при пренебрежении активным сопротив

лением реактора,

Гл. 28] Пуск и регулирование скорости вращения 369

Следовательно, при реакторном пуске начальный пусковой

ток уменьшается в

'„.р V

ъ+

(28-1)

раз. Во столько же раз уменьшается также напряжение на зажимах

двигателя в начальный момент пуска. Начальный пусковой момент

при реакторном пуске М

ПшР

уменьшаете» по сравнению с моментом

при прямом пуске М

Двигатель Сеть

(28-2)

Рис. 28-2. Прямая (а) и

обратная (6) схемы вклю-

чения пусковых авто-

трансформаторов

раз.

В приведенных соотношениях не учи-

тывается изменение величины х

при изме-

нении величины пускового тока. При необ-

ходимости нетрудно учесть это изменение.

Автотрансформаторный пуск осущест-

вляется по схеме рис. 28-1, в в следующем

порядке. Сначала включаются выключатели

В1 и В2, и на двигатель через автотранс-

форматор AT подается пониженное напря-

жение. После достижения двигателем опре-

деленной скорости выключатель В2 отклю-

чается, и двигатель получает питание через часть обмотки авто-

трансформатора AT, который в этом случае работает как реактор.

Наконец включается выключатель ВЗ, в результате чего двигатель

получает полное напряжение.

Выключатель В1 должен быть выбран на отключающую мощ-

ность при коротком замыкании, а выключатели В2 и ВЗ могут

иметь, меньшие отключающие мощности. Пусковые автотрансфор-

маторы рассчитываются на кратковременную работу. Согласно

ГОСТ 3211—46, пусковые автотрансформаторы должны иметь от-

ветвления, соответствующие величинам вторичного напряжения,

равным 73, 64 и 55% от первичного при прямой схеме включения

и 45, 36 и 27% при обратной схеме включения (рис. 28-2). В каждом

конкретном случае выбирается подходящая ступень напряжения.

Если пусковой автотрансформатор понижает- пусковое напряже-

ние двигателя в к

раз, то пусковой ток в двигателе или на стороне

НН автотрансформатора /

уменьшается также в &

ат

раз, а пуско-

вой ток на стороне ВН автотрансформатора или в сети /

п с

умень-

шается в А|

раз. Пусковой момент М

, пропорциональный

квадрату напряжения на зажимах двигателя, уменьшается также

в &ат раз.

Таким образом, при автотрансформаторном пуске М

и /

п с

уменьшаются в одинаковое число раз. В то же время при реактор-

ном пуске пусковой ток двигателей /

П д

является также пусковым

током в сети /

п с

и пусковой момент М„ уменьшается быстрее пуско-

вого тока (в квадратичном отношении). Поэтому при одинаковых

величинах /

п с

при автотрансформаторном пуске пусковой момент

будет больше. Однако это преимущество автотрансформаторного

пуска достигается ценой значительного усложнения и удорожания

пусковой аппаратуры. Поэтому автотрансформаторный пуск при-

меняется реже реакторного, при более тяжелых условиях, когда

реакторный пуск не обеспечивает необходимого пускового мо-

мента.

Пуск переключением «звезда — треугольник» (рис. 28-1, г)

может применяться в случаях, когда выведены все шесть концов об-

мотки статора

двигатель нормально работает с соединением обмотки

статора в треугольник, например, когда двигатель на 380/220 в и

с соединением обмоток Y/Д работает от сети 220 е. В этом случае

при пуске обмотка статора включается в звезду (нижнее положение

переключателя Я на рис. 28-1, г), а при достижении нормальной

скорости вращения переключается в треугольник (верхнее поло-

жение переключателя П на рис. 28-1, г). При таком способе пуска

по сравнению с прямым пуском при соединении обмотки в треуголь-

ник напряжение фаз обмоток уменьшается в УЗ раза, пусковой

момент уменьшается в (|/3)

= 3 раза, пусковой ток в фазах об-

мотки уменьшается в V 3 раза, а в сети — в УЗ

•

]/3 =3 раза. Та-

ким образом, рассматриваемый способ пуска равноценен автотранс-

форматорному пуску при k

= у"3.

Недостатком этого способа пуска по сравнению с реакторным

и автотрансформаторным является то, что при пусковых переклю-

чениях цепь двигателя разрывается, что связано с возникновением

коммутационных перенапряжений. Этот способ ранее широко при-

менялся при пуске низковольтных двигателей, однако с увеличе-

нием мощности сетей потерял свое прежнее значение и в настоящее

время используется сравнительно редко.

Пуск двигателя с фазным ротором с помощью пускового рео-

стата. Двигатели с фазным ротором применяются значительно реже

двигателей с короткозамкнутым ротором. Они используются в сле-

дующих случаях: 1) когда двигатели с короткозамкнутым ротором

неприемлемы по условиям регулирования их скорости вращения

(см. § 28-2); 2) когда статический момент сопротивления на валу

при пуске М

ст

велик и поэтому асинхронный двигатель с коротко-

замкнутым ротором с пуском при пониженном напряжении непри-

емлем, а прямой п^ск такого двигателя недопустим по условиям

воздействия больших пусковых токов на сеть; 3) когда приводимые