Лекция "Пуск двигателей с короткозамкнутым ротором. Короткозамкнутые асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми характеристиками"

§ 15.2. Пуск двигателей с короткозамкнутым ротором

Пуск непосредственным включением в сеть (рис. 15.3). Этот способ пуска, отличаясь простотой, имеет существенный не­достаток: в момент подключения двигателя к сети в обмотке ста­тора возникает большой пусковой ток, в 5—7 раз превышающий номинальный ток двигателя. При небольшой инерционности ис­полнительного механизма частота вращения двигателя быстро достигает установившегося значения и пусковой ток также быстро спадает, не вызывая перегрева обмотки статора. Но такой значи­тельный бросок тока в питающей сети может вызвать в ней замет­ное падение напряжения. Однако этот способ пуска благодаря своей простоте получил наибольшее применение для двигателей

Рис. 15.3. Схема непосредственного включения в сеть (а) и графики изменения тока и момента при пуске (б) асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

мощностью до 38—50 кВт и более (при достаточном сечении жил токоподводящего кабеля). При необходимости уменьшения пуско­вого тока двигателя применяют какой-либо из способов пуска короткозамкнутых двигателей при пониженном напряжении.

Пуск при пониженном напряжении. В соответствии с (15.1) пусковой ток двигателя пропорционален подведенному напряже­нию U₁, уменьшение которого вызывает соответствующее умень­шение пускового тока. Существует несколько способов пониже­ния подводимого к двигателю напряжения. Рассмотрим некоторые из них.

Для асинхронных двигателей, работающих при соединении обмоток статора треугольником, можно применить пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник (рис. 15.4, а). В момент подключения двигателя к сети переключатель ставят в положение «звезда», при котором обмотка статора оказывается соединенной в звезду. При этом фазное напряжение на статоре понижается в раз. Во столько же раз уменьшается и ток в фаз­ных обмотках двигателя (рис. 15.4, б). Кроме того, при соединении обмоток звездой линейный ток равен фазному, в то время как при соединении этих же обмоток треугольником линейный ток больше фазного в раз. Следовательно, переключив обмотки статора звездой, мы добиваемся уменьшения линейного тока в ( )² = 3 раза.

Рис. 15.4. Схема включения (а) и графики изменения мо­мента и тока (фазного) при пуске (б) асинхронного двига­теля с короткозамкнутым ротором переключением обмот­ки статора со звезды на треугольник

После того как ротор двигателя разгонится до частоты вра­щения, близкой к установившейся, переключатель быстро перево­дят в положение «треугольник» и фазные обмотки двигателя ока­зываются под номинальным напряжением. Возникший при этом бросок тока до значения I^/_пΔ является незначительным.

Рассмотренный способ пуска имеет существенный недостаток - уменьшение фазного напряжения в раз сопровождается уменьшением пускового момента в три раза, так как, согласно (13.19), пусковой момент асинхронного двигателя прямо пропор­ционален квадрату напряжения U₁. Такое значительное уменьше­ние пускового момента не позволяет применять этот способ пуска для двигателей, включаемых в сеть при значительной нагрузке на валу.

Описанный способ понижения напряжения при пуске приме­ним лишь для двигателей, работающих при соединении обмотки статора треугольником. Более универсальным является способ с понижением подводимого к двигателю напряжения посредством реакторов (реактивных катушек — дросселей). Порядок включения двигателя в этом случае следующий (рис. 15.5, а). При разомкнутом рубильнике 2 включают рубильник 7. При этом ток из сети поступает в обмотку статора через реакторы Р, на которых происходит падение напряжения j х_р (где х_р — индуктивное сопротивление реактора, Ом). В резуль­тате на обмотку ста­тора подается пони­женное напряжение

После разгона ро­тора двигателя включают рубиль­ник 2 и подводимое к обмотке статора напряжение оказы­вается номиналь­ным.

Недостаток это­го способа пуска состоит в том, что уменьшение напряжения в U^/₁/ U_1ном

Рис. 15.5. Схемы реакторного (а) и автотранс­форматорного (б) способов пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

раз сопровождается уменьшением пускового момента М_п в (U^/₁/ U_1ном)² раз.

При пуске двигателя через понижающий автотрансформа­тор (рис. 15.5, б) вначале замыкают рубильник 1, соединяющий обмотки автотрансформатора звездой, а затем включают рубиль­ник 2 и двигатель оказывается подключенным на пониженное напряжение U^/₁ . При этом пусковой ток двигателя, измеренный на выходе автотрансформатора, уменьшается в К_А раз, где К_А — ко­эффициент трансформации автотрансформатора. Что же касается тока в питающей двигатель сети, т. е. тока на входе автотрансформатора, то он уменьшается в К²_А раз по сравнению с пусковым током при непосредственном включении двигателя в сеть. Дело в том, что в понижающем автотрансформаторе первичный ток меньше вторичного в К_А раз и поэтому уменьшение пускового тока при автотрансформаторном пуске составляет К_АК_А = К²_А раз. Например, если кратность пускового тока асинхронного двигателя при непосредственном его включении в сеть составляет I_п/I_1ном = 6 , а напряжение сети 380 В, то при автотрансформатор­ном пуске с понижением напряжения до 220 В кратность пусково­го тока в сети I^/_п/ I_1ном = 6/ (380/220)² = 2 .

После первоначального разгона ротора двигателя рубильник 1 размыкают и автотрансформатор превращается в реактор. При этом напряжение на выводах обмотки статора несколько повышается, но все же остается меньше номинального. Включением ру­бильника 3 на двигатель подается полное напряжение сети. Таким образом, автотрансформаторный пуск проходит тремя ступенями: на первой ступени к двигателю подводится напряжение U₁ = (0,50÷0,60)U_1ном, на второй — U₁ = (0,70÷0,80)U_1ном и, наконец, на третьей ступени к двигателю подводится номинальное напря­жение U_1ном.

Как и предыдущие способы пуска при пониженном напряже­нии, автотрансформаторный способ пуска сопровождается умень­шением пускового момента, так как значение последнего прямо пропорционально квадрату напряжения. С точки зрения уменьше­ния пускового тока автотрансформаторный способ пуска лучше реакторного, так как при реакторном пуске пусковой ток в пи­тающей сети уменьшается в U^/₁/ U_1ном раз, а при автотрансформа­торном - в (U^/₁/ U_1ном)² раз. Но некоторая сложность пусковой операции и повышенная стоимость пусковой аппаратуры (пони­жающий автотрансформатор и переключающая аппаратура) не­сколько ограничивают применение этого способа пуска асинхрон­ных двигателей.

§ 15.3. 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 f₁, процесс «вытеснения» тока практически прекраща­ется и двигатель работает, как обычный короткозамкнутый.

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 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 15.6 Ротор с глубокими пазами:

а — устройство, б — распределение плотности тока ротора

по высоте стержня при пуске и при работе двигателя

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

асинхронного двигателя

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