Асинхронный двигатели улучшение пусковых характеристик

Рис 15.9. Механическая характеристика двухклеточного асинхронного двигателя

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 рабочейМ_раб.кклетокМ = М_пк + М_раб.к

Пуск в ход асинхронных электродвигателей

В начальный момент пуска скольжение s = 1, поэтому, пренебрегая током холостого хода, величина пускового тока I п будет равна
I п = U 1 / (√ [(r 1 + r’ 2 ) 2 + (x 1 + x’ 2 ) 2 ]).

Следовательно, улучшить пусковые свойства двигателя можно путем увеличения активного сопротивления цепи ротора r’ 2 , так как в этом случае уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент. В то же время напряжение U 1 по-разному влияет на пусковые характеристики: с уменьшением U 1 пусковой ток уменьшается, что благоприятно влияет на пусковые свойства двигателя, но одновременно это вызывает уменьшение пускового момента. Возможность применения того или иного способа улучшения пусковых характеристик определяется условиями эксплуатации двигателя и требованиями, которые к нему предъявляются.

Пуск в ход двигателя с короткозамкнутым ротором
Пуск в ход двигателя непосредственным включением в сеть. Этот способ пуска отличается от других своей простотой. Однако в момент подключения двигателя к сети в цепи статора возникает большой пусковой ток, в 5-7 раз превышающий номинальный ток двигателя. При малой инерционности исполнительного механизма скорость двигателя очень быстро возрастает до установленного значения, и ток спадает, достигая величины, соответствующей нагрузке двигателя. В этих условиях пусковой ток не представляет опасности для двигателя, поскольку он быстро спадает и не может вызвать перегрева обмоток машин. Но значительный бросок тока в цепи двигателя влияет на питающую сеть и при недостаточной мощности последней это влияние может выразиться в заметных колебаниях напряжения сети. Однако при современных мощных энергетических системах и сетях двигатели с короткозамкнутым ротором, как правило, запускаются непосредственным включением в сеть на полное напряжение.

При необходимости уменьшения пускового тока применяют какой-либо из способов пуска при пониженном напряжении.

Пуск в ход двигателя при пониженном напряжении. Пусковой ток двигателя пропорционален напряжению U 1 , поэтому уменьшение напряжения U 1 сопровождается соответствующим уменьшением пускового тока.

Имеется несколько способов понижения напряжения U 1 в момент пуска. Для асинхронных двигателей, работающих при соединении обмотки статора треугольником, у которых фазное напряжение равно напряжению сети, может быть применен пуск в ход переключением обмотки статора со звезды на треугольник. В момент подключения двигателя к сети переключатель устанавливают в положение «звезда», при котором обмотка статора оказывается соединенной звездой. В этом случае фазное напряжение на статоре понижается в √3 раз. Во столько же уменьшается и ток в фазных обмотках двигателя. Кроме того, при соединении обмоток звездой линейный ток равен фазному, в то время как при соединении треугольником он больше фазного в √3 раз. Следовательно, применение способа пуска в ход переключением статорной обмотки со звезды на треугольник дает уменьшение пускового (линейного) тока в три раза по сравнению с пусковым током при непосредственном подключении двигателя к сети. После того как ротор двигателя разгонится до скорости, близкой к номинальной, переключатель быстро переводят в положение «треугольник». Возникший при этом бросок тока обычно невелик и не влияет на работу сети. Однако описанный способ пуска имеет серьезный недостаток. Дело в том, что уменьшение фазного напряжения в √3 раз при пуске влечет за собой уменьшение пускового момента в (√3) 2 = 3 раза, так как пусковой момент двигателя прямо пропорционален квадрату напряжения. Такое значительное уменьшение пускового момента ограничивает применение этого способа пуска для двигателей, включаемых под нагрузкой на валу.

Снижение напряжения U 1 при пуске в ход асинхронного двигателя может быть достигнуто также с помощью реакторов или автотрансформатора. Порядок включения следующий. При разомкнутом рубильнике 2 включают рубильник 1. Ток из сети поступает в обмотку статора через реакторы Р, в которых происходит падение напряжения jI 1 x p (здесь x p – индуктивное сопротивление реактора). В результате на выводы статорной обмотки двигателя подводится пониженное напряжение Ù’ 1 = Ù 1 — jI 1 x p . После того как ротор двигателя разгонится и пусковой ток спадет, включают рубильник 2, и двигатель оказывается под полным напряжением сети U 1н .

Недостаток этого способа пуска состоит в том, что уменьшение напряжения в Ù 1 /U 1н раз сопровождается уменьшением начального пускового момента М п двигателя в (Ù 1 /U 1н ) 2 раз. Необходимое сопротивление реактора определяется по формуле:
x p = [U 1н (1 — K p )]/K p I п ,
где U 1н – номинальное (фазное) напряжение статорной обмотки;
K p = I’ п /I п – отношение пускового тока статора при пуске к пусковому току двигателя при пуске непосредственным включением в сеть; обычно K p = 0,65.

При автотранспортном пуске вначале замыкают рубильник 1, соединяющий звездой обмотки автотрансформатора. Затем замыкают рубильник 2, и двигатель оказывается включенным 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. Ток, измеренный на входе автотрансформатора, уменьшается в К 2 а раз по сравнению с пусковым током при непосредственном включении двигателя в сеть. Дело в том, что в понижающем автотрансформаторе первичный ток в К а раз меньше вторичного, а поэтому уменьшение пускового тока при автотрансформаторном пуске составляет К а ∙К а = К 2 а раз.

После того как ротор двигателя придет во вращение, рубильник 1 размыкают, и автотрансформатор превращается в реактивную катушку. При этом напряжение на выводах статорной обмотки несколько повышается. Включением рубильника 3 на зажимы двигателя подается полное напряжение сети U 1н . Таким образом, автотрансформаторный пуск происходит тремя ступенями: на первой ступени к двигателю подводят напряжение, равное 50-70% от номинального; на второй ступени, где трансформатор служит реактором, напряжение составляет 70-80% от номинального. Так как применение автотрансформатора дает уменьшение пускового тока в К 2 а раз
I’ п = I п / К 2 а ,
то мощность, на которую должен быть рассчитан пусковой автотрансформатор,
S a = 3U 1н I п (1 / К 2 а ),
где U 1н – номинальное (фазное) напряжение статорной обмотки;
I п — пусковой ток двигателя при пуске непосредственным включением в сеть.

Автотрансформаторный способ пуска, как и другие способы пуска асинхронных двигателей, основанные на уменьшении подводимого напряжения, сопровождается уменьшением пускового момента, так как величина последнего прямо пропорциональна квадрату напряжения. С точки зрения пусковых токов и пусковых моментов, автотрансформаторный способ пуска выгоднее реакторного, так как при одинаковом уменьшении напряжения пусковой ток при реакторном способе пуска уменьшается в раз, а при автотрансформаторном способе пуска – в (U’ 1 / U 1н ) 2 раз. Но сложность пусковой операции и высокая стоимость аппаратуры несколько ограничивают применение автотрансформаторного способа пуска асинхронных двигателей.

Пуск асинхронного двигателя

Пусковые свойства двигателей.

При пуске ротор двигателя, преодолевая момент нагрузки и момент инерции, разгоняется от частоты вращения п = 0 до п . Скольжение при этом меняется от s_п = 1 до s. При пуске должны выполняться два основных требования: вращающий момент должен бить больше момента сопротивления (М_вр>М_с) и пусковой ток I_п должен быть по возможности небольшим.

В зависимости от конструкции ротора (короткозамкнутый или фазный), мощности двигателя, характера нагрузки возможны различные способы пуска: прямой пуск, пуск с использованием дополнительных сопротивлений, пуск при пониженном напряжении и др. Ниже различные способы пуска рассматриваются более подробно.

Прямой пуск.

Пуск двигателя непосредственным включением на напряжение сети обмотки статора называется прямым пуском. Схема прямого пуска приведена на рис. 3.22. При включении рубильника в первый момент скольжение s = l, а приведенный ток в роторе и равный ему ток статора

, (3.37)

максимальны (см.п.3.19 при s=1). По мере разгона ротора скольжение уменьшается и поэтому в конце пуска ток значительно меньше, чем в первый момент. В серийных двигателях при прямом пуске кратность пускового тока k_I = I_П / I_1НОМ = ( 5,…,7), причем большее значение относится к двигателям большей мощности.

Значение пускового момента находится из (3.23) при s = 1:

,(3.38)

Из рис. 3.18 видно, что пусковой момент близок к номинальному и значительно меньше критического. Для серийных двигателей кратность пускового момента М_П/ М_НОМ = (1.0,…,1.8).

Приведенные данные показывают, что при прямом пуске в сети, питающей двигатель, возникает бросок тока, который может вызвать настолько значительное падение напряжение, что другие двигатели, питающиеся от этой сети, могут остановиться.

С другой стороны, из-за небольшого пускового момента при пуске под нагрузкой двигатель может не преодолеть момент сопротивления на валу и не тронется с места. В силу указанных недостатков прямой пуск можно применять только у двигателей малой и средней мощности (примерно до 50 кВт).

Пуск двигателей с улучшенными пусковыми свойствами.

Улучшение пусковых свойств асинхронных двигателей достигается использованием эффекта вытеснения тока в роторе за счет специальной конструкции беличьей клетки. Эффект вытеснения тока состоит в следующем: потокосцепление и индуктивное сопротивление X₂ проводников в пазу ротора тем выше, чем ближе ко дну паза они расположены (рис.3.23). Также X₂ прямо пропорционально частоте тока ротора.

Следовательно, при пуске двигателя, когда s=1 и f₂ = f₁ = 50 Гц , индуктивное сопротивление X₂ = max и под влиянием этого ток вытесняется в наружный слой паза. Плотность тока j по координате h распределяется по кривой, показанной на рис.3.24. В результате ток в основном проходит по наружному сечению проводника, т.е. по значительно меньшему сечению стержня, и, следовательно, активное сопротивление обмотки ротора R₂ намного больше, чем при нормальной работе. За счет этого уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент М_П (см. (3.37), (3.38) ).

По мере разгона двигателя скольжение и частота тока ротора падает и к концу пуска достигает 1 – 4 Гц. При такой частоте индуктивное сопротивление мало и ток распределяется равномерно по всему сечению проводника. При сильно выраженном эффекте вытеснения тока становится возможным прямой пуск при меньших бросках тока и больших пусковых моментах.

К двигателям с улучшенными пусковыми свойствами относятся двигатели, имеющие роторы с глубоким пазом, с двойной беличьей клеткой и некоторые другие.

Двигатели с глубокими пазами.

Как показано на рис.3.25, паз ротора выполнен в виде узкой щели, глубина которой примерно в 10 раз больше, чем ее ширина. В эти пазы-щели укладывается обмотка в виде узких медных полос. Распределение магнитного потока показывает, что индуктивность и индуктивное сопротивление в нижней части проводника значительно больше, чем в верхней части.

Поэтому при пуске ток вытесняется в верхнюю часть стержня и активное сопротивление значительно увеличивается. По мере разгона двигателя скольжение уменьшается, и плотность тока по сечению становится почти одинаковой.

В целях увеличения эффекта вытеснения тока глубокие пазы выполняются не только в виде щели, но и трапецеидальной формы. В этом случае глубина паза несколько меньше, чем при прямоугольной форме.

Двигатели с двойной клеткой.

В таких двигателях обмотки ротора выполняются в виде двух клеток (рис.3.26): во внешних пазах 1 размещается обмотка из латунных проводников, во внутренних 2 – обмотка из медных проводников.

Таким образом, внешняя обмотка имеет большее активное сопротивление, чем внутренняя. При пуске внешняя обмотка сцепляется с очень слабым магнитным потоком, а внутренняя – сравнительно сильным полем. В результате ток вытесняется во внешнюю клетку, а во внутренней тока почти нет.

По мере разгона двигателя ток из внешней клетки переходит во внутреннюю и при s =s_НОМ протекает в основном по внутренней клетке. Ток во внешней клетке при этом сравнительно небольшой.

Результирующий пусковой момент, складывающийся из моментов от двух клеток, значительно больше, чем у двигателей нормальной конструкции, и несколько больше, чем у двигателей с глубоким пазом. Однако следует иметь в виду, что стоимость двигателей с двойной клеткой ротора выше.

Пуск переключением обмотки статора.

Если при нормальной работе двигателя фазы статора соединены в треугольник, то, как показано на рис.3.27, при пуске первоначально они соединяются в звезду.

Для этого сначала включается выключатель Q, а затем переключатель S ставится в нижнее положение Пуск. В таком положении концы фаз Х, Y, Z соединены между собой, т.е. фазы соединены звездой. При этом напряжение на фазе в √3 раз меньше линейного.

В результате линейный ток при пуске в 3 раза меньше, чем при соединении треугольником. При разгоне ротора в конце пуска переключатель S переводится в верхнее положение и, как видно из рис. 3.27, фазы статора пересоединяются в треугольник.

Недостатком этого способа является то, что пусковой момент также уменьшается в 3 раза, так как момент пропорционален квадрату фазного напряжения, которое в √3 раз меньше при соединении фаз звездой. Поэтому такой способ применим при небольшом нагрузочном моменте и только для двигателей, нормально работающих при соединении обмоток статора в треугольник.

Пуск при включении добавочных резисторов в цепь статора.(рис. 3.28)

Перед пуском выключатель (пускатель) находится в разомкнутом состоянии и замыкается выключатель Q₁.

При этом в цепь статора включены добавочные резисторы R_ДОБ. В результате обмотка статора питается пониженным напряжением U_1n = U_1НОМ – I_nR_ДОБ. После разгона двигателя замыкается выключатель Q₂ и обмотка статора включается на номинальное напряжение U_1НОМ. Подбором R_ДОБ можно ограничить пусковой ток до допустимого.

Следует иметь в виду, что момент при пуске, пропорциональный U 2 _1П, будет меньше и составляет (U_1П / U_1НОМ) 2 номинального. Важно отметить, что при этом способе пуска значительны потери в сопротивлении R_ДОБ (R_ДОБI 2 _1n). Можно вместо резисторов R_ДОБ включить катушки с индуктивным сопротивлением Х_ДОБ, близким к R_ДОБ.

Применение катушек позволяет уменьшить потери в пусковом сопротивлении.

Автотрансформаторный пуск.

Кроме указанных способов можно применить так называемый автотрансформаторный пуск.

Соответствующая схема показана на рис.3.29.

Перед пуском переключатель S устанавливается в положение 1, а затем включается автотрансформатор и статор питается пониженным напряжением U_1П. Двигатель разгоняется при пониженном напряжении и в конце разгона переключатель S переводится в положение 2 и статор питается номинальным напряжением U_1ном.

Если коэффициент трансформации понижающего трансформатора n, тогда ток I на его входе будет в n раз меньше. Кроме того, пусковой ток будет также в n раз меньше, т.е. ток при пуске в сети будет в n 2 раз меньше, чем при непосредственном пуске.

Этот способ, хотя и лучше рассмотренных в п.3.14.7, но значительно дороже.

Пуск двигателя с фазным ротором.

Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется путем включения пускового реостата в цепь ротора, как это показано на рис.3.30.

Начала фаз обмоток ротора присоединяются к контактным кольцам и через щетки подключаются к пусковому реостату с сопротивлением Rp.

Приведенное к обмотке статора сопротивление пускового реостата Rp рассчитывается так, чтобы пусковой момент был максимальный, т.е. равен критическому. Так как при пуске скольжение s_П = 1, то s_П = 1 = s_К , равенство М_П = М _Пmaх = М_К будет обеспечено. Тогда

.

Пуск двигателя происходит по кривой, показанной на рис.3.31. В момент пуска рабочая точка на механической характеристике находится в положении а, а при разгоне двигателя она перемещается по кривой 1, соответствующей полностью включенному реостату.

При моменте, соответствующем точке е , включается первая ступень реостата и момент скачком увеличивается до точки b – рабочая точка двигателя переходит на кривую 2; в момент времени, соответствующей точке d, выключается вторая ступень реостата, рабочая точка скачком переходит в точку с и двигатель выходит на естественную характеристику 3 и затем в точку f. Реостат закорачивается, обмотка ротора замыкается накоротко, а щетки отводятся от колец.

Таким образом, фазный ротор позволяет пускать в ход асинхронные двигатели большой мощности при ограниченном пусковом токе. Однако этот способ пуска связан со значительными потерями в пусковом реостате.

Кроме того, двигатель с фазным ротором дороже двигателя с короткозамкнутым ротором. Поэтому двигатель с фазным ротором применяется лишь при больших мощностях и высоких требованиях к приводу.

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

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.

Дата добавления: 2015-01-19 ; просмотров: 59 ; Нарушение авторских прав