Дрючин В.Г., Ткачев Р.Ю. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи

Подождите немного. Документ загружается.

242

гателя может вызвать недопустимое снижение напряжения в питающей сети

недостаточной мощности, что неблагоприятно сказывается на работе включенных

приемников, то для ограничения пускового тока пуск двигателя осуществляется при

пониженном (каким-либо способом) напряжении.

Пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник выполняется по

схеме на рис. 11.17,б и иногда применяется для двигателей средней мощности, обмотка

статора которых в рабочем режиме соединена треугольником. При таком пуске, как

было сказано в п. 4.8, линейный ток, момент и мощность двигателя уменьшаются в три

раза.

Пуск через автотрансформатор осуществляется по схеме на рис. 11.17, в. При

пуске включением главного рубильника QS1 к статору двигателя через

автотрансформатор подводится пониженное напряжение, которое постепенно

повышают. Затем, когда ротор двигателя разгонится и достигнет частоты вращения,

близкой к рабочей, включается рубильник QS2, который закорачивает

автотрансформатор и подает на статор полное напряжение сети.

При автотрансформаторном пуске в сравнении с прямым пуском фазное

напряжение двигателя а следовательно, и пусковой ток Uдв. уменьшаются в К

раз, т. е.

Iдв.п=I1п/К, где коэффициент трансформации автотрансформатора К= U1/U2. Так

как ток первичной обмотки автотрансформатора меньше тока вторичной обмотки в

К раз, то пусковой ток в сети I1= I1п/

Соответственно пусковой момент

двигателя, пропорциональный квадрату напряжения, также уменьшается в

раз.

Пуск двигателя через индуктивное сопротивление (реактор) в цепи статора

применяется в мощных двигателях, в основном ВН (З и б кВ). Схема реакторного пуска

двигателя аналогична рис. 11.17, в, только вместо трехфазного автотрансформатора

243

включаются три реактора А, В, С (рис. 11.17, е). На схемах реактор обозначается

так, как показано на рис. 11.17, д.

11.19. Асинхронные двигатели

с улучшенными пусковыми свойствами

Чтобы сохранить достоинства короткозамкнутого асинхронного двигателя и

улучшить его пусковые свойства (без увеличения активного сопротивления обмотки

ротора), было предложено много различных конструкций короткозамкнутых

двигателей, из которых в настоящее время (особенно средней и большой мощностей)

широко применяются два типа: двигатель с двойной «беличьей клеткой» в роторе и

двигатель с глубоким пазом в роторе. Их статор обычный, отличие только в

конструкции ротора. Пуск этих двигателей осуществляется непосредственным

включением в сеть.

Двигатель с двойной «беличьей клеткой» в р о т о р е был предложен еще

М. О. Доливо-Добровольским. Ротор двигателя (рис. 11.18, а) имеет для

короткозамкнутых, коаксиально расположенных обмотки (клетки). Наружная обмотка

П (пусковая) изготовляется обычно из тонких латунных (с примесью марганца)

или бронзовых стержней, имеет малое инду

ктивное и большое активное сопротивления

и рассчитывается так, чтобы пусковой момент обмотки был максимальным.

Внутренняя обмотка Р (рабочая), наоборот изготавливается из толстых медных

стержней с малым активным сопротивлением (в четыре-пять раз меньше

сопротивления наружной обмотки) и значительным индуктивным сопротивлением

благодаря глубокому расположению в теле ротора и выходу концов стержней наружу.

Стержни обмоток в торцах ротора обычно привариваются к замыкающим медным

244

кольцам, которые могут быть и общими.

В роторе двигателя поля рассеяния замыкаются в сердечнике ротора и сцеплены

лишь с его обмотками (рис. 11.18, 6). Поля рассеяния в роторе создаются токами I

2п и

I2 р в его обмотках П, Р и пропорциональны этим токам. Потокосцепления рассеяния

обмоток

рп

рр

ψ индуцируют в них э. д. с. самоиндукции Е2п и Е2р, которые

отображаются соответствующими индуктивными сопротивлениями обмоток Х2п и

Х2р. В соответствии с равенством (11.9) действующие э. д. с. самоиндукции

Е2п= Х2п*I2п, Е2р= Х2р*I2р. При этом стержни наружной клетки П сцеплены с

магнитными силовыми линиями поля рассеяния только своей обмотки (см. рис. 11.18, 6)

и имеют малое индуктивное сопротивление Х2п. Наоборот, .стержни внутренней

обмотки Р, погруженной глубоко в тело ротора, обладают относительно большим

индуктивным сопротивлением Х2р, особенно в момент пуска (8 1), так как сцеплены с

полем рассеяния своей обмотки и полем рассеяния обмотки П.

В электрическом отношении пусковая и рабочая обмотки ротора соединены

параллельно и токи I2п, I2р в них распределяются обратно пропорционально

сопротивлениям обмоток Z2п, Z

2р и пропорционально э. д. с. При пуске ток в наружной

обмотке I2п ограничивается большим ее активным со

противлением и почти совпадает

по фазе с э. д. с. в ней. Взаимодействие этого тока с вращающимся полем машины

создает относительно большой пусковой момент двигателя Мп (рис. 11А8,г).

Наоборот, внутренняя обмотка при пуске имеет относительно малый ток I2р

значительно отстающий по фазе от э. д. с. Е2р.

Поэтому этот ток, взаимодействуя с

вращающимся полем машины, создает незначительный момент Мр. Ток ротора в

начале пуска вытесняется в наружную пусковую обмотку. По мере разгона двигателя

с уменьшением частоты тока ротора индуктивное сопротивление рабочей обмотки с

малым активным сопротивлением уменьшается, а ток и вращающий момент

увеличиваются.

Так как обе обмотки находятся в одном роторе, то их вращающие моменты

складываются (см. рис. 11. 18,г), пусковой момент наружной обмотки почти

245

равен пусковому моменту двигателя Мп, а в рабочем режиме почти весь вращающий

момент создается внутренней обмоткой Р.

Таким образом, в асинхронном двигателе с двойной «белич

ьей клеткой» в роторе

пусковой ток статора ограничивается благодаря значительном у активному

сопротивлению пусковой обмотки и большому индуктивному сопротивлению рабочей

обмотки ротора в момент пуска:

I1п=3-5 I1ном. Пусковой момент двигателя Мп = 2-3 Мном.

В двигателях этого типа с пусковым моментом менее 1,6 Мном ротор с двойной

клеткой часто заменяется более простым одноклеточным ротором с пазами

специальной формы (рис. 11. 18,в), которые заливаются расплавленным алюминием.

Д в и г а т е л ь с г л у б о к и м п а з о м в р о т о р е является упрощенной

разновидностью двигателя с двойной короткозамкнутой обмоткой. Стержни пусковой

и рабочей клеток ротора объединены, «беличья клетка» ротора отливается целиком из

алюминия (рис. 11. 19,а). Применяются также стержни с трапецеидальной,

двухступенчатой и колбообразной формами. Улучшение пусковых свойств двигателя

основано на явлении вытеснения тока из нижних слоев стержней клетки в верхние.

Любой стержень клетки ротора мысленно можно разделить на ряд слоев со

своими током и полем рассеяния. Из рис. 11.19,6 следует, что нижние слои проводников

сцеплены с большей частью поля рассеяния, чем верхние, и имеют большую

индуктивность. В результате индуктивное сопротивление стержня в сечении

увеличивается в направлении к оси ротора и ток вытесняется из нижних слоев в

верхние. Соответственно плотность тока j

увеличивается в обратном направлении по

высоте сечения (линия 1 на рис. 11.19,в). Эффект будет максимальным при пуске

двигателя. Из-за явления вытеснения тока, особенно во время пуска, полезное сечение

стержней клетки для тока Ротора уменьшается, что эквивалентно увеличению его

активного со-

противления, от которого зависят пусковые ток и момент двигателя:

I1п=3-5I1ном; Мп=1-2Мном.

По мере разгона двигателя скольжение и частота ротора уменьшаются.

Соответственно уменьшается и индуктивное сопротивление обмотки ротора до

небольшого значения. Ток в стержнях распределяется почти равномерно по сечению

(линия 2 на рис. 11.19,в) и двигатель работает как обычный короткозамкнутый.

Механическая характеристика двигателя почти такая же, как и конструктивно более

сложного двигателя с двойной короткозамкнутой обмот

кой ротора (см. рис. 11.18,г). В

настоящее время асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми свойствами входят

в единую серию выпускаемых асинхронных двигателей.

11.20. Реверсирование и регулирование частоты вращения

асинхронных двигателей

Ротор асинхронного двигателя увлекается вращающимся магнитным полем

машины, направление вращения которого определяется порядком чередования фаз

трехфазной обмотки статора (см. п. 11.1). Следовательно, для реверсирования

двигателя необходимо изменить направление вращения его поля, для чего достаточно

поменять местами любые два провода (из трех), соединяющих обмотку статора с

246

трехфазной сетью.

Трудность и ограниченность регулирования частоты вращения — один из

основных недостатков асинхронных двигателей. Поэтому они чаще всего применяются

в нерегулируемых приводах. Основные способы регулирования вращения асинхронных

двигателей вытекают из уравнения частоты вращения ротора (11.6):

n=(1-S)*60*f1/p. (11.77)

Таким образом, частота вращения асинхронного двигателя уменьшается с

увеличением скольжения, пропорциональна частоте переменного i-пока, питающего

статор, и обратно пропорциональна числу пар полюсов статора [11].

Регулирование частоты вращения изменением скольжения S практически

возможно лишь у асинхронных двигателей с фазным ротором с помощью специального

пускорегулирующего реостата Rпр в цепи ротора. Из-за неэкономичности

(значительные потери энергии в Rпр снижают к. п. д.) такое регулирование

применяется сравнительно редко.

Изменение частоты тока статора f1 позволяет осуществлять плавное

регулирование частоты вращения асинхронного двигателя в широких пределах. Однако

это регулирование используется пока редко.

Так как частота промышленного тока постоянна (f

1=50 Гц), то для частотного

регулирования необходимы источники тока переменной частот

ы (например, громоздкие

и дорогостоящие преобразовательные агрегаты с автономным трехфазным

синхронным генератором) либо преобразователи частоты. Способ является

перспективным с внедрением полупроводниковых (тиристорных) трехфазных

преобразова-

247

елей частоты. Они компактны, обладают высоким к. п. д., но пока еще несовершенны

и имеют сравнительно высокую стоимость. Тиристорные преобразователи частоты

включаются между трехфазной сетью с частотой 50 Гц и асинхронным двигателем.

Регулирование частоты вращения двигателя изменением числа пар полюсов р

статора---самое распространенное, но применимо только в многоскоростных

короткозамкнутых асинхронных двигателях. Такое ступенчатое регулирование

сводится к изменению частоты вращения результирующего магнитного поля машины

п0=60f1/p максимальное значение которой при частоте 50 Гц и р =

1 равно 3000 об/мин.

Ротор многоскоростного двигателя —

обычный (короткозамкнутый), а статор

имеет одну или две самостоятельных трехфазных обмоток на разное количество

катушек в каждой фазе.

Переключение трехфазной обмотки статора на разное число пар полюсов

осуществимо лишь для обмоток статора с четным количеством катушек в каждой

фазе и может быть выполнено по-разному (при условии Рном = соnst или Мном = соnst

Для упрощения рассуждений рассмотрим одну фазу двигателя с двумя катушками (рис.

11.20,а). Как следует из распределения магнитных силовых линий поля, такой статор с

трехфазной обмоткой имеет две пары полюсов, а следовательно, синхронную частоту

вращения п0=60*f1/p=60*50/2=1500 об/мин.

248

Если такую обмотку переключить так, чтобы катушки в фазе тоже соединялись

последовательно, но направление тока во второй из них изменилось на обратное, как

показано на рис. 10.20, 6, то статор будет иметь р = 1 и n0= 3000 об/мин.

Соответственно изменит частоту вращения и ротор двигателя. При таком

переключении обмотки статора номинальная мощность двигателя Рном

не изменяется,

зато уменьшается почти в два раза номинальный момент (Мном=9550Рном/n) из-за

увеличения частоты вращения ротора п.

Если же катушки обмотки статора переключить на параллельное соединение

(рис. 11.20,в), то статор двигателя также изменит число пар полюсов на р =

1, а

п0=

3000 об /мин. В этом случае напряжение, подводимое к катушке обмотки статора,

и магнитный поток полюса машины (

) увеличатся в два раза, как и полюсное

деление статора. В результате средняя магнитная индукция в зазоре, как и

номинальный вращающий момент, останется неизменной, а номинальная мощность

увеличится почти в два раза благодаря увеличению в два раза частоты вращения

ротора. Физически это объясняется тем, что при переключении катушек обмотки

статора с последовательного соединения (р = 2) на параллельное (р = 1) при U1 = соnst

ток статора I1 увеличивается не в четыре, а в два раза из-

за увеличения в два раза э. д.

с. Е1 в каждой из катушек.

Практически широко применяются две схемы переключения статора: с

одинарной звезды на двойную ---Y/YY при М0 = соnst (рис. 11.20,г) и с треугольника на

двойную звезду---. ∆/YY (рис. 11.20,д) с изменением мощности и момента (на 15 %) из-

за

изменения способа соединения фазных обмоток (с ∆ на Y).

Наша промышленность серийно изготовляет двух-, трех-

и четырехскоростные

асинхронные двигатели, например четырехскоростные с двумя независимыми

обмотками и переключением каждой из них на разные частоты вращения с шестью и

четырьмя катушками в фазе на синхронные частоты вращения

п0 = 500/750/1000/1500 об/мин. Переключение обмоток обычно осуществляется

контроллером.

В некоторых случаях применяется регулирование частоты вращения

асинхронных двигателей в малых пределах изменением напряжения на обмотке

249

статора. Такое регулирование сопровождается резким снижением перегрузочной

способности (Мmах) и пускового момента Мп двигателя, так как

. Изменение

(снижение) напряжения, подводимого к статору двигателя при М = соnst

, производится

включением в цепь статора резистора с переменным активным сопротивлением,

индуктивных катушек с выдвижными сердечниками или дросселей насыщения, а в

мощных двигателях --- с помощью автотрансформаторов.

В процессе эксплуатации заводская маркировка выводов трехфазной обмотки

статора двигателя может быть перепутана или вовсе отсутствовать из-за потери

бирок. В этом случае «прозваниванием» определяются выводы, принадлежащие одной и

той же фазе обмотки стат

ора (омметром или обычной лампой по схеме на

рис. 11 .21 ,а).

На выводы фаз предварительно произвольно навешиваются бирки. Если за

исходную взять первую фазу с ее выводами С1—С4, то начало С2 и конец С5 второй

фазы можно легко определить с помощью вольтметра по схеме на рис. 11.21,6. для

этого третья фаза СЗ—С6 включается на вольтметр, а вторая — последовательно с

первой и к ним кратковременно подводится напряжение источника. Статор двигателя

превращается в трансформатор: если вольтметр дает показание, то э. д. с. первой и

второй фаз действуют согласно - с концом первой обмотки С4

соединено начало второй

С2; если же вольтметр покажет нуль, то э. д. с. обмоток действуют встречно и с

концом первой обмотки С4 соединен конец второй обмотки С5, их бирки необходимо

поменять местами. Выводы третьей фазы определяются аналогично.

11.21. Тормозные режимы асинхронного двигателя

Быстрый останов рабочих машин, приводимых в движение электродвигателям

и,

особенно в автоматизированном приводе с циклическим характером работы,

производится как с помощью механических и электромеханических тормозов, так и

электрическими способами торможения. Последние отличаются простотой,

удобством, надежностью и не требуют дополнительного оборудования. для

электрического торможения используются свойства электродвигателя развивать

тормозной момент в специальных режимах. Из электрических практически находят

применение три способа торможения электродвигателей: противовключением,

генераторное (или рекуперативное) и динамическое.

Рабочему и тормозным режимам асинхронного двигателя соответствуют

определенные участки механической характеристики машины п (М),

показанной на

рис. 11.22,а.

Торможение двигателя противовключением происходит в том случае, когда

ротор под действием внешнего момента вращается против поля машины. Практически

такое торможение осуществляется

переключением на ходу двигателя двух фаз обмотки статора,

что приводит к быстрому изменению направления вра-

250

щения почти безинерционного магнитного поля и созданию в машине тормозного

момента, действующего против вращающегося по инерции ротора. Ротор и поле

вращаются в противоположные стороны. Если при э

том торможении замедливший до

нуля вращение двигатель не отключить от сети, то произойдет разгон двигателя в

обратную сторону (реверсирование).

Механическая характеристика двигателя, соответствующая торможению

противовключением ТП, является продолжением характеристики режима двигателя

РД (первый квадрант) и располагается в четвертом квадранте на рис. 11.22, а (от S

до S=2). Для ограничения большого тока в асинхронном двигателе с фазным ротором в

цепь ротора на время торможения включается реостат.

Недостаток торможения противовключением ---повышенное потребление

энергии из сети и возможный перегрев обмоток двигателя (двигатель продолжает

потреблять энергию из сети со значительно большим током из-за увеличенных э. д. с.

ротора и скольжения).

Генераторное торможение сопровождается отдачей двигателем энергии в

сеть и потому называется еще рекуперативным.

Принципиально генераторный режим

работы асинхронного двигателя, как сказано в п. 11.1, возможен лишь при условии, если

ротор будет обгонять магнитное поле машины (n > п0), что соответствует

отрицательному скольжению. Механическая характеристика генераторного

торможения двигателя ТГ на рис. 11 .22,а располагается в верхней части второго

квадранта. Она является продолжением характеристики машины, работающей в

режиме двигателя РД, и соответствует скольжениям от S=0 до S= -1. Из-за

отрицательного скольжения в режиме генераторного торможения максимальный

момент имеет большее значение, чем в режиме двигателя.

Частоту вращения ротора асинхронного двигателя, большую синхронной,

практически можно получить, если внешний механический момент, приложенный к

ротору, направить в сторону вращения магнитного поля или переключить на ходу

обмотку статора многоскоростного двигателя на меньшее число пар полюсов. В этом

случае двигатель, вращающийся по инерции в ту же сторону, что и магнитное воле,

работает в режиме торможения в диапазоне частот вращения от исходной рабочей до

новой синхронной, т. е. торможение получается неполным.

При этом ранее запасенная

кинетическая энергия вращающегося ротора двигателя и рабочей машины отдается в

251

сеть в виде электроэнергии.

Динамическое торможение

асинхронного двигателя производится отключением

обмотки статора работающего двигателя от сети и подключением ее к источнику

постоянного тока. При этом фазы обмоток статора могут включаться разными

способами, одна из фаз может вовсе не включаться. В этом режиме провода обмотки

вращающегося по инерции короткозамкнутого ротора будут

пересекать постоянное (и

неподвижное в пространстве) магнитное поле статора, и в них возникают

индукционные токи, взаимодействие которых с полем машины (рис. 11.22,6) создает

тормозной момент.

Механическая характеристика двигателя для режима динамического

торможения ТД на рис. 11.22,а располагается в нижней части

второго квадранта. Для ограничения больших токов ротора и получения различных

характеристик обмотка фазного ротора двигателя на время торможения замыкается

на реостат (с увеличе

нием его сопротивления критическое скольжение увеличивается и

характеристика становится более мягкой, но значение максимального момента не

изменяется).

Конденсаторное торможение

применяется редко и для асинхронных двигателей

небольшой мощности. При конденсаторном торможении двигатель работает в

режиме генератора с самовозбуждением от параллельно включенной батареи

конденсаторов С (рис. 11 .22,в). Однако торможение происходит не до полного

останова двигателя (до 0,2--0,6 п0), что следует из механической характеристики

конденсаторного торможения ТК, расположенной на рис. 11.22, а во втором

квадранте. Для окончательного торможения двигателя (п = 0) дополнитёльно

используется динамическое торможение или закорачивается обмотка статора.

11.22. Специальные режимы работы асинхронной машины

с фазным ротором

Асинхронная машина с фазным ротором (с контактными кольцами) является

универсальным преобразователем и используется для самых различных целей. В

частности, она может работать преобразователем частоты (см. п. 11.8),

индукционным регулятором и фазорегулятором.

А с и н х р о н н ы й п р е о б р а з о в а т е л ь ч а с т о т ы (АПЧ) состоит из

трехфазной асинхронной маш

ины с фазным ротором и приводного короткозамкнутого

асинхронного двигателя АД, установленных на общем валу (рис. 11.23,а). Обмотка

статора асинхронной машины с фазным ротором подключается к сети с частотой

f1=50 Гц так, чтобы ее магнитное поле вращалось встречно к направ-