Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

в движение массы настолько велики, что выделяемая во вторичной

цепи двигателя тепловая энергия вызывает недопустимый нагрев

обмотки ротора в виде беличьей клетки.

Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью

пускового реостата в цепи ротора (рис. 28-3). Применяются прово-

лочные, с литыми чугунными элементами, а также жидкостные

реостаты. По условиям нагрева реостаты рассчитываются на кратко-

временную работу. Сопротивления металлических реостатов для

охлаждения обычно помещают в бак с трансформаторным маслом.

Металлические реостаты являются ступенчатыми, и переключение

с одной ступени на другую осуществляется либо вручную с помощью

рукоятки контроллера, существенным элементом которого является

вал с укрепленными на нем контактами, либо же автоматически

(в автоматизированных .

установках) с помощью , ^^КЗ

контакторов или контрол-

лера с электрическим при-

водом. Жидкостный реостат

представляет собой сосуд

с электролитом (например,

водный раствор соды или

поваренной соли), В кото- Рис. 28-3. Схема пуска асинхронного двига-

рый опущены электроды. теля с помощью пускового реостата

Сопротивление реостата

регулируется путем изменения глубины погружения электродов.

Рассмотрим пуск двигателя с фазным ротором с помощью сту-

пенчатого металлического реостата (рис. 28-3), управляемого кон-

такторами К-

Перед пуском щетки должны быть опущены на контактные коль-

ца ротора, а все ступени реостата включены. Далее в процессе пуска

поочередно включаются контакторы КЗ, К2, К1- Характеристики

вращающего момента двигателя М = / (s) и вторичного тока /

= f (s) при работе на разных ступенях реостата изображены на

рис. 28-4, а и б. Предположим, что сопротивления ступеней пуско-

вого реостата и интервалы времени переключения ступеней подо-

браны так, что момент двигателя М при пуске меняется в пределах

от некоторого М

тнс

до некоторого М

мин

и при включении в сеть

М„ = М

макс

> М

СГ

(кривая 3 на рис. 28-4, а). В начале пуска

двигатель работает по характеристике 3, ротор приходит во вра-

щение, скольжение s начинает уменьшаться, и при s = s

, когда

М = М

ми1

„ производится переключение реостата на вторую ступень.

При этом двигатель будет работать по характеристике 2, и при даль-

нейшем разбеге двигателя скольжение уменьшится от s = s

до

s — а момент — от 'значения М = М

макс

до М = М

№иа

. Затем

производится переключение на первую ступень и т. д. После

выключения последней ступени реостата двигатель переходит на ра-

боту по естественной характеристике 0 и достигает установив-

шейся скорости вращения.

При наличии у двигателя короткозамыкающего механизма после

окончания пуска щетки с помощью этого механизма поднимаются

с контактных колец и кольца замыкаются накоротко, а реостат

возвращается в пусковое положение. Тем самым пусковая аппа-

ратура приводится в готовность к следующему пуску. Необходимо

отметить, что дистанционное управление короткозамыкающим ме-

ханизмом контактных колец сложно осуществить; это затрудняет

б)

П» Тг»

Рис 28-4 Последовательные изменения вращающего момента (а) и тока (б) при

реостатном пуске асинхронного двигателя

автоматическое управление двигателем. Поэтому в последнее время

фазные асинхронные двигатели строятся без таких механизмов*

При этом щетки постоянно налегают на контактные кольца, чти

несколько увеличивает потери двигателя и износ щеток. Количество

ступеней пускового реостата с целью упрощения схемы пуска и уде-

шевления аппаратуры в автоматизированных установках выбирается

небольшим (обычно 2—3 ступени).

Пусковые характеристики асинхронного) двигателя при реостат"

ном пуске наиболее благоприятны, так как высокие значения мо»

ментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов.

Вопросы расчета пусковых реостатов в данной книге не рассмат-

риваются (см. [24]).

Самозапуск асинхронных двигателей, В электрических сетях

в результате коротких замыканий случаются кратковременные,

длительностью до нескольких секунд, большие понижения напряже-

ния или перерывы питания. Включенные в сеть асинхронный дви-

гатели при этом начинают затормаживаться и чаще всего полностью

останавливаются. При восстановлении напряжения начинается

одновременный самозапуск не отключившихся от сети двигателей.

Такой самозапуск двигателей способствует быстрейшему восстанов-

лению нормальной работы производственных механизмов и поэтому

целесообразен, а в ряде случаев даже чрезвычайно желателен. Од-

нако одновременный самозапуск большого количества асинхронных

двигателей загружает сеть весьма большими токами, что вызывает

в ней большие падения напряжения и задерживает процесс восста-

новления нормального напряжения. Время самозапуска двигателей

при этом увеличивается, а в ряде случаев величина пускового мо-

мента недостаточна для пуска двигателя. Кроме того, самозапуск

некоторых двигателей в подобных условиях недопустим или невоз-

можен (например, двигатели с фазным ротором с пуском с помощью

реостата и двигатели с короткозамкнутым ротором с пуском с по-

мощью реакторов и автотрансформаторов, не снабженные специаль-

ной автоматической аппаратурой для автоматического самозапуска).

Поэтому целесообразно возможность самозапуска использовать

только для двигателей наиболее ответственных производственных

механизмов, а все остальные двигатели снабдить релейной защитой

для их отключения от сети при глубоких падениях напряжения.

Самозапуск асинхронных двигателей широко применяется в СССР

для двигателей механизмов электрических станций.

§ 28-2. Регулирование скорости вращения

асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Общие положения.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя

л = 1-s). (28-3)

Способы регулирования скорости вращения асинхронных дви-

гателей, согласно выражению (28-3), можно подразделить на два

класса: 1) регулирование скорости вращения первичного магнит-

ного поля

"i=/i/P. (28-4)

что достигается либо регулированием первичной частоты либо

изменением числа пар полюсов р двигателя; 2) регулирование

скольжения двигателя s при = const. В первом случае к. п. д.

двигателя остается высоким,, а во втором случае к. п. д. снижа-

ется тем больше, чем больше s, так как при этом мощность сколь-

жения (см. § 24-5)

= sP

(28-5)

теряется во вторичной цепи двигателя (мощность скольжения ис-

пользуется полезно только в каскадных установках — см. § 28-3).

Рассмотрим здесь главнейшие способы регулирования скорости

вращения.

Регулирование скорости изменением первичной частоты (частот-

ное регулирование) требует применения источников питания с ре-

гулируемой частотой (синхронные генераторы с переменной ско-

ростью вращения, ионные или полупроводниковые преобразователи

частоты и др.). Поэтому данный способ регулирования используется

главным образом в случаях, когда для целых групп двигателей

необходимо повышать (п > 3000 об!мин) скорости вращения (на-

пример, ручной металлообрабатывающий инструмент, некоторые

механизмы деревообрабатывающей промышленности и др.) или

одновременно и плавно их регулировать (например, двигатели роль-

гангов мощных прокатных станов и др.). С развитием полупроводни-

ковых преобразователей все более перспективным становится также

индивидуальное частотное регулирование скорости вращения Дви-

гателей. Схему короткозамкнутого асинхронного двигателя с ча-

стотным управлением при помощи полупроводниковых преобразо-

вателей можно получить, если на схеме рис. 11-14 заменить явно-

полюсный ротор на ротор с обмоткой в виде беличьей клетки и

питать эту схему от сети переменного тока через полупроводни-

ковый выпрямитель. Управление инвертором при этом произво-

дится особым преобразователем частоты вне зависимости от поло-

жения ротора двигателя. Величина напряжения регулируется

с помощью выпрямителя.

Если пренебречь относительно небольшим падением напряжения

в первичной цепи асинхронного двигателя, то

= E

= 4,44/

а,'

о61

Ф. (28-6)

Существенное изменение величины потока Ф при регулировании

п нежелательно, так как увеличение Ф против нормального вызы-

вает увеличение насыщения магнитной цепи и сильное увеличение

намагничивающего тока, а уменьшение Ф вызывает недоиспользо-

вание машины, уменьшение перегрузочной способности и увеличе-

ние тока /

при том же значении М [(см. равенство (25-11)] и т. д.

Поэтому в большинстве случаев целесообразно поддерживать Ф =

= const. При этом из соотношения (28-6) следует, что одновременно

с регулированием частоты пропорционально ей необходимо изменять

также напряжение, т. е. поддерживать

V-Jh = const. (28-7)

Отступление от этого правила целесообразно только в случаях,

когда М

сг

быстро уменьшается с уменьшением п (например, приводы

вентиляторов, когда М

ст

= п

). В этом случае более быстрое умень-

шение Ui по сравнению с вызывает уменьшение Ф и улучшает

энергетические показатели двигателя (cos ф

и к. п. д. — см. § 29-7)

и в то же время уменьшение М

с точки зрения перегрузочной

способности не опасно.

При широком диапазоне регулирования правильнее поддер-

живать

Ф = Ei/fx = const.

К недостаткам частотного регулирования относится громозд-

кость и высокая стоимость питающей установки.

Регулирование скорости изменением числа пар полюсов р ис-

пользуется обычно для двигателей с короткозамкнутым ротором,

так как при этом требуется изменять р только для обмотки статора.

Изменять р можно двумя способами: 1) применением на статоре нес-

кольких обмоток, которые уложены в общих пазах и имеют разные

числа пар полюсов р; 2) применением обмотки специального типа,

которая позволяет получить различные значения р путем изменения

(переключения) схемы соединений обмотки. Предложено значитель-

ное количество различных схем обмоток с переключением числа пар

полюсов, однако широкое распространение из них получили только

некоторые. Применение нескольких обмоток невыгодно, так как

при этом из-за ограниченного места с пазах сечение проводников

каждой из обмоток нужно уменьшать, что приводит к снижению

мощности двигателя. Использование обмоток с переключением числа

пар полюсов вызывает усложнение коммутационной аппаратуры,

в особенности, если с помощью одной обмотки желают получить

более двух скоростей вращения. Несколько ухудшаются также

энергетические показатели двигателей.

Двигатели с изменением числа пар полюсов называются много-

скоростными, Обычно они выпускаются на 2, 3 или 4 ско-

рости вращения, причем двухскоростные двигатели изготовляются

с одной обмоткой на статоре и с переключением числа пар полюсов

в отношении р

: р

= 2 : 1, трехскоростные двигатели — с двумя об-

мотками на статоре, из которых одна выполняется с переключением

• pi = 2:1, четырехскоростные двигатели — с двумя обмотками

на статоре, каждая из которых выполняется с переключением числа

пар полюсов в отношении 2:1. Например, двигатель на Д = 50 гц

с синхронными скоростями вращения 1500/1000/750/500 об!мин

имеет одну обмотку с переключением на 2р = 4 и 8 и другую об-

мотку с переключением на 2р = 6 и 12.

Многоскоростные двигатели применяются в металлорежущих

и деревообрабатывающих станках, в грузовых и пассажирских

лифтах, для приводов вентиляторов и насосов и в ряде других

случаев.

Каждая фаза обмотки с переключением числа пар полюсов

в отношении 2 : 1 (рис. 28-5) состоит из двух частей, или половинок,

с одинаковым количеством катушечных групп в каждой части.

Когда обе части обмотки обтекаются токами одинакового направле-

ния, обмотка создает магнитное поле с большим числом полюсов

(рис. 28-5, а, 2р = 4), а при изменении направления тока в одной

части обмотки на обратное число полюсов уменьшается вдвое

(рис. 28-5, б ив, 2р = 2). Подобные переключения производятся

во всех фазах одновременно, и переключаемые части обмотки могут

соединяться последовательно

(рис. 28-5, а и б) или парал-

лельно (рис. 28-5, в).

Ширина фазной зоны, зани-

маемой сторонами катушек ка-

тушечной группы, и величина

шага обмотки в зубцовых деле-

ниях одинаковы при обоих

числах полюсов. Поскольку,

однако, при переключении числа

пар полюсов в отношении 2 : 1-

полюсное деление изменяется в

два раза, то величина

•

фазной

зоны в электрических градусах

и относительный шаг обмотки

при этом также изменяется

в два раза.

Переключаемую обмотку вы-

полняют так, что при меньшем

числе пар полюсов (p

) фазная

зона а = 60° эл. Тогда при

удвоенном числе пар полюсов

(р

= 2ширина этой зоны,

будет а = 120° эл. Нормальные

чередования фазных зон при оди-

наковом направлении вращения

магнитного поля для обеих ско-

ростей вращения должны быть

такими, как показано на рис. 28-6. Из рисунка видно, что, кроме

изменения направлений токов в зонах X, Y, Z (рис. 28-6, а)

на обратные (т. е. обращение их в зоны А, В, С), для сохранения

направления вращения поля, а следовательно, и ротора при пере-

ключении числа пар полюсов (рис. 28-6, б) необходимо также пе-

реключить концы двух фаз обмотки (например, фазы В и С).

Обмотка выполняется так, что ее шаг равен полному (180° эл.)

при большем числе полюсов (2р

), так как кривая н. с. обмотки

с зоной а = 120° наиболее близка к синусоидальной при полном

шаге. Тогда при меньшем числе полюсов относительный шаг р =

= 0,5.

Рис. 28-5. Принципиальные схемы

одной фазы обмотки с переключением

числа полюсов: а — при 2р = 4;

б, в — при 2р = 2

360°

Из сказанного следует, что обмотка с переключением числа по-

люсов создает н. с. с большей величиной высших гармоник поля,

чем нормальная трехфазная обмотка с а = 60° и р =

. Это при-

водит к некоторому ухудшению энергетических показателей двига-

телей с переключением числа

полюсов по сравнению с нор-

мальными.

На рис. 28-7 и 28-8 пред-

ставлены наиболее часто

употребляемые схемы обмо-

ток с переключением числа

пар полюсов в отношении

: Рх = 2 : 1. Определим

мощности и моменты, разви-

ваемые двигателями с такими

схемами обмоток при неиз-

менном линейном напряже-

нии сети U

и наибольшем допустимом (номинальном) токе в по-

луфазе обмотки /ф. Пренебрегая разницей в условиях охлажде-

ния при изменении скорости вращения, можно принять, что ве-

личина /ф одинакова при обеих скоростях вращения. Приближенно

60'

I— fa

X I С I Y

360'

360

" Г

120'

А В с л I ш I с

Рис. 28-6. Чередование фазных зон об-

мотки с переключением полюсов в отно-

шении 1 : 2

hz\ J ( Ц

ЩI

IЫ

у г

Р1

YY 2р,

A 2pr=4pi

YY 2р,

Рис. 28-7. Принципиальная схема

соединений обмотки с переключе-

нием числа полюсов в отношении

2 : 1 при постоянном моменте

Рнс. 28-8. Принципиальная схема

соединений обмотки с переключе-

нием числа полюсов в отношении

2 : 1 при постоянной мощности

можно считать, что коэффициенты мощности и к. п. д. при одинако-

вых значениях /ф для обеих скоростей вращения также одинаковы.

При указанных условиях мощности на валу для схем рис. 28-7, а

и б соответственно равны:

= уз" И

Г1

Ц cos <рь Р

= У"3 И

Я1

2ГФГ\ cos q>j.

Таким образом,

Р1/Р2 = 2

и, следовательно, при переходе ot меньшей скорости вращения

(рис. 28-7, а) к большей (рис. 28-7, б) допустимая мощность на валу

увеличивается в два раза. Момент вращения при этом, очевидно,

остается постоянным, и поэтому схема переключения Y/YY (рис.28-7)

называется также схемой переключения^с М = const.

При схемах рис. 28-8, а и б имеем соответственно:

откуда

У"3

л!!

т] cos

«ft

= УЗ и

л1

УЗ /фЛ cos ф

;

Pi =*УЗ и

л1

ц cos ф

= УЗ и

л1

2/фТ) cos ф

Уз

•

1,15.

Обычно при использовании схемы рис. 28-8 для обеих скоростей

вращения указывается одинаковая номинальная мощность, т. е*

принимается, что Р

= Р.*

Схема переключения Д/Ук

(рие. 28-8) называется такж|

схемой переключения с Р

= const.

Вид механических харак*.

теристик двигателей cq exes?

Ряс. 28-9. Вид механических характера-

мами

обмоток рис. 28-7 И 28-8

стик двигателей с переключением чимл V оя.п

полюсов: слева — по cxeafe вис. 28-7 и изображен на рис. д> у.

справа - чо схеме рис. 28-8 При переключении MHOTOf

скоростной обмотки магнит*

ные индукции на отдельных участках магнитной цепи в общей|

случае изменяются, что необходимо иметь в виду при проектировав

нии Двигателя, чтобы, с одной стороны, добиться по возможности

более полного использования материалов двигателя, а с другой*

не допустить чрезмерного насыщения магнитной, цепи.

Вес и стоимость многоскоростных двигателей несколько больше,'

чем у нормальных асинхронных двигатёдей такой же мощности/

Тем не менее это лучший и наиболее широко применяемый сиаео®

регулирования скорости короткоз&мкнутцх двигателей.

Регулирование скорости уменьшением величины первичного

напряжения. При уменьшении и

момент двигателя изменяется

пропорционально Щ и соответственно изменяются механические

характеристики (рис. 28-10), в результате чего изменяются также

значения рабочих скольжений Sj.Uj, при данном виде зависимости

= f (s). Очевидно, что регулирование s в этом случае воз*

можно в нределах 0 < s < s„. Для получения достаточно большого

диапазона регулирования скорости необходимо, чтобы активное

сопротивление цепи ротора и соответственно s

были, достаточно

велики (рис. 28-10, б).

с} 6)

'ООО

гП-

Рис. 28-10. Механические характеристики асинхронных дви-

гателей при различных величинах первичного напряжения

Следует учитывать, что во вторичной цепи возникают потери,

равные мощности скольжения P

и вызывающие повышенный на-

грев ротора,

Этот метод регулирования скорости применяется также для

двигателей с фазным ротором, причем в этом случае 9 цепь ро-

тора включаются добавочные сопротивления*

В связи с пониженным к. п. д. и трудностями

регулирования напряжения рассматриваемый

метод-Дрименяется только для

двигателей малой мощности.

При этом для регулирования

можно использовать регу-

лируемые автотрансформато-

ры или сопротивления, вклю-

ченные последовательно в пер-

вичную «еиь, В последние

годы для этой челн все чаще

применяют (рис, 28-11) реак-

торы насыщения, регулируе-

мые путем подаагничивания

постоянным током (см. § 184).

При изменении величины по-

стоянного тока подмагничива-

ния индуктивное сопротивле-

ние реактора изменяется, что

приводит к изменению напряжения на зажимах-двигателя. Путем

автоматического регулирования тока подмагничивания можно рас-

ширить зону регулирования скорости в область s > s

и получить

при этом жесткие механические характеристики.

£Г

Рис. 28-11. Схе-

ма регулирования

асинхронного дви-

гателя с помощью

реактора с под~-

магничиванием по-

стоянным током

Рис. 88-12. Схема

импульсного регу-

лирования скоро-

сти вращения асин-

хронного двига-

теля

Импульсное регулирование скорости (рис. 28-12) производится

путем периодического включения "двигателя в сеть и отключения

его от сети или путем периодического шунтирования с помощью

контактора /С сопротивлений, включенных последовательно в цепь

статора, или полупроводниковых вентилей. При этом двигатель

беспрерывно находится в переходном режиме ускорения или заме-

дления скорости вращения ротора и в зависимости от частоты и

продолжительности импульсов работает с некоторой, приблизитель-

но постоянной скоростью вращения. Подобное регулирование ско-

рости применяется только для двигателей весьма малой мощности

(Р

< 30 -ь 50 вт).

Более подробно некоторые вопросы регулирования скорости

вращения асинхронных двигателей рассматриваются в курсах

электропривода.

§ 28-3. Регулирование скорости вращения

асинхронных двигателей с фазным ротором

Для двигателей с фазным ротором можно в принципе использо-

вать все те же способы регулирования скорости вращения, как и

для двигателей с короткозамкнутым ротором (см. § 28-2). Однако

на практике из числа этих способов для двигателей с фазным рото-

ром применяется только способ регулирования скорости вращения

с помощью реакторов насыщения. Ниже рассмотрим способы ре-

гулирования скорости вращения, которые специфичны для двигате-

лей с фазным ротором и в которых используется возможность вклю-

чения регулирующих устройств во вторичную цепь.

Регулирование скорости вращения с помощью реостата в цепи

ротора производится по той же схеме рис. 28-3, что и реостатный

пуск двигателя, но реостат при этом должен быть рассчитан на дли-

тельную работу. При увеличении активного сопротивления вто-

ричной цепи вид механической характеристики двигателя изменяется

(см. рис. 28-4, а): характеристика становится более мягкой и сколь-

жение двигателя при том же моменте нагрузки М

СТ

увеличивается.

При М

ст

=? const рабочее скольжение s с большой точностью

пропорционально s

и, следовательно, активному сопротивлению

цепи ротора. Поэтому скольжения s и s', соответствующие случаям

= 0 и /-д Ф 0, находятся в соотношении

откуда значение г

, необходимое для получения скольжения s'

равно

S' _Г Д + /-8

S Г