9.1. Двигатели с глубокими пазами на роторе
Улучшение пусковых характеристик короткозамкнутых асинхронных двигателей осуществляется за счет применения вторичных обмоток с переменными параметрами. Сопротивления r`2, x`σ2 на схеме замещения таких двигателей являются функцией скольжения.
Из приближенного выражения для скольжения, соответствующего максимальному моменту
следует, что при пуске желательно увеличение активного сопротивления ротора r'2 и уменьшение его индуктивного сопротивления рассеяния x'σ2. При этом максимальный момент смещается в область скольжений близких к s = 1. Наоборот, при работе в номинальном режиме максимальный момент должен смещаться в область малых скольжений, обеспечивая жесткость механической характеристики и снижение потерь в роторе.
Использование эффекта вытеснения переменного тока в проводниках, расположенных в ферромагнитной среде, способствует выполнению таких условий при некоторых конструктивных доработках.
В двигателях с глубокими пазами на роторе отношение высоты паза к его ширине доходит до 10 (рис. 9.1, а). В результате нижняя часть стержня сцеплена с большим числом магнитных силовых линий поля рассеяния и индуктивное сопротивление нижней части каждого стержня больше. В таких стержнях обмотки будет наблюдаться вытеснение тока, к поверхности ротора (рис. 9.1, б). Поперечное сечение стержня, по которому проходит почти весь ток ротора, намного меньше сечения всего стержня. Это равноценно увеличению его активного сопротивления, что способствует росту пускового момента двигателя и некоторому ограничению пускового тока. Индуктивное сопротивление при этом уменьшается, так как ток протекает ближе к воздушному зазору – среды с меньшей магнитной проводимостью. В результате увеличения активного сопротивления стержня и уменьшения сопротивления рассеяния при пуске уменьшается угол сдвига фаз y2 между ЭДС стержня, индуктируемой вращающимся полем, и током стержня, что и приводит к увеличению пускового момента.
SHAPE \* MERGEFORMAT
Рис. 9.1. Глубокопазный двигатель: а — форма паза ротора; б — распределение тока в стержне при пуске
Существенно поверхностный эффект проявляется при пуске, когда s=1 и f2= f1. По мере нарастания частоты вращения ротора частота тока в роторе убывает f2= sf1, влияние ЭДС индукции от поля рассеяния ослабевает, распределение тока по высоте стержня становится более равномерным, что ведет к уменьшению активного сопротивления, и двигатель работает с хорошим КПД.
Эффект вытеснения тока хорошо проявляется при пазах ротора колбовидной и трапецеидальной формы (рис. 9.2).
SHAPE \* MERGEFORMAT
Рис. 9.2. Формы сечения стержней роторов: а — колбовидная; б — трапецеидальная
В этом случае вытеснение тока происходит в верхнюю часть паза, имеющую меньшее сечение, а следовательно большее активное сопротивление. Применение пазов такой формы позволяет сократить высоту пазов ротора по сравнению с глубокопазными роторами.
9.2. Двигатели с двумя клетками на роторе
Двигатели с двумя клетками на роторе имеют на роторе две короткозамкнутые стержневые обмотки, одна из которых представляет собой так называемую пусковую обмотку, а вторая — рабочую. Рабочая обмотка выполняется из медных стержней и размещается в нижних частях пазов. Пусковая обмотка выполняется из латунных или бронзовых стержней и располагается в верхних частях пазов, ближе к воздушному зазору (рис. 9.3, а).
SHAPE \* MERGEFORMAT
Рис. 9.3. Двухклеточный ротор: а — пазы ротора; б — короткозамыкающие кольца ротора
Сечение стержней пусковой обмотки может быть несколько меньше, чем рабочей. Однако сечение и теплоемкость стержней пусковой обмотки должны быть достаточно велики для того, чтобы предотвратить чрезмерный нагрев этой обмотки при пуске. Активное сопротивление пусковой обмотки обычно в 2...4 раза больше активного сопротивления рабочей обмотки. Индуктивное сопротивление рассеяния пусковой обмотки в несколько раз меньше, чем сопротивление рабочей обмотки, поскольку рабочая обмотка утоплена глубоко в сталь сердечника ротора. Иногда рабочую и пусковую обмотки размещают в отдельных пазах (см. рис. 9.3, а, справа).
В момент пуска двигателя при больших частотах ток ротора проходит в основном по верхней пусковой обмотке, обладающей малым индуктивным сопротивлением. При этом плотность тока в стержнях пусковой обмотки намного больше плотности тока в стержнях рабочей обмотки. Повышенное активное сопротивление пусковой обмотки обеспечивает двигателю значительный пусковой момент при пониженном пусковом токе.
По мере увеличения частоты вращения ротора уменьшается индуктивное сопротивление рабочей обмотки, и распределение плотности тока в стержнях рабочей о пусковой обмоток выравнивается.
Двухклеточные двигатели были предложены М.О. Доливо-Добровольским еще в 1893 г., однако, широкое практическое применение их началось на 25–30 лет позднее.