55) Пуск асинхронного двигателя. Рабочие характеристики

Важное практическое значение для оценки асинхронных элек­тродвигателей имеют их пусковые свойства. Эти свойства в основном определяются следующими величинами: пусковым током I_пуск и на­чальным пусковым моментомМ_пуск, плавностью и экономичностью пускового процесса, длительностью пуска. В каталогах обычно указывается кратность пускового значения величины к ее номинальному значению (I_пуск/ I_номиМ_пуск/М_ном).

Пусковые свойства асинхронного двигателя определяются осо­бенностями его конструкции, в частности устройством ротора.

Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором.Пусковые усло­вия асинхронного двигателя с фазной обмоткой ротора (рис. 14.24,а — схема замещения;б — условное обозначение) можно существенно улучшить ценой некоторого усложнения конструкции и обслужива­ния двигателя.

Если в уравнении вращающегося моментаположитьs= 1, то получим выражение начального пускового момента, т. е. момента, развиваемого двигателем при трогании с места:

Если нужно, чтобы , т. е. чтобы при пуске двига­тель развивал максимальный момент, то согласноактивное сопротивление фазной обмотки ротора должно быть:или. Так как активное сопротивление фазной обмотки ротора относи­тельно мало, то для получения максимального начального пускового момента необходимо в цель ротора включить пусковой реостат с сопро­тивлением фазы

В этом случае зависимость М (s) асинхронного двигателя будет иметь максимум приs= 1 (рис. 14.25).

Как только ротор начинает вращаться, уменьшается скольжение, а вместе с ним ЭДС и ток ротора, вследствие чего уменьшается вра­щающий момент. Чтобы двигатель продолжал развивать вращающий момент, близкий к максимальному, сопротивление пускового реостата нужно постепенно уменьшать. Наконец, когда двигатель дости­гает номинальной частоты вращения, пусковой реостат замыкают накоротко.

Для уменьшения механических потерь и износа колец и щеток двигатели снабжаются иногда приспособлением для подъема щеток и замыкания колец накоротко.

Включение добавочного резистора в цепь ротора изменяет ха­рактер зависимости вращающего момента М от скольженияs. При этом согласноне изменяется максимальный момент двигателя, увеличениетолько смещает его в сторону большего скольжения. Все графики зависимостейМ (s) имеют поэтому вершину характери­стики на одинаковой высоте (рис. 14.25). Выключение ступеней пускового реостата заставляет двигатель изменять режим ра­боты, переходя с одной характеристики на другую.

Секции реостата обычно выводят на контакты, благодаря чему при пуске мо­мент двигателя и ток изменяются по сту­пенчатой кривой (рис. 14.26), число сту­пеней которой определяется числом кон­тактов пускового реостата. При этом пу­сковой момент изменяется в пределах от до.

Чем больше должен быть пусковой мо­мент, чем ближе он к максимальному мо­менту, тем больше будет и пусковой ток. По этой причине лишь для особо тяжелых условий пуска реостат подбирается так, чтобы пу­сковой момент был равен максимальному.

Чтобы пусковой реостат в течение времени пуска не перегре­вался, его мощность должна примерно равняться мощности двига­теля. Для двигателей большой мощности пусковые реостаты выпол­няются с масляным охлаждением. В других случаях иногда приме­няются очень дешевые и простые водяные реостаты.

Конечно, применение пускового реостата значительно улучшает пусковые условия асинхронного двигателя, повышая пусковой мо­мент и уменьшая пусковой ток. Но, с другой стороны, применение ротора с фазной обмоткой удорожает двигатель, усложняет его обслу­живание и, наконец, несколько ухудшает cosφи КПД двигателя. У двигателей большой мощности эта разница в КПД иcosφнезна­чительна и недостатками фазного ротора остаются удорожание ма­шины, длительность и сложность управления ступенями пускового реостата.

Пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.В большинстве случаев применяется прямой пуск двигателей с корот­козамкнутым ротором. Такой пуск исключительно прост и быстр. Необходим лишь простейший коммутирующий аппарат, например рубильник, или для двигателя высокого напряжения — масляный выключатель. При прямом пуске двигателя кратность пускового тока высока, примерно 5,5—7 (для двигателей мощностью 0,6—100 кВт при синхронной частоте вращения, т. е. при 750—3000 об/мин). Такой кратковременный пусковой ток относительно безопасен для двигателя, но вызывает изменение напряжения в сети, что может неблагоприятно сказаться на других потребителях, энергии, присо­единенных к той же распределительной сети. По этим причинам номи­нальная мощность асинхронных двигателей, пускаемых прямым .включением, зависит от мощности распределительной сети. В мощ­ных сетях промышленных предприятий возможен прямой пуск дви­гателей с короткозамкнутым ротором мощностью до 1000 кВт и даже выше, но во многих случаях эта мощность не должна превышать 100 кВт.

Следует иметь в виду еще один недостаток пускового режима асинхронного двигателя. У двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора кратность пускового момента лежит в пределах 1—2 (рис. 14.22). Таким образом, при большом токе двигатель развивает относительно небольшой вращающий момент.

Улучшение пускового режима асинхронного двигателя сводится к уменьшению пускового тока, когда это необходимо, причем жела­тельно, чтобы пусковой момент был возможно больше.

Для уменьшения пускового тока можно на время понизить на­пряжение между выводами фазных обмоток статора, включив для этого последовательно с обмоткой статора трехфазную катушку ин­дуктивности. Уменьшение пускового тока, создаваемое понижением напряжения на статоре, вызывает уменьшение пускового момента, пропорционального квадрату напряжения на статоре (). Напри­мер, при таком пуске уменьшение пускового тока в 2 раза будет сопровождаться уменьшением пускового момента в 4 раза. Во мно­гих случаях при пуске двигателя под нагрузкой такое понижение момента недопустимо — двигатель не сможет преодолеть тормозной механический момент на валу.

Понижение напряжения на статоре на время пуска можно осуще­ствить также посредством переключения на время пуска обмотки статора, нормально работающей при соединении по схеме треуголь­ник, на соединение по схеме звезда. Такое переключение применяется только для пуска в ход короткозамкнутых двигателей относительно малой мощности, примерно до 20 кВт.

Пусковые характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором могут быть существенно улучшены, если обмотка ротора имеет двойную беличью клетку. Такой ротор снабжен двумя клетками, лежащими одна над другой: наружной — пусковой и внут­ренней — рабочей. Материалом стержней наружной клетки служит обыкновенно марганцовистая латунь, т. е. материал с повышенным по сравнению с медью удельным сопротивлением. Материалом стерж­ней внутренней клетки служит медь. Кроме того, стержни внутрен­ней клетки имеют обычно большую площадь поперечного сечения. Таким образом, активное сопротивление наружной клетки значи­тельно больше активного сопротивления внутренней (в 4—5 раз). Обе клетки снабжены с торцевых сторон замыкающими кольцами.

Стержни клеток размещены соответственно в наружной и внутренней частях паза. Такое расположение клеток приводит к боль­шому различию значений их индуктивности рассеяния. Последняя у внутренней клетки велика, так как стержни этой клетки окружены сталью, прорезанной лишь сверху узкой щелью паза (рис. 14.27,а иb). У наружной клетки индуктивность рассеяния значительно меньше, так как значительная часть пути линий поля рассеяния вокруг ее стержней проходит в воздушном промежутке между ротором и ста­тором с большим магнитным сопротивлением, а также по щели паза под стержнями.

В первый момент пуска двигателя (пока s= 1) частота токов в обмотке ротора равна частоте сети; в этих условиях полное сопро­тивление внутренней клетки обусловливается главным образом ее большим индуктивным сопротивлением рассеяния. Таким образом, при пуске двигателя в роторе имеет место явление вытеснения тока из внутренней беличьей клетки. В то же время полное сопротивление наружной клетки определяется преимущественно ее активным сопро­тивлением. Ток наружной клетки при пуске мало сдвинут по фазе по отношению к индуктированной в ней ЭДС; он создает большой пусковой мо­мент, как это имеет место и у двигателя с фазным ротором при включении пуско­вого реостата. Отношение токов на­ружной и внутренней клеток зависит от отношения полных сопротивлений этих клеток; обычно при. пуске ток внутренней клетки значительно меньше тока наружной.

По мере разбега ротора частота то­ков в нем уменьшается и вместе с тем уменьшается влияние индуктивного соп­ротивления на распределение токов. При номинальной скорости частота токов ротора имеет значение порядка 1 Гц; в этих условиях индуктивные сопротивления рассеяния весьма малы и распределение токов между клетками ротора определяется отношением активных соп­ротивлений клеток. Поэтому ток наружной клетки будет меньше то­ка внутренней клетки, активное и полное сопротивления которой в таких условиях малы, как у обычного двигателя с короткозамкну­тым ротором.

Можно рассматривать зависимость М =F(s) двигателя с двой­ной беличьей клеткой как сумму характеристик двигателя с относи­тельно большим активным сопротивлением обмотки ротора (рис. 14.27, кривая 1) и двигателя с относительно малым активным сопротивле­нием обмотки ротора (кривая2).

Таким образом, у двигателей с двойной беличьей клеткой актив­ное сопротивление обмотки ротора в целом изменяется в зависимости от изменения скольжения — оно велико при пуске и мало при рабо­чем скольжении. Благодаря этому двигатель, снабженный ротором с двойной беличьей клеткой, по сравнению с обычным двигателем, имеющим короткозамкнутый ротор, развивает повышенный пусковой вращающий момент при пониженном пусковом токе.

В некоторых конструкциях обе клетки изготовляются путем непосредственной заливки расплавленным алюминием пазов ротора c и d (рис. 14.27); при этом алюминий заполняет и щель между пазами верхней и нижней клеток, благодаря чему стержни проводников обеих Клеток образуют один цельный стержень фасонного сечения. Упрощенным вариантом асинхронного двигателя с двойной бе­личьей клеткой является двигатель с глубоким пазом.

Обмотка ротора этого двигателя изготовляется из прямоугольных стержней малой ширины и большой высоты, которые помещаются в соответствующие глубокие пазы в сердечнике ротора. Переменный ток распределяется по сече­нию проводника в общем случае неравномерно; это явление использовано в данном двигателе. На рис. 14.28 показаны линии поля рассеяния, замы­кающиеся поперек глубокого паза, в котором рас­положен стержень обмотки с током. Часть стержня, лежащая в глубине паза, сцеплена с большим числом линий, чем наружная часть того же стерж­ня. Вследствие этого при пуске асинхронного дви­гателя в ход повышенное индуктивное сопротив­ление этой части стержня вызывает вытеснение тока ротора в наружную часть сечения стержня. Это эквивалентно увеличению активного сопро­тивления обмотки ротора. Благодаря увеличению активного сопротивления повышается начальный момент двигателя, а увеличение индуктивного сопротивления вслед­ствие применения глубокого паза уменьшает пусковой ток. При ра­бочей частоте вращения двигателя индуктивное сопротивление ста­новится незначительным, ток распределяется по сечению стержня почти равномерно и двигатель работает, как обычный короткозамк­нутый.

Двигатель с глубоким пазом ротора в конструктивном отношении проще двигателя с двойной клеткой. Зато второй может быть выпол­нен на различные начальные моменты и на различные кратности пускового тока, что дает возможность приспосабливать этот двига­тель для специальных случаев тяжелого пуска в ход. Тем не менее широко применяются двигатели с глубоким пазом.

Б) Рабочие характеристики

Механическая характеристика наглядно показывает свойства асин­хронного двигателя как части электропривода. Но для более пол­ного выявления свойств самого двигателя служат его рабочие харак­теристики— так принято называть зависимости от полезной мощ­ностиР₂ двигателя на валу частоты вращенияп, вращающего мо­ментаМ, коэффициента мощностиcosφи КПДη =. Все рабочие характеристики снимаются при номинальных частоте сетиf и напряжении между выводами статораU₁ =U_1ном.

Так как, ато зависимостьn(Р₂)— ско­ростная характеристика — мало отличается по форме от механиче­ской характеристики двигателяп (М), она тоже может быть названа жесткой (рис. 14.29). Вращающий моментМ, развиваемый двигателем, складывается из полезного моментаM₂ (преодоления нагрузки на валу двигателя) и момента холостого ходаМ_х. Последний затрачивается на покрытие механических потерь двигателя. Этот момент можно приближенно считать не зависящим от нагрузки двигателя. Полезный момент и если быбыла строго постоянна, то зависимость была бы линейна, но угловая скорость двигателя немного уменьшается с увеличениемР₂, поэтому график зависи­мостиМ₂ (Р₂)немного отклоняется вверх. Соответственно график вращающего момен­таМ (Р₂), складывающегося из момента хо­лостого хода и полезного момента, пересекает ось ординат в точке, соответствующейМ_х, а затем он почти прямолинеен и лишь немно­го изгибается вверх.

Что касается зависимости двигателя от нагрузки, то его изменения обусловлены следующими соотношениями. Намагничивающий ток двигателя мало зависит от нагруз­ки, так как ее увеличение вызывает лишь возрастание потокосцеплений рассеяния, про­порциональных токам в обмотках статора и ротора, а главный маг­нитный поток машины при возрастании нагрузки незначительно уменьшается. Но активный ток двигателя пропорционален его меха­нической нагрузке. Таким образом, с увеличением нагрузки двига­теля относительное значение реактивного тока быстро убывает,aувеличивается. При холостом ходе двигателя его коэффи­циент мощности довольно низок — примерно 0,2. С увеличением нагрузки он быстро возрастает и достигает максимального значе­ния (0,7—0,9) при нагрузке, близкой к номинальной. Таким обра­зом, даже у полностью загруженного двигателя реактивный ток составляет 70—40 % тока статора.

Неполная загруженность асинхронных двигателей является одной из главных причин низкого cos<pпромышленных предприятий. Есте­ственным способом повышенияcosφ является полная загрузка асин­хронных двигателей. Главный магнитный поток двигателя пропор­ционален напряжению на статоре. Намагничивающий ток, возбуждающий этот поток, при заданном значении потока обратно пропорционален магнитному сопротивлению на пути потока. В этом магнитном сопротивлении большую часть составляет сопротивление воздушного зазора между статором и ротором. По этой причине кон­структор стремится сократить этот зазор до минимума, определяемого условиями подвижности в подшипниках и необходимым запасом на их износ, прогибом вала и точностью центровки. С увеличением номинальной мощности двигателя необходимый воздушный зазор возрастает значительно медленнее этой мощности, благодаря чему с повышением номинальной мощности двигателя егоcosq> увеличи­вается. С уменьшением номинальной частоты вращения двигателя увеличивается его магнитный поток, так как при меньшей частоте вращения он индуктирует в фазной обмотке статора меньшую ЭДС. Следовательно, у тихоходных двигателей намагничивающий ток относительно больше,acosφсущественно меньше.

Коэффициент полезного действия определяется отношением полез­ной мощности на валу Р₂ к мощностиР₁определяющей потребление двигателем энергии из сети:

Мощность Р₁ равна сумме полезной мощности и мощности всех потерь в двигателе:

Мощность всех потерь энергии в двигателе можно разделить на постоянную составляющую, практически не зависящую от нагрузки, и переменную составляющую, зависящую от нее.

Мощностью постоянных потерь энергии в двигателе можно счи­тать мощность потерь в сердечнике статора на гистерезис и вихревые токи и мощность механических потерь, которая определяется экспе­риментально из опыта холостого хода двигателя.

Мощностью переменных потерь энергии в двигателе является мощность потерь на нагревание проводников обмоток статора и ро­тора, она равна:

Своего максимального значения (65—95 %) КПД достигает, когда переменные потери равны постоянным. У большинства двигателей этот максимум КПД имеет место примерно при нагрузке, равной 75 % номинальной, так как двигатели проектируются с уче­том того обстоятельства, что далеко не всегда они полностью загру­жены.