Лекции / Лекция 18 АД с улучшенными свойствами, работа в анормальных режимах

АД с улучшенными свойствами, работа в анормальных режимах

С экономической точки зрения асинхронный двигатель должен продолжительно работать при возможно меньшем скольжении, чтобы потери в роторе были минимальными. Это возможно только если малы критическое скольжение и активное сопротивление цепи обмотки ротора. Но такая машина имеет незначительный пусковой момент. Она может не запуститься в ход, т.е. не преодолеть момент нагрузки, особенно если в магнитном поле воздушного зазора присутствуют значительные высшие гармоники.

В двигателе с фазным ротором это противоречие легко разрешается включением пускового реостата. При этом возрастает пусковой момент, а пусковой ток ограничивается сопротивлением реостата. А как быть в случае короткозамкнутого ротора, в цепь которого ничего включить нельзя?

Необходимо создать короткозамкнутый двигатель (его и так называют), у которого активное сопротивление обмотки ротора при пуске ( s 1) было бы велико, а при нормальной работе ( s близко к нулю)

– мало. Эту задачу удается решить, если использовать явление вытеснения тока в проводниках обмотки ротора вследствие поверхностного эффекта (скин-эффекта). На практике это реализуется в двигателях с глубокими пазами ротора и имеющими двойную беличью клетку на роторе.

Ротор с глубокими пазами (глубокопазный ротор). У роторов с глубокими пазами стержни короткозамкнутой клетки делаются узкими с отношением hb до 10÷12 (рис. 2.88), в то время как у обычных роторов оно не превышает 5.

Рис. 2.88. К явлению вытеснения тока в глубоком пазу ротора

При пуске двигателя s 1 и частота в роторе максимальна f2 f . На рис. 2.88 видно, что потокосцепление нижних слоев сплошного проводника с магнитным потоком пазового рассеяния п

больше, чем верхних слоев. Из-за высокой частоты f2 при пуске в

нижних слоях будет индуцироваться значительно бóльшая ЭДС самоиндукции, чем в верхних слоях. Согласно закону электромагнитной индукции она стремится создать ток, направленный навстречу току ротора, который обусловил поток рассеяния п . Этот встречный ток

в нижних слоях проводника будет больше, чем в верхних.

Так как индуктивность проводника пропорциональна потокосцеплению, можно сказать, что при пуске индуктивное сопротивление нижних слоев увеличивается в большей мере, чем верхних. Это также приводит к неравномерному распределению тока по высоте стержня, ток как бы вытесняется в верхнюю его часть, зависимость плотности тока от пространственной координаты x не является постоянной (рис. 2.88). Поскольку ток течет в основном вверху, это эквивалентно уменьшению площади сечения проводника, т.е. увеличению его активного сопротивления. При этом общее индуктивное сопротивление всего стержня немного снижается.

Возрастание r2 вследствие вытеснения тока приведет к увеличе-

нию пускового момента (рис. 2.88).

По мере разгона двигателя скольжение и частота тока ротора па-

дают.

При нормальной работе частота в роторе очень мала, вытеснения тока нет, он равномерно распределен по высоте проводника. Площадь сечения стержня как бы увеличилась, активное сопротивление упало, уменьшилось и критическое скольжение. Т.к. по окончании пуска двигатель работает с малым скольжением, электрические потери в роторе невелики, машина имеет хороший КПД.

Вытеснение тока влияет лишь на сопротивления активных (пазовых) частей обмотки короткозамкнутого ротора, параметры лобовых соединений остаются неизменными. Поэтому приведенные сопротивления беличьей клетки двигателя с глубокими пазами – активное и индуктивное рассеяния – записываются в виде

r2 krr2паз r2лоб ; x2 kx x2паз x2лоб ,

где kr , kx ― переменные коэффициенты, учитывающие зависи-

мость параметров от вытеснения. Эти коэффициенты являются функ-

личина обратная относительной глубине проникновения тока в стер-

немагнитных проводниковых материалов она принимается равной магнитной проницаемости вакуума;

2 , c 1 2 f2 2 sf s –угловая частота тока в роторе.

Рис. 2.89. Коэффициенты, учитывающие изменениепараметров ротора из-за вытеснения тока в

зависимости от

Значения глубины проникновения тока в стержни обмотки ротора, изготовленные из наиболее часто применяемых материалов, при частоте f2 f 50 Гц будут: алюминий hпр 15 мм , медь

hпр 10 мм .

На рис. 2.89 для удобства нанесена шкала скольжения s.

При пуске асинхронного двигателя s , f2 и 2 максимальны,

глубина проникновения hпр минимальная, и kr имеют наибольшие значения, а kx минимальное.

Графики рис. 2.89 позволяют учесть изменение параметров ротора не только в процессе пуска, но и при установившейся работе с различными нагрузками на валу и скольжениями.

Схема замещения асинхронного двигателя с учетом вытеснения тока в роторе дана на рис. 2.90. При расчете характеристик двигателя с помощью этой схемы задаются значения скольжения s и соответствующие им величины kr и kx из рис. 2.89.

Рис. 2.90. Схема замещения асинхронного двигателя с учетом вытеснения тока ротора

Практически все асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором с номинальной мощностью на валу Pн 0,25 кВт имеют глубокие пазы.

Ротор с двойной беличьей клеткой (двухклеточный ротор).

Асинхронные двигатели мощностью в сотни и тысячи киловатт часто изготавливаются с двойной беличьей клеткой на роторе.

Пример конфигурации паза двухклеточного ротора показан на рис. 1.5, д. В верхней его части располагается пусковая обмотка, в нижней части – рабочая. Отличаются они не только площадью поперечного сечения стержней, но и материалами. Обычно рабочая клетка

выполняется из меди, а пусковая из сплавов с более высоким сопротивлением – латуни или бронзы. Средние значения удельных сопро-

меди – 0,0175; латуни – 0,08; бронзы – 0,1.

Обмотки проектируются так, чтобы активное сопротивление пусковой rп в несколько раз превышало активное сопротивление рабочей rр , т.е. rп rр .

Их индуктивные сопротивления рассеяния имеют обратное соотношение. Рабочая обмотка расположена глубоко в пазу стального сердечника ротора, поэтому у нее велик магнитный поток рассеяния и индуктивное сопротивление рассеяния xр больше, чем у пусковой, т.е.

xп xр .

При пуске двигателя частота в роторе максимальна, f2 f . Так как индуктивные сопротивления пропорциональны частоте, xр в

большей мере ограничивает ток в рабочей клетке, током оказывается нагружена преимущественно пусковая.

Но у нее высокое активное сопротивление rп , следовательно на механической характеристике велики критическое скольжение sкр и

пусковой момент Mп .

Вустановившемся режиме скольжение невелико, частота в роторе ничтожно мала и индуктивные сопротивления обеих клеток не проявляются. Током нагружена главным образом рабочая обмотка как имеющая гораздо меньшее активное сопротивление. Двигатель работает с малым скольжением и высоким КПД.

Таким образом, при пуске двухклеточного двигателя ток ротора как бы вытесняется к воздушному зазору, как и в случае глубокопазного ротора.

Токи и потери в пусковой и рабочей клетках различны, следовательно, нагрев и тепловое расширение у них неодинаково. По условиям прочности каждая клетка имеет свои короткозамыкающие кольца на торцах, которые привариваются к стержням.

Всхеме замещения двухклеточного двигателя (рис. 2.91) два параллельных контура ротора, каждый соответствует своей обмотке. Их активные сопротивления зависят от скольжения. Токи в беличьих

клетках Iр и Iп совместно создают некоторый поток, сцепленный только с ними. По отношению к обмотке статора он является потоком

рассеяния и в схеме замещения учитывается индуктивным сопротивлением xрп .

В заключение сравним механические характеристики асинхронных короткозамкнутых двигателей с различными типами роторов (рис. 2.92). Очевидным преимуществом двигателей с улучшенными пусковыми свойствами являются более высокие пусковые моменты. Некоторое снижение максимальных моментов объясняется тем, что они имеют увеличенные, по сравнению с обычными, значения индуктивных сопротивлений рассеяния ротора. А ранее было показано, что максимальный момент обратно пропорционален сумме индуктивных сопротивлений рассеяния обмоток машины.

Рис. 2.91. Схема замещения двухклеточного двигателя

Рис. 2.92. Механические характеристики асинхронных короткозамкнутых двигателей с различными типами роторов

Работа трехфазного АД при напряжении, отличном от номи-

нального. В процессе эксплуатации асинхронных двигателей может оказаться, что питающее напряжение U при неизменной частоте F

будет отличаться от номинального значения. В связи с этим представляет практический интерес выяснить, как эти отклонения напряжения повлияют на характеристики двигателя. При анализе будем считать, что момент сопротивления Mc остается неизменным и равным электромагнитному моменту M двигателя.

Работа двигателя при U U ном . Характеристики двигателя

при любых значениях напряжения могут быть получены с помощью схемы замещения или круговой диаграммы. Здесь проведем качественный анализ влияния снижения напряжения U на основные показа-

тели двигателя. Как было сказано, при снижении подводимого напряжения увеличивается скольжение и пропорционально квадрату напряжения уменьшается максимальный момент, т. е. снижается перегрузочная способность двигателя. Известно, что при снижении U пропорционально уменьшается результирующий магнитный поток , а также и намагничивающий ток двигателя I . Вследствие нелинейно-

сти магнитной характеристики изменение намагничивающего тока I

происходит более резко, чем магнитного потока . При уменьшении магнитного потока снижаются магнитные потери в стали статора.

Так как Mс M c I2cos 2 const , то при уменьшении потока соответственно увеличится активная составляющая тока ротора I cos . Из-за увеличения скольжения s и частоты в роторе f происходит возрастание и реактивной составляющей этого тока. Таким образом, при уменьшении напряжения U2 ток I и угол увеличи-

ваются (tg 2 x2s /r2 ). Соответственно пропорционально I возрас-

тают и электрические потери в обмотке ротора.

Ток статора I имеет две составляющие, одна ( I ) уменьшается,

а другая ( I2 ) увеличивается при снижении U1. Как изменится ток I

при уменьшении U1, зависит от того, какая из этих составляющих будет оказывать на него более сильное влияние. Обычно при больших нагрузках сильнее влияет составляющая I2 ; и ток I2 возрастает, а

при малых нагрузках сильнее проявляет влияние составляющая I0 и

ток I уменьшается.

В соответствии с этим при больших нагрузках электрические потери в обмотке статора увеличиваются, а КПД и cos двигателя

уменьшаются. При малых нагрузках картина будет обратной.

Из-за увеличения потерь и нагрева обмоток работа асинхронных двигателей с нагрузками, близкими к номинальной, при значительном снижении питающего напряжения может оказаться невозможной. Согласно ГОСТ 183-74 допустима работа двигателей с номинальной мощностью при уменьшении питающего напряжения до 5 % номинального.

При малых нагрузках в целях повышения энергетических показателей двигателя (КПД и cos ) бывает иногда целесообразно под-

ключение их на пониженное напряжение. Для этой цели, например, в практике используется переключение обмотки статора с треугольника на звезду у двигателей, длительная нагрузка которых не превышает 3040 % номинальной. При этом переключении фазное напряжение

уменьшается в 3 раз.

Работа двигателя при U U ном . Анализ работы двигателя

при U U ном можно провести так же, как и в предыдущем случае. Следует однако иметь в виду, что если магнитная цепь двигателя достаточно насыщена, то увеличение потока, которое произойдет при повышении напряжения U , вызовет сильное возрастание намагничи-

вающего тока I . Он может стать больше номинального тока статора,

и тогда длительная работа двигателя будет невозможна даже при холостом ходе. Согласно ГОСТ 183-74 допустима работа двигателя с номинальной мощностью при повышении питающего напряжения до 10 % номинального.

Работа трехфазного АД при частоте, отличной от номиналь-

ной. С изменением частоты f питающего напряжения изменяется угловая скорость магнитного поля, а следовательно, и ротора двигателя. С повышением частоты f скорость ротора увеличивается, а с

уменьшением она снижается.

Пренебрегая падением напряжения, можно считать, что приложенное к обмотке статора напряжение уравновешивается индуцированной в этой обмотке ЭДС, т. е.

Как следует из (2.63), при U1 const изменение частоты приво-

дит к изменению магнитного потока . При увеличении f поток уменьшается, а при уменьшении f поток увеличивается. В первом случае работа двигателя будет происходить почти так же, как и при U U ном и f const , а во втором - как при U U ном и f const . Согласно ГОСТ 183-74 при колебаниях частоты +2,5% номинального значения асинхронные двигатели должны сохранять номинальную мощность.

Работа трехфазного АД при несимметричных режимах. Не-

симметричные режимы работы асинхронного двигателя могут возникнуть при несимметричных схемах его включения, при несимметрии питающего напряжения, а также в результате каких-либо неисправностей в машине. Исследование таких режимов проводится с помощью метода симметричных составляющих. Разложение токов трехфазной асинхронной машины на симметричные составляющие дает только две составляющие - прямую и обратную. Токи нулевой последовательности возникать не будут, так как при любой схеме соединения обмоток цепь остается трехпроводной.

Из большого разнообразия возможных несимметричных режимов рассмотрим два: работу асинхронного двигателя при несимметрии сопротивлений фаз ротора и при несимметрии питающего напряжения.

Работа асинхронного двигателя при несимметрии сопротив-

лений фаз ротора. В двигателях с фазным ротором несимметрия сопротивлений цепи ротора может возникнуть вследствие неисправности щеточного устройства, плохого контакта, а также при неравных сопротивлениях его фаз. Причиной несимметрии может явиться неравенство сопротивлений отдельных фаз пускового или регулировочного реостатов. В короткозамкнутых двигателях несимметрия фаз ротора может появиться в результате плохой заливки алюминия в пазы. В этом случае сопротивления отдельных стержней (фаз) будут неодинаковыми.

Выясним, как несимметрия сопротивлений фаз ротора влияет на работу двигателя. При симметричном напряжении сети U и частоте сети f в статоре протекают токи прямой последовательности I ( ).

Вращающееся поле, созданное этими токами, наводит в обмотке ротора ЭДС E S с частотой f fs . Вследствие того что сопротивления

фаз ротора неодинаковы, токи в них будут различны. Несимметричную систему токов ротора можно разложить на прямую и обратную последовательности. Как токи прямой I ( ) , так и токи обратной I ( )

последовательностей создадут вращающиеся магнитные поля. Угловые скорости этих полей относительно ротора одинаковые и зависят от