9. Пуск трехфазных асинхронных двигателей

Одновременное увеличение пускового момента и уменьшение пускового тока возможно только за счет увеличения активного сопротивления ротора . Однако, повышенное значение вызывает возрастание потерь в обмотке ротора и снижение КПД двигателя.

9.1 Прямой пуск

Наиболее простым способом пуска короткозамкнутого двигателя является прямое включение обмотки статора непосредственно в сеть на номинальное напряжение (рис. 9.1, а). При скольжении s = 1 в обмотке ротора наводится большая ЭДС, вследствие чего пусковой ток в 4 - 7 раз превышает свое номинальное значение. Это вызывает колебания напряжения в питающей сети.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 9.1. Схемы способов пуска короткозамкнутых двигателей: а — прямой; б — реакторный; в — автотрансформаторный; г — с переключением со «звезды» на «треугольник»

9.2 Реакторный пуск

Осуществляется согласно схеме, приведенной на рис. 9.1, б. Сначала включается выключатель B₁, и двигатель получает питание через трехфазный реактор (индуктивную катушку) P, сопротивление которого ограничивает величину пускового тока. По достижении нормальной частоты вращения включается выключатель B₂, который шунтирует реактор, в результате чего на двигатель подается нормальное напряжение сети.

Пусковые реакторы строятся обычно с ферромагнитным сердечником и рассчитываются по нагреву только на кратковременную работу, что позволяет снизить их вес и стоимость.

9.3 Автотрансформаторный пуск

Осуществляется по схемам, приведенным на рис.9.1, в следующем порядке. Сначала включаются выключатели B₁ и B₂, и на двигатель через автотрансформатор AT подается пониженное напряжение. По достижении двигателем определенной частоты вращения выключатель B₂ отключается, и двигатель получает питание через часть обмотки автотрансформатора AT, который в этом случае работает как реактор. Наконец включается выключатель B₃, в результате чего двигатель получает полное напряжение.

9.4 Пуск переключением обмоток «звезда — треугольник»

Данный способ пуска (см. рис. 9.1, г) возможен в случаях, когда доступны все шесть выводов обмотки статора и когда линейное напряжение сети равно фазному напряжению двигателя. Например, когда двигатель на 380/220 В, с соединением обмоток У /Д работает от сети 220 В.

9.5 Пуск двигателя с фазным ротором с помощью пускового реостата

Рассмотрим пуск фазного двигателя с помощью ступенчатого металлического реостата (рис. 9.2), управляемого контакторами K.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 9.2. Схема пуска асинхронного двигателя с помощью пускового реостата

Рис. 9.3. Последовательные изменения при реостатном пуске асинхронного двигателя: а — вращающего момента; б — тока

10. Асинхронные короткозамкнутые двигатели с улучшенными пусковыми характеристиками

10.1. Двигатели с глубокими пазами на роторе

Улучшение пусковых характеристик короткозамкнутых асинхронных двигателей осуществляется за счет применения роторных обмоток с переменными параметрами. Сопротивления , 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 и уменьшение его индуктивного сопротивления рассеяния . При этом максимальный момент смещается в область скольжений близких к . 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. В результате нижняя часть стержня сцеплена с большим числом магнитных силовых линий поля рассеяния и индуктивность нижней части каждого стержня больше. В таких стержнях обмотки будет наблюдаться вытеснение тока к поверхности ротора (рис. 10.1а,б), тем большее, чем больше частота тока. Вытеснение происходит за счет большей величины индуктивного сопротивления рассеяния в нижней части стержня. При этом поперечное сечение стержня, по которому проходит вытесненный 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 между ЭДС индукции и током стержня, что и приводит к увеличению пускового момента.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 10.1. Глубокопазный двигатель: а — форма паза ротора; б — распределение тока в стержне при пуске

Существенно поверхностный эффект проявляется при пуске, когда и . По мере нарастания частоты вращения ротора частота тока в роторе убывает , 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. 10.2).

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 10.2. Формы сечения стержней роторов: а — колбовидная; б — трапецеидальная

В этом случае вытеснение тока происходит в верхней части паза, имеющей меньшее сечение, следовательно, большее активное сопротивление. Применение пазов такой формы позволяет сократить высоту пазов ротора по сравнению с глубокопазными роторами.

10.2. 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. 10.3, а).

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 10.3. 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. 10.3, 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 и 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.

При расчете характеристик глубокопазных и двухклеточных двигателей по схемам замещения следует иметь в виду, что вторичные параметры такого двигателя являются функциями скольжения. Коэффициент мощности глубокопазных двигателей на 0,02...0,04 меньше, так как обмотка ротора вследствие глубокого ее утопления в сердечнике имеет повышенное сопротивление рассеяния. Из-за повышенного сопротивления рассеяния кратность максимального момента глубокопазных двигателей несколько меньше. В то же время кратность пускового момента больше, а кратность пускового тока меньше. Обычно у глубокопазных двигателей

На рис. 10.4 изображены характерные кривые M = f (s) двигателя без вытеснения тока в обмотке ротора (кривая 1), глубокопазного двигателя (кривая 2) и двухклеточного двигателя (кривая 3).

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис. 10.4 Механические характеристики асинхронных двигателей: 1 — без вытеснения тока в обмотке ротора; 2 — глубокопазного; 3 — двухклеточного

КПД глубокопазных двигателей имеет такое же значение, как и КПД двигателей с фазным или короткозамкнутым ротором без проявления вытеснения тока.