книги из ГПНТБ / Нейман, З. Б. Крупные вертикальные электродвигатели переменного тока

вращения остаются примерно на том же уровне, чтб у двухобмоточного. Крупные двухскоростные двигатели с одной обмоткой статора пока являются единичными, экспериментальными.

Двигатели с двумя обмотками на статоре. В этом случае обмотка обычная катушечная. В каждом пазу размещены по одной стороне двух катушек, принадлежа­ щих разным обмоткам. Положение обмоток чередуется: во всех четных пазах на дне паза лежат катушки на

Рис. 6-1. Часть схемы одной фазы двухобмоточного двухскоростного двигателя Z\==144, у = \ + \2.

2 р полюсов, а под клином — катушки на 2 /ч полюсоз, в нечетных пазах — наоборот. Поэтому катушки должны быть приблизительно равными по высоте и шаг обмотки должен быть нечетным. При этом для обмотки на боль­ шую скорость вращения шаг обмотки получается укоро­ ченным, а для второй обмотки — удлиненным.

Укорочение, эквивалентное удлинению второй об­ мотки,

о _ ^ i / 2 p l — ( У — 2 , / 2 / » , )

Р — Z J2pt

Число пазов надо выбирать так, чтобы хотя бы для одной из обмоток число пазов на полюс и фазу было целым. На рис. 6-1 показана часть схемы одной фазы обмотки двухскоростного двигателя, имеющего синхрон­ ные частоты вращения 500 и 375 об/мин (2р=12;

2 /ч = 16).

Параметры. Поскольку в пазу находится только одна сторона данной обмотки, проводимость рассеяния паза рассчитывается как для однослойной обмотки. При этом (см. рис. 4-4) для катушек, лежащих на дне паза,

50

проводимость рассеяния паза

Для катушек, лежащих под клином,

Для всей обмотки проводимость паза

1 _ V,,, + Х"п, 'Чп-------- § ’

Так как катушки на 2р полюсов и 2р\ полюсов имеют приблизительно одинаковые размеры, то пазовые про­ водимости обеих обмоток практически равны. Проводи­ мости по коронкам зубцов и лобовых частей, индуктив­ ные и активные сопротивления рассчитываются так же, как для односкоростного двигателя.

6-2. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ С ПЛАВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СКОРОСТИ

Применение на атомных электростанциях реакторов на быстрых нейтронах требует регулирования расхода теплоносителя. Поэтому частота вращения насоса долж­

тором в схемах вентильного каскада и короткозамкнутые двигатели с питанием от преобразователя частоты. К двигателям предъявляются требования повышенной надежности в нормальных условиях и сохранения рабо­ тоспособности в аварийных режимах. Вместе с тем дви­ гатели должны иметь высокие энергетические показа­ тели при изменении частоты вращения во всем диапазоне.

а) Питание от преобразователя частоты

Регулирование частоты вращения в широком диапа­ зоне для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть осуществлено только изменением частоты питающего напряжения. При этом должно изменяться и напряжение, так как при постоянной ве­ личине напряжения и уменьшении частоты растет маг­ нитный поток, т. е. потери в стали и нагрев двигателя.

Поэтому регулирование частоты вращения при частот­ ном управлении производится при условии сохранения

U/f=const.

В современных схемах в качестве источника перемен­ ной частоты используются тиристорные преобразователи частоты. Двигатель подключается к сети через преобра­ зователь, который преобразует напряжение сети в трех­ фазное напряжение требуемой амплитуды и частоты.

В крупных асинхронных двигателях активное сопро­ тивление обмотки статора в сравнении с индуктивным очень невелико. При частоте f = 50 Гц оно в 12—15 раз меньше индуктивного, которое в относительных едини­ цах равно 0,1—0,15, и при расчете падения напряжения активным сопротивлением можно пренебречь. Со сни­ жением частоты растет доля падения напряжения в ак­ тивном сопротивлении и при частоте 5 Гц оно прибли­ зительно только в 1,5 раза меньше, чем в индуктивном. Однако это не приводит к увеличению относительного значения падения напряжения при низких частотах в сравнении с режимом при номинальной частоте, так как с уменьшением скорости насосного агрегата мощ­ ность снижается пропорционально третьей степени изменения скорости и ток резко падает. Поэтому можно не учитывать уменьшение потока при низких частотах из-за падения напряжения в активном сопротивлении и считать, что при регулировании по закону Uff = const сохраняется условие Eff = const, т. е. регулирование про­ исходит при постоянном магнитном потоке. При пуске двигателя от источника переменной частоты нет боль­ ших потерь энергии в роторе, которые приводят к высо­ кому нагреву короткозамкнутой обмотки ротора, что характерно для пуска от полного напряжения.

Расчет механических характеристик. Характеристики двигателя M = f(s) при разных частотах могут быть определены расчетным путем. Электромагнитный мо­ мент двигателя в Н •м

может быть выражена через потери в роторе и сколь­ жение [Л. 3]

52

При регулировании по закону U/f = const можно при­ нять для крупных двигателей, что коэффициент приве­ дения параметров к схеме замещения (коэффициент рассеяния цепи статора) a = const в диапазоне частот 5—50 Гц. Ток в роторе асинхронного двигателя

Подставив выражение для тока ротора в (6 -1а), по­ лучим электромагнитный момент двигателя

, Н-м.

“ 01. [(Г| + r " i / s ) 2 + x l\

Здесь U,|, и шсн — фазное напряжение и синхронная скорость, соответствующие данной частоте. Характери­ стика M = f(s) строится обычно в относительных едини­ цах. Момент двигателя в относительных единицах

где «сн — синхронная скорость при / = 50 Гц; Рэм — мощ­ ность при f = 50 Гц, кВт.

Для двигателя с глубоким пазом при расчете по фор­ муле (6-3) необходимо учитывать изменение парамет­

частоте, а активное уменьшается медленнее. Максимальный момент определяется по (6-3) для

скольжения, равного критическому

53

При этом получим в относительных единицах

в сравнении с х1( мало и максимальный момент при ре­ гулировании по закону £/// = const приблизительно по­ стоянен.

При глубоком регулировании, когда частота снижа­ ется до 20 Гц и ниже, rt становится соизмеримым с хк и максимальный момент падает. Критическое скольже­ ние при уменьшении частоты увеличивается.

Ток статора при частотном регулировании может

Б4

С достаточной для практики точностью в диапазоне скольжений s = l 4 -'0 , 2 ток статора можно считать равным

Л = /о + 0,98At,

где Da— диаметр круговой диаграммы (см. гл. 5). Диаметр круговой диаграммы

при UIf—const сохраняется, а мас­ штаб мощности изменяется пропор­ ционально изменению напряжения. Изменяется также угол наклона ли­ нии электромагнитной мощности, тангенс которого равен:

С уменьшением частоты при регулировании пусковой ток падает, так как активное сопротивление составляет большую долю в общем сопротивлении zK и относитель­ ная величина zKувеличивается.

При снижении частоты вращения двигателя для на­

55

Расчет добавочных потерь. При питаййи от вентНЛЬного (полупроводникового или ионного) преобразовате­ ля частоты напряжение, подаваемое на двигатель, неси­ нусоидально, оно содержит высшие гармонические.

Коэффициент искажения синусоидальности, равный

/ £ U2 /£/,, обычно не превышает 20°/„. Несинусоидаль-

ность напряжения вызывает заметные добавочные по­ тери, которые при номинальной частоте могут снизить к. п. д. двигателя примерно на 1%. Порядок и ампли­ туды высших гармоник зависят от схемы соединения преобразователя. При соединении в трехфазную мосто­ вую схему возникают гармоники порядка 2mk+\, т. е. 5-я, 7-я, 11-я, 13-я и т. д. Амплитуда гармонических в долях основной приблизительно обратна порядку гар­ моники.

Моменты, создаваемые высшими гармониками на­ пряжения, очень невелики, и они не оказывают влияния на работу двигателя. Максимальный асинхронный мо­

Наибольший момент создает 5-я гармоника, но и он составляет менее 1 % момента основной гармонической.

Высшие гармоники вызывают заметные добавочные потери в стали статора и ротора и стержнях короткозамкнутой обмотки ротора.

Гармоника напряжения вызывает соответствующую гармонику потока, которая приближенно составляет от основной такую же долю, как и гармоника напряже­ ния. Потери в стали пропорциональны квадрату индук­ ции и частоте в степени 1,3.

Добавочные потери в стали статора от п-й гармоники

56

где Un — амплитуда гармоники напряжения в долях от основной; п — порядок гармоники; Р?с — потери в стали статора от основной гармоники потока.

Гармоники порядка 2mk—1 вращаются в сторону, противоположную движению ротора, а гармоники поряд­ ка 2mk+l в ту же сторону, что и ротор. Поэтому, не учитывая скольжение ротора, гармоники потока п ин­ дуктированный ток имеют порядок 2 mk, т. е. 6 ; 1 2 и т. д.

Благодаря тому что скорость ротора не равна син­ хронной скорости поля, частота в роторе будет отли­ чаться от частоты, соответствующей порядку высшей гармоники, на частоту скольжения. Так как скольжение ротора не велико (для крупных двигателей оно около 1 %), то в расчетах можно принимать, что частота по­ тока и тока в роторе от высших гармоник равна 2mkfi. Потери в сердечнике ротора от высших гармоник потока

и Вап — индукции в зубцах и спинке ротора от п-й гар­ моники потока Bzn= UnBz; Вап= ИпВа\ Bz и Ва — индук­ ции в зубцах и спинке ротора от основной гармоники потока; коэффициент 1 , 8 учитывает увеличение удельных потерь в стали из-за штамповки листов и механической обработки ротора.

Добавочные потери в стали статора и ротора от выс­ ших гармонических при питании от вентильного пре­ образователя составляют при номинальной частоте около 40% основных потерь в стали, а при 10 Гц около 25—30% потерь от основной гармоники потока частоты

10 Гц.

Ток намагничивания высших гармоник очень мал и можно принять, что ток статора, вызванный п-й гармо­ никой напряжения, равен п-й гармонике приведенного тока ротора по схеме замещения. Для высших гармоник

•57