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

Особенностью двигателя в схеме вентильного каска­ да является работа при больших скольжениях, т. е. относительно высокой частоте тока и потока в роторе. Кроме того, включение выпрямителя в цепь ротора создает дополнительные потери и дополнительные мо-

Рис. 6-6. Механические характеристики двигателя мощ­ ностью 3500 кВт при регулировании по схеме вентильно­ го каскада.

менты. Для снижения потерь в сердечнике ротора он выполняется из стали с уменьшенными удельными по­ терями, например марки Э31.

Вентильный преобразователь в цепи ротора является источником высших гармонических. Кривая тока ротора несинусоидальна, в результате искажается также кри­ вая тока статора. Порядок гармоник тока ротора и их амплитуда зависят от схемы соединения преобразова­

ра sfi).

Поля высших гармонических тока ротора вращаются относительно статора и индуктируют в его обмотке токи,

60

имеющие частоты!

/1(5) = /i ( 1 —6 s) ; fi(7 ) = / i ( l + 6 5 ); /l(M)= /l(l ±&ks).

Намагничивающий ток высших гармоник протекает по обмотке ротора. Для скорости, близкой к синхронной, когда частота высших гармоник не превышает 1,5/, можно принять, что п-я гармоника тока статора

1\п~1 гп I On,

где /оп — намагничивающий ток, приведенный к обмот­ ке статора,

10п~ IolnlI

I'm — п-я гармоника тока ротора, приведенного к обмот­ ке статора.

При частотах в роторе, больших l,5/i, можно считать, что гармоника тока статора равна приблизительно соот­ ветствующей гармонике приведенного тока ротора, вы­ звавшего этот ток. Намагничивающие силы соответст­ вующих гармоник статора и ротора, т. е. гармоники ротора и индуктированного ею тока статора, неподвиж­ ны относительно друг друга. Взаимодействуя, они создают асинхронный момент, величина которого мала

(см. § 6 -2 ).

Взаимодействие несоответствующих гармоник (на­ пример, основной гармоники н. с. статора и высших гар­ монических н. с. ротора) создает колебательные момен­ ты. Величина их может быть рассчитана по [Л. 12]. Максимальная амплитуда колебательных моментов не велика (менее 1 0 %), и вызываемые ими изменения ча­ стоты вращения можно не учитывать.

Потери. При регулировании напряжения статора по­

61

Поверхностные потери в роторе, если он выполнен из стали Э31, а статор из стали Э41, можно принять равны ми 40% потерь в стали статора:

P /Fe2,= 0 ,4 /5Fel-

Вентиляционные потери

(6-13)

где Рвет — вентиляционные потери при номинальной ча­ стоте вращения.

При расчете добавочных потерь от высших гармоник тока надо учитывать увеличение сопротивления из-за вы­ теснения тока в стержнях ротора и статора. Расчет коэффициента Фильда для обмотки статора — см. § 6-2. Для двухслойной обмотки ротора коэффициент Фильда

При частотах вращения, близких к синхронной, ча­ стота высших гармонических тока ротора мала, посколь­ ку частота основной гармоники не превышает 0,5 Гц. Для номинальной частоты вращения и номинальной мощности добавочные потери в роторной обмотке от выс­ ших гармоник для двигателя 3400 кВт составляют около 10% потерь от основной гармонической. При скольжени­ ях s>0,25 для гармоник 5-го порядка и выше у крупных двигателей при высоте стержня более 2 0 мм можно при­ нять:

Добавочные потери в обмотках статора и ротора от высших гармоник рассчитываются по (6-9) и (6-11).

Несинусоидальность кривых тока ротора и статора, вызванная преобразователем в цепи ротора, приводит к незначительному снижению к. п. д. при основной ско­ рости, а при низких скоростях потери от высших гармо­ ник относительно повышаются н могут заметно повлиять на нагрев двигателя.

62

Глава седьмая

ПУСК СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

7-1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПУСКА

Крупные вертикальные синхронные двигатели в боль­ шинстве случаев применяются для привода осевых насо­ сов, которые не имеют задвижки на напорном трубопро­ воде. Момент сопротивления насосного агрегата в нача­ ле пуска мал; при трогании с места — это момент сил трения в подпятнике и подшипниках электродвигателя и насоса. Момент сил трения насоса в большинстве слу­ чаев составляет 1—5% номинального момента. Момент сопротивления агрегата при трогании с места

M COnp = 9,81/Gr, Н-м,

где f — коэффициент трения скольжения, равный прибли­ зительно 0,2; г — средний радиус сегментов подпятника, м; G — масса ротора двигателя и ротора насоса, кг.

Ориентировочно массу ротора насоса можно принять равной 0,25—0,4 массы ротора двигателя. Момент со­

s =l ) должен быть не менее 0,3М1Ъучитывая возможные снижения напряжения в сети. По мере разворота агрега­ та момент сопротивления насоса растет по квадратичной зависимости от частоты вращения.

Момент сопротивления осевого насоса к концу пуска (при синхронизации двигателя) зависит от длины трубо­ провода и длительности пуска. В большинстве случаев при синхронизации момент сопротивления равен 80— 100% номинального. У центробежных насосов на напор­ ном трубопроводе имеется задвижка и момент сопротив­ ления к концу пуска меньше номинального. Для надеж­ ной синхронизации вращающий момент двигателя при скольжении s = 0,05 должен быть не менее 1,3 Мн-

При синхронизации на ротор действуют моменты: асинхронный и синхронизирующий и тормозные момен­ ты сил инерции и нагрузки. Если при подаче возбужде­ ния полярность полюсов ротора оказывается противопо­ ложной полярности ближайшего по направлению вращения полюса поля статора, то ротор ускоряется, скольжение уменьшается, н когда к полюсу ротора по-

63

Пусковой ток вызывает динамические усилия в об­ мотке статора, что при частых пусках может привести к ослаблению крепления лобовых частей обмотки. В ро­ торе большие пусковые токи могут вызвать недопусти­

При пуске от пониженного напряжения увеличива­ ется время пуска. Так как у насосных агрегатов в неко­ торых случаях (при большой длине трубопроводов) мо­ мент сопротивления зависит от длительности пуска, то при затяжном пуске могут затрудниться условия син­ хронизации и увеличиться нагрев пусковой 'обмотки, который зависит от нагрузки на валу. Поэтому выбор способа пуска должен решаться в каждом конкретном случае.

При пуске крупных двигателей, работающих от не­ достаточно мощной сети, может возникнуть значительное снижение напряжения на выводах двигателя. При этом асинхронный момент уменьшается пропорционально квадрату напряжения на выводах, а синхронизиру­ ющий— пропорционально первой степени. Напряжение на выводах двигателя при пуске может быть определено из схемы замещения (рис. 7-1):

где х 0— суммарное индуктивное сопротивление транс­ форматора, линии, системы, приведенное к мощности и напряжению двигателя; хдв=х"а— сверхпереходное ин-

Напряжение на двигателе

и =

Для полученного напряжения корректируется х г и напряжение при пуске.

Учесть посадку напряжения в сети необходимо не только для момента трогания агрегата с места, но и для подсинхронной скорости, чтобы проверить условия син­ хронизации. Индуктивное сопротивление пускаемого дви­ гателя при этом

где 18=0,05 — пусковой ток двигателя при скольжении

5= 0,05.

7-2. НАГРЕВ ПРИ ПУСКЕ

Нагрев при пуске обмотки статора и пусковой обмот­ ки является основным фактором, определяющим возмож­ ность повторных пусков, требуемую паузу между пуска­ ми и допустимое количество пусков за данное время.

При пуске к механическим центробежным силам, действующим на стержни п сегменты пусковой обмотки, добавляются термодинамические, вызванные нагревом обмотки. К тому же при высокой температуре (300 °С и более) резко падают механические свойства меди и ла­ туни, из которых обычно выполняются пусковые обмот­ ки. Поэтому важно знать температуру обмоток двигате­ ля при пуске.

Нагрев обмотки статора. Насосные агрегаты имеют относительно небольшой момент инерции, который опре­ деляется в основном моментом инерции двигателя. Пуск агрегата от сети обычно не превышает 10—15 с. Нагрев обмотки статора за это время можно считать адиабати­ ческим, т. е. без выделения тепла во внешнюю среду. Превышение температуры обмотки статора

(7-5)

где Мц в Н-м; / в кг-м2; Л4ДВ, Мс в о. е.

Возможность пуска двигателя непосредственно после его остановки, которой предшествовала длительная ра­ бота, определяется в основном нагревом обмотки стато­ ра, так как выбег агрегата длится недолго и температу­ ра обмотки не успевает заметно снизиться. Считается, что пуск из горячего состояния допустим, если адиаба­ тический дополнительный нагрев обмотки при пуске не превышает 20°С. Если в номинальном режиме обмотка статора имеет некоторый тепловой запас, то допустимый дополнительный нагрев при пуске может составлять 25— 30 °С.

Нагрев пусковой обмотки. Если пренебречь потерями в статоре, то можно считать, что вся потребляемая из сети энергия передается в роторОна расходуется на ускорение вращающихся масс и на потери в роторе. При пуске на холостом ходу энергия, выделившаяся в виде потерь в роторе, равна запасенной кинетической энергии. При пуске под нагрузкой энергия, выделенная в виде потерь в роторе, больше кинетической энергии, она об­ ратно пропорциональна избыточному моменту [Л. 7].

Принимая нагрев демпферной обмотки за время пус­ ка адиабатическим, превышение температуры АОможет

Вт/(кг-°С). У меди и латуни темплоемкость примерно

68

Формула (7-7) дает среднее превышение температу­ ры демпферной обмотки. Для определения механической прочности обмотки важно знать температуру стержней и замыкающих колец (в асинхронных двигателях) или сегментов (в синхронных двигателях). Распределение температуры при адиабатическом нагреве пропорци­ онально потерям (сопротивлениям).

Превышение температуры стержней

Сопротивление стержней намного больше сопротивле­ ния колец, поэтому нагрев стержней обычно в 2—3 раза выше нагрева колец.

Средний нагрев пусковой обмотки насосного двигате­ ля при пуске обычно 120—200 °С. Предельно допустимый средний нагрев 300 °С.

Асинхронные двигатели для насосов атомных станций иногда имеют на валу маховики, которые выбираются из условия сохранения насосов в работе при перерыве питания на 0,5—1,0 с. Величина допустимого момента инерции определяется из условий пуска агрегата. На­ грев короткозамкнутой обмотки ротора при пуске не должен превышать 300 °С.

7-3. ТОКИ В РОТОРЕ ПРИ ПУСКЕ

Пуск синхронных двигателей для насосов произво­ дится при отключенном возбудителе; обмотка ротора замкнута на разрядное сопротивление. Значение сопро­ тивления почти не влияет на пусковой момент двигателя. Сопротивление выбирается так, чтобы на обмотке не было высоких напряжений, особенно при тиристорном возбужденииКак правило, значение сопротивления в 6—10 раз превышает сопротивление обмотки возбуж­

69