книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник

ностм пускового тока. Чем больше кратность пускового момента, тем быстрее разгоняется электродвигатель. У шунтовых электродвигателей

потока сернесных электродвигателей по сравнению с номинальным вследствие протекания через сериесную обмотку пускового тока. Следо­ вательно, сериесные электродвигатели обладают лучшими пусковыми свойствами, чем шунтовые. Компаундные электродвигатели занимают между ними промежуточное положение. В целом электродвигатели по­ стоянного тока, особенно крановые, обладают очень хорошими пус­ ковыми свойствами.

§ 11. Пусковые свойства асинхронных электродвигателей

Наиболее распространен прямой пуск короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, при котором обмотку статора подключают непосредственно к питающей сети.

Ток ротора, как известно, равен

мере разгона электродвигателя скольжение уменьшается и ток / 1и ро­

вой момент. Однако, в отличие от электродвигателей постоянного тока, здесь на величину пускового момента влияет не только пусковой ток, но и величина cos я|)2.

В начале пуска, когда s = 1, величина cos яр2 наименьшая, а затем по мере уменьшения скольжения она возрастает. Ток же ротора в процессе разгона непрерывно уменьшается. Поэтому вращающий мо­ мент, пропорциональный произведению этих величин, при пуске, не­ смотря на большой пусковой ток, весьма мал (см. рис. 21). Затем

40

он постепенно возрастает, а после достижения электродвигателем ча­ стоты вращения, соответствующей критическому скольжению, снова убывает.

Кратность пускового момента современных нормальных асинхрон­ ных электродвигателей /ем = 0,8 ~ 2.

По сравнению с электродвигателями постоянного тока асинхрон­ ные короткозамкнутые электродвигатели обладают значительно худ­ шими пусковыми свойствами: кратность пускового тока у них больше, а кратность пускового момента меньше. В частности, эти электродви­ гатели при прочих равных условиях разгоняются до рабочей частоты вращения значительно больше времени, чем электродвигатели по­ стоянного тока.

Пусковой ток не опасен для асинхронных электродвигателей. Только при пуске очень мощных электродвигателей приходится счи­ таться с большими электродинамическими силами в обмотках, возни­ кающими при прохождении пускового тока. Тепловое действие пуско­ вых токов незначительно ввиду их кратковременности. Однако они вы­ зывают толчкообразные провалы напряжения в питающей сети из-за увеличивающейся при прохождении пускового тока потери напряже­ ния. Особенно нежелательны большие пусковые токи в судовых элек­ троустановках, в которых мощности крупных асинхронных электро­ двигателей соизмеримы с мощностями синхронных генераторов, пи­ тающих судовую сегь. Синхронные генераторы при увеличении тока сильно снижают напряжение, что вредно сказывается на работе осталь­ ных потребителей, присоединенных к судовой сети. Ухудшающим фак­ тором является также низкий коэффициент мощности асинхронных электродвигателей при пуске, вследствие чего напряжение синхрон­ ных генераторов снижается и по этой причине.

Регистр СССР разрешает прямой пуск только таких асинхрон­ ных двигателей, которые вызывают снижение напряжения сети не более чем на 20% UB. Поэтому максимальная мощность двигателей,

допускающих прямой пуск, определяется мощностью судовой элек­ тростанции и способом регулирования напряжения судовых генера­ торов.

С целью уменьшения провалов напряжения на судах часто приме­ няют искусственные методы пуска асинхронных короткозамкнутых электродвигателей, снижающие пусковые токи до приемлемых значе­ ний. Необходимость использования этих методов устанавливают, ана­ лизируя работу судовой энергосистемы в различных режимах при вне­ запном пуске данного электродвигателя.

Наиболее распространены два метода: включение резисторов в цепь статора (рис. 22, а) и переключение обмотки статора со звезды

при этом снижается до нужного значения, зависящего от величины пускового сопротивления. По мере разгона электродвигателя ток статора уменьшается. При достижении электродвигателем определен­

41

ной частоты вращения пусковое сопротивление шунтируют, замыкая трехполгосный рубильник Р . Момент замыкания выбирают так, чтобы

получающийся при этом новый толчок пускового тока не превосхо­ дил первый. Пусковая диаграмма тока электродвигателя изображена на рис. 22, в.

Рассмотренный метод пуска обладает серьезным недостатком. Как видно из выражения (39) и рис. 22, г, при снижении напряжения, при­

ложенного к обмотке статора, пусковой момент электродвигателя умень-

Рис. 22. Пуск асинхронных короткозамкнутых электродвигателей:

а — схема включения резистора в цепь якоря; б — схема переключения со звезды па тре­ угольник; в — характеристика тока статора; г — механические характеристики

шается во второй ступени. Он может оказаться меньше статического момента на валу электродвигателя, вследствие чего пуск окажется невозможным. Такой метод пуска можно применять при приведении электродвигателем в действие механизма с вентиляторной механиче­ ской характеристикой или запускающегося исключительно на холо­ стом ходу. Нормальная нагрузка механизмов, запускающих на хо­ лостом ходу, создается после завершения процесса пуска. В указан­ ных случаях начальный статический момент очень мал и, несмотря на снижение пускового момента, последний оказывается больше стати­ ческого, поэтому разгон электродвигателя становится возможным.

Механические характеристики электродвигателя .при пуске опи­ санным методом и механические характеристики указанных механиз­ мов изображены на рис. 22, г. По мере разгона и снижения тока статора

падение напряжения на пусковом сопротивлении уменьшается, прило­

42

женное к обмотке статора напряжение увеличивается и момент элек­ тродвигателя возрастает. Электродвигатель в процессе пуска плавно переходит с искусственных характеристик, соответствующих меньше­ му значению приложенного напряжения, на характеристики, соответ­ ствующие большему напряжению. Пунктиром показана искусствен­ ная характеристика, соответствующая такому же пониженному напря­ жению, какое приложено к обмотке статора в начале пуска описан­ ным методом, но при условии, что оно на протяжении всего процесса разгона неизменно.

Схема пуска методом переключения со звезды на треугольник изо­ бражена на рис. 22, б. В начальный момент пуска трехполюсный пере­ ключатель П устанавливают в нижнее положение. При этом фазные

обмотки электродвигателя, которые в нормальном режиме работы сое­ динены треугольником, включают по схеме звезды. Вследствие этого фазное напряжение уменьшается в У 3 раз, а пусковой ток — в три

раза по сравнению с этими же величинами при прямом пуске элек­ тродвигателя, соединенного треугольником. После разгона до опре­ деленной частоты вращения переключатель устанавливают в верхнее положение, включая обмотки треугольником. Для обычных электро­ двигателей с номинальным напряжением 380/220 В этот способ при­ годен только при напряжении сети 220 В. Недостатком этого метода пу­ ска, как и предыдущего, является значительное снижение пускового момента, который оказывается в три раза меньше, чем при прямом пуске. Поэтому применять его можно только для некоторых механиз­ мов, указанных; выше. Пусковые характеристики электродвигателя имеют такой же вид, как при пуске с активными сопротивлениями в цепи статора.

Таким образом, искусственные методы пуска короткозамкнутых электродвигателей, уменьшая пусковой ток, значительно снижают пусковой момент и поэтому могут быть применены далеко не во всех случаях. Иначе обстоит дело при искусственном пуске фазных элек­ тродвигателей, который осуществляют, включая резисторы в цепь обмотки ротора (рис. 23, а). При этом снижается пусковой ток и

увеличивается cos а следовательно, и пусковой момент электро­ двигателя. Последнее происходит до определенного значения пу­ скового сопротивления — при слишком большом сопротивлении пусковой момент уменьшается из-за значительного снижения пу­ скового тока. Это видно из сравнения моментов 7ИП, М п1, М пз и М пз

на характеристиках, показанных на рис. 16, б.

По мере разгона электродвигателя ток ротора и вращающий мо­ мент уменьшаются. Для ускорения процесса пуска пусковое сопротив­ ление постепенно выключают из цепи ротора так же, как при пуске электродвигателей постоянного тока. При выключении каждой оче­ редной ступени сопротивления рубильниками Р1 и Р2 происходит

толчкообразное увеличение тока и момента. Определяя количество и величины ступеней сопротивления расчетом и координируя время выключения ступеней частотой вращения разгоняющегося электродви­ гателя, можно получить плавный и быстрый разгон электропривода

43

при допустимых толчках пускового тока. Пусковые диаграммы тока и момента при двухступенчатом пуске электродвигателя изображены на рис. 23, б и в.

В ряде случаев для упрощения схемы пуска и уменьшения числа ступеней пускового сопротивления при заданном числе искусственных пусковых характеристик отдельные ступени выключают не одновре­ менно во всех трех фазах цепи ротора, а поочередно в каждой фазе. Такой способ будет называться пуском с несимметричными сопротив­ лениями.

а)

Сравнивая пусковые свойства фазных электродвигателей с короткозамкнутыми, можно установить значительное преимущество первых. Кратность пускового момента может быть доведена у них при помощи пускового реостата до кратности критического момента, следователь­ но, она гораздо больше, чем у короткозамкнутых электродвигателей. Вместе с тем кратность пускового тока у них значительно меньше, чем у последних. Однако фазные электродвигатели сложнее по устройству и поэтому дороже, чем короткозамкнутые. В настоящее время на су­ дах они применяются редко, в основном для привода мощных механиз­ мов с тяжелыми условиями пуска. В береговых установках, в частно­ сти в морских портах, они широко распространены в качестве привода грузоподъемных механизмов.

44

§ 12. Асинхронные короткозамкнутые электродвигатели с улучшенными пусковыми свойствами

Улучшенными пусковыми свойствами обладают асинхронные короткозамкнутые электродвигатели с вытеснением тока. Из них наиболее распространены двухклеточные и глубокопазные.

Они отличаются от обычных короткозамкнутых электродвигателей особой конструкцией ротора. На рис. 24 изображены разрезы пазов роторов нормального, двухклеточного и глубокопазного электро­ двигателей. Статоры этих электродвигателей устроены одинаково.

В каждом пазу ротора двухклеточного электродвигателя находятся по два стержня. Между стержнями в сердечнике ротора сделана уз­ кая щель. Наружные стержни вместе с торцовыми короткозамыкающими кольцами образуют пусковую обмотку, а внутренние — рабочую.

Обмотка ротора имеет вид двух беличьих колес (клеток), помещенных одно внутри другого, в то время как обмотка обычного короткозамкну­ того электродвигателя выполнена в виде одного беличьего колеса. Рабочая обмотка изготовляется обычно из алюминия, пусковая об­ мотка — из сплава, удельное сопротивление которого больше, чем алюминия. Сечение стержней пусковой обмотки меньше, поэтому

ее активное сопротивление больше рабочей. При протекании тока по обмоткам ротора вокруг стержней обмоток возникают потоки рас­ сеяния. Как видно из рис. 24, б, магнитные силовые линии потока пу­

сковой обмотки пересекают воздушный промежуток щели паза два­ жды, а потока рабочей обмотки — один раз. Те же линии потока пус­ ковой обмотки, которые также пересекают щель один раз, замыкаются

43

по сердечнику ротора по более длинному пути. Следовательно, маг­ нитное сопротивление /?м.п потоку рассеяния пусковой обмотки больше, чем потоку рабочей обмотки. Индуктивность пусковой обмот­

ки Ь п = ^ — (w — число витков обмотки) меньше, чем индуктивность

Км.п рабочей. При одинаковой частоте тока / индуктивное сопротивление

пусковой обмотки Л'2з = wLn = 2.u/2L„ тоже меньше, чем рабочей.

Пусковая н рабочая обмотки соединены как бы параллельно. По­ этому распределение тока между ними во время работы электродвига­ теля зависит от соотношения их полных сопротивлений. В начальный момент прямого пуска, когда частота тока ротора наибольшая, индук­ тивные сопротивления обмоток имеют максимальные значения и оказы­ вают превалирующее влияние на величину полного сопротивления обмоток. Так как индуктивность пусковой обмотки будет меньше, то полное сопротивление ее также будет меньше, чем у рабочей, и пуско­ вой ток потечет в основном по ней. Происходит как бы вытеснение тока в пусковую обмотку. Ввиду того что доля активного сопротивле­ ния пусковой обмотки R 2n в полной его величине

z u = }/~R2п + -V'2S[1

велика, угол сдвига между э. д. с. Е 2и и током ротора будет небольшой

и cos г|),п будет иметь большую величину. Из-за большой величины cos ijj2n доля активной составляющей тока

■^гакт.п = ^2п COS Ф211

по сравнению с обычным короткозамкнутым двигателем возрастает и пусковой момент электродвигателя, образованный пусковой обмоткой, М п = с / , акт.п Ф имеет сравнительно большую величину. Необходимо

отметить, что активное сопротивление пусковой обмотки при прочих равных условиях значительно больше, чем обмотки ротора нормаль­ ного короткозамкнутого электродвигателя, и поэтому пусковой ток двухклеточного электродвигателя меньше, чем нормального. В даль­ нейшем по мере разгона электродвигателя частота тока в роторе и ин­ дуктивные сопротивления обоих обмоток уменьшаются и на величину полного сопротивления обмоток все большее влияние начинают ока­ зывать их активные сопротивления. Полное сопротивление пусковой обмотки поэтому увеличивается, а рабочей уменьшается. В связи с этим возрастает доля тока, протекающего по рабочей обмотке. При достиже­ нии нормальной частоты вращения почти весь ток ротора проходит по рабочей обмотке, активное сопротивление которой невелико, как

иу обычного короткозамкнутого электродвигателя. Таким образом,

впроцессе пуска происходит как бы уменьшение активного сопротив­ ления ротора, подобно тому, как при пуске фазного электродвигателя, но здесь это получается автоматически и более плавно.-

Пазы ротора глубокопазного электродвигателя сделаны в виде глубоких узких щелей, глубина которых в 15—20 раз больше ширины. Обмотка ротора состоит из стержней, изготовленных из топких медных

46

полос и КоротКозамыкающик колец. Она имеет вид беличьего колеса, как и у обычного короткозамкнутого электродвигателя. При прохо­ ждении тока по обмотке ротора вокруг стержней обмотки образуется несимметричный поток рассеяния, магнитные силовые линии которо­ го показаны на рис. 24, в. Из-за неодинакового магнитного сопротив­

ления потоку часть стержня, находящуюся в глубине паза, охватывает большее количество силовых линий, чем его наружную часть. Поэтому индуктивное сопротивление внутренней части обмотки больше, чем наружной, и ток распределяется по сечению стержней обмотки нерав­ номерно. В начальный момент пуска электродвигателя, когда частота тока ротора наибольшая и индуктивное сопротивление максимальное, почти весь ток протекает по наружным частям стержней обмотки, и он как бы вытесняется в эти части. Плотность тока в них возрастает, про­ исходит как бы уменьшение сечения токопроводящей части стержней и увеличение активного сопротивления обмотки. Вследствие этого пусковой ток глубокопазного электродвигателя оказывается меньше, чем обычного (при прочих равных условиях), а пусковой момент — больше. Затем, по мере разгона электродвигателя, уменьшения частоты тока в роторе и его индуктивного сопротивления, ток распределяется по сечению стержней равномернее, вытеснение тока значительно умень­ шается. Это приводит как бы к увеличению сечения токопроводящей части стержней и к уменьшению их активного сопротивления. При нормальной частоте вращения электродвигатель работает, как обычный. Таким образом, и здесь происходит автоматическое плавное умень­ шение активного сопротивления цепи ротора в процессе пуска элек­ тродвигателя. Глубокопазные электродвигатели в настоящее время очень распространены и считаются основным типом короткозамкнутых электродвигателей.

Конструктивно современные глубокопазные электродвигатели вы­ полняются не только с прямоугольными узкими пазами, но и с паза­ ми иной формы, например с колбовидными, разрез которых по форме напоминает колбу с узким горлышком.

Так как у электродвигателей с вытеснением тока в процессе пуска изменяется не только индуктивное, но и активное сопротивление рото­ ра, их механическую характеристику невозможно выразить математи­ чески при помощи уравнения, подобного рассмотренному выше в § 10. Заводы-изготовители приводят в своих каталогах характеристики этих электродвигателей, полученные экспериментально (рис. 25), или, чаще всего', сообщают характерные параметры, определяющие их элек­ тромеханические свойства. В каталогах, в частности, приводятся дан­ ные о кратности критического момента р к кратности пускового момента ku и кратности пускового тока &г.

Сравнительно хорошими пусковыми свойствами обладают также электродвигатели с повышенным скольжением, которые отличаются от обычных большим активным сопротивлением обмотки ротора.

О пусковых свойствах указанных типов электродвигателей можно судить по табл. 1, в которой для сравнения приведены данные четы­ рех короткозамкнутых электродвигателей примерно одинаковой мо­ щности, но с различным конструктивным исполнением роторов.

47

Из таблицы видно, что улучшение пусковых свойств короткозамк­ нутых электродвигателей снижает их экономические показатели (к. п. д., коэффициент мощности).

Рис. 25. Характеристики тока статора (а) и механические характеристики (б;

асинхронных короткозамкнутых электродвигателей:

/ — двухклеточного; 2 — глубокопазного; 3 — с повышенным скольжением

Короткозамкнутые электродвигатели с улучшенными пусковыми свойствами дороже нормальных. Они применяются на судах в случаях, когда пусковые свойства последних не дают возможности использо­ вать их для привода каких-либо конкретных механизмов. Обычно при мощности свыше 30 кВт привод выполняют при помощи этих специаль­ ных электродвигателей. Электродвигатели с повышенным скольжением применяют только для механизмов, работающих сравнительно кратко­ временно и при переменных нагрузках, например для грузоподъем­ ных механизмов. В этом случае их экономические недостатки сказы­ ваются меньше. В случаях, когда применение электродвигателей с вы­ теснением тока все же не обеспечивает нужного снижения пускового тока, пуск их осуществляют при помощи активных сопротивлений, включаемых в цепь обмотки статора. Поскольку пусковой момент у них сравнительно высокий, он может, несмотря на уменьшение при этом способе пуска, оказаться все же достаточным для разгона элек­ тродвигателя под полной нагрузкой.

48

ния или быстрой остановки электродвигателя. Это относится в первую очередь к оборудованию, работающему в режиме с частыми пусками, для повышения их производительности, а также для точности выпол­ нения отдельных операций. С этой целью используют механическое и электрическое торможение двигателя. Механическое торможение осу­ ществляется дисковыми, колодочными и ленточными электромагнит­ ными тормозами; оно дополняет электрическое торможение и служит только для обеспечения фиксированных остановок.

Электрическое торможение выполняет следующие функции:

а) переход с большей частоты вращения работы электродвигателя на меньшую;

б) ограничение частоты вращения при работе двигателя в тормоз­ ном режиме;

в) экстренные, остановки.

Существуют следующие методы электрического торможения элек­ тродвигателей:

а) генераторное, или рекуперативное; б) динамическое; в) противовключением (противотоком).

Рекуперация — это отдача электроэнергии электродвигателем, работающим в генераторном режиме, обратно в питающую сеть. Пере­ ход электродвигателя в генераторный режим происходит при изме­ нении знака статического момента механизма, т. е. когда вместо мо­ мента сопротивления, препятствующего движению, возникает движу­ щий момент, разгоняющий электродвигатель в прежнюю сторону вра­ щения, с частотой большей, чем частота идеального холостого хода или чем синхронная частота вращения.

Это явление может получиться при спуске тяжелого груза гру­ зоподъемным механизмом или при перемещении движущегося вагона электротранспорта с горизонтального участка пути на участок с укло­ ном. Работая в генераторном режиме, электродвигатель преобразовы­ вает сообщаемую ему механизмом энергию в электрическую и воз­ вращает ее в питающую сеть. При этом он развивает отрицательный (тормозной) момент. Применяя рекуперативное торможение, нельзя остановить электропривод, но можно ограничить частоту его враще­ ния. Она зависит от тормозного момента электродвигателя и от механи­ ческой характеристики, на которой работает электродвигатель.

Динамическое торможение применяют для быстрой остановки элек­ тродвигателя. Оно способствует точной остановке механизма в за-

49