Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

Если включить двигатель в сеть при соединении обмотки статора треугольником, то

Uд и„

I n. фД —

Таким образом, пусковой ток в линии при соединении статора звездой в три раза меньше, чем при соединении треугольником. Это весьма ценное преимущество рассматри­ ваемого способа пуска. Но так как при соединении обмоток статора звездой фазное

в стали приблизительно в 3 раза, так как они зависят от магнитного потока во второй степени.

Но, согласно формуле (25-18), Мдм — км1\ФЬт. Если момент Л/т задан (Мт = const), то уменьшение потока Фйт вызывает соответству­ ющее увеличение тока в роторе І'г за счет большего скольжения s [формула (25-11)]. Это приводит к увеличению потерь в обмотке ро­ тора примерно в 3 раза.

В обмотке статора ток равен геометрической сумме намагничиваю­ щего и приведенного вторичного токов. При соединении звездой

337

первый уменьшается, а второй увеличивается. Поэтому при малых нагрузках, где главную роль играет намагничивающий ток / 0, ток в статоре 1Хуменьшается; но при относительно больших нагрузках, где большее значение имеет приведенный вторичный ток Г->, ток / х при соединении звездой может оказаться больше, чем при соединении треугольником (рис. 28-8).

Из сказанного следует, что к. п. д. двигателя при соединении звездой немногим отличается от к. и. д. при соединении треуголь­ ником; при малых нагрузках, не превышающих 40% номинальной, он несколько выше, но затем быстро уменьшается.

При малых нагрузках переключение с треугольника на звезду оказывает большое влияние на cos ф двигателя (рис. 28-8).

28-5. Двухклеточный двигатель

Чтобы сохранить простоту и надежность двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора, но придать нм лучшие пусковые харак­ теристики, было предложено много различных специальных типов двигателей, из которых наибольшее значение имеют: двухклеточные

ротора, тогда как рабочая обмотка располагается дальше от поверх­ ности ротора и делается обычно из меди.

Стержень 1 пусковой обмотки (рис. 28-9, а) сцеплен только с не­ большим числом линий потока рассеяния; стержень 2 рабочей обмотки сцеплен с большим числом этих линий. Таким образом достигается

Между верхним и нижним стержнями оставляют щель 3, которая может быть залита металлом обмоток (рис. 28-9, б) . Наличие щели

338

значительно уменьшает магнитную проводимость пути магнитного потока Ф' поперек пазов и обеспечивает сцепление основного потока ф" с нижней рабочей обмоткой.

Характеристики обеих обмоток определяют их роль во время пуска двигателя. В начальный момент пуска, когда ротор еще непо­ движен, частота тока в роторе равна частоте сети, т. е. /2 = fx. Ток рабочей обмотки, вследствие ее малого активного и большого индуктивного сопротивлений, отстает почти на четверть периода от наведенной в этой обмотке э. д. с. Поэтому ток рабочей обмотки при пуске почти не создает вращающего момента. Ток пусковой обмотки, вследствие ее малого индуктивного и большого активного сопротив­ ления, практически совпадает с наводимой в этой обмотке э. д. с. Таким образом именно эта обмотка и создает при пуске требуемый вращающий момент.

П

По мере увеличения скорости вращения ротора частота тока в нем уменьшается, соответственно чему уменьшаются индуктивные со­ противления обеих обмоток. При нормальной скорости вращения ин­ дуктивные сопротивления обмоток очень малы, и ток, распределяясь обратно пропорционально их активным сопротивлениям, почти весь идет по рабочей обмотке. Соотношение между активным и индук­ тивным сопротивлением пусковой обмотки выбирается таким, чтобы

двухклеточного двигателя. Здесь 1 — линия момента, создаваемая пусковой обмоткой, 2 — то же, рабочей обмоткой, 3 — линия резуль­ тирующего момента. Изменяя соотношения между параметрами пуско­ вой и рабочей обмоток, можно получить различные формы механичес­ ких характеристик, как, например, 4 и 5 на рис. 28-10.

Более подробный анализ показывает, что большему начальному пусковому моменту Мп соответствует больший пусковой ток / п

пменьшая перегрузочная способность.

Кнедостаткам двухклеточного двигателя относится несколько по­ ниженный cos ср но сравнению с двигателями нормального исиол-

339

нения. Пто объясняется относительно большим индуктивным сопро­ тивлением рассеяния рабочей обмотки.

Наряду с этим двухклеточный двигатель требует повышенной затраты цветных металлов и в конструктивном отношении сравни­ тельно сложен.

Так как двухклеточный двигатель имеет две обмотки, то соответ­ ственно этому строятся две окружности токов — окружность токов рабочей обмотки Кр и окружность токов пусковой обмотки Кп (рис. 28-11). Точка холостого хода Н лежит на окружности К р, точка короткого замыкания К — на окружности Ка. Геометрическим местом токов двухклеточного двигателя является линия, совпадающая с окру­ жностью токов Кр, начиная от точки Н, а затем плавно переходящая окружность токов Кп-

28-6. Глубокопазный двигатель

Глубокопазный двигатель в настоящее время рассматривается как основной тип двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора.

В глубокопазных двигателях применяются стержни обмотки ротора с достаточно большим отношением высоты /гст к ширине ЬСТ

Рис. 28-12. Вытеснение тока в проводнике, находя­ щемся в пазу: а — картина поля; б — распределение плотности тока; в — эквивалентный проводник при вытеснении тока

(рпс. 28-12, а). Так как магнитные линии стремятся идти по пути наименьшего сопротивления, то центр поля рассеяния опустится к основанию паза, и магнитный поток распределится так, как это показано на рисунке.

Нижние части стержня оказываются сцепленными с большим числом линий потока рассеяния, а верхние — с меньшим. При пуль-

340

(сплошная линия на рис. 28-12, а) наводит э. д. с. е, одинаковую по всей высоте стержня, так как линии этого потока сцеплены с полным

э. д. с. еа противодействует изменению потока рассеяния и поэтому направлена встречно относительно е.

Таким образом, ток і, а стало быть, и плотность тока тем больше, чем меньше еа, т. е. происходит вытеснение тока в верхнюю часть стержня (рис. 28-12, б). Вслед­ ствие этого, во-первых, умень­ шается используемая площадь поперечного сечения стержня

Рис. 28-14. Механические ха­ рактеристики глубокопазного двигателя

(рис. 28-12, в) и, таким образом, увеличивается его активное соп­ ротивление гст, а во-вторых, нижняя часть стержня освобождается от поля рассеяния, и индуктивное сопротивление жст уменьшается по сравнению с сопротивлениями стержня гст0 и хста при равномер­ ном распределении тока по сечению. Относительное изменение активного и индуктивного сопротивлений при вытеснении тока характеризуется коэффициентами кг и кх, причем

кг = гс?/гCTq и кх= £ст/*£сто*

Коэффициенты кг и кх определяются в основном приведенной вы­ сотой стержня Е, (рис. 28-13), которая зависит от высоты стержня her, отношения ширины стержня 5СТк ширине паза Ьп, частоты в стержне fs и удельного сопротивления материала стержня р

г°п . Р

341

kr—2,5 -7-4, /сд.~ 0,6 -f-0/i, т.е. активное сопротивление стержня в пазу заметно возрастает, а индуктивное уменьшается. Поэтому пусковой ток глубоконазного двигателя относительно меньше, чем двигателя нормального исполнения, а пусковой момент больше. Соответствую­ щие данные приводятся в табл. 28-1 в сопоставлении с аналогичными данными двигателей нормального исполнения и двухклеточных. Пусковые характеристики глубокопазного двигателя лучше, чем двигателя нормального исполнения, но уступают пусковым харак­ теристикам двухклеточного двигателя. На рис. 28-14 приведена меха­ ническая характеристика 1 глубокопазного двигателя и зависимость пускового тока от скольжения (линия 2). Для сравнения показана механическая характеристика 3 двигателя нормального исполнения.

По мере увеличения скорости вращения ротора активное сопроти­ вление обмотки уменьшается, и распределение тока становится более равномерным.

При нормальной скорости вращения, когда частота тока в роторе мала, вытеснение тока прекращается (кг = 1, кх = 1) и двигатель с глубоким пазом практически приобретает свойства обыкновенного двигателя нормального исполнения. Поэтому в пределах работы при скольжениях от s = 0 примерно до s = 0,2 геометрическое место тока глубокопазного двигателя представляет собой окружность, но затем, по мере увеличения скольжения, оно все более отступает от окружности, приобретая вид линии на рис. 28-15.

Вследствие относительно большого индуктивного сопротивления ротора глубокопазный двигатель имеет меньший cos ф и меньшую перегрузочную способность, чем двигатель нормального испол­

тики глубокопазного двигателя несколько хуже, чем двигатели нор­ мального исполнения; таким образом, улучшение пусковых харак­ теристик глубокопазного двигателя приобретается за счет некоторого, впрочем небольшого, ухудшения его рабочих характеристик.

В конструктивном отношении стержни обмотки ротора глубоко­ пазного двигателя могут иметь различную форму. Широко приме­ няется стержень прямоугольной формы, показанный на рис. 28-12, а. Но при пуске двигателя в ход в высоких стержнях обмотки ротора

342

могут возникнуть недопустимые термические напряжения, в особен­ ности в машинах с большой скоростью вращения.

Большая надежность ротора может быть обеспечена применением стержней так называемого бутылочного профиля (рис. 28-16, а) или же трапецеидального (рис. 28-16, б). При этих формах сечения можно

а) б)

получить необходимое увеличение активного сопротивления обмотки ротора при меньшей глубине паза, Роторы с такими стержнями позволяют значительно улучшить пусковые свойства двигателей и проще в изготовлении по сравнению с двухклеточными роторами вследствие облегчения пайки стержней к короткозамыкающим коль­ цам.

Глава д в а д ц а т ь де вятая

РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

29-1. Способы регулирования скорости вращения

Асинхронный двигатель, как правило, используется в электро­ приводе с постоянной скоростью вращения, однако в ряде случаев требуется эту скорость регулировать.

Из формулы (22-Іа) следует, что скорость вращения ротора асин­ хронного двигателя

n = n1( l - s ) = - y - ( l - s ) .

Таким образом, чтобы изменить скорость вращения ротора, необ­ ходимо изменить либо скольжение s, либо скорость вращения поля статора п1. Последнее достигается изменением числа пар полюсов р обмотки статора или же частоты / тока в обмотке статора.

Перечисленные способы имеют существенные недостатки, и поэ­ тому было предложено большое число соединений (каскадов) асин­ хронного двигателя с другими электрическими машинами для полу­ чения необходимых характеристик скорости.

343

уменьшается пропорционально уменьшению скорости вращения. С уменьшением скорости вращения происходит ухудшение венти­ ляции двигателя, поэтому одновременно необходимо также понижать

нагрузочный момент Л/т.

Наклон характеристик скорости с увеличением сопротивления цепи ротора увеличивается; это понижает устойчивость работы двигателя, т. е. малые изменения нагрузочного момента вызывают большие колебания скорости вращения.

В случае резко нарастающих нагрузок «смягчение», т. е. увели­ чение наклона характеристики скорости желательно для исполь­ зования кинетической энергии /соа/2, запасенной во вращающихся частях привода с общим моментом инерции J. При повышении на­ грузки скорость вращения двигателя понижается, и динамический

момент J способствует преодолению нагрузочного момента Мт,

уменьшая таким образом вращающий момент М2 двигателя. Это поз­ воляет выбрать двигатель меньшей мощности и понизить наибольший ток статора.

Изменение скольжения может быть получено также за счет изме­ нения подведенного к двигателю напряжения Ut; однако при малом сопротивлении цепи ротора скольжение изменяется в узких преде­ лах вследствие большого угла наклона механической характеристики (рис. 29-2, а). Механическая характеристика 1 построена для номи­ нального напряжения U1H, критическое скольжение sm — 0,2 (в дви­ гателях средней и большой мощности sm значительно меньше). При уменьшении напряжения ординаты механической характеристики уменьшаются пропорционально ( U J U ^ . Характеристика 2 соот­ ветствует уменьшению напряжения на 0,3 U1H. При заданном нагру­ зочном моменте скольжение будет изменяться в пределах между точками а и Ь, т. е. скорость вращения изменится не более чем на 15%. Но при этом пусковой момент Мп становится меньше момента (— Мт) и резко снижается перегрузочная способность двигателя.

При увеличении сопротивления цепи ротора пределы регулирова­ ния скорости вращения значительно расширяются, особенно если sM становится равным единице, однако при этом понижается устой­

345

чивость работы двигателя. На рис. 29-2, б приведены механические характеристики двигателя при sm -=1 для номинального напряже­ ния (линия 3) и для пониженного на 30% напряжения (линия 4). Регулирование скорости вращения при заданном значении Мт на­ ходится в пределах с — d.

Пределы регулирования скольжения зависят также от характера изменения нагрузочного момента от скорости вращения; эти пределы уменьшаются, если момент Мтвозрастает с увеличением скорости вращения.

Регулирование напряжения может производиться автотрансфор­ матором, переменным индуктивным сопротивлением или другими способами.

29-3. Изменение числа пар полюсов

При изменении числа пар полюсов обмотки статора изменяется скорость вращения поля статора, а следовательно, и скорость вра­ щения ротора. Число полюсов может быть только целым, поэтому изменение скорости вращения будет ступенчатым. Особенно большие ступени получаются при малом числе полюсов.

Изменение числа полюсов может быть достигнуто двумя способами: на статоре можно уложить две обмотки, каждая из которых имеет требуемое число полюсов, или же использовать одну обмотку, допус­ кающую переключение на разное число полюсов.

В двигателе с переключением числа полюсов ротор обычно выпол­ няется с короткозамкнутой обмоткой, так как применение фазной обмотки с переключением числа полюсов значительно усложняет изготовление ротора.

Наиболее простая схема переключения числа полюсов обмотки получается при отношении скоростей вращения 1 : 2.

Двухслойные обмотки предпочтительнее, так как они обеспечи­ вают лучшую форму магнитного поля в зазоре. Шаг обмотки выбира­ ется таким образом, чтобы он был близким к полюсному делению при большем числе полюсов.

На рис. 29-3 представлена схема обмотки, фаза которой состоит из двух катушек AB и CD. Показанное на рис. 29-3, а направление тока при соединении конца катушки В с началом катушки С создает четыре полюса. При изменении направления тока в катушке CD

нии катушек (рис. 29-3, е). При этом требуется только три выведен­ ных конца вместо четырех по схеме рис. 29-3, б, а при внутреннем сое­ динении трехфазной обмотки звездой или треугольником только шесть концов. При изменении числа полюсов может изменяться также индукция в зазоре и приблизительно пропорционально ей — вращающий момент двигателя.

Индукция в зазоре зависит от величины вращающегося магнит­ ного потока и полюсного деления. Магнитный поток определяется приложенным к обмотке напряжением, числом последовательно сое диненных витков и обмоточным коэффициентом [формула (23-3)j.

346