3.2.4. Особенности характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Формирование пусковых характеристик двигателей с фазным ротором производится путем введения в цепь ротора дополнительного активного сопротивления и уменьшения величины этого сопротивления по мере разгона двигателя (уменьшения скольжения).

В короткозамкнутых асинхронных двигателях введение дополнительного сопротивления в цепь ротора невозможно. Однако тот же результат может быть получен, если воспользоваться эффектом вытеснения тока на поверхность проводника. Сущность этого явления состоит в следующем. Согласно закону электромагнитной индукции при протекании по проводнику переменного тока в нем индуктируется э.д.с. самоиндукции, направленная против тока

(3.31)

или .

Величина этой э.д.с. зависит от величины тока I_m, его частоты и индуктивности, определяемой характеристикой среды, окружающей проводник. Если проводник находится в воздухе, то магнитная проницаемость среды очень мала, следовательно, мала индуктивность L. В этом случае при частоте 50 Гц ) влияние э.д.с. самоиндукции незначительно. Другое дело, когда проводник помещен в тело магнитопровода. Тогда индуктивность многократно увеличивается и э.д.с. самоиндукции, направленная против тока, играет роль индуктивного сопротивления, препятствующего протеканию тока.

Рассмотрим проявление действия э.д.с. самоиндукции для случая проводника (стержня обмотки ротора), помещенного в глубокий паз магнитопровода ротора двигателя (рис.3.10,а). Условно разделим сечение стержня на три части, которые соединены параллельно. Ток, протекающий по нижней части стержня образует поток Ф₁, магнитные силовые линии которого замыкаются по магнитопроводу. В этой части проводника возникает э.д.с. самоиндукции e_L1 большой величины, направленная против тока i₂₁.

Ток i₂₃, протекающий по верхней части стержня роторной обмотки образует поток Ф₃, но, так как силовые линии этого потока в значительной части своей длины замыкаются по воздуху, то величина потока Ф₃ будет гораздо меньше, чем потока Ф₁. Отсюда и э.д.с. e_L3 будет во много раз меньше, чем e_L1.

Указанное распределение э.д.с. самоиндукции по высоте стержня характерно для того режима, когда частота тока ротора велика – близка к 50 Гц (см.3.31). В этом случае, поскольку все три части стержня ротора соединены параллельно (рис. 3.10,в), то ток ротора I₂ пойдет по верхней части стержня. Это явление называют вытеснением тока на поверхность паза. При этом эффективное сечение стержня, по которому идет ток, будет в несколько раз меньше, чем общее сечение стержня обмотки ротора. Таким образом, увеличивается активное сопротивление ротора r₂. Отметим, что поскольку э.д.с. самоиндукции зависит от частоты тока (т.е. от скольжения), то и сопротивления r₂ и x₂ являются функциями скольжения.

При пуске, когда скольжение велико, сопротивление r₂ увеличивается (в цепь ротора как бы вводится добавочное сопротивление). По мере разгона двигателя скольжение двигателя уменьшается, эффект вытеснения тока ослабевает, ток начинает распространяться вниз по сечению проводника, сопротивление r₂ уменьшается. При достижении рабочей скорости частота тока ротора настолько мала, что явление вытеснения тока уже не сказывается, ток протекает по всему сечению проводника, и сопротивление r₂ минимально. Благодаря такому автоматическому изменению сопротивления r₂, пуск асинхронных короткозамкнутых двигателей протекает благоприятно: пусковой ток составляет 5,0-6,0 номинального, а пусковой момент 1,1-1,3 номинального.

Варьировать параметрами пусковой характеристики асинхронного двигателя при конструировании можно меняя форму паза, а также сопротивление материала стержней (состав сплава). Наряду с глубокими пазами применяются двойные пазы, образующие двойную «беличью клетку» (рис. 3. 10,б); используются пазы грушевидной формы и другие.

На рис.3.11 представлены типовые механические характеристики для серий асинхронный короткозамкнутых двигателей. Различают:

а) двигатели нормального исполнения;

б) двигатели с повышенным скольжением;

в) двигатели с повышенным пусковым моментом;

г) двигатели краново-металлургических серий.

Короткозамкнутые двигатели нормального исполнения используются для привода широкого класса рабочих машин и механизмов, прежде всего для приводов, работающих в длительном режиме. Для этого исполнения характерно высокое значение кпд и минимальная величина номинального скольжения. Механическая характеристика в области больших скольжений имеет обычно небольшой провал, характеризуемый величиной минимального момента М_мин.

Двигатели с повышенным скольжением имеют более мягкую механическую характеристику и используются в следующих случаях: когда два или более двигателя работают на общий вал, для механизмов (например, кривошипно-шатунных) с циклически изменяющейся нагрузкой, когда для преодоления сопротивления движению целесообразно использовать кинетическую энергию, запасаемую в движущихся частях электропривода, и для механизмов, работающих в повторно-кратковременным режиме.

Двигатели с повышенным пусковым моментом предназначены для механизмов с тяжелыми условиями пуска, например, для скребковых конвейеров.

Двигатели краново-металлургических серий предназначены для механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме с частыми пусками. Эти двигатели имеют большую перегрузочную способность, высокий пусковой момент, повышенную механическую прочность, но худшие энергетические показатели.

Аналитический расчет механических характеристик короткозамкнутых асинхронных двигателей достаточно сложен, поэтому приближенно характеристику можно построить по четырем точкам: при холостом ходе (s=0), при максимальном (М_к), пусковом (М_n) и минимальном (М_мин) моменте в начале пуска. Данные этих характерных точек приводятся в каталогах и справочниках на асинхронные двигатели. Расчет рабочей части механической характеристики короткозамкнутого асинхронного двигателя (при скольжениях от 0 до s_к) можно производить по формуле Клосса (3.25, 3.28), поскольку эффект вытеснения тока в рабочем режиме почти не проявляется.