ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

3.6 Спеціальні засоби покращення пускових характеристик асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором

3.6.1 Загальна інформація про засоби покращення пускових характеристик асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором

Під час пуску асинхронних двигунів, по можливості, необхідно задовольняти такі основні вимоги:

•процес пуску повинен здійснюватись без складних пускових пристроїв;

•пусковий момент повинен бути якнайбільшим;

•пусковий струм повинен бути якнайменшим.

Часто до цих вимог додаються додаткові вимоги, зумовлені особливостями конкретних приводів, у яких використовуються двигуни, а саме – необхідність забезпечення плавного пуску, потреба досягнення максимального пускового моменту, тощо.

Покращення пускових характеристик асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором можна досягнути, застосувавши наступне:

•пуск за зниженої напруги обвитки статора порівняно з номінальним значенням;

•застосування таких конструкцій обвиток ротора, у яких посилюється явище витіснення струму до поверхні провідника (скін-ефект).

3.6.2 Пуск за зниженої напруги обвитки статора асинхронного двигуна

Пуск за зниженої напруги обвитки статора можна здійснювати двома способами:

•шляхом увімкнення в коло статора на час пуску двигуна реостатів;

•шляхом з’єднання обвитки статора на час пуску за схемою “зірки” (це знижує напругу на статорі у 3 разів, внаслідок чого фазні струми зменшуються у 3

разів, а лінійні – у 3 рази).

Увипадку застосування реостатів внаслідок протікання значного пускового струму на них є великий спад напруги, тому напруга обвитки статора АД є

56

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

зниженою. У процесі розгону двигуна внаслідок зменшення струму цей спад напруги також зменшується, а напруга статора -- збільшується. Після наближення швидкості обертання ротора двигуна до номінального значення пускові реостати шунтуються, і напруга статора набуває номінального значення.

У випадку з’єднання на час пуску АД обвитки його статора за схемою

“зірки” напруга на ньому знижується у 3 разів. Після наближення швидкості обертання ротора двигуна до номінального значення обвитки статора перемикають у схему “трикутника”, і напруга статора набуває номінального значення.

3.6.3 Поверхневий ефект і його використання для покращення пускових характеристик асинхронних двигунів

Для підвищення пускового моменту асинхронного двигуна за умови одночасного збереження у нормальному робочому режимі номінального ККД необхідно мати підвищене значення опору ротора лише у процесі пуску двигуна. У випадку асинхронного двигуна ця задача вирішується застосуванням обвитки ротора зі змінними параметрами. Зрозуміло, що параметри коротко замкненого ротора не можна змінити за допомогою якихось перемикань – як у випадку статора. Цю задачу вирішують посиленням явища витіснення струму до поверхні провідників (поверхневого ефекту), виконуючи обвитку ротора спеціальної конструкції. Опори заступної схеми таких двигунів є функціями ковзання – відносної швидкості обертання ротора стосовно швидкості статора R2=f(s) та

Xσ=f(s), що відображено на заступній схемі АД (рис.3.2).

У момент пуску на обвитку статора двигуна подається номінальна напруга, ротор є нерухомий, а ковзання дорівнює одиниці. Внаслідок цього частота струму у роторі дорівнює частоті обертового магнітного поля. Наприклад, у випадку наявності однієї пари полюсів обвитки статора за синхронної частоти 50 Гц частота струму в стержнях обвитки ротора також буде рівна 50 Гц. Після розгону ротора до номінальної швидкості (наприклад, 2970 об/хв = 49,5 Гц) частота струму в роторі знижується до 50 Гц–49,5 Гц = 0,5 Гц. Іншими словами, у момент

57

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

пуску частота струму в стержнях обвитки ротора є у 50 Гц / 0,5 Гц = 100 разів більшою, ніж у номінальному режимі.

На індуктивний опір розсіяння обвитки ротора впливають два чинники:

•віддаленість від поверхні ротора;

•частота струму.

Чим ближче до поверхні ротора розташований провідник обвитки, тим менше його потокозчеплення розсіяння. У момент пуску, коли частота струму в стержнях є на два порядки більшою, ця нерівномірність розподілу потокозчеплення розсіяння між шарами обвитки значно посилюється. Внаслідок цього еквівалентний індуктивний опір обвитки ротора виявляється меншим. Розподіл густини струму в поперечному перерізі стержня обвитки ротора в момент пуску стає суттєво нерівномірним, і, практично струм зосереджений в основному в провідниках біля поверхні ротора. Це призводить до збільшення еквівалентного активного опору обвитки ротора та зниження ККД.

У процесі розгону двигуна по мірі зниження ковзання спостерігається зменшення нерівномірності розподілу потокозчеплення розсіяння між внутрішніми та зовнішніми шарами обвитки ротора та , відповідно, густини струму. Еквівалентний активний опір обвитки ротора також знижується, а ККД двигуна набуває номінального значення.

Результивне значення опору Xσ дещо збільшується зі зменшенням ковзання, оскільки вплив віддаленості від поверхні ротора переважає вплив зміни частоти струму у провідниках.

На рис. 3.3 проілюстровано характер зміни R2(s) та Xσ(s) для асинхронного електродвигуна типу 4АН355М4У3, Pном=400 кВт.

58

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

Рис. 3.3 Залежності R2(s) та Xσ(s) для АД типу 4АН355М4У3

Посилення поверхневого ефекту досягається застосуванням видовженої форми поперечного перерізу алюмінієвих стрижнів обвитки ротора замість круглої. Внаслідок цього під час пуску струм витісняється у зовнішню частину провідників, і сама ця зовнішня частина має менший переріз. Це, в свою чергу ще істотніше посилює збільшення опору R2 ротора в пусковому режимі.

Спеціальні конструкції обвиток ротора асинхронного двигуна для посиленого використання поверхневого ефекту можуть бути двох основних типів:

•двоклітковими (рис. 3.4-а);

•глибокопазними одноклітковими (рис. 3.4-б, 3.5).

Двоклітковий тип характеризується наявністю двох обвиток ротора, тобто тим, що кожний виток складається з двох стрижнів (наявна подвійна "біляча клітка"). У двокліткових обвиток ротора можуть бути також різні форми виконання поперечного перерізу стрижнів (рис. 3.3-а). Крім того, основною перевагою двокліткового ротора є те, що поверхневу обвитку виконують із сплавів зі значно більшим питомим опором (латунь з марганцем, бронза), ніж мідь чи алюміній внутрішньої обвитки. Це, в свою чергу, дає можливість додатково збільшити пускове значення резистансу R2.

59

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

Рис. 3.4 Типи обвиток коротко замкненого ротора АД

У глибокопазних однокліткових обвиток кожний виток складається лише з одного стрижня (наявна одна "біляча клітка"). Різняться вони між собою формою поперечного перерізу стрижнів, яка, буває прямокутною, клиноподібною, прямокутною двоступінчатою, колбоподібна (рис. 3.5). Висота стрижнів у 6-12 разів більша від ширини.

На рис. 3.5 зображено декілька варіантів конструктивного виконання однокліткової обвитки короткозамкненого ротора асинхронного двигуна, а також розподіл струму за висотою поперечного перерізу стрижня обвитки ротора в пусковому режимі.

60

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

Рис. 3.5 Форма поперечного перерізу провідників однокліткової обвитки коротко замкненого ротора АД

Форма перерізу стрижнів короткозамкненої обвитки ротора вибирається такою, щоб поверхневий ефект виявлявся якомога сильніше.

61

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

3.6.4Вплив поверхневого ефекту

упровідниках обвитки ротора асинхронного двигуна на форму його механічної характеристики

Найбільше значення для оцінки властивостей асинхронного двигуна має його механічна характеристика, яка є залежністю електромагнітного обертового моменту M від частоти обертання ротора ωр. Найчастіше механічну характеристику зображають у вигляді M=f(s), де s – ковзання, що надає їй більш загального характеру.

Враховуючи, що

отримуємо в іменованих одиницях:

В результаті отримуємо узагальнену механічну характеристику асинхронної машини.

62

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

Рис. 3.6 Механічна характеристика асинхронної машини без явища витіснення струму

Максимальний електромагнітний момент Mмакс асинхронної машини спостерігається при критичному ковзанні sкр. Для його обчислення необхідно

розв’язати рівняння dMds(s)= 0 відносно ковзання s. При цьому отримуємо:

Знак “+” стосується роботі асинхронної машини в режимі двигуна, знак “–” стосується роботи асинхронної машини в режимі генератора. Як видно з (3.100),

63

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

максимальний момент не залежить від активного опору ротора R2. Цей опір визначає лише критичне ковзання.

Зі збільшенням ковзання від s=0 до s=1 (тобто, при збільшенні механічного гальмування ротора) струми ротора і статора АД увесь час зростають, у той час, як момент M(s) спочатку різко зростає до значення Mмакс, а потім – спадає. Фізично це пояснюється тим, що при зростанні ковзання від s=0 до s=sкр визначальний вплив на момент має зростання струму I2 ротора (оскільки різко зменшується за гіперболічним законом значення R2/s – див. заступну схему асинхронного двигуна, що на рис. 3.2). Далі, при зростанні ковзання понад sкр

струм ротора зростає слабко, а вирішального значення набуває зменшення cos(ϕ) внаслідок збільшення частоти струму ротора (оскільки R2/s зменшується уже повільніше, а ωss зростає).

Якщо обвитка ротора асинхронного двигуна виконана у вигляді подвійної „білячої” клітки або в інший спосіб для посиленого використання явища витіснення струму, то під час пуску активний опір ротора є значно більший, ніж у номінальному режимі. Внаслідок цього пусковий момент такого двигуна є також значно більший, ніж у звичайного. Якщо для звичайного (без явища витіснення струму) асинхронного двигуна пусковий момент є найменшим (Mмін=Mп<Mкр), то для двигуна з явищем витіснення струму пусковий момент є більшим, ніж мінімальний: Mмін<Mп<Mкр. Механічна характеристика такого двигуна будується так само, як і в попередньому випадку, але із урахуванням впливу ковзання на активний R2=f1(s) та індуктивний X2=f2(s) опори АД. Таким чином, графічно механічна характеристика асинхронного двигуна з явищем витіснення струму в роторів має вигляд, дещо відмінний від попередньої.

64

ОПТИМАЛЬНІ РЕЖИМИ ВУЗЛІВ НАВАНТАЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

Рис. 3.7 Механічна характеристика асинхронної машини з явищем витіснення струму

Знак “+” стосується роботи асинхронної машини в режимі двигуна, знак “–” стосується роботи асинхронної машини в режимі генератора. Тут так само з (3.100) видно, що максимальний момент не залежить від активного опору ротора R2. Цей опір визначає лише критичне ковзання.

При збільшенні ковзання від s=0 до s=1 (тобто, при збільшенні механічного гальмування ротора) момент M(s) спочатку різко зростає до значення Mмакс , потім

– спадає до значення Mмін ,а потім – знову дещо зростає до значення Mп. Збільшення моменту від мінімального значення Mмін до пускового пояснюється Mп пояснюється тим, що завдяки явищу витіснення струму в обвитці ротора зростає її активний і спадає індуктивний опір обвитки ротора, внаслідок чого cos(ϕ) не зменшується, а зростає на цьому діапазоні значень ковзання.

65