Электрические машины конспект лекций

Лекция 10

ПУСК И ТОРМОЖЕНИЕ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

10.1. Пуск в ход асинхронных двигателей

При включении в сеть асинхронного двигателя в роторной обмотке возникает большой ток в связи с тем, что при неподвижном двигателе (s 1,0) ЭДС ротора во много раз больше, чем при вращающемся роторе. Соответственно увеличивается и ток статорной обмотки, непосредственно связанный с роторным током, достигая 5–7-кратного значения по отношению к номинальному току. В то же время пусковой момент двигателя (см. рис. 9.2) невелик. От двигателя же для уменьшения времени пуска требуется обычно большой пусковой момент при возможно меньшем пусковом токе. Для удовлетворения этих требований прибегают

êспециальным схемам пуска асинхронных двигателей.

10.2.Пуск двигателей с фазным ротором

ются одна за другой. Величина пускового сопротивления выбирается обычно так, чтобы наибольший пусковой момент составлял примерно 0,85Mê, а пусковой ток — (2–2,5)I1íîì. Включение

112

пускового реостата сразу решает обе задачи при пуске: уменьшает пусковой ток и повышает пусковой момент (см. кривую 3 íà ðèñ. 9.2).

ВОПРОСЫ

10.2.1. Почему по мере разгона ротора пусковой ток двигателя уменьшается?

а) с уменьшением скольжения увеличивается активное сопротивление роторной обмотки;

б) с уменьшением скольжения уменьшается ЭДС ротора E2s.

10.2.2. Нарисуйте примерную кривую изменения вращающего момента в зависимости от скольжения при реостатном пуске двигателя в три ступени, считая, что в начале каждой ступени двигатель развивает максимальный момент Mê, а в конце ступени (перед выключением части пускового сопротивления) — момент 0,75Mê.

10.3. Пуск двигателей с короткозамкнутым ротором

10.3.1. Прямое включение

Пуск двигателей с короткозамкнутым ротором чаще всего осуществляется прямым включением в сеть. В двигателях старых серий с круглым пазом ротора и круглым стержнем роторной обмотки пусковой момент был меньше номинального при

замкнутые двигатели выполняются с роторами специальной конструкции, обеспечивающими пониженный пусковой ток и повышенный пусковой момент (см. ниже подразд. 10.4).

113

го показана на рис. 10.2? Нагрузка на валу двигателя (статиче- ский момент) равна M ñ 0,3M ê .

à) s 0,3; á) s 0,1;

â) s 1,0 (двигатель при заданной нагрузке пустить нельзя).

подается пониженное напряжение. Пусковой ток двигателя вследствие этого будет также понижен. По окончании пуска замыкаются контакты пускателя 2, шунтирующие реакторы, и на двигатель подается полное напряжение. Этот способ пуска имеет тот существенный недостаток, что пониженное напряжение на двигателе при пуске влечет за собой понижение пускового момента. Поэтому реакторный пуск применяется только в том случае, если нагрузка на двигатель при пуске невелика.

ВОПРОСЫ

10.3.2.1. Двигатель с короткозамкнутым ротором имеет при пуске под номинальным напряжением пусковой момент, равный номинальному. Чему будет равен пусковой момент при реакторном пуске, если в реакторах теряется при пуске 25 % подведенного напряжения?

114

à) M ï M íîì ;

á) M ï 0,75M íîì ; â) M ï 0,56M íîì .

10.3.3. Автотрансформаторный пуск

Для мощных двигателей, пускаемых под нагрузкой, применяется автотрансформаторный пуск, при котором напряжение на двигателе при пуске понижается с помощью пускового автотрансформатора. При автотрансформаторном пуске снижение пускового момента при том же снижении пускового тока, потребляемого из сети, будет меньшим, чем при реакторном. Однако стоимость оборудования системы автотрансформаторного пуска весьма зна- чительна, и поэтому этот способ применяется редко.

10.4. Асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми характеристиками

10.4.1.Двигатель с двухклеточным ротором

Êчислу двигателей с улучшенными пусковыми характеристиками относится двигатель с двухклеточным ротором. Паз двухклеточного ротора имеет форму, показанную на рис. 10.4.

Âверхних частях пазов находятся стержни пусковой обмотки 1,

выполняемой из материала с повышенным активным сопротивлением (латунь, бронза), в нижних — стержни рабо- чей обмотки 2, выполняемой из меди. Рабочая обмотка, утопленная глубоко в стали ротора, обладает повышенным магнитным рассеянием, а следовательно, и повышенной индуктивностью.

При пуске двигателя, при скольжениях, близких к единице, частота тока в роторе

115

пусковой обмотки, кривая 2 — для рабочей обмотки, а кривая 3 — результирующий момент двухклеточного ротора. Двигатели с двухклеточным ротором имеют M ï (1,2–2)Míîì è I ï (1,2–2)I1íîì.

Хотя двигатели с двухклеточным ротором обладают хорошими пусковыми свойствами, стоимость их значительно выше стоимости обычных короткозамкнутых двигателей. Поэтому они используются нечасто.

ВОПРОСЫ

10.4.1.1. Почему пусковая обмотка двухклеточного ротора выполняется из материала с повышенным активным сопротивлением?

10.4.2. Глубокопазный двигатель

Наиболее распространенным типом короткозамкнутого асинхронного двигателя в настоящее время является глубокопазный двигатель. Паз ротора такого двигателя имеет малую ширину, но большую глубину (рис. 10.6, a). Соответствующую форму имеет и стержень роторной клетки. Будем рассматривать такой роторный проводник как состоящий из ряда слоев, из которых каждый слой при протекании по нему тока создает свой поток рассеяния. Тогда нижние слои будут охватываться гораздо большим потоком рассеяния, чем верхние (см. рис. 10.6, à), и, следовательно, будут иметь большое индуктивное сопротивление. Вследствие этого при пуске двигателя, когда скольжение и частота тока в роторе велики, ток в нижних слоях будет значи-

116

тельно меньше, чем в верхних. Он вытесняется в верхние слои, что наглядно показывает кривая распределения плотности тока по высоте проводника на рис. 10.6, á. (Плотность

тока — это ток на единицу поверхности поперечного сече- ния проводника.) Таким образом, при пуске работает не все сечение роторного проводника, а только часть его, что ведет к повышению активного сопротивления роторной обмотки, а следовательно, и пускового момента. После разгона двигателя при работе с малыми скольжениями ток распределяется по всему сече- нию роторного проводника равномерно. Пазы роторов

глубокопазных двигателей выполняются не только прямоугольными. Применяются так называемый бутылочный паз, трапецеидальный паз (рис. 10.7) и пазы других, более сложных конфигураций. Глубокопазные двигатели дают

M ï (1,0–1,4)Míîì è I ï (4,5–6)I1íîì.

ВОПРОСЫ

10.4.2.1. Почему при малых скольжениях ток распределяется равномерно по сечению роторного проводника?

а) ток ротора при малых скольжениях значительно меньше, чем при больших;

б) частота роторного тока при малых скольжениях мала.

10.4.2.2. При какой форме паза ротора (рис. 10.8) двигатель дает наибольший пусковой момент (площадь сечения паза во всех случаях одинакова)?

117

Рис. 10.8. Возможные формы пазов ротора глубокопазного двигателя

10.5. Реверсирование асинхронных двигателей

ВОПРОСЫ

10.5.1. Принимая за исходную схему à (ðèñ. 10.10, à), укажите, в какой из последующих схем направление вращения двига-

10.6. Торможение асинхронных двигателей

Необходимость в торможении электрических двигателей возникает обычно в двух случаях: когда нужна быстрая остановка работающего двигателя и когда требуется поддерживать по-

118

Рис. 10.10. Возможные схемы включения статора асинхронного двигателя

стоянной скорость движения электропривода, движущегося под действием активных сил, внешних по отношению к двигателю (например, спуск груза в подъемно-транспортных машинах, движение поезда под уклон и т. п.).

Электрическим торможением называется такой режим работы двигателя, когда он развивает вращающий момент, направленный навстречу движению ротора (тормозной момент).

Существуют три основных способа электрического торможения: генераторное, противовключение и динамическое.

ВОПРОСЫ

10.6.1. В каких квадрантах плоскости координатных осей могут располагаться механические характеристики двигателя в тормозных режимах?

à) II è III;

á) II è IV;

â) III è IV.

10.6.1. Генераторное рекуперативное торможение

Режим генераторного торможения можно получить, если приложить к валу двигателя внешний вращающий момент (например, от падающего груза) и за счет этого момента увеличить скорость ротора до величины, превышающей скорость магнитного поля, n n0 . Ротор при этом вращается в сторону вращения поля. Тогда скольжение станет отрицательным. Направление перемещения роторных проводников относительно поля изменится на обратное. Вследствие этого изменит свой знак ЭДС рото-

119

и экономически выгодным видом торможения, но обладает существенным недостатком: торможение может осуществляться только при сверхсинхронных скоростях.

ВОПРОСЫ

10.6.1.1.На схемах рис. 10.12 показаны направления момента двигателя M, скорости вращения магнитного поля n0 и скорости вращения ротора n, а также соотношение между n0 è n. Укажите, какая из этих схем соответствует генераторному режиму.

à) à; á) á; â) â.

10.6.1.2.Постройте энергетическую диаграмму для генераторного режима двигателя.

10.6.2. Противовключение

Торможение противовключением заключается в том, что двигатель включается в одном направлении, а ротор двигателя принудительно вращается в обратном направлении (например, за счет кинетической энергии движущихся частей привода при остановке двигателя или за счет потенциальной энергии падающего груза в подъемных машинах). Таким образом, при противовклю- чении магнитное поле и ротор вращаются в разных направлениях, скорость ротора отрицательная, а скольжение будет равно

120