книги / Электротехнические устройства радиосистем
..pdf
Двигатели с короткозамкнутым ротором проще и на дежнее в эксплуатации, значительно дешевле, чем дви гатели с фазным ротором. Однако двигатели с фазным ротором обладают лучшими пусковыми и регулировоч ными свойствами.
В настоящее время асинхронные двигатели выполня ются преимущественно с короткозамкнутым ротором и лишь при больших мощностях и в специальных случаях используется фазная обмотка ротора.
Наряду с важными положительными качествами — простотой конструкции и обслуживания, малой стои
мостью— асинхронный |
двигатель обладает и некоторы |
ми недостатками, из |
которых наиболее существенным |
является относительно низкий коэффициент мощности (coscp). У асинхронного двигателя coscp при полной на грузке может достигать значений 0,85—0,9; при недо грузках двигателя его coscp резко уменьшается и при холостом ходе составляет 0,2—0,3.
Низкий коэффициент мощности асинхронного двига теля объясняется большим потреблением реактивной мощности, которая необходима для возбуждения маг нитного поля. Магнитный поток в асинхронном двигате ле встречает на своем пути воздушный зазор между ста тором и ротором, который в большой степени увеличивает магнитное сопротивление, а следовательно, и реактив ную мощность двигателя.
В целях повышения коэффициента мощности асин хронных двигателей воздушный зазор стремятся делать возможно меньшим, доводя его у малых двигателей (по рядка 12—5 кет) до 0,3 мм. В двигателях большой мощ ности воздушный зазор приходится увеличивать по кон структивным соображениям, но все же он не превышает 2—2,5 мм.
2-5. РАБОТА ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОД НАГРУЗКОЙ
В рабочем режиме ротор двигателя вращается со скоростью /ь, меньшей скорости магнитного поля то ков статора пи вращающегося в том же направлении, что и ротор. Разность скоростей вращения магнитного поля и ротора ns соответствует
п8 = пх—пъ об/мин.
Степень отставания ротора от вращающегося маг нитного поля статора характеризуется скольжением 5.
Скольжение представляет собой отношение скорости магнитного поля статора относительно вращющегося ро
тора к скорости поля статора |
в пространстве, т. е. |
|
|
^ |
лГ— п2 |
__ ns ' |
(2-4) |
|
fit |
tii |
|
|
|
||
Эта формула определяет скольжение в относитель ных единицах. Скольжение может быть также выражено в процентах:
s = « i :_ ^ M oo70.
Если ротор неподвижен (/г2 = 0), то скольжение рав но 1 или 100%. Если ротор вращается синхронно с маг нитным полем, т. е. с одинаковой скоростью (/i2=ttt), то скольжение равно нулю.
Таким образом, чем больше скорость вращения ро тора, тем меньше скольжение.
В рабочем режиме асинхронного двигателя скольже ние мало. У современных асинхронных двигателей скольжение при полной нагрузке составляет 3—5%, т. е. ротор вращается со скоростью, незначительно отличаю щейся от скорости магнитного поля статора. В двига телях небольших мощностей скольжение при полной на грузке может достигать 12— 15%.
При холостом ходе, т. е. при отсутствии нагрузки на валу, скольжение ничтожно мало и может быть принято равным нулю.
Скорость вращения ротора можно определить из
следующих соотношений: |
60f, (1 - S ) . |
|
п2 = пх — ns = n l (1 — S) |
(2-5) |
Двигатель будет работать устойчиво с постоянной скоростью вращения ротора при равновесии моментов, т. е. если вращающий момент двигателя Мвр будет рав ным тормозному моменту на валу двигателя Мтор, кото рый развивает приемник механической энергии. Следо вательно, можно записать:
Л1вр = А1тор-
Любой нагрузке машины соответствуют определен ная скорость ротора п2 и определенное скольжение S.
63
Магнитное поле статора вращается относительно ро тора со скоростью /1|—/г2 и индуктирует в его обмотке
э. д. с. Е2, под действием которой в замкнутой обмотке ротора возникает ток /2.
Если нагрузка на валу машины увеличилась, т. е. возрос тормозной момент, то равновесие моментов будет нарушено, так как тормозной момент оказался больше вращающего. Это приведет к уменьшению скорости вра щения ротора, а следовательно, к увеличению скольже ния. С увеличением скольжения магнитное поле статора будет пересекать проводники обмотки ротора с большей скоростью и э. д. с. Еъ индуктируемая в обмотке рото ра, возрастает, а в силу этого увеличится как ток в ро торе, так и развиваемый двигателем вращающий мо мент. Увеличение скольжения и тока в роторе будет про исходить до значений, при которых вновь наступит равновесие вращающего и тормозного моментов.
Так же протекает процесс изменения скорости рото ра и развиваемого момента при уменьшении нагрузки двигателя. С уменьшением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится меньше вращающего, что приводит к увеличению скорости вращения ротора или
куменьшению скольжения. В результате уменьшаются
э.д. с. и ток в обмотке ротора, а следовательно, и вра щающий момент, который вновь становится равным тор мозному моменту.
Магнитное поле статора пересекает проводники об мотки статора и индуктирует в ней э. д. с. Еи которая уравновешивает приложенное напряжение сети U\.
Если пренебречь падением напряжения в сопротивле нии статорной обмотки, которое мало по сравнению с э. д. с., то между абсолютными значениями приложен ного напряжения и э. д. с. обмотки статора можно до пустить приближенное равенство, т. е.
'Ut-Ei.
Таким образом, при неизменном напряжении сети бу дет неизменна и э. д. с. обмотки статора. Следовательно, магнитный поток в воздушном зазоре машины, так же как и в трансформаторе, при любом изменении нагрузки останется примерно постоянным.
Ток обмотки ротора создает свое магнитное поле, ко торое направлено противоположно магнитному полю, создаваемому током обмотки статора. Для того чтобы
64
результирующий магнитный поток в машине оставался неизменным при любом изменении нагрузки двигателя, размагничивающее магнитное поле обмотки ротора должно быть уравновешено магнитным полем обмотки с’татора. .Поэтому при увеличении тока в обмотке ротора увеличивается и ток в обмотке статора.
2-6. ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ АСИНХРОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ
Вращающий момент асинхронного двигателя создается взаимодействием вращающегося магнитного поля статора с токами в проводниках обмотки ротора. Поэтому вращающий момент зависит как от амплитуды магнитного потока статора ФМакс, так и от тока в об мотке ротора /2. При этом вращающий момент зависит
не от всего тока в обмотке ротора Iъ и только от его
активной составляющей, т. е. |
/2cos<p&, |
где |
<ра — угол |
||
сдвига |
фаз тока в |
обмотке |
ротора |
по |
отношению |
к э. д. |
с. |
|
|
|
|
Электромагнитная |
мощность, |
развиваемая вращаю |
|||
щимся |
магнитным полем статора, равна: |
|
|
||
Рэ==mtEaIt cos<рг — т2-4,44й2ауа/ 1Фиакс/ аcos<рг, вт.
Угловая скорость вращающегося магнитного поля
О г = ~ ^ - = = - ^ - , рад!сек.
Вращающий момент
■Мъ= |
|
|
1^макс^2 COS |
== |
|
У 2 |
|
|
|
|
|
— ~ 2 |
макс^г COS *ра '•— сФмакс^a COS f 2‘ |
(2*6) |
|||
В этих |
выражениях р — число пар полюсов; |
т2— |
|||
число фаз; |
ш2 — число витков; |
k2— коэффициент обмот |
|||
ки ротора; |
с |
конструктивная |
постоянная для |
данной |
|
машины.
Выше отмечалось, что при условии постоянства при ложенного напряжения магнитный поток, создаваемый обмоткой статора, Остается также приблизительно по стоянным при любом изменении нагрузки двигателя.
5—1468 |
65 |
При постоянных значениях величин с и Фмакс вращаю щий момент, как это следует из выражения (2-6), про порционален только активной составляющей тока в об мотке ротора, т. е.
M » p ~ / 2 COSCp2. |
( 2 - 7 ) |
Изменение нагрузки (тормозного момента) на валу |
|
двигателя, как мы уже знаем, изменяет |
как скорость |
вращения .ротора, так и сколь жение.
С увеличением скольжения частота тока в обмотке ротора увеличивается, индуктивное со противление этой обмотки так же увеличивается, a cos(p2
уменьшается. Поэтому с изме неннем скольже11ия активная
составляющая тока в обмотке ротора и вращающий момент тоже изменяются, но это изме нение происходит неравномер но. При незначительных сколь
жениях увеличение скольжения вызывает незначитель
ное уменьшение |
cos(p2, так, что |
ток /2 |
увеличивается |
в большей мере, |
чем уменьшается |
coscp^. |
В результате |
увеличиваются активная составляющая тока в обмотке ротора, а следовательно, и вращающий момент машины. При больших скольжениях увеличение скольжения вы зывает значительное уменьшение cos(p2. Ток /2 увеличи вается в меньшей степени, чем уменьшается coscp2, а по этому в данном случае уменьшаются как активная со ставляющая тока в обмотке ротора, так и вращающий момент.
На рис. 2-9 показана зависимость вращающего мо мента от скольжения (кривая а). При некотором сколь жении 5 манс двигатель развивает максимальный момент, который определяет перегрузочную способность двига теля и обычно в 2—3 раза превышает номинальный мо мент.
Устойчивая работа двигателя соответствует восходя щему участку (0—5 Макс) зависимости момента от сколь жения. Работа двигателя на нисходящей ветви указан ной зависимости, т. е. при скольжении макс невоз можна, так как здесь не обеспечивается устойчивое рав новесие моментов.
Если предположить, что вращающий момент был ра вен тормозному (Л4„= Мт) в точках /1 и Б, то при слу чайном нарушении равновесия моментов в одном случае равновесие моментов восстанавливается, а в другом нет. Допустим, что вращающий момент двигателя почемулибо уменьшился (например, при понижении напряже ния сети). Тогда скольжение начнет увеличиваться. Ес ли равновесие моментов было в точке Л, то увеличение скольжения вызовет увеличение вращающего момента двигателя и он станет вновь равным тормозному момен ту, т. е. равновесие моментов восстановится. Если же равновесие моментов было в точке Б, то увеличение скольжения вызовет уменьшение вращающего момента, который будет оставаться всегда меньше тормозного, т. е. равновесие моментов не восстановится и скорость вращения ротора будет непрерывно уменьшаться до пол ной остановки двигателя.
Таким образом, в точке А машина будет работать устойчиво, а в точке Б устойчивая работа невозможна.
Если перегрузить двигатель, т. е. приложить к его ва лу тормозной момент, больший максимального момента, то равновесия моментов не будет и ротор двигателя остановится.
Вращающий момент асинхронного двигателя зависит от напряжения питающей сети. При изменении напряже ния в той же мере изменяются как амплитуда магнит ного потока Фмакс так и ток в роторе / 2 при том же скольжении. Так как момент двигателя пропорционален произведению Фмакс/з, то отсюда следует, что вращаю щий момент пропорционален квадрату напряжения сети.
Если изменить активное сопротивление ротора (на пример, включить трехфазный реостат в цепь его об мотки), то изменятся как c.osq>2, так и зависимость вра
щающего момента от скольжения.
При увеличении активного сопротивления ротора максимальный момент, оставаясь постоянным по вели чине, перемещается в область больших скольжений (кри вая б на рис. 2-9).
2-7. П УСК В ХОД ТРЕХФ АЗНЫ Х АСИ НХРО ННЫ Х Д В И ГА Т Е Л Е Й
При включении асинхронного двигателя в сеть токи в об мотках его статора и ротора будут в .несколько раз больше номи нальных. Это объясняется тем, что при неподвижном роторе вра
щающееся магнитное поле -пересекает его обмотку с большой ско ростью, равной скорости .вращения магнитного поля в пространст ве, и индуктирует в этой обмотке большую э. д. с.
При увеличении скорости ротора скольжение уменьшается, что приводит к уменьшению э. д. с. и .тока в обмотке ротора. Это в свою очередь вызывает уменьшение .тока -в обмотке статора.
Большой пусковой ток нежелателен как для двигателя, так и для источника тока, от которого двигатель получает энергию. При частых пусках большой пусковой ток приводит к повышению тем пературы обмоток двигателя, что может вызвать преждевременное старение их изоляции. В сети при больших токах происходит пони жение напряжения, которое ока
Работа |
зывает влияние на работу других |
||
Переклю |
приемников энергии, включенных в |
||
чатель |
эту |
же сеть. |
Поэтому прямой |
i Пуск |
пуск |
двигателя |
непосредственным |
Увключением его в сеть допускается только в том случае, когда мощ ность двигателя намного меньше мощности источника энергии, пи тающего сеть.
Если мощность двигателя со измерима с мощностью источника тока, то необходимо уменьшить
.ток, потребляемый этим двигате лем при пуске в ход.
Двигатели с фазным ротором обладают очень хорошими пуско выми свойствами. Для уменьшения пускового тока обмотку ротора замыкают на активное сопротивление, называемое пусковым реос
татом. |
ротора ток |
При включении .такого сопротиления в цепь обмотки |
|
в ней уменьшается, а следовательно, уменьшается ток |
в обмотке |
статора и ток, потребляемый двигателем из сети.
Кроме того, при включении активного сопротивления в цепь об мотки ротора увеличится активная составляющая тока в роторе и, следовательно, вращающий момент, развиваемый двигателем при пуске в ход.
Двигатели с короткозамкнутым ротором при малой их мощно сти по сравнению с мощностью источника тока пускают в ход не посредственным включением в сеть. При большой же мощности дви гателей пусковой ток уменьшают, понижая приложенное напряже ние. Для понижения напряжения на время пуска в ход двигатель включается в сеть через понижающий трансформатор или реостат. При вращении ротора с нормальной скоростью двигатель переклю чают на полное напряжение сети.
Недостатком такого способа пуска в ход является резкое умень шение пускового момента. Для уменьшения пускового тока в N раз необходимо приложенное напряжение уменьшить также в N раз. При этом пусковой момент, пропорциональный квадрату напряже ния, уменьшится в № раз. Таким образом, понижение напряжения
допустимо при пуске двигателя без нагрузки или при малых на грузках, когда пусковой момент может быть небольшим.
В некоторых случаях применяется пуск в ход двигателей по средством Переключения обмоток статора со звезды на треугольник (рис. 2-Ю)- В момент пуска фазы обмотки статора соединяются в звезду, а После того, как двигатель разовьет скорость, близкую к нормальной, их переключают на треугольник.
(При т^ком способе пуска двигателя в ход пусковой ток в сети уменьшается примерно в 3 раза по сравнению с пусковым током, который потреблялся бы двигателем, если бы при пуске обмотки статора -бЫ-Пи соединены треугольником.
Этот способ пуска можно применять для двигателя, обмотки статора которого при питании от сети данного напряжения нормаль но должны быть соединены треугольником.
2-8. ДВИГАТЕЛИ С УЛУЧШЕННЫМИ ПУСКОВЫМИ СВОЙСТВАМИ
'Простота конструкции и надежность в экс плуатации двигателей с короткозамкнутым ротором яв ляются очень существенным достоинством этих двига телей, благодаря чему они получили широкое примене ние в промышленности.
Однако эти двигатели имеют плохие пусковые харак теристики.
Значительное улучшение пусковых характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором достигается изменением конст рукции (ротора. В качестве таких конструкций широко используют ся роторы с двойной короткоза мкнутой обмоткой и с глубокими пазами.
Роторы с двойной короткоза мкнутой обмоткой были впервые предложены М. О. Доливо-До- бровольским в 1889„г. Ротор этого типа имеет две короткозамкнутые обмотки, выполненные в виде бе личьих клеток (рис. 2-11).
Число пазов верхней А и нижней Б клеток может быть одинаково или различно.
Наружная обмотка А выполнена из стержней малого поперечного сечения, а внутренняя обмотка Б — из стержней большого поперечного сечения. Поэтому ак тивное сопротивление обмотки А оказывается значи тельно большим, чем обмотки Б (гА> гБ).
Благодаря тому что стержни внутренней обмотки Б глу боко погружены в тело ротора и окружены сталью, индук
тивное сопротивление внутренней обмотки значительно больше, чем внешней обмотки (XБ Х А).
Принцип действия этого двигателя состоит в следую щем. В момент включения двигателя в сеть ротор непод
вижен |
и частота тока |
в роторе равна частоте тока сети |
fz = f[• |
Ток в обмотках |
А и Б будет распределяться об |
ратно пропорционально их полным сопротивлениям. Так как реактивные сопротивления обмоток асинхронных машин значительно больше их активных сопротивлений, то при пуске в ход .распреде ление тока между обмотками А и Б будет примерно обратно пропорционально их индуктив ным сопротивлениям. Поэтому при пуске в ход ток в основном возникает в проводниках внеш ней обмотки А , имеющей мень шее индуктивное и большее ак тивное сопротивление. Эта об
Рис. 2-12. Стержень обмот |
мотка |
называется |
пусковой. |
||
ки ротора с глубокими па |
В |
рабочем режиме сколь |
|||
лами (а) |
и распределение |
||||
плотности |
тока по высоте |
жение |
мало |
и, следователь |
|
стержня (б). |
но, частота тока в роторе так |
||||
|
|
же мала |
(/2 —0). |
Поэтому |
|
индуктивные сопротивления обмоток не имеют значения и распределение токов в обмотках А и Б будет обратно пропорциональным активным сопротивлениям этих об моток. Таким образом, в рабочем режиме ток в основ ном возникает в проводниках внутренней обмотки Б, имеющей меньшее активное сопротивление. Эта обмотка называется рабочей.
Такая конструкция ротора обеспечивает увеличение активного сопротивления обмотки ротора в момент пу ска в ход двигателя, что уменьшает пусковой ток и уве личивает пусковой момент так же, как включение пуско вого реостата в цепь фазного ротора.
В двигателях с глубокими пазами на роторе короткозамкнутая обмотка ротора выполняется в виде тонких и высоких полос (рис. 2-12,а).
При такой конструкции обмотки происходит «оттес нение» тока к верхней части проводников вследствие того, что нижние части проводников сцеплены с боль шим числом магнитных линий потока рассеяния, чем
70