3.11.5.2. Пуск при пониженном напряжении.

Понижение напряжения производится с помощью:

- пусковых реакторов [14].

- понижающего автотрансформатора (реже) [14];

- изменения схемы соединения фаз обмотки статора [14].

При включении реактора или автотрансформатора уменьшение пускового тока приблизительно пропорционально уменьшению напряжения [25]. Вместе с тем, пропорционально квадрату тока (напряжения) будет уменьшен пусковой момент, что является недостатком пуска при пониженном напряжении [14].

Поэтому данный способ применим только при легких условиях пуска, когда возможен пуск АД на холостом ходу или под неполной нагрузкой. Необходимость пуска при пониженном напряжении встречается чаще всего в случае мощных высоковольтных двигателей [14].

При переключении схемы соединения фаз обмотки статора:

Рис. 7. Схема переключения обмотки [25]

В период пуска обмотки статора АД соединяются в "звезду", а в номинальном режиме - в "треугольник". Как известно, при соединении в "звезду" на каждую фазу приходится напряжение в sqrt(3) раз меньшее, чем при соединении в треугольник. При этом в 3 раза меньшим будет и пусковой момент и пусковой ток [27,25]. Это обуславливает уменьшение фазных токов в sqrt(3) раз и линейных токов в 3 раза [32]. Для реализации этого способа необходимо, чтобы были выведены все шесть концов фаз. Кроме того, недостатком этого способа пуска является то, что при переключении фаз цепь АД разрывается, что сопровождается коммутационными перенапряжениями. Этот способ применялся при пуске низковольтных двигателей, однако с увеличением мощности сетей стал использоваться редко [14].

При тяжелых условиях пуска короткозамкнутый АД обычного исполнения может не развивать достаточного пускового момента даже при прямом пуске с номинальным напряжением. В этих случаях применяют АД с фазным ротором или короткозамкнутые АД с ротором специального исполнения – глубокопазным или двухклеточным.

3.11.5.3. Глубокопазные короткозамкнутые ад

Рис. 8. Вытеснение тока в проводнике, находящемся в глубоком пазу: а — картина поля; б — распределение плотности тока по высоте проводника [25]

Увеличение активного сопротивления ротора при пуске, необходимое для улучшения пусковых свойств, достигается за счет явления вытеснения тока в стержнях обмотки ротора, обусловленное пазовыми потоками рассеяния (показаны на рис.8 пунктиром). Вытеснение тока к поверхности ротора происходит из-за неодинакового индуктивного сопротивления рассеяния слоев проводника по высоте паза. На рис.8 линии магнитной индукции показывают пути потоков рассеяния. Все они проходят под дном паза (там магнитная проводимость выше) и пересекают паз на разной высоте. Как видим, элементарные слои проводника сцеплены с разным потоком рассеяния: значение потокосцепления рассеяния э больше для слоев, расположенных внизу паза и меньше для слоев, расположенных ближе к поверхности ротора.

Как следствие, индуктивность элементарного слоя (L_э = _э/I_э) для нижних слоев в несколько раз больше индуктивности верхних слоев. Индуктивное сопротивление слоев стержня х_э = 2πf₂L_э = 2πsf₁L_э.

Распределение тока между верхними и нижними слоями определяется их полными сопротивлениями

При пуске, когда скольжение близко к единице и частота токов в обмотке ротора равна частоте токов в обмотке статора, индуктивное сопротивление x_э > R_э и играет существенную роль. В элементарных частях проводника в глубине паза оно оказывается столь значительным, что токи по ним практически не текут. При этом в элементарных частях верхних слоев проводника, плотность тока будет больше, чем в нижних слоях (рис. 8б). Происходит эффект оттеснения тока к поверхностным слоям проводника беличьей клетки. Площадь активного сечения стержней обмотки ротора становится меньше их геометрической площади, что эквивалентно увеличению активного сопротивления фазы обмотки ротора R=l/S. Это приводит к увеличению пускового момента двигателя.

По мере возрастания скорости вращения ротора скольжение и частота тока в обмотке ротора уменьшается. Одновременно уменьшается и индуктивное сопротивление элементарных частей проводника. При номинальной скорости вращения x_э << R_э, сопротивление элементарных частей стержня определяется, главным образом, активным сопротивлением, независящим от глубины расположения слоя проводника, и плотность тока обмотки ротора становится практически равномерной по сечению проводника. Площадь активного сечения стержней обмотки ротора при этом равна их геометрической площади, а общее активное сопротивление проводника – меньше активного сопротивления при пуске.

Интенсивность вытеснения тока зависит от отношения ширину к высоте паза и размеров его прорези [25].

Высота стержней из алюминия выбирается 40-60 мм, что позволяет получить при частоте 50 Гц 3-4 кратное увеличение сопротивления при пуске [13].

Глубокопазный АД обычно имеет М_п/М_ном=1,1...2,0 и I_п/I_ном=4...6 [25].

Область применения

Используются в электроприводе малой мощности, при кратковременном режиме работы или при наличии интенсивной вентиляции.

3.11.5.4. Короткозамкнутый АД с обмоткой ротора с повышенным удельным сопротивлением

В двигателях длительного режима работы большой мощности для получения необходимых пусковых моментов приходится увеличивать сопротивление ротора путем выполнения беличьей клетки из материала, имеющего большое удельное сопротивление.

3.11.5.5. Двухклеточный короткозамкнутый АД

Обмотку ротора выполняют в виде двойной беличьей клетки (предложена Михаилом Доливо-Добровольским).

Рис. 9. Пазы ротора с двойной клеткой [25]

Рис. 10. Механическая характеристика АД с двойной беличьей клеткой: М1 - момент, создаваемый пусковой обмоткой ротора; М2 – момент, создаваемый рабочей обмоткой [25]

Внешняя часть обмотки называется пусковой. При конструкции, изображенной на рис. 9а и 9б, когда возможно отдельное изготовление двух частей обмоток, пусковая клетка выполняется из материала с повышенным удельным сопротивлением (как правило, из латуни – сплава меди с цинком) и дополнительно часто имеет и меньшее сечение. Все это обуславливает большое активное сопротивление пусковой клетки.

Внутренняя часть обмотки называется рабочей. Изготовляется из материала, имеющего меньшее удельное сопротивление (медь).

Из технологических соображений двухклеточную обмотку ротора обычно выполняют путем заливки в пазы алюминия и обе обмотки представляют собой единое целое (рис. 6в).

При пуске ток по тем же причинам, что и в двигателе с глубокими пазами, протекает, главным образом, в стержнях внешней "клетки". Так как активное сопротивление пусковой "клетки" повышенное, это обеспечивает высокий пусковой момент. При номинальной скорости ток ротора между обмотками распределяется обратно пропорционально их активным сопротивлениям и протекает, главным образом, в стержнях рабочей "клетки".

Отметим, что индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора вследствие специфичности обмотки у рассматриваемых двигателей выше, чем у двигателей обычного исполнения. Это приводит к снижению коэффициента мощности (на 4-6%) и перегрузочной способности двигателя (на 15-25%) в номинальном режиме [13].

Двигатель с двойной беличьей клеткой обычно имеет М_п/М_ном=1,1...3,0 и I_п/I_ном=3...6 [25].

3.12. Реверсирование (изменение направления вращения на обратное).

Осуществляется путем изменения порядка чередования фаз обмотки статора.

Рис. 11. Изменение чередования фаз при реверсе [20]

3.13. Регулирование угловой скорости трехфазного АД.

Многие механизмы и агрегаты летательных аппаратов, приводимые в движение электродвигателями должны работать с переменной частотой вращения, например, топливные насосы [27].

Как следует из формулы =2f₁/p*(1-s), угловая скорость АД может быть изменена следующим образом:

- за счет изменения угловой скорости магнитного поля статора ₀=2f₁/p посредством:

--- изменения числа пар полюсов p;

--- изменения частоты напряжения статора f₁.

- за счет изменения скольжения s посредством:

--- изменения активного сопротивления цепи ротора R_рц (в АД с фазным ротором);

--- изменения напряжения статора U₁;

--- изменения индуктивного сопротивления цепи ротора x_рц [38] при введении в цепь ротора добавочной регулируемой ЭДС (в АД с фазным ротором). Такая система называется асинхронный вентильный каскад [36].

--- в двигателях двойного питания [40].

Последние два способа применяют достаточно редко. В настоящем разделе не рассматривается

При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя необходимо учитывать, что при уменьшении частоты вращения ухудшаются условия охлаждения статора и ротора. Это проявляется особенно сильно в самовентилируемых двигателях, длительная мощность которых снижается при уменьшении частоты вращения [36].

3.13.1. Регулирование угловой скорости АД с фазным ротором путем изменения сопротивления в цепи ротора R_рц = R₂+R_доб (реостатное регулирование).

Осуществляется введением добавочного сопротивления R_доб в каждую фазу обмотки ротора.

а)

б)

Рис. 12. Схема (а) и механические характеристики АД при реостатном регулировании [40,33]

Наряду с улучшением пусковых свойств АД с фазным ротором, о котором говорилось выше, изменение R_доб применяется при регулировании установившейся скорости вращения.

По добавочным резисторам в этом случае длительно протекает полный ток ротора, поэтому регулировочный реостат имеет большие размеры, чем пусковой, чтобы получилась достаточная поверхность охлаждения для рассеяния тепла, образующегося в реостате [18].

3.13.1.1. Принцип регулирования

При включении R_доб ток в роторе уменьшается, что вызовет снижение вращающего момента двигателя, и, следовательно, уменьшение частоты вращения (увеличение скольжения). При увеличении скольжения (частоты перемагничивания) увеличивается ЭДС и ток в роторе, а также создаваемый АД вращающий момент. Новый установившийся режим наступит, когда момент (и ток ротора) АД примет исходное значение (при котором М=М_с), но уже при пониженной частоте вращения.

3.13.1.2. Особенности регулирования.

1) Регулирование скорости идеального холостого хода (синхронной скорости) невозможно: Ω₀ = 2πf₁/p.

2) Регулирование однозонное. Введением R_доб скорость вращения регулируется только в сторону ее уменьшения от номинального значения.

Заметим, что в случае двигателя с самовентиляцией при снижении частоты вращения ухудшаются условия охлаждения и регулирование не может происходить при постоянном моменте. На пониженных частотах вращения он должен снижаться [29].

3) Значение критического скольжения увеличивается: s_ки/s_ке = (R₂+R_доб)/R₂

Можно принять, что и рабочие скольжения при введении R_доб (в случае M_c=const) меняются в той же пропорции [40].

Для получения тех же значений момента необходимо иметь большую ЭДС в обмотках ротора E₂, что получается при больших скольжениях s [27]. (см.формулу (1))

4) Максимальный момент не зависит от сопротивления цепи ротора R_2ц (см.выражение (15)) и остается неизменным вплоть до s_к=1 . Таким образом при М_с=const сохраняется постоянная перегрузочная способность.

5) Жесткость характеристик снижается.

3.13.1.3. Достоинства:

1) Простота реализации, что определило его широкое применение в ряде электроприводов [36].

2) Сохранение перегрузочной способности АД М_к/М_ном (при М_с=const) [38].

3) Повышение коэффициента мощности [38].

3.13.1.4. Недостатки:

1) Малая стабильность скорости при небольших скоростях вращения. Это обусловлено малой жесткостью механических характеристик при небольших скоростях вращения.

2) Неэкономичность. Большие потери в цепи ротора, особенно при малых скоростях вращения (больших скольжениях). Если пренебречь механическими потерями и потерями в стали ротора

ΔР_2эл = mI^’ ₂² (R^’₂.+ R_доб^')=МΩ₀s (см формулу 11).

Например, для уменьшения частоты вращения приблизительно вдвое требуется за счет введения в роторную цепь добавочного сопротивления R_доб увеличить скольжение s примерно от 0,02 до 0,5. При этом при М=const согласно (11) почти половина электромагнитной мощности Р_эм непроизводительно будет теряться в реостате [18]. КПД уменьшается пропорционально угловой скорости [38]:

3) Первый и второй недостаток обуславливает небольшой диапазон регулирования D=_макс/_мин.

_макс=_ном, а _мин ограничивается допустимой стабильностью скорости (максимально допустимым изменением скорости при изменении момента нагрузки, т.е. не приводящим к некачественному функционированию исполнительного механизма) и допустимыми потерями (максимальными при _мин).

Реальный диапазон регулирования при этом способе не превышает 3-5; 1-4 [26], 2-3 [36,40].

Этот способ регулирования пригоден только для двигателей, имеющих повышенное скольжение в номинальном режиме. Диапазон регулирования скорости таким способом не превышает 1,15-1,2 [35].

Этим способом можно осуществлять плавную регулировку скорости вращения до 70% синхронной (диапазон до 1,4) [25].

С уменьшением момента нагрузки диапазон регулирования уменьшается. На холостом ходу регулирование угловой скорости невозможно [38].

4) Невозможность реверсирования путем воздействия на управляющие реостаты.

5) В случае АД большой мощности переключение ступеней сопротивления осуществляется контакторами, число которых может быть ограничено в целях снижения стоимости электрооборудования и повышения надежности ЭП. Вследствие этого соседние ступени сопротивления могут заметно отличаться друг от друга. То есть появляется ступенчатость регулирования.

6) Большие броски тока в сети в двигателях при переключении ступеней резисторов в случае релейно-контакторной системы управления [26].

3.13.1.5. Вывод

Экономичность любого способа регулирования определяется стоимостью используемых средств регулирования и расходами при эксплуатации электропривода. Затраты, связанные с созданием данной системы электропривода, невелики, так как для регулирования обычно используются простые и дешевые резисторы. В то же время при эксплуатации этой системы затраты существены, поскольку значительны электрические потери в роторной цепи ΔРэл₂, пропорциональные скольжению [36].

3.13.1.6. Реализация

1) С помощью контакторов.

2) С целью устранения недостатка, связанного со ступечатостью изменения сопротивления R_доб иногда используются схемы, в которых роторный ток выпрямляется и сглаживается реактором, а резистор, включаемый за выпрямителем, шунтируется управляемым ключом – транзистором с управляемой скважностью, благодаря чему достигается плавность регулирования, а при использовании обратных связей формируются жесткие характеристики [40].

3.13.1.6. Область применения

Регулирование скорости этим способом применяется в тех случаях, когда требуется небольшой диапазон регулирования скорости и работа на пониженных скоростях непродолжительна, при кратковременной или повторно-кратковременной работе [14]. Например, этот способ нашел широкое применение в электроприводе ряда подъемно-транспортных машин и механизмов [36] (например, лебедок, кранов).

Главным образом в различных крановых механизмах при мощностях выше 15 кВт [38].

Кроме того, даный способ регулирования применим в приводах с вентиляторным моментом. В этом случае мощность на валу с уменьшением скорости быстро снижается, и поэтому мощность скольжения и потери в цепи ротора по величине ограничены [14].

Такой способ регулирования применяется в электроприводах сравнительно малой мощности [27].

3.13.2. Регулирование угловой скорости АД путем изменения напряжения (фазовое регулирование).

В пределах рабочего участка механической характеристики АД, когда ток статора существенно не превышает номинальное значение, ЭДС в обмотках статора E₁ незначительно отличается от напряжения сети U₁E₁= kФ_mf₁ [32].

Из этого выражения следует, что при f₁ = const изменение напряжения приводит к изменению потока машины. Отсюда вытекает первая особенность данного способа регулирования.

3.13.2.1. Особенности данного способа регулирования.

1) Регулирование однозонное – вниз от номинальной скорости. Снижение напряжения питания приводит к уменьшению магнитного потока и уменьшению скорости.

При повышении напряжения сверх номинального значения увеличивается магнитный поток АД. Так как в номинальном режиме магнитная цепь машины насыщена, то увеличение потока будет достигаться за счет значительного увеличения тока намагничивания I_μ. Ток статора (включающий в себя ток намагничивания I_μ как реактивную составляющую) будет интенсивно нарастать по нелинейному закону [30].

У двигателей нормального исполнения ток холостого хода I₀= I_μ0=(0,25÷0,3)*I_1ном. Повышение напряжения на 20-30% может увеличивать ток холостого хода до значений, превышающих номинальный ток I_1ном, и двигатель может нагреваться этим током сверх допустимой температуры даже при отсутствии полезной нагрузки на его валу [4].

Рис. 13. Механические характеристики АД при изменении напряжения U₁.

2) Скорость идеального холостого хода и критическое скольжение от напряжения не зависят.

3) Критический момент АД пропорционален квадрату напряжения: М_кU₁².

С уменьшением напряжения критический момент двигателя будет существенно снижаться. При М_с=const это приведет к снижению перегрузочной способности двигателя М_к/М_н.

Таким образом, допустимая нагрузка должна резко снижаться с уменьшением скорости. И не только с целью сохранения перегрузочной способности, но и из-за перегрева двигателя.

Допустимыми в продолжительном режиме потерями можно считать номинальные: ΔР_эл2ном= М_номΩ₀s_ном. Допустимые потери при регулировании определятся как ΔР_доп = М_допΩ₀s. Приравняв выражения для потерь, получим М_доп=М_номs_ном/s, т.е. даже для специального двигателя с повышенным номинальным скольжением (очевидно невыгодного) s_ном = 0,06 вместо стандартного s_ном = 0,03 снижение скорости всего на 20% (до s=0,2) будет возможно лишь при снижении момента нагрузки в 3 раза (рис. 14б) [15].