Пусковой режим. 
Электрические машины: электромеханическое преобразование энергии

Рассмотрим пусковой режим как статический, т. е. полагая изменение скольжения настолько медленным, что переходные электромагнитные процессы успевают затухнуть, иначе говоря, электромагнитные постоянные времени много меньше механической постоянной.

Основными показателями, характеризующими пусковой режим, являются пусковой момент и пусковой ток, предстааляющде указанные величины при скольжении .9=1. Для оценки пускового момента удобно воспользоваться выражением (4.28), харакгеризуюнщм момент в долях от максимального М_тзх:

Если принять $* = 0,15, что соответствует машинам малой и средней мощности, то значение пускового момента составит.

Много это или мало? Обычно при отсутствии специальных требований максимальный момент должен превосходить номинальный, т. е. момент, соответствующий паспортной мощности машины, как минимум в два раза. Следовательно, полученный пусковой момент составляет 60% от номинального. Для многих практических случаев этого оказывается недостаточно. Очевидно, если увеличивать пусковой момент за счет повышения активного сопротивления ротора, можно добиться, чтобы он достиг максиматьного значения М_п = М_тах при s_k = 1. Но с ростом активного сопротивления рабочая точка смещается в сторону больших скольжений, что приведет, как видно из (4.61), к снижению КПД машины. Поэтому целесообразно для пуска и нормальной работы машины иметь различные сопротивления R, роторной цепи.

/ - стержни; 2 — короткозамкнутое кольцо Одним из способов решения постаатенной задачи является применение. двигателей с фазным ротором, о чем говорилось выше, в которых после разгона обмотку ротора замыкают накоротко. Однако такой путь достижения цели оправдан только при тяжелых условиях пуска, например, для приводов различных подъемных механизмов, компрессоров и т. п. При этом необходимо учитывать, что асинхронный двигатель с фазным ротором дороже асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором той же мощности примерно в .два раза. Причина такого положения связана с простой конструкцией обмотки ротора последнего. Она по внешнему вату напоминает беличью клетку (рис. 4.17), активные стержни которой располагаются в пазах и по концам соединяются с помощью так называемых короткозамкнутых колец. Они образуют многофазную систему (рис. 4.18). Жесткость конструкции обеспечивает ей достаточную прочность от действия больших центробежных сил. Затраты на сс изготовление невелики: при производстве двигателей до 100 кВт она выполняется путем заливки в пазы алюминия и представляет собой единую конструкцию с вентилятором. Такая технология изготовления обмотки оказывается возможной потому, что она нс нуждается в изоляции, поскольку вес проводники замкнуты накоротко. Достоинством обмотки является и меньшее значение полей рассеяния, так как длина сс лобовых частей сведена к минимуму, а магнитное поле содержит мало высших гармоник. Последнее обстоятельство объясняется большим числом фаз, поскольку каждый стержень представляет отдельную фазу. В результате удастся достичь и большего максимального момента. Однако ввиду отсутствия доступа к обмотке ротора в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором на первый взгляд невозможно получить характеристики, сопоставимые с характеристиками асинхронных двигателей с фазным ротором. Но это нс так.

Рис. 4.18. Распределение токов в беличьей клетке (а) и векторная диаграмма токов в стержнях и короткозамкнутом кольце (б)

Сопротивление ротора удается существенно повысить за счет поверхностного эффекта, возникающего при переменном токе. Он проявляет себя следующим образом. Протекающий в проводнике ток создает магнитное поле (рассеяния), которое благодаря раскрытию паза и наличию ферромагнитной среды распределяется таким образом, что по мере приближения ко дну паза охват элементов проводника магнитным потоком увеличивается. Аналогичным образом будет изменяться и индуцированная ЭДС, она достигает наибольшего значения у дна паза и уменьшается по мерс прибли;

жения к воздушному зазору. В соответствии с законом Ленца это приведет к вытеснению тока в верхнюю часть проводника, как показано на рис. 4.19, и, следовательно, к существенному увеличению сопротивления проводника. В момент пуска (s = 1) частота тока в проводнике ротора равна частоте сети fi =/i (50 Гц), а при достижении номинальной скорости составляет /2 = 1 — 3 Гц, следовательно, эффект вытеснения будет наибольшим при s = 1, при соответствующем выборе геометрии паза удается добиться 3−5-кратного увеличения сопротивления. В рабочем режиме активное сопротивление будет равно омическому сопротивлению проводника. Происходит автоматическое изменение активного сопротивления обмотки ротора по мере разгона двигателя, обеспечивающее, с одной стороны, высокий пусковой момент, а с другой — высокий КПД машины.

Активное и индуктивное сопротивления глубокопазного ротора выражают в виде двух составляющих:

здесь первые слагаемые предстаатяют сопротивления пазовой части проводника, где практически происходит эффект вытеснения, а вторые — сопротиатения лобовой части обмотки R_n и Х_л определяются при постоянном токе, а коэффициенты К_г и К _х, у’ШТЫвающие изменения сопротиатения, приведены на рис. 4.20 в функции приведенной высоты проводника с:

Доя медного проводника при температуре 50 °C имеем у = 5 10⁷ (Омм)"¹. Если, кроме того, принять /] = 50 Гц и выразить высоту проводника h в сантиметрах, то получим.

а для алюминиевого проводника при у = 3,2 • 10⁷ (Ом м)"¹

Коэффициенты изменения активного и индуктивного сопротивлений достаточно точно определяются следующими приближенными выражениями:

которые значительно упрощают расчет.

На рис. 4.20, где приближенные значения коэффициентов нанесены пунктирными линиями, видно, что они практически совпадают с точными.

Оба фактора — снижение индуктивного и увеличение активного сопротивления — способствуют улучшению пусковых качеств двигателя. По мере разгона двигателя снижается частота токов в обмотке ротора, падает и вшяние эффекта вытеснения тока, и при рабочей скорости двигателя, когда скольжение составит примерно 0,01… 0,03, им можно пренебречь.

Таким образом, эффект вытеснения тока обеспечивает желаемое изменение активного и индуктивного сопротивлений обмотки ротора от скорости и тем самым позволяет существенно улучшить пусковые характеристики.

На практике эффект вытеснения при необходимости усиливают за счет придания стержню ротора трапецеидальной или колбообразной формы (рис. 4.21). Дополнительно сопротивление увеличивается за счет уменьшения сечения той части стержня, где протекает вытесняемый ток.

Для расчета глубокопазнош двигателя остаются в силе уравнения (4.22) — (4.26) для токов, если в них подставить параметры ротора, рассчитанные с учетом эффекта вытеснения тока. При этом надо выделить составляющие, которые определяются пазовой частью обмотки, где проявляется указанный эффект.