Содержание
Предыдущий § Следующий

Глава двадцать девятая ОСОБЫЕ ВИДЫ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ МНОГОФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ МАШИН

§ 29-1. Асинхронные машины с неподвижным ротором

Фазорегулятор (рис. 29-1₁ а) представляет собой асинхронную машину с фазным ротором, ротор которой заторможен и может быть вручную или с помощью вспомогательного (исполнительного) двигателя повернут относительно статора на 360° эл. Торможение и поворот ротора осуществляется обычно с помощью самотормозящейся червячной передачи. Первичная сторона фазорегулятора присоединяется к сети, а вторичная — к нагрузке (сопротивления Z_HT на рис. 29-1, а).

Обозначим р электрический угол поворота оси фазы обмотки ротора относительно оси фазы обмотки статора (рис. 29-1, а). Если принять для простоты, что у рассматриваемой асинхронной машины г_х = г₂ = х_л = х_т = 0, то U_x — Е_г и £/₂ = Е₂ и диаграмма напряжений фазорегулятора имеет вид,, показанный на рис. 29-1, б. Э. д. с. Ei и £₂ индуктируются общим вращающимся полем и сдвинуты в соответствующих фазах статора и ротора относительно друг друга на угол р\ При повороте ротора и изменении угла (J вектор Ё_г — 0% поворачивается относительно векторов Ё\ и Ох-

Фазорегулятор представляет собой в сущности поворотный трансформатор

с регулируемой фазой вторичного напряжения относительно первичного. Фазорегуляторы находят применение главным образом в лабораториях, в частности, при испытании счетчиков электрической энергии и других приборов и аппаратов.

Необходимо иметь в виду, что на ротор фазорегулятора, когда од нагружен, действует вращающий момент. Это же относится и к другим рассматриваемым ниже машинам с заторможенным ротором.

Трехфазный индукционный регулятор служит для регулирования напряжения трехфазной сети переменного тока. Обмотки регуля-

Рис. 29-1. Схема (а) и векторная диаграмма напряжений (б) фазорегулятора

тора включаются по схеме автотрансформатора, и регулятор представляет собой в сущности поворотный автотрансформатор.

Схема соединений обмоток наиболее широко применяемого трехфазного индукционного регулятора представлена на рис. 29-2, а. Одна из обмоток (w_t) является первичной и включается параллельно в сеть первичного напряжения U_lt а вторичная обмотка (ш₂) включается в эту сеть последовательно. В качестве первичной обмотки обычно используют обмотку ротора, так как при этом необходимо вывести с помощью контактных колец и щеток или гибких

Рис. 2&-2. Схема соединений обмоток (а) и векторная

диаграмма напряжений (б) трехфазного индукционного

регулятора

проводников только три конца обмотки. Первичная обмотка может быть включена как в звезду, так и в треугольник. Ниже для ясности будем иметь в виду соединение в звезду.

Первичная обмотка потребляет из первичной сети намагничивающий ток, который создает вращающийся поток Ф. Если пренебречь падениями напряжения, то этот поток индуктирует в обмотках э. д. с. Ех — £4 и

Э. д. с. Еъ складывается с напряжением U_t под углом р (рис. 29-2, б), равным электрическому углу поворота фазы вторичной обмотки относительно первичной. При изменении р* концы векторов Ё_% и О_г ири &_х = const скользят по окружности. Предельные значения вторичного напряжения при пренебрежении падениями напряжения будут: при {5 = 180°

При равенстве чисел витков обмоток статора и ротора

У регулятора (рис. 29-2) одновременно с изменением величины напряжения U₂ меняется также его фаза, что иногда нежелательно. В таких случаях можно применить сдвоенный индукционный регулятор (рис. 29-3), у которого первичные обмотки присоединены к первичной сети параллельно, а вторичные — последовательно

Рис 29-3 Схема соединений обмоток (а) и векторная диаграмма напряжений (б) сдвоенного трехфазного индукционного регулятора

друг с другом. Оба регулятора укреплены на общем валу, и у второго регулятора на первичной и вторичной сторонах присоединения к двум фазам переменены местами. Вследствие этого магнитные поля двух регуляторов вращаются в противоположные стороны, и при повороте ротора одного регулятора по направлению вращения поля ротор другого поворачивается против направления вращения поля. Векторы вторичных э. д. с. регуляторов Е'_% и Ё'% на векторной диаграмме (рис. 29-3, 6) поворачиваются поэтому в противоположных направлениях, и при неучете падения напряжения фаза вторичного напряжения

остается неизменной. Вращающий момент на валу сдвоенного регулятора равен нулю. Недостатком сдвоенного регулятора является наличие двух машин, что приводит к удорожанию установки. Не изменяющееся по фазе вторичное напряжение можно получить также в индукционном регуляторе с соединением фаз обмоток

статора (с) и ротора (р) в общий треугольник (рис. 29-4), если числа витков статора и ротора одинаковы. Первичное напряжение U_x = = const в таком регуляторе подводится к вершинам треугольника ABC, а вторичное U_% = var отводится от средних точек а, Ь, с сторон этого треугольника (рис. 29-4).

Векторные диаграммы напряжений регулятора, изображенного на рис. 29-4, можно построить, учитывая, что э. д. с. фаз статора Е_с и ротора £_р одного и того же плеча треугольника при аУс^об. с = йУр&об. р равны по величине, сдвинуты по фазе на угол р поворота ротора относительно статора и в сумме равны приложенному фазному напряжению:

На рис. 29-5, а, б я в показаны вектор- l^₀\^ZZl ные диаграммы регулятора, выполненного по _го регулятора с соеди-схеме рис. 29-4, соответственно для случаев нением обмоток стато-Р = 0, р>0 и р<0. Треугольники ABC pa и ротора в общий представляют собой при этом систему неиз- треугольник менных первичных напряжений, векторы СЬ, Ас, Ва — э. д. с. фаз статора Е_с и векторы ЬА, сВ, аС — э. д. с. фаз ротора Е_р. При повороте ротора сдвиг фаз (J между э. д. с. Е_с и Е_р изменяется и одновременно изменяются также величины вра-

Рис. 29-5. Векторная диаграмма э. д. с. и напряжений индукционного регулятора, выполненного по схеме рис. 29-4, при разных положениях

ротора

вдающегося потока Ф и э. д. с. Е_с, Е_р, так что сумма э. д. с. фаз одного и того же плеча треугольника остается неизменной:

Как видно из рис. 29-5, треугольник вторичных напряжений abc при этом меняется по величине, но при до_с/г_об. _с = щКб. _Р ^или £_с = Е_р положение этого треугольника и, следовательно, фаза вторичного напряжения не изменяются.

Отметим, что при отсутствии нагрузки на вторичной стороне регулятор, изображенный на рис. 29-4, по своим свойствам представляет собой регулируемую трехфазную реактивную катушку.

В индукционных регуляторах, как й в автотрансформаторах, нужно различать внешнюю, или проходную, и внутреннюю, или габаритную, мощности (см. § 18-2). Соотношения между этими мощностями в индукционных регуляторах и автотрансформаторах яри одинаковых схемах соединений обмоток и одинаковых соотношениях чисел витков одинаковы (для схемы рис. 29-2, а при § = — 180° и для схемы рис. 29-4 при р* = 0).

§ 29-2. Асинхронный генератор с самовозбуждением

Генераторный режим работы асинхронной машины рассматривался в § 24-5. При этом было выяснено, что асинхронный генератор потребляет реактивный намагничивающий ток для создания магнитного потока й поэтому должен работать параллельно с сетью переменного тока, к которой присоединены другие машины или установки (например, синхронные генераторы), способные снабжать

Рис. 29-6. Схема асинхронного генератора АГ с местной нагрузкой R и конденсаторной батареей С {а) и векторная диаграмма (б)

реактивным током асинхронные генераторы идругих потребителей. Наряду с этим асинхронный генератор может работать также л режиме самовозбуждения на отдельную сеть, получая реактивный ток возбуждения от конденсаторов, прнключаемых к зажимам асинхронного генератора.

'Для выяснения некоторых положений рассмотрим схему рис. 29-6, на которой изображен асинхронный генератор АГ, работающий параллельно с сетью и потребляющий из нее реактивный (индуктивный) ток l_L = / . Этот ток создает в генераторе магнитное поле, в то время как активный ток 1_а, вырабатываемый генератором АГ, полностью потребляется местным Потребителем R. Приключим теперь к зажимам, генератора конденсаторы С такой емкости, чтобы потребляемый

Рис 29-7. Схема замещения самоВоз-буждающегося асинхронного генератора с нагрузкой Z_at и емкостным сопротивлением конденсаторной батареи х_с

ими из сети емкостный ток /_с по величине был равен току I_L, Очевидно, что при этом потребляемый из сети ток

Рубильник Р можно поэтому отключить, и асинхронный генератор АГ будет работать на изолированную местную сеть с приемниками RnC. Так как при этом, с одной стороны, генератор продолжает потреблять ток I_L = 1_ш, а с другой стороны, конденсаторы продолжают потреблять ток /_с = l_h, то можно сделать следующие выводы:

1)                        источниками реактивного намагничивающего тока /_м = /j. для генератора теперь являются конденсаторы;

2)                         утверждения «конденсатор потребляет из сети (или от асинхронного генератора) емкостный ток» и «конденсатор отдает в сеть (яля асинхронному генератору) индуктнвйый ток» равноценны; 3) равноценны также утверждения «асинхронная машина потребляет из сети индуктивный ток» и «асинхронная машина отдает в сеть емкостный ток».

В практике энергетических систем термины «реактивный ток» и «реактивная мощность» принято связывать с отстающим (индуктивным) током. При этом говорят, что конденсаторы отдают в сеть реактивный ток и, реактивную мощность и являются гейераторами реактивной мощности.

Из «казааиого следует, что при чисто активной нагрузке асинхронного генератора мощность конденсаторов должна равняться реактивной (намагничивающей) мощности генератора. Если же нагрузка будет иметь смешанный активно-индуктивный характер, то мощность конденсаторной батареи необходимо соответственно увеличить, чтобы она покрывала также реактивную мощность нагрузки. При смешай-ной активно-емкостной нагрузке требуется конденсаторная батарея меньшей мощности, а при определенных условиях эта батарея становится излишней.

Схема замещениа-асинхронного генератора с самовозбуждением при помощи конденсаторов и с нагрузкой Z_ST изображена на рис. 29-7. На основании этой схемы могут быть найдеды все соотношения и величины, характеризующие режим работы генератора. В частности, на основе баланса реактивных мощностей с учетом потерь реактивной мощности в сопротивлениях х_Л, x'_oi и х_ы мождо определить необходимую мощность « необходимую емкость конденсаторов. Векторная диаграмма самого асинхронного генератора с самовозбуждением имеет обычный вид и не зависит от того, откуда генератор потребляет необходимую реактивную мощность.

Рис. 29-8. К выяснению условий самовозбуждения асинхронного генератора

Выяснив в общих чертах работу асинхронного генератора с самовозбуждением в установившемся режиме, рассмотрим процесс его самовозбуждения на холостом ходу (рис. 29-8), пренебрегая активными сопротивлениями.

Ввиду наличия потока остаточного намагничивания ротора асинхронной машины, при вращении ротора в обмотке статора индуктируется некоторая э д. с. £ост (рис. 29-8). Эта э. д. с. вызывает в конденсаторах ток 1'_с, который, протекая по обмотке статора машины, усиливает его магнитный поток. В результате индуктируемая э. д. с. и ток конденсатора увеличиваются и т. д.

На рис. 29-8 зависимость индуктируемой в обмотке статора генератора э. д.с. £i от намагничивающего тока в этой обмотке /_м или от тока конденсатора /_с = /_м изображена в виде кривой холостого хода или кривой намагничивания (ж_О1 + + х_м)1_с- Прямая U =• х_с1_с определяет зависимость напряжения конденсатора от его тока. Процесс самовозбуждения на рис. 29-8 условно изображен ступенчатой линией. Э. д. с. остаточного намагничивания вызывает в конденсаторе ток

Очевидно, что процесс самовозбуждения асинхронного генератора во многом аналогичен процессу самовозбуждения генератора постоянного тока (см. § 9-4).

Выше предполагалось, что первоначальный толчок тока статора при самовозбуждении возникает в результате действия потока остаточного намагничивания. Вместе с тем роль первоначального толчка может сыграть также ток разряда предварительно заряженной конденсаторной батареи, наводка тока внешним магнитным полем и флуктуация электронов в цепи обмотки статора. Последние две причины на практике часто оказываются недостаточно сильными для развития самовозбуждения.

Мощность конденсаторной батареи самовозбуждающегося асинхронного генератора достаточно велика (до 70—100% от номинальной мощности генератора), что делает установку дорогой. В связи с этим такие генераторы находят в настоящее время весьма ограниченное применение. Иногда явление самовозбуждения асинхронной машины с подключенными к ней конденсаторами используется для торможения асинхронных двигателей после отключения их от сети. Торможение при этом происходит за счет потерь, возникающих в самовозбужден-ной машине и приключенных к ней сопротивлениях.

Самовозбуждение асинхронной машины возможно также при включении конденсаторов во вторичную цепь, однако этот случай ввиду малой частоты в цепи ротора малоэкономичен.

§ 29-3. Асинхронные машины с массивным ротором

Ротор асинхронной машины можно изготовить из массивной стальной поковки и без пазов. В этом случае роль обмотки ротора играет сам массивный ротор, в котором вращающееся магнитное поле будет индуктировать токи.

Массивный ротор имеет большое преимущество в прочности. В связи с этим асинхронные двигатели на высокие скорости вращения (10 000—100 000 об/мин)

строятся с массивным ротором. Такие двигатели применяются в различных установках специального характера, в частности в гироскопических навигационных устройствах, и питаются током повышенной частоты (400—1000 гц).

Активное г₂ и индуктивное х_л сопротивления массивного ротора ввиду сильно выраженного поверхностного эффекта значительно зависят от скольжения. Так, в случае / = 50 гц при пуске (s = 1) эквивалентная глубина проникновения токов в роторе составляет только около Змм, приs= 0,02 — около 20мм, npns = = 0,001 — около 100 мм. Поэтому при пуске сопротивление г₂ весьма велико и х_л мало, а с уменьшением скольжения сопротивление г₂ уменьшается и х_а2 увеличивается. Вследствие подобного изменения параметров геометрическое место токов машины с массивным ротором имеет вид, изображенный на рис. 29-9 сплошной линией. Для сравнения там же

штриховой линией показана круго- fy^$=/

вая диаграмма асинхронного двигателя с постоянными- параметрами.

В результате сильного проявления поверхностного эффекта пусковой момент двигателя с массивным ротором достаточно велик (М_а/М_я = 1,5-V- 2,0). Однако двигатели малой и средней мощности с массивными роторами при /= 50гц имеют низкие к. п. д. и коэффициент мощности, так как при Рис. 29-9. Геометрическое место токов скольжении s = 0,02 -з- 0,05 глу- асинхронной машины с массивным ро-бина проникновения тока и потокатором

в сталь ротора мала, активное и

магнитное сопротивления ротора магнитному потоку велики, вследствие чего двигатель имеет большое номинальное скольжение и большой намагничивающий ток. С увеличением геометрических размеров машины, а также при увеличении номинальной скорости вращения рабочие характеристики двигателя улучшаются. Так, асинхронный двигатель с массивным ротором на / = 50 гц и Р_я = = 20 000 -з- 50 000 кет имел бы номинальное скольжение значительно менее 1%. В двигателях относительно небольшой мощности на высокие скорости вращения для улучшения рабочих характеристик иногда внешнюю поверхность массивного стального ротора покрывают медью. С этой же целью применяются медные кольца, прикрепленные к торцевым поверхностям массивного ротора. Роль этих колец аналогична торцовым короткозамыкающим кольцам беличьей клетки, и активное сопротивление ротора с такими кольцами уменьшается. Иногда на цилиндрической поверхности ротора выполняют также пазы, но без укладки в них обмотки. При этом площадь внешней рабочей поверхности ^ротора, нагруженной токами, увеличивается, что приводит к уменьшению активного сопротивления ротора.

§ 29-4. Линейные и дуговые асинхронные машины

Если представить себе, что обычный круглый статор асинхронного двигателя разрезан по осевой плоскости и выпрямлен в плоскость или разогнут по дуге большего радиуса, чем радиус исходного круглого статора, то получится статор линейной (рис. 29-10, о) или дуговой (рис. 29-10, б) асинхронной машины. Трехфазная обмотка такого статора создает в воздушном зазоре в пределах сердечника статора соответственно бегущее или вращающееся магнитное поле.

Движущаяся часть линейной машины называется бегуном, а движущаяся часть дуговой машины — ротором. Бегун и ротор могут иметь конструкцию, свойственную роторам нормальных короткозамкнутых асинхронных машин, т. е. иметь сердечники из листовой электротехнической стали и обмотку

Рис. 29-9. Геометрическое место токов асинхронной машины с массивным ротором

типа беличьей клетки, расположенную в пазах сердечника бегуна и ротора. Они могут быть изготовлены также массивными — из стали или чугуна, и в этом случае роль вторичной обмотки выполняет само тело бегуна или ротора.' Линейную асинхронную машину можно выполнить также в виде двух статоров, обращенных друг к другу, и бегуном при этом служит проводящее тело, расположенное в зазоре между сердечниками статоров. Проводящее вторичное тело в виде шины может быть также неподвижным, а „статор" — находиться на движущемся экипаже. Такие устройства перспективны для высокоскоростного пассажирского транспорта.

Принцип действия рассматриваемых машин одинаков с принципом действия нормальных асинхронных машин: бегущее или вращающееся поле статора индуктирует в обмотке бегуна или ротора токи, в результате взаимодействия которых с магнитным полем возникают электромагнитные силы, действующие на бегун и ротор. В установившемся режиме скольжение бегуна или ротора относительно магнитного поля обычно невелико.

Особенностью дуговой машины является то, что ее скорость вращения не связана так жестко с числом пар полюсов р и частотой fi, как в нормальной асинхронной машине. Действительно, пусть статор .машины (рис. 29-10, 6) имеет р пар полюсов' и занимает дугу с центральным углом а,-За один период тока вращающееся поле перемещается на 2т или на угол ajp, а в тече» ние одной секунды поле совершает

оборотов. Выбирая различные а, полу чаем различные скорости вращения. Щщ а = 2я имеем нормальную асинхронную машину с

«i=/i/P. об/сек.

P#c. 29-10, Линейная (а) я дуговая (б) асинхронные машины

Линейные асинхронные машины можно использовать для получения возвратно-поступательного движения. При этом производится периодическое пере* ключеиие обмотки статора (изменение чередования фаз) и. машина работает в циклическом режиме ускорения, движения и торможения. Такой режим в энергети; ческом отношении невыгоден, так как в течение каждого цикла работы при уско^ рении и торможении бегуна бесполезно теряется относительно большое количество-энергии в виде тепла, выделяемого в обмотках. Количество теряемой энергии тем больше, чем больше масса бегуна и его максимальная скорость. В связи с этим Явигатели возвратно-поступатального движения не получили заметного распространения. Применение линейных и дуговых асинхронных машин и родственных им магнитогидродинамическ'их машин (см, §29-5) в качестве электрических машин специального назначения расширяется.

В линейных и дуговых асинхронных машинах возникают краевые эффекты, вызванные 'уем. что их статоры не" замкнуты в кольцо и имеют конечную длину. Вследствие этого энергетические показатели линейных и дуговых машин хуже» чем у нормальных асинхронных машин.

§ 29-5. Магнитогидродинамические машины переменного тока

Одной из разновидностей магнитогидродинамических машин переменного тока являются индукционные насосы для жидких металлов, которые подразделяются на линейные и винтовые [58].

Линейные индукционные насосы родственны линейным асинхронным машинам (см. § 29-4) и делятся на плоские и цилиндрические.

Плоские насосы (рис. 29-11) имеют обычно два индуктора, каждый из которых состоит из сердечник-а 1 и многофазной (обычно трехфазной) обмотки 2. Между индукторами находится плоский канал прямоугольного сеченияЗ с жидким металлом. Стенки канала в зависимости от свойств жидкого металла могут быть как металлическими, так и керамическими. Между стенками канала и индукторами в большинстве случаев имеется слой тепловой изоляции. Бегущее магнитное

Рис. 29-Я. Устройство плоского линейного индукционного насоса для жидких металлов

поле индукторов наводит в жидком металле токи, и вследствие взаимодействия этих токов с магнитным полем возникают электромагнитные силы, действующие на частицы жидкого металла. В результате развивается напор, и жидкий металл прихоцвт в движение по направлению движения поля с некоторым скольжением относительно его.

Цилиндрические насосы имеют канал кольцевого сечения, внутри которого расположен сердечник без обмотки, а снаружи — с обмоткой. Обмотка создает магнитное поле, бегущее вдоль оси канала.

Представление о винтов ом индукционном насосе можно получить, если предположить, что ротор асинхронного двигателя заторможен, зубцы ротора вместе с обмоткой срезаны и в зазоре, образовавшемся между внешним и внутренним сердечниками, навит винтовой канал.

Индукционные насосы находят применение в исследовательских, транспортных и промышленных установках с ядерными реакторами на быстрых нейтронах, в которых для отвода тевда используются жидкометаллические теплоносители (натрий, кадий, их сплавы и др.). Создаются также разные установки для металлургии и Литейного производства. Все виды индукционных насосов обратимы, и насосы могут работать в режиме асинхронного генератора, если по их каналам за счет внешнего источника прокачивать жидкий металл со скоростью выше скорости движения поля. Магнитогидродинамические генераторы с жидкими металлами, а также с парами жидких металлов имеют перспективы практического применения в разных энергетических установках, в том числе с ядерными реакторами [58]. Предложены различные конструктивные разновидности подобных генераторов. Однако на пути их создания имеются различные трудности, из которых можно отметить проблему разгона жидких металлов за счет содержащейся в них тепловой энергии.

§ 29-6. Асинхронный преобразователь частоты

Асинхронный преобразователь частоты (рис. 29-12) состоит из трехфазной асинхронной машины AM с фазным ротором и соединенного с ней приводного двигателя Д. Одна из обмоток асинхронной машины, например обмотка статора, приключается к первичной сети с частотой f_lt а вторичная обмотка питает вторичную сеть током частоты скольжения f₂ = sfj.

Асинхронная машина AM работает либо в тормозном, режиме противовклю-чения, когда s > 1 и f₂ > fi. либо в режиме двигателя, когда s < 1 и f₂ > f_v В двигательном режиме ротор AM вращается в направлении вращения поля, а в тормозном — против направления вращения поля. Генераторный режим работы AM в преобразователях частоты обычно не используется.

рели пренебречь потерями, то первичная мощность AM

Pi ⁼ Pbh>

а вторичная мощность, или мощность скольжения,

Механическая мощность, развиваемая двигателем Д, Pux = P2-Pi = (s-\)P₁.

При s > 1, когда fi>f\, приводной двигатель Д работает в режиме двигателя и Р_т > 0. При s > 1 двигатель Д работает в действительности в режиме генератора и Р_мх < 0.

Приводным двигателем Д обычно служит асинхронный или синхронный двигатель. Если величину вторичной частоты необходимо регулировать, то возбуждение первичной обмотки AM частотой производится от вспомогательной синхронной или коллекторной машины с регулируемой частотой. Для этой же цели в качестве двигателя Д можно, использовать машину постоянного тока и регулировать скорость ее вращения. Если /_а > f_u то Р₂ > Pi, и для облегчения работы контактных колец и щеток в качестве первичной обмотки с током частоты ^ используется обмотка ротора. В простейшем случае, когда регулирования величины частоты f₂ не требуется, приводной синхронный или асинхронный двигатель Д и первичную обмотку AM можно питать от общей сети с промышленной частотой Д. При этом скорость вращения приводного двигателя и всего агрегата, если в случае использования асинхронного приводного двигателя, пренебречь его скольжением, равна

§ 29-7. Работа трехфазных асинхронных двигателей при неноминальных условиях

Изменение частоты. Частота сети f_t может отличаться от номинальной f_H, в особенности, в маломощных автономных энергетических установках (транспорт, лесоразработки, изолированные строительные объекты и пр.). Рассмотрим влияние изменения частоты на работу двигателя, когда и_г = £/_1н = const и момент нагрузки на валу М_ст равен или близок номинальному.

Если пренебречь падениями напряжения, то

откуда следует, что при и_г — const изменение f_x приводит к изменению потока двигателя Ф. С другой стороны,

М = &Ф/₂ cos t|j₂,

откуда следует, что при М_ст = const изменение Ф приводит к изменению вторичного тока /₂ и нагрузочной составляющей первичного тока.

Ввиду заметного насыщения магнитной цепи асинхронных двигателей уменьшение /_х и соответствующее ему увеличение Ф приводят к значительному увеличению намагничивающего тока /_м. Например, уменьшение d на 10% обычно вызывает увеличение /„ на 20—30%. Хотя при увеличении Ф и М_С1 — const ток /₂ соответственно уменьшается, более значительное увеличение намагничивающего тока может вызвать общее увеличение первичного тока и перегрев первичной обмотки.

Увеличение f_x и соответствующее ему уменьшение Ф приводят к заметному уменьшению намагничивающего тока. При этом, однако, при М„ = const растет ток /₂, что приводит к перегрузке током обмотки ротора, а при определенных условиях также и к перегрузке обмотки статора.

Таким образом, как уменьшение, так и увеличение частоты вызывают ухудшение условий работы асинхронных двигателей, работающих при нагрузках, близких к номинальным. Поэтому колебания частоты сети должны быть ограничены. По ГОСТ 183—66 двигатели должны отдавать номинальную мощность при отклонениях частоты от номинального значения до ±5%.

Изменение напряжения при f_x = /_lH приводит, согласно равенству (29-2), к тем же последствиям, как и изменение частоты, с той лишь разницей, что уменьшение U_x вызывает также уменьшение Ф и наоборот. Поэтому изменение и_г при /_х = const и при нагрузках, близких к номинальным, тоже приводит к ухудшению условий работы асинхронных двигателей. В связи с этим колебания U_x

также должны быть ограничены. На основании ГОСТ 183—66 двигатели должны отдавать номинальную мощность при отклонениях напряжения сети от номинального в пределах от —5 до +10%. При одновременном отклонении напряжения и частоты двигатели переменного тока, согласно ГОСТ 183—66, должны отдавать номинальную мощность, если сумма процентных значений этих отклонений без учета знаков не превосходит 10%.

Переключение обмоток слабо загруженных асинхронных двигателей с треугольника на звезду. Как было установлено, при боль-

Рис. 29-13. "Рабочие характеристики асинхронного двигателя

28 mm, 975 об/мин при соединениях обмотки статора в трегулышк"

и звезду и при напряжении сети, равном номинальному фазному

напряжению двигателя

шой нагрузке асинхронного двигателя уменьшение напряжения не его зажимах приводит к перегрузке обмоток двигателя токами <я всеми вытекающими отсюда ^Последствиями (увеличение потери! уменьшение к. п. д., перегрев обмоток). Однако если двигателЩ нагружен слабо, например до 35—40% от номинальной мощности! то уменьшение и_г может привести к улучшению энергетическиэ| показателей двигателя. Действительно, намагничивающий ток /^ в результате уменьшения потока при этом весьма значительна уменьшается и, следовательно, коэффициент мощности заметно уве* личивается. Уменьшаются пропорционально U\ также магнитные потери. Хотя при М_ст = const уменьшение £/_а будет вызывать соответствующее увеличение /£, вследствие недогрузки двигателя величина /а может не превышать номинального значения. Нагрузоч* ная составляющая 1_г увеличивается тай, же, как /£, но ввиду умени шения /„ результирующая величина 1_г может даже уменьшиться?

В результате указанных причин величина к. п. д. ц может увеличиться.

По ряду причин некоторые асинхронные двигатели в условиях эксплуатации могут быть сильно недогруженными. Если обмотки статора таких двигателей нормально соединены в треугольник, то для улучшения c6s ф и к. п. д. двигателей может оказаться целесообразным переключение их в звезду. Напряжения фаз при этом уменьшатся в |/"3 раза, что вызовет также уменьшение Ф в У"3 раза, уменьшение /_м в 2—2,5 раза и при условий M_cr = const = увеличение /а в V"3 раза. Если при этом к. п. д. улучшится или даже останется неизменным, то для улучшения cos ф сети целесообразно переключить обмотки статора в звезду. Величина нагрузки, ниже которой такое переключение дли данного двигателя целесообразно, должна быть установлена путем расчета или экспериментально.

На рйс. 29-13 в качестве иллюстрации к сказанному приведены характеристики двигателя на 28 кет, 975 обТмин. Из этих характеристик видное что для улучшения cos ф переключение обмоток этого двигателя в звезду целесообразно при нагрузках ниже 40% от номинального значения, когда cos ф и г) будут выше, чем при соединении в треугольник.

§ 29-8. Несимметричные режимы работы асинхронных двигателей

Предварительные замечания. Несимметричные режимы работы асинхронных Двигателей возникают в следующих случаях: 1) при искажении симметрии напряжений сети, 2) при несимметрии сопротивлений в цепях статора и ротора, 3) при несимметричной схеме соединений обмоток двигателя. Такие режимы могут возникнуть как результат отклонения условий работы двигателя от нормальных, в частности, вследствие неисправностей и аварий. В ряде случаев несимметричные режимы используются для получения характеристик с особыми свойствами. Рассмотрим некоторые несимметричные режимы и будем полагать, что устройство асинхронной машины в целом и фаз ее обмоток является симметричным.

Несимметричные режимы работы асинхронных машин целесообразно исследовать с помощью метода симметричных составляющих, пренебрегая насыщением и пользуясь методом наложения. Составляющие нулевой последовательности в токах обмоток асинхронных двигателей обычно не возникают, так как нулевые точки этих обмоток, если обмотки соединены в звезду, обычно изолированы. Поэтому следует рассмотреть поведение асинхронных машин по отношению к составляющим напряжений и токов прямой и обратной последовательности.

Работа асинхронной машины при несимметрии приложенных напряжений. Пусть система трехфазных напряжений, приложенных к первичной обмотке асинхронной машины, несимметрична и содержит составляющие прямой (U_n) и обратной (£/₁₂) последовательности. Все изложенное в предыдущих главах относилось к асинхронной машине с напряжениями и токами прямой последовательности. Повторим здесь вкратце полученные выше результаты, введя дополнительный индекс 1 для обозначения прямой последовательности, а затем распространим эти результаты на напряжения и токи обратной последовательности (с дополнительным индексом 2).

Рис. 29-14. Схемы замещения асинхронной машины для токов и напряжений прямой (а) и обратной (б) последовательности

Напряжения U_n вызывают в первичной цепи машины токи прямой последовательности 1_п. Эти токи создают магнитное поле и поток прямой последовательности, которые вращаются со скоростью

и индуктируют токи прямой последовательности /₂₁ во вторичной обмотке. Токи 1_и и /₂₁ создают общее магнитное поле прямой последовательности, вращающееся со скоростью n_v Скольжение ротора относительно этого поля есть скольжение прямой последовательности:

где п — скорость вращения ротора, положительная в случае, когда ротор вращается в сторону поля прямой последовательности.

Для системы токов и напряжений прямой последовательности действительна схема замещения рис. 29-14, а, которая идентична со схемами замещения рис. 24-6. Эта схема позволяет рассчитать токи 1_п и /ji, если известны U_u и параметры машины.

Необходимо отметить, что, кроме моментов М_г и М_%, в результате взаимодействия токов обратной последовательности ротора с прямым полем и взаимодействия токов прямой последовательности ротора с обратным полем возникают также добавочные составляющие вращающего момента. Однако эти добавочные моменты пульсируют с большой частотой, равной 2f_lt и средняя величина их равна нулю. Поэтому они практически не оказывают влияния на движение ротора-. Вместе с тем в результате взаимодействия прямых и обратных полей возникают вибрационные радиальные силы частоты 2/_х.

Надо также отметить, что в общем случае параметры вторичной цепи r'i и х'а₂ для токов прямой и обратной последовательности различны, так как частоты этих токов f_n = sfi, f_n = (2 —s)^ неодинаковы й влияние вытеснения тока сказывается поэтому в различной степени. Это обстоятельство необходимо учитывать при практических расчетах.

На рис. 29-15 изображены кривые моментов М_ъ М_а и М для случая, когда

и_п и и и постоянны по величине и U₁₂/U_u = 0,5. Ввиду преобладания составляющей прямой последовательности режим работы машины а целом определяется действием этой составляющей. Как видно из рис. 29-15, под влиянием токов обратной последовательности результирующий момент двигателя М снижается, скольжение при том же моменте сопротивления на валу М_ст увеличивается и, следовательно, увеличиваются потери и нагрев машины, а также уменьшается к. п. д. Все это является следствием тогоГ что по отношению к системе обратной последовательности мащина при 0 < s < 1 работает в тормозном режиме (1 < s_a < 2). Из сказанного следует, что наличие токов обратной последовательности ухудшает условия работы асинхронных двигателей, й поэтому искажение симметрии системы питающих напряжений нежелательно. Однако в ряде случаев несимметричные режимы используются в специальных целях.

Несимметрия сопротивлений во вторичной цепи может возникать в результате различных неисправностей (например, отсутствие контакта в цепи одной фазы трехфазного ротора или обрыв одного или нескольких стержней короткозамкнутого алюминиевого ротора вследствие дефектов литья). Иногда для уменьшения числа контак-

Рис 29-15 Моменты прямой (M_t) и обратной {М₂) последовательности и результирующей момент (М) асинхронной машины в функции скольжения

тов реостата или контроллера при сохранении достаточно большого числа ступеней пуска применяются также несимметричные пусковые реостаты, в которых переключение ступеней реостата в разных фазах производится неодновременно. Например, если каждая фаза трехфазного пускового реостата имеет п — 2 ступени и переключение ступеней в каждой фазе производится одновременно, то получим 2+1=3 ступени пуска. Если же ступени каждой фазы переключить поочередно, то получим 2-3+1 = 7 ступеней пуска. В последнем случае большое количество ступеней пуска достигается при относительно простой и дешевой пусковой аппаратуре.

Рассмотрим, как влияет несимметрия цепи ротора на работу двигателя. Предположим при этом, что обмотка ротора является трехфазной.

Симметричная система напряжений сети U_x вызывает в обмотке статора токи 1_г ~ 1_п частоты сети f_v Вращающееся поле прямой последовательности, созданное этими токами, индуктирует в фазах ротора э. Д. с Е% частоты /₃ = ^sh- Вследствие неравенства сопротивлений отдельных фаз токи в фазах ротора будут неодинаковы, и их можно разложить на токи прямой (/₂₁) и обратной (1_п) последовательности.

Токи прямой последовательности ротора 1_п частоты sf_x создают прямое поле, вращающееся синхронно с полем токов 1_Х = 1_и статора, вследствие чего образуется результирующее, или общее, прямое поле двигателя. В результате взаимодействия этого поля с токами ротора /_г1 создается вращающий момент прямой последовательности Mi, который имеет ту же природу, что и обычный момент двигателя при cHMMetpH4HOM режиме работы.

Токи обратной последовательности ротора /₂₂ также имеют частоту /_s =» sf_t и создают поле, вращающееся со скоростью

которые замыкаются через сеть и накладываются на токи /_ц частоты f_v Так как в самой первичной сети нет напряжений и э. д. с. частоты /_w и сопротивление сети по отношению к сопротивлению

обмоток двигателя мало, то можно считать, что обмотка статора по отношению к токам /₁₃ замкнута накоротко.

Токи ротора /₃₂ и статора /₁₂ создают общее вращающееся поле, и при взаимодействии этого поля с током ротора /_2а возникает действующий на ротор момент М_г. Общий действующий на ротор вращающий момент

При скольжениях 0,5<s< 1,согласно равенству (29-11), имеем л₂ < 0, т. е. обратное поле вращается относительно статора в отри-

Рис. 29-16. Кривые вращающих моментов

асинхронного двигателя при несимметрии

сопротивлений в фазах (а) и при разрыве

цепи одной фазы (б) обмотки ротора

дательном направлении. Однако создаваемый при этом момент М₂ действует в положительном направлении (М₂ > 0), в результате чего и сам ротор вращается против направления вращения поля. Эти явления вполне аналогичны явлениям в асинхронном двигателе с питанием со стороны ротора, когда движение ротора также происходит против направления поля. При скольжениях 0 < s <

<               0,5 [см. выражение (29-11)] имеем п₃ > 0, т. е. обратное поле вращается в положительном направлении, вследствие чего М₂ <

<               0. При s = 0,5 [см. выражение (29-11)1 п_% = 0, обратное поле неподвижно относительно статора, поэтому токи /₁₂ в статоре не индуктируются и М₂ = 0.

Характер кривой момента М₂ = f (s) представлен на рис. 29-16, а. Там же показан характер кривой М_х = f (s) и М = Мх -f- M₂ = = f (s). Кривая момента М_х имеет в области s = 0,5 провал в связи с тем, что при s = 0,5 ток /₁₂ = 0, размагничивающее действие токов /_1а по отношению к полю токов ротора /₂₂ отсутствует (режим идеального холостого хода), поэтому индуктивное сопротивление

токам /₂₂ велико, вследствие чего величины всех токов /₂₂, h\ и /х = /_п при s « 0,5 уменьшаются.

В связи со сказанным выше кривая моментов М = f (s) двигателя также имеет в области s = 0,5 провал. При значительной несимметрии сопротивлений вторичной цепи величина этого провала может оказаться настолько большой, что двигатель при пуске «застрянет» на скорости п та 0,5 п_х и не достигнет нормальной скорости вращения. Токи обмоток при этом будут велики и опасны для двигателя. Если одна из трех фаз ротора имеет обрыв, то величина М в области s — 0,5 будет даже отрицательной (рис. 29-16, б) и двигатель не достигнет нормальной -скорости вращения даже при пуске на холостом ходу. Такое явление впервые было описано Г. Гергесом в 1896 г. и называется эффектом Гергеса или эффектом одноосного включения. При увеличении активных сопротивлений цепи ротора, например, с помощью реостата кривая момента при обрыве одной фазы цепи ротора становится более благоприятной.

Содержание
Предыдущий § Следующий