Архив / 1997 / №3(13) / 

Повышение пусковой способности асинхронного электродвигателя с фазным ротором

В асинхронных двигателях с фазным ротором, как известно, для повышения пусковой способности в роторную обмотку включаются активные сопротивления, которые затем в процессе пуска шунтируются. Для регулирования частоты вращения применяется также несимметричное включение сопротивлений. Однако, несимметрично включенные сопротивления, при достижении частоты вращения ротора близкой к полусинхронной, могут создать провалы в кривой электромагнитного вращающего момента, что в свою очередь приводит к одноосному эффекту и застреванию скорости на полусинхронной.

Рис.1 Кривые изменения электромагнитного момента и частоты вращения ротора при несимметрии и симметрии ротора двигателя мощностью 3 кВт.
Рис.1 Кривые изменения электромагнитного момента и частоты вращения ротора при несимметрии и симметрии ротора двигателя мощностью 3 кВт.

В настоящей работе предлагается использовать несимметричные сопротивления в роторе с целью повышения пусковой способности до появления провалов в кривой момента. Идея предложенного метода заключается в следующем. При несимметрии ротора, как известно, создаются поля прямой и обратной последовательностей, причем эти поля создают вращающие моменты соответственно прямой и обратной последовательностей. При разбеге двигателя от неподвижного состояния (s=1, w =0) до 0.5 от синхронной (s=0.5, w=0.5) электромагнитный вращающий момент прямой и обратной составляющих совпадает по направлению, а величина общепринятого пускового момента, определяемого по статической механической характеристике, в этом случае будет состоять из суммы моментов прямой и обратной последовательностей, что в целом приведет к повышению пускового момента. Когда поле обратной последовательности «догонит» частоту вращения ротора в точке (1-2s), ротор и поля обратной последовательности будут неподвижны относительно друг друга, а момент от поля обратной последовательности будет равен нулю. После того как поле обратной последовательности достигнет частоты вращения w>0.5, s<0.5, асинхронный двигатель по отношению к полю обратной последовательности будет работать в генераторном (тормозном) режиме. Таким образом, результирующий момент сначала увеличивается до момента, когда s=0.5, а затем, пройдя эту точку, начинает падать. Наша задача в процессе разгона асинхронного двигателя использовать режим повышенного момента до момента времени, когда ротор достигнет полусинхронной частоты вращения. С этой целью проведено исследование влияния активного сопротивления ротора на величину ударного электромагнитного вращающего момента, формирующего движение ротора, при симметричном и несимметричном их включении.

Как видно из представленной таблицы, при симметрично включенных сопротивлениях в роторную цепь, величина ударного вращающего момента значительно ниже момента, полученного при включении в цепь ротора несимметричного сопротивления. Следовательно, используя несимметрию ротора, можно повысить пусковую способность двигателя.

В качестве иллюстрации на рисунке 1 представлены кривые изменения во времени электромагнитного вращающего момента и частоты вращения ротора при несимметричном включении сопротивлений и при симметричном их включении в обмотку ротора. В первом случае сопротивление включалось в одну из фаз приведенной эквивалентной двухфазной машины, во втором - в обе фазы a, b. Пределы изменения сопротивлений для асинхронного двигателя мощностью 3 кВт выбраны увеличенными относительно собственного сопротивления ротора в 41,6 раз. Дальнейшее повышение сопротивления мало или вообще не изменяло процесс, поэтому соответствовало одноосному состоянию ротора асинхронного двигателя, то есть состоянию с оборванной фазой ротора. Так, при RR=2 Ом, ударный вращающий момент при симметрично включенном сопротивлении в роторную цепь был мал (см. табл.1), а в несимметричном режиме для асинхронного двигателя мощностью 30 кВт не изменялся, оставаясь равным значению 10 о.е., соответствующему одноосному режиму. В случае асинхронного двигателя мощностью 3 кВт величина ударного момента после увеличения сопротивления по одной из осей (фаз) более 1 Ом не изменялась, оставаясь равной 8.8 о.е. (см. табл.1 для асинхронного двигателя 3 кВт).

Таблица 1. Влияние несимметрии ротора на ударный вращающий момент

Симметричные
сопротивления

Рн = 30
кВт

RRa = RRb = RR (о.е.) Муд. (о.е.)

0,018
2,2

0,036
3,4

0,072
4,5

0,144
5

0,18
4,8

0,27
4,15

0,36
3,8

0,45
3,2

0,6
2,56

0,72
2,25

1,0
1,21

Несимметричные
сопротивления

Рн = 30
кВт

RRa = RR = 0,018, RRb (о.е.)Муд. (о.е.)

0,009
1,35

0,36
3,8

0,072
5,5

0,144
7,8

0,18
8,2

0,27
8,2

0,36
9

0,45
9,5

0,6
10

0,72
10

1,0
10

Симметричные
сопротивления

Рн = 3
кВт

RRa = RRb = RR (о.е.)
Муд. (о.е.)

0,024
2,2

0,047
3,02

0,094
4,3

0,188
4,35

0,376
3,35

0,47
 2,95

0,752
2,1

1
1,5

Несимметричные
сопротивления

Рн = 30
кВт

RRa = RR = 0,047 = RRb (о.е.) Муд. (о.е.)

0,024
2,05

0,047
3,02

0,094
5,0

0,188
6,8

0,376
8

0,47
8,2

0,94
8,6

1
8,8

1,5
8,8

Из сравнения кривых изменения электромагнитного вращающего момента при симметричном и несимметричном включении сопротивлений (следует иметь в виду, что значения сопротивлений, указанных на рисунке, взяты в относительных единицах, а за базисное сопротивление принято полное входное сопротивление асинхронного двигателя)

видно, что:

1) При включении симметричных сопротивлений в роторную обмотку (нижние кривые на рисунке 1) ударный вращающий момент растет от значения равного 2 о.е. при RRa = RRb = 0.024 о.е. до 3.5 о.е. при RRa = RRb = 0.188 о.е., а затем уменьшается до величины 1.4 о.е. при RRa = RRb =1 о.е.
2) Продолжительность пуска при RRa = RRb = 0.188 о.е. уменьшается, а затем при RRa = RRb =1 о.е. растет примерно в 3 раза.
3) Колебательность процесса пуска (неравномерность частоты вращения ротора и электромагнитного вращающего момента) уменьшается с увеличением RR, а затем вновь растет.
4) При несимметричном включении сопротивлений в роторную обмотку, ударное значение момента при увеличении сопротивления растет от величины 2.5 о.е. при RRa =0.047 о.е., RRb =0.024 о.е. (2 о.е. было при симметрично включенных сопротивлениях) до 7 о.е. при RRa =0.047 о.е., RRb =1 о.е., а время пуска двигателя уменьшается.

Исследования проводились при изменении сопротивлений в роторной цепи для асинхронного двигателя 3 и 30 кВт. Причем, во втором случае сопротивление ротора увеличивалось в 111 раз по сравнению с собственным сопротивлением ротора.

Обработка большого количества расчетных данных по методу наименьших квадратов с автоматическим выбором погрешности расчета, дала следующие аналитические выражения для определения ударного момента при симметричном увеличении сопротивлений для двигателя мощностью 30 кВт.

и при несимметричном увеличении сопротивлений в одной из осей

Аналогичные выражения для двигателя 3 кВт будут иметь вид при симметричном увеличении сопротивлений

при несимметричном увеличении сопротивлений

На основе полученных данных на рисунке 2 представлена кривая изменения ударного момента в функции RR, построенная на основе вышеуказанных уравнений. Площадь между кривыми изменения Муд. от RR для несимметричных и симметричных режимов показывает приращение момента за счет создания несимметрии ротора, что дает дополнительную возможность использования несимметрии ротора для повышения пусковой способности асинхронного двигателя с фазным ротором.

Рис. 2. Зависимость ударного момента от сопротивления ротора при: 1 - несимметричном роторе ; 2 - симметричном роторе (а - АД - 30 кВт, б - АД - 3 кВт)
Рис. 2. Зависимость ударного момента от сопротивления ротора при: 1 - несимметричном роторе ; 2 - симметричном роторе (а - АД - 30 кВт, б - АД - 3 кВт)

Кроме вышеуказанного влияния несимметричного сопротивления ротора на пусковую способность асинхронного двигателя с фазным ротором, многочисленные исследования электромагнитных процессов при пуске показали существенное влияние на процесс разбега двигателя начальных условий: начальной фазы включения напряжения (j0) и начального углового положения ротора (q0), а именно то, что при некоторых начальных условиях, пуск осуществляется быстро, а при других происходит застревание скорости на полусинхронной.

Таким образом, подбирая соответствующим образом начальные условия и несимметрию ротора, можно существенно повысить пусковую способность асинхронного двигателя с фазным ротором.

Для реализации вышеизложенных условий с целью повышения пусковой способности двигателя предлагается схемное решение, изображенное на рисунке 3 и защищенное авторским свидетельством /1/. Цель достигается путем подачи питающего напряжения на статорные обмотки двигателя при разомкнутых роторных обмотках, в цепи ротора создают несимметрию путем включения дополнительного сопротивления, измеряют напряжение на выходе роторных обмоток и при достижении фазы заданной величины замыкают фазы роторной обмотки.

Рис. 3. Устройство для пуска двигателя с фазным ротором
Рис. 3. Устройство для пуска двигателя с фазным ротором

Устройство для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором 1 содержит первый управляемый коммутатор 2, одни выводы которого снабжены зажимами для подключения к сети, а другие выводы подключены к выводам статорной обмотки двигателя, резистор 3, соединенный с первым выводом роторной обмотки, счетчик импульсов 4, выход которого соединен с управляющим электродом тиристора 5, шунтирующего выход трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя 6, два входа которого соединены с вторым и третьим выводами роторной обмотки, третий вход трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя 6 соединен с другим выводом резистора 3, шунтируемого вторым управляемым коммутатором 7, управляющий вход которого соединен с выходом первого реле времени 8, входные выводы которого под-соединены к второму и третьему выводам роторной обмотки и к входным выводам нуль-органа 9, выход которого соединен с входом ждущего мультивибратора 10, выход которого соединен с R-входом RS-триггера 11, выход которого соединен с одним из входов логического элемента И 12, другой вход которого соединен с S-входом RS-триггера и с выходом реле времени 13, вход которого соединен с управляющим входом первого управляемого коммутатора, выход логического элемента И 12 соединен с входом «установка нуля» счетчика импульсов 4, вход которого соединен с генератором 14.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии на выходе реле времени 13 присутствует сигнал логического “0”, который поступает на вход RS-триггера 11, переводя его в нулевое состояние, выходной сигнал логического “0” с выхода триггера 11 поступает на второй вход логического элемента И 12, на первый вход элемента И 12 поступает также сигнал логического “0” с выхода реле времени 13. При этом на выходе элемента И 12 присутствует сигнал логического “0”, который запрещает счет счетчиком импульсов 4, поступающих с генератора 14. При подаче сигнала “Пуск” на входы реле времени 13 и первый управляемый коммутатор 2 последний подает напряжение на статор двигателя 1. Реле времени 13 определяет задержку по времени, необходимую для установления переходных процессов в двигателе 1 при подключении статорной цепи. После установления переходных процессов напряжение на выходе роторных обмоток определится выражением,

где j0t - текущая фазы питающего напряжения; j1 - фазовый сдвиг, определяемый фазовым сдвигом вектора тока статора относительно вектора напряжения; j2 - фазовый сдвиг, определяемый способами подключения обмоток статора и ротора; q0 - начальное угловое положение ротора.

Замыкание обмоток ротора необходимо осуществить в момент времени, когда выполняется условие w0t + q0 = y0 = 120о, что соответствует условию равенства фазы напряжения на роторе значению

где y0 - фаза напряжения на роторе.

Момент включения определяется следующим образом. После срабатывания реле времени 13 на S-вход RS-триггера 11 и на вход элемента И 12 подается сигнал “1”. Нуль-орган 9 преобразует синусоидальное напряжение, снимаемое с роторных обмоток, в прямоугольные импульсы, передние фронты которых запускают ждущий мультивибратор 10. Таким образом, на выходе жду-щего мультивибратора 10 имеют серию коротких импульсов, соответствующих моменту времени начала синусоиды. Эти импульсы поступают на R-вход RS-триггера 11, переводя в единичное состояние. Для исключения неопределенного состояния применен RS-триггер с исключением неопределенного состояния и приоритетом входа S. При этом на входах элемента И 12 возникает комбинация, разрешающая работу счетчика 4. После прихода N/2 импульсов на вход счетчика его последний триггер меняет состояние и срабатывает электронный пускатель, замыкающий цепь ротора. Двигатель запускается. Угол y0 определяется следующим образом. Так как частота напряжения на входе роторной обмотки равна в режиме короткого замыкания частоте питающего напряжения, то угол 120о можно фиксировать по времени относительно начала синусоиды, как t =T • 360/120, где Т - период напряжения сети, а с учетом углов j1 и j2, как

Настроив частоту генератора таким образом, чтобы N/2 состояния счетчика заполнялись за время T', получим сигнал на выходе счетчика импульсов 4 в тот же момент, когда фаза напряжения на роторе равна.

В этот момент и произойдет открытие тиристора 5

Так как значение угла j1 неизвестно (j2 легко определяется по схемам включения обмоток), а оптимальный угол y0 может отличаться от 120о в зависимости от мощности и типа двигателя, то данное устройство требует настройки. Настройка осуществляется изменением частоты генератора 14, а вид переходного процесса контролируется с помощью датчика динамического момента.

Для улучшения энергетических показателей в установившемся режиме работы после пуска несимметрия роторной цепи устраняется. Осуществляется это следующим образом. После подачи напряжения на статор напряжение с роторных обмоток поступает на вход реле времени 8. Реле срабатывает и отключается коммутатор 2, резистор 3 вводится в цепь. После замыкания цепи роторной обмотки напряжение на входе реле времени 8 уменьшается до нуля. Реле начинает отсчет времени, необходимого для пуска. После окончания пуска реле 8 подает сигнал на срабатывание коммутатора 2, которое выводит из цепи резистор 3.

Литература

1. А. с. 1274104 Способ пуска асинхронного двигателя с фазным ротором и устройство для его осуществления. Мамедов Ф.А., Малиновский А.Е., Бобылев М.Г.
2. А. с. 1275719 Устройство для пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором. Мамедов Ф.А., Малиновский А.Е.

Фуад Мамедов
заслуженный деятель науки РФ, академик АЭН РФ, д.т.н., профессор