Асинхронные двигатели с вытеснением тока в обмотке

2.6. Асинхронные двигатели с вытеснением тока в обмотке

 ротора

Для улучшения пусковых свойств АД применяют специальные конструкции роторов:

1. с глубокими пазами,

2. с двойной беличьей клеткой.

2.6.1. Глубокопазный асинхронный двигатель

Принцип действия глубокопазного АД основан на эффекте вытеснения тока в  обмотке ротора. Для усиления этого эффекта обмотка ротора выполняется в виде беличьей клетки с узкими высокими стержнями, помещенными в глубокие пазы. Высота паза больше ширины в 6…12 раз и составляет 30…60 мм при ширине 2…5 мм (рис. 2.25).

Вытеснение тока в стержне обмотки обусловлено ЭДС, индуктируемой потоками пазового рассеяния .

Явление вытеснения тока наиболее сильно проявляется в начале пуска, когда  и частота в роторе .

Рекомендуемые материалы

Для выяснения появления вытеснения тока удобно стержни обмотки ротора представить в виде ряда слоев (рис. 2.26).

Нижние слои обхватываются большим числом линий пазового потока рассеяния . Следовательно, в нижних слоях индуктируется большие значения ЭДС, что вызывает неравномерное распределение тока по сечению стержня. Индуктивное сопротивление нижних слоев будет больше, чем у верхних. Это вызывает увеличение тока в стержне по высоте в направлении открытия паза. Ток в стержне вытесняется к его верхней части. На этом основании, с некоторым приближением, можно считать, что при пуске стержень можно считать с отсутствующей нижней частью. Следовательно, вытеснение вызывает увеличение активного сопротивления ротора, что равноценно включению в цепь ротора активного сопротивления. Одновременно происходит уменьшение индуктивного сопротивления обмотки ротора ввиду смещения центра силовых линий потока  к верху. По указанным причинам существенно увеличивается пусковой момент . В процессе пуска скольжение АД уменьшается и при установившемся режиме равно . При этом . При такой частоте явление вытеснения тока исчезает и ток распределяется равномерно по сечению стержня. Двигатель работает как обычный АД с несколько большим индуктивным сопротивлением.

Глубокопазный АД имеет следующие пусковые характеристики (рис.2.27):

;    .

Параметры обмотки ротора глубокопазного АД можно записать в виде

,   ,

где  и  – приведенные активное и индуктивное сопротивления ротора,

  и  – активное и индуктивное сопротивления пазовой части обмотки ротора при равномерном распределении тока по сечению стержня (т.е. при отсутствии вытеснения),

 и  – активное и индуктивное сопротивления лобовой части обмотки ротора,

 – коэффициент увеличения активного сопротивления пазовой части,

 – коэффициент уменьшения индуктивного сопротивления пазовой части.

Анализ дает следующие выражения

;   ,

где ;  – высота стержня;  – глубина проникновения тока при поверхностном эффекте;  – угловая частота ЭДС и тока в роторе;  – удельная электропроводность.

Если заменить удельную электропроводность  на удельное сопротивление , то будем иметь

.

Если принять  Гц  и  выразить в Ом·м при температуре 50⁰С , то это выражение для медных и алюминиевых стержней соответственно будут иметь вид:  , .

В расчетной практике используются построенные зависимости  и . Если , то  и .

Как было отмечено выше, геометрическим местом концов первичного тока является окружность лишь при условии постоянства параметров двигателя независимо от скольжения. В этом случае диаметр окружности в масштабе тока .

Так как в рассматриваемом случае параметры ротора изменяются, то для каждого значения скольжения будет своя окружность. Следовательно, геометрическое место токов глубокопазного АД оказывается не окружностью, а более сложной кривой (рис. 2.28). Однако, для режимов, близких к номинальному  геометрическое место токов представляет собой  дугу с диаметром .

2.6.2. Двухклеточный асинхронный двигатель

В таких двигателях на роторе две обмотки – две беличьих клетки. Стержни одной обмотки располагаются в верхней части пазов, а стержни другой в нижней. Наружную обмотку называют пусковой, а внутреннюю – рабочей (рис. 2.29).

Стержни наружной обмотки выполняются из латуни, а внутренней – из меди. В связи с этим, активное сопротивление наружной клетки  в 2…4 раза больше активного сопротивления внутренней клетки . Что касается индуктивного сопротивления наружной клетки , то оно в 20…50 раз меньше индуктивного сопротивления внутренней клетки . Это объясняется тем, что стержни внутренней клетки утоплены глубоко в пакет стали ротора и имеют пазовый поток рассеяния рабочей обмотки  (рис. 2.30) значительно превосходящий пазовый поток рассеяния пусковой обмотки . На рис. 2.30  – суммарный поток рассеяния рабочей и пусковой обмоток, соответствующим вторичному току . Поток  пересекает две воздушные щели, а  лишь одну. Это одна из причин, что . По этой причине . При пуске, когда , частота  указанное неравенство проявляется особенно сильно (), и . С достаточным приближением можно считать, что при пуске токи в обмотках распределяются обратно пропорционально их индуктивным сопротивлениям. Следовательно, ток пусковой обмотки  много больше тока рабочей , т.е.  . При этом сдвиг тока  относительно  будет невелик. Поэтому, наружная обмотка будет создавать большой пусковой момент .

Вам также может быть полезна лекция "3 Введение в аутэкологию. Понятие экологического фактора".

По мере разбега двигателя скольжение уменьшается и при номинальном режиме  и частота . При этом индуктивные сопротивления сильно уменьшаются, и токи в обмотках будут определяться в основном их активными сопротивлениями. Так как , то ток потечет в основном по внутренней обмотке. Укажем кратность пускового момента и пускового тока ;   .

Изобразим механические характеристики (рис. 2.31) и схему замещения двухклеточного АД (рис. 2.32).

2.6.3. Другие разновидности  АД с вытеснением тока

Наряду с рассмотренными ранее, широко применяются АД с колбовидными и трапецеидальными пазами ротора(рис. 2.33).

         Утолщение нижней части стержней предусмотрено для более резкого изменения сопротивления обмотки ротора при вытеснении тока для улучшения пусковых свойств АД. По своим свойствам такие двигатели близки к двухклеточный АД. Однако технологически изготовление таких двигателей более предпочтительно. Обмотка ротора таких АД до 100…150 кВт выполняется путем заливки ротора алюминием. В ряде случаев для усиления эффекта вытеснения тока при пуске и улучшения пусковых свойств пазам ротора придается удлинение в радиальном направлении форма (рис. 2.33, в,г,д).