Пуск в ход асинхронных двигателей

При включении асинхронного двигателя в сеть переменного тока по обмоткам его статора и ротора будут проходить токи, в несколько раз больше номинальных. Это объясняется тем, что при неподвижном роторе вращающееся магнитное поле пересекает его обмотку с большой частотой, равной частоте вращения магнитного поля в пространстве, и индуктирует в этой обмотке большую эдс. Эта эдс создает большой ток в цепи ротора, что вызывает возникновение соответствующего тока и в обмотке статора.

При увеличении частоты вращения ротора скольжение уменьшается, что приводит к уменьшению эдс и тока в обмотке ротора. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение тока в обмотке статора.
Большой пусковой ток нежелателен как для двигателя, так и для источника, от которого двигатель получает энергию. При частых пусках большой ток приводит к резкому повышению температуры обмоток двигателя, что может вызвать преждевременное старение их изоляции.
В сети при больших токах понижается напряжение, которое оказывает влияние на работу других приемников энергии, включенных в эту же сеть.

Поэтому прямой пуск двигателя непосредственным включением его в сеть допускается только в том случае, когда мощность двигателя, намного меньше мощности источника энергии, питающего сеть.

Схема включения пускового реостата
в цепь фазного ротора асинхронного двигателя

Если мощность двигателя соизмерима с мощностью источника энергии, то необходимо уменьшить ток, потребляемый этим двигателем при пуске в ход.
Двигатели с фазным ротором обладают очень хорошими пусковыми свойствами.
Для уменьшения пускового тока обмотку ротора замыкают на активное сопротивление, называемое пусковым реостатом (изо).

При включении такого сопротивления в цепь обмотки ротора ток в ней уменьшается, а следовательно, уменьшаются токи как в обмотке статора, так и потребляемый двигателем из сети. При этом увеличится активная составляющая тока ротора и, следовательно, вращающий момент, развиваемый двигателем при пуске в ход.

Пусковые реостаты имеют несколько контактов, поэтому можно постепенно уменьшать сопротивление, введенное в цепь обмотки ротора. После достижения ротором нормальной частоты вращения реостат полностью выводится, т. е. обмотку ротора замыкают накоротко.

При нормальной частоте ротора скольжение мало и эдс, индуктируемая в его обмотке, также незначительна. Поэтому никакие добавочные сопротивления в цепи ротора не нужны.
Пусковые реостаты работают непродолжительное время в процессе разгона двигателя и рассчитываются на кратковременное действие. Если оставить реостат включенным длительное время, то он выйдет из строя.

Двигатели с короткозамкнутым ротором при малой мощности их по сравнению с мощностью источника энергии пускают в ход непосредственным включением в сеть.
При большой же мощности двигателей пусковой ток уменьшают, понижая приложенное напряжение. Для понижения напряжения на время пуска двигатель включают в сеть через понижающий автотрансформатор или реакторы. При вращении ротора с нормальной частотой вращения двигатель переключают на полное напряжение сети.

Недостатком такого способа пуска двигателя в ход является резкое уменьшение пускового момента. Для уменьшения пускового тока в N раз необходимо приложенное напряжение понизить также в N раз. При этом пусковой момент, пропорциональный квадрату напряжения, уменьшится в N раз. Таким образом, понижение напряжения допустимо при пуске двигателя без нагрузки или при малых нагрузках, когда пусковой момент может быть небольшим.

Схема пуска короткозамкнутого асинхронного двигателя с переключением обмотки статора со звезды на треугольник.

Часто двигатель пускают в ход посредством переключения обмотки статора со звезды на треугольник (изо). В момент пуска обмотку статора соединяют звездой, а после того как двигатель разовьет частоту вращения, близкую к нормальной, ее переключают треугольником.
При таком способе пуска двигателя в ход пусковой ток в сети уменьшается в три раза по сравнению с пусковым током, который потреблялся бы двигателем, если бы при пуске обмотка статора была соединена треугольником.

Этот способ пуска можно применять для двигателя, обмотка статора которого при питании от сети данного напряжения должна быть соединена треугольником.

Двигатели с улучшенными пусковыми свойствами.

Простота конструкции и надежность в эксплуатации двигателей с короткозамкнутым ротором являются их существенным достоинством, благодаря чему они получили широкое применение в промышленности. Однако эти двигатели имеют плохие пусковые характеристики.
Значительное улучшение пусковых характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором достигается изменением конструкции ротора: используют роторы с двойной короткозамкнутой обмоткой и с глубокими пазами.

Ротор с двойной короткозамкнутой обмоткой был впервые предложен М. О. Доливо-Добровольским в 1889 г. Он имеет две короткозамкнутые обмотки, выполненные в виде беличьих клеток (изо, а).

Схема устройства ротора:
а - с двойной короткозамкнутой обмоткой, б - с глубокими пазами

Число пазов верхней А и нижней Б клеток может быть одинаково или различно. Наружная обмотка А выполнена из стержней малого поперечного сечения, а внутренняя обмотка Б - из стержней большого поперечного сечения. Поэтому активное сопротивление обмотки А оказывается значительно большим, чем активное сопротивление обмотки Б (RA>>RB).
Вследствие того что стержни внутренней обмотки Б глубоко погружены в тело ротора и окружены сталью, индуктивное сопротивление внутренней обмотки значительно больше, чем индуктивное сопротивление внешней обмотки (ХБ>>ХА).

Принцип действия этого двигателя состоит в следующем. В момент включения двигателя в сеть ротор неподвижен и частота тока в роторе равна частоте тока в сети f2 = f1.
Ток в обмотках А и Б распределяется обратно пропорционально их полным сопротивлениям.
Так как реактивные сопротивления обмоток асинхронных машин значительно больше их активных сопротивлений, то при пуске в ход распределение тока между обмотками А и Б примерно обратно пропорционально их индуктивным сопротивлениям.
Поэтому при пуске в ход ток в основном протекает по проводникам внешней обмотки А, имеющей меньшее индуктивное и большее активное сопротивление. Эта обмотка называется пусковой.

В рабочем режиме скольжение мало и, следовательно, частота тока в роторе также мала (f2 0). Поэтому индуктивные сопротивления обмоток не имеют значения и токи в обмотках А и Б обратно пропорциональны их активным сопротивлениям.

Таким образом, в рабочем режиме ток в основном проходит по проводникам внутренней обмотки Б, имеющим меньшее активное сопротивление. Эта обмотка называется рабочей. При такой конструкции ротора увеличивается активное сопротивление его обмотки в момент пуска в ход двигателя, что уменьшает пусковой ток и увеличивает
пусковой момент так же, как включение пускового реостата в цепь фазного ротора.

В двигателях с глубокими пазами на роторе короткозамкнутая обмотка ротора выполняется в виде узких полос (изо). При такой конструкции обмотки происходит оттеснение тока к верхней части проводников вследствие того, что нижние части проводников сцеплены с большим магнитным потоком рассеяния, чем верхние части.

Таким образом, ток, проходящий по проводникам, стремится сконцентрироваться преимущественно в верхней их части, что равносильно уменьшению поперечного сечения или увеличению активного сопротивления этих проводников.

Это явление оттеснения тока в верхние части проводников особенно сильно сказывается в момент включения двигателя, когда частота тока в роторе равна частоте тока сети и, следовательно, при пуске в ход повышается активное сопротивление обмотки ротора, что увеличивает пусковой момент.
При увеличении частоты вращения ротора частота тока в его обмотке уменьшается и ток более равномерно распределяется по сечению стержней, и при нормальной частоте вращения неравномерность распределения тока по поперечному сечению стержней почти полностью исчезает.

Пусковой момент двигателей этого типа Мп = (1 1,5)Mн,
а пусковой ток Iп = (4 5)Iн.
Таким образом, в двигателях с двойной короткозамкнутой и с глубокими пазами пусковые моменты больше и пусковые токи меньше, чем у обычных короткозамкнутых двигателей.
Однако рабочие характеристики этих двигателей несколько хуже, чем обычных короткозамкнутых двигателей: несколько меньше cos,кпд и максимальный момент, так как больше потоки рассеяния, т.е. больше индуктивные сопротивления обмоток ротора.

Регулирование частоты вращения
трехфазных асинхронных двигателей.

Частота вращения ротора в минуту определяется следующим выражением:
n2 = n1(1 - S) = (60f1/p)(1 - S).
Из этого выражения видно, что частоту вращения ротора регулировать изменением любой из трех величин, определящих её, т. е. изменением частоты тока сети f1, числа пар полюсов p и скольжения S.
Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей изменением частоты тока сети сложно, так как необходим какой-либо регулирующий преобразователь частоты или генератор. Поэтому этот способ не имеет широкого применения.

Число полюсов машины может быть изменено, если на статоре имеется несколько (обычно две) обмоток с различным числом полюсов или одна обмотка, которую можно переключать на различное число полюсов, или две обмотки, каждая из которых может переключаться на различное число полюсов.
На (изо, а) схематически показаны две обмотки одной фазы, соединенные последовательно, которые могут быть переключены на четыре полюса. Если изменить направление тока в одной из катушек, включив ее встречно с другой, то обмотка может переключаться на два полюса (изо, б).
При изменении числа полюсов обмотки статора изменится частота вращения его магнитного поля, а следовательно, и частота вращения ротора двигателя.
Этот способ регулирования частоты вращения асинхронного двигателя экономичен, но недостатком его является ступенчатое изменение частоты.

Схема переключения обмотки статора на разное число полюсов:
а - четыре полюса, б - два полюса

Кроме того, стоимость такого двигателя значительно возрастает вследствие усложнения обмотки статора и увеличения габаритов машин.
Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов применяют в двигателях с короткозамкнутым ротором; в двигателях с фазным ротором этот способ не используется, так как приходится одновременно изменять число полюсов обмотки статора и число полюсов обмотки вращающегося ротора, что весьма сложно.

Обычно встречаются двигатели с синхронными частотами вращения 500 - 750 - 1000 - 1500 об/мин. Такие двигатели имеют на статоре две обмотки, каждая из которых может быть переключена на различное число полюсов.

Скольжение можно изменять регулировочным реостатом, введенным в цепь обмотки ротора, а также регулированием напряжения сети.
При регулировании напряжения питающей сети изменяется вращающий момент двигателя пропорционально квадрату напряжения.
При уменьшении вращающего момента уменьшится частота вращения ротора, т. е. увеличится скольжение.
Регулировочный реостат включается в цепь обмотки фазного ротора подобно пусковому реостату, но в отличие от пускового он рассчитывается на длительное прохождение тока.
При включении регулировочного реостата ток в роторе уменьшится, что вызовет снижение вращающего момента двигателя и, следовательно, уменьшение частоты вращения или увеличение скольжения.

При увеличении скольжения увеличивается эдс и ток в роторе. Частота вращения или скольжение будет изменяться до восстановления равновесия моментов, т. е. пока ток в роторе не примет своего начального значения. Этот способ регулирования частоты вращения может быть использован только в двигателях с фазным ротором, и несмотря на то что является неэкономичным (так как в perулировочном реостате происходит значительная потеря энергии), имеет широкое распространение.

Однофазные асинхронные двигатели

Однофазные асинхронные двигатели широко применяют при небольших мощностях
(до 1 - 2 кВт). Такой двигатель отличается от трехфазного тем, что на статоре его помещается однофазная обмотка. Ротор однофазного асинхронного двигателя имеет фазную или короткозамкнутую обмотку.
Особенностью однофазных асинхронных двигателей является отсутствие начального или пускового момента, т. е. при включении такого двигателя в сеть ротор его будет оставаться неподвижным.

Если же под действием какой-либо внешней силы вывести ротор из состояния покоя, то двигатель будет развивать вращающий момент.

Схема пуска однофазного двигателя при включении в цепь пусковой обмотки:
а - индуктивности, 6 - ёмкости

Отсутствие начального момента является существенным недостатком однофазных асинхронных двигателей. Поэтому они всегда снабжаются пусковым устройством.

Наиболее простым пусковым устройством являются две обмотки, помещенные на статоре, сдвинутые одна относительно другого на половину полюсного деления
(90° электрических). Эти обмотки катушек питаются от симметричной двухфазной сети,
т. е. напряжения, приложенного к обмоткам катушек, равны между собой и сдвинуты на четверть периода по фазе. При таких напряжениях токи, проходящие по катушкам, также сдвинуты по фазе на четверть периода, что в дополнение к пространственному сдвигу катушек дает возможность получить вращающееся магнитное поле.

При наличии вращающего магнитного поля двигатель развивает пусковой момент.
В действительности двухфазная сеть обычно отсутствует, и пуск однофазного двигателя осуществляется включением двух в одну общую для них однофазную сеть.

Для получения угла сдвига фаз между токами в катушках, примерно равного /2
(четверти периода), одну из катушек (рабочую) включают в сеть непосредственно или с пусковым активным сопротивлением, а вторую катушку (пусковую) - через индуктивную катушку (изо, а) или конденсатор (изо, б).

Пусковая обмотка включается только на период пуска в ход. В момент, когда ротор приобретает определенную частоту вращения, пусковая обмотка отключается от сети центробежным выключателем или специальным реле; двигатель работает как однофазный.

В качестве однофазного двигателя может быть использован любой трехфазный асинхронный двигатель.
При работе трехфазного двигателя в качестве однофазного рабочая или главная обмотка, состоящая из двух последовательно соединенных фаз, включается непосредственно в однофазную сеть, третья фаза, являющаяся пусковой или вспомогательной обмоткой, включается в ту же сеть через пусковой элемент - сопротивление, индуктивность или конденсатор.

Конденсаторный (двухфазный) двигатель представляет собой однофазный асинхронный двигатель с двумя обмотками на статоре и короткозамкнутым ротором. Вспомогательная обмотка рассчитана на длительное прохождение тока и остается включенной не только при пуске в ход двигателя, но и при работе.

При работе конденсаторного двигателя возникает вращающееся поле, наличие которого улучшает его рабочие свойства в сравнении с однофазными.
При увеличении емкости конденсатора возрастает и пусковой момент двигателя. Однако увеличение емкости батареи конденсаторов в рабочем режиме нежелательно, так как это ведет к снижению частоты вращения и кпд двигателя.