CC BY
6
УДК 621.313.333.2
Филатенков А.А. студент магистратуры 2 курса факультет «Электроэнергетика и электротехника»
ФГБОУВО НИУ "МЭИ" филиал в г. Смоленске научный руководитель: Курилин С.П.
профессор Россия, г. Смоленск
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В статье описывается проблема повышения технических показателей асинхронных короткозамкнутых электродвигателей. Рассматриваются классические и современные методы и средства снижения пускового тока этих двигателей. Приведены описание и оценка пригодности затронутых методов и средств к использованию в настоящем времени.
Ключевые слова: пусковой ток, эффект вытеснения тока, асинхронные машины, средства снижения пускового тока, глубокие пазы.
Filatenkov A.A. magistracy student
2 course, faculty "Electrical Power Engineering and Electrical
Engineering"
The Smolensk branch of National Research University "MPEI"
Russia, Smolensk Scientific advisor: Kurilin S.P.
Professor
STATUS AND PERSPECTIVES OF SOLVING THE PROBLEM OF INCREASING THE TECHNICAL INDICATORS OF AC ELECTRICAL
MACHINES
The article describes the problem of increasing the technical performance of asynchronous short-circuited electric motors. Classic and modern methods and means of reducing the starting current of these engines are considered. A description and assessment of the suitability of the methods and tools involved in real-time use are given.
Keywords: starting current, current displacement effect, asynchronous machines, means of reducing the starting current, deep grooves.
В рамках данной статьи, анализируются проблемы повышения технических показателей наиболее массового вида электрических машин переменного тока - асинхронных электродвигателей (АД). Одним из технических показателей АД является пусковой ток, то есть ток потребляемый электродвигателем из питающей сети при неподвижном
роторе. Соответствующий показатель принято оценивать кратностью пускового тока, то есть отношением величины пускового тока к номинальному значению тока. Данный показатель входит в число важнейших технических показателей электродвигателя, и, совместно с другими показателями, задает конкурентные преимущества изделия.
Асинхронные электрические двигатели с короткозамкнутым ротором благодаря своей универсальности получили широкое распространение, особенно в трехфазных сетях, где им не требуются дополнительные пусковые обмотки.
При пуске двигателя в ход должны удовлетворяться следующие основные требования: процесс пуска должен быть простым, пусковой момент должен быть достаточно большим, а пусковые токи — малыми. Так как, двигатель питается от сети, в которой работают несколько потребителей, важным аспектом является бесперебойная работа этой сети. Особенно значимым показателем электрического двигателя является его пусковой ток. Важно обеспечить такую величину пускового тока, чтобы она не влияла на работу сети, от которой питается этот электродвигатель.
Если при эксплуатации маломощных электрических двигателей это не играет значимой роли, то в высокомощных электродвигателях пусковые токи могут достигать достаточно высоких значений, примерно в 4-8 раз больше номинальных, что приводит к падению напряжения и частоты сети, перегрузкам подстанций и электропроводки.
Проблема понижения пускового тока является актуальной и имеет большое значение для потребителей, эксплуатирующих выпускаемые машины.
Как показывает опыт производства и эксплуатации асинхронных электродвигателей, понижение пускового тока является комплексной, научно-технической и экономической проблемой. Ее чистое решение, в силу противоречивости требований к электрическим двигателям, на данном этапе теоретической и прикладной электромеханики - нельзя осуществить, так как любое техническое решение - влечет за собой изменение каких-либо иных параметров двигателя.
На практике, при проектировании определенного электродвигателя приходится делать выбор: высокий коэффициент полезного действия и высокий пусковой ток, либо недостаточно высокий коэффициент полезного действия и низкий пусковой ток. В электрической машине всё взаимосвязано. Этот фактор делает решение данной проблемы наиболее сложным. Проектировщикам двигателей приходится постоянно выбирать: высокая энергоэффективность двигателя, либо низкая величина пускового тока. Очень важно найти баланс, в соотношении данных величин, который определяется таким критерием, как спрос. В зависимости от спроса на двигатели, с определенными характеристиками - разработчику приходится просчитывать разные варианты проекта, чтобы подобрать для потребителя вариант, который будет максимально соответствовать установленным
требованиям. Следовательно, методы и средства снижения пускового тока, для асинхронного двигателя, нужно подбирать исходя из поставленной задачи.
Экономическая сторона проблемы - играет ключевую роль в реализации идей для проектирования. Именно из экономических соображений, проектировщики определяют необходимость использования пусковой аппаратуры. Данная аппаратура имеет применение в большинстве классических методов понижения пускового тока.
Используется несколько способов пуска асинхронных двигателей.
Прямой пуск применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Двигатели этого типа малой и средней мощности обычно проектируют так, чтобы при непосредственном подключении обмотки статора к сети возникающие пусковые токи не создавали чрезмерных электродинамических усилий и превышений температуры, опасных с точки зрения механической и термической прочности основных элементов машины. Однако при прямом пуске двигателей большой мощности, особенно при подключении их к недостаточно мощным электрическим сетям, могут возникать чрезмерно большие падения напряжения (свыше 10—15%).
Пуск при пониженном напряжении применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором большой мощности, а также для двигателей средней мощности при недостаточно мощных электрических сетях. Понижение напряжения осуществляется следующими способами:
Реакторный способ пуска осуществляется с применением индуктивного сопротивления. Недостаток этого способа в том, что уменьшение пускового тока двигателя сопровождается значительным уменьшением пускового момента. Пусковой ток зависит от напряжения в первой степени, а пусковой момент — от квадрата напряжения. Например, если пусковой ток уменьшился в два раза, то пусковой момент уменьшится в четыре раза. Реакторный пуск применяют там, где важно уменьшить пусковой ток, а величина пускового момента не имеет существенного значения.
Автотрансформаторный способ пуска осуществляется от трехфазного автотрансформатора. Автотрансформатор позволяет уменьшить пусковой ток, который потребляет двигатель из сети в несколько раз. При автотрансформаторном пуске ток и момент уменьшаются в одинаковой мере, что выгодно отличает его от реакторного пуска. Автотрансформатор используют очень кратковременно, в период пуска. Поэтому плотность тока в его обмотках можно допускать значительно большую, чем при работе в обычном режиме. Сложность схемы и большая стоимость аппаратуры ограничивают применение автотрансформаторного пуска лишь двигателями большой мощности.
Пуск переключением обмотки статора со звезды на треугольник.
Этот способ пуска уменьшает пусковой ток в 1,73 раза, а пусковой момент уменьшается в три раза. Пуск двигателя переключением статорной обмотки со звезды на треугольник равноценен автотрансформаторному пуску с коэффициентом трансформации автотрансформатора 1,73. Значительное снижение пускового момента ограничивает применение этого способа лишь для двигателей, пускаемых вхолостую или под очень незначительной нагрузкой.
Недостатком всех указанных способов является значительное уменьшение пускового и наибольшего (в соответствии с ГОСТ 28327-89) моментов двигателя, которые пропорциональны квадрату приложенного напряжения. Поэтому они могут применяться только при пуске двигателя с низким значением нагрузки (30%).
Двигатели с двойной клеткой. Ротор двигателя с двумя клетками: наружной (пусковой) и внутренней (рабочей), отделенные узкой щелью. Пусковую клетку делают малого сечения из бронзы или латуни. Рабочую клетку делают большого сечения из меди. Как видно из распределения потоков рассеяния, пусковая обмотка обладает малым, рабочая — большим индуктивным сопротивлением. При пуске момент двигателя обусловлен главным образом пусковой клеткой. По мере разбега двигателя частота в роторе уменьшается, снижается индуктивное сопротивление. Токи в клетках распределяются обратно пропорционально активным сопротивлениям: в рабочей клетке они больше, чем в пусковой. В рабочем режиме момент двигателя обусловлен главным образом током нижней клетки. В момент включения двигателя в сеть, когда частота в роторе равна частоте сети, в рабочей клетке за счет большого индуктивного сопротивления ток небольшой, а в пусковой обмотке за счет большего активного сопротивления ток малый. Сравнительно малые токи в роторе обусловливают не очень большой ток статорной обмотки при пуске двигателя. Двигатели с двойной
К = 3 - 5.5
клеткой имеют кратность пускового тока п .
Двигатели с глубоким пазом. Двигатели с глубоким пазом имеют узкие и высокие стержни, уложенные в соответствующего сечения пазы ротора. Отдельные элементы стержня в глубоком пазу сцеплены с разным потоком рассеяния, что приводит к вытеснению тока из нижней части стержня в его верхнюю часть. Вытеснение тока тем эффективнее, чем больше частота в роторе. В момент пуска двигателя частота в роторе равна частоте сети. Поэтому, вследствие вытеснения, ток будет протекать, главным образом, в верхней части стержня. В этом случае активно используют лишь часть поперечного сечения стержня, активное сопротивление роторной обмотки возрастает, что равноценно введению сопротивления в цепь ротора в фазном двигателе. По этой причине уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент. По мере раскручивания ротора частота уменьшается, вытеснение тока ослабевает, он начинает протекать по все большему
сечению стержня, что эквивалентно уменьшению активного сопротивления роторной цепи, как это бывает при выведении сопротивления пускового реостата е фазном двигателе. В рабочем режиме, когда частота в роторе равна нескольким герцам, вытеснение тока практически отсутствует и двигатель работает как обычный короткозамкнутый.
Пусковые свойства глубокопазных двигателей несколько хуже, чем двухклеточных: при одинаковой кратности пускового тока кратность пускового момента глубокопазного двигателя меньше, чем двухклеточного.
Двигатели с улучшенными пусковыми свойствами имеют и недостатки: пониженные коэффициент мощности и перегрузочная способность из-за большей индуктивности роторной обмотки; пониженный КПД из-за большого активного сопротивления роторной обмотки.
В настоящее время, классические методы улучшения пусковых свойств теряют свою актуальность, потому что не могут обеспечить радикального снижения пускового тока, которое требует потребитель. Им на смену выходят наиболее современные конструкции, которые удовлетворяют современным требованиям.
Видов таких конструкций достаточно много, например - двигатели с чередующимися пазами на роторе. В асинхронных электродвигателях конструкция короткозамкнутого ротора с чередующимися пазами изучена еще недостаточно полно и до последнего времени применялась в мировом электромашиностроении в основном для мощных машин с целью снижения пускового тока и повышения пускового момента. При разработке серии ЯЛ был выполнен значительный объем исследовательских работ по усовершенствованию и оптимизации структуры пазового слоя ротора. По результатам исследований авторами была предложена новая, более современная конструкция короткозамкнутого ротора с чередующимися пазами пригодная для асинхронных двигателей двух- или четырех-полюсного исполнения при высоте паза более 25 мм. Это в основном двигатели с высотой оси вращения 160 мм и выше Подобная конструкция короткозамкнутого ротора позволяет одновременно улучшать пусковые характеристики и повышать энергетические показатели рабочего режима трехфазных асинхронных двигателей средних и больших мощностей.
Реализация всех мероприятий в асинхронных двигателях серии ЯЛ по оптимизации пазовой зоны короткозамкнутого ротора позволила получить высокие показатели рабочего режима при улучшенных пусковых свойствах на уровне лучших мировых образцов трехфазных асинхронных двигателей ведущих электротехнических фирм. Это дало возможность отказаться в новой серии ЯЛ от специальной модификации двигателей с повышенным пусковым моментом, а также значительно усовершенствовать ряд специальных модификаций, таких, как асинхронные двигатели трехфазные лифтовые, многоскоростные и другие.
Следующий пример - асинхронный двигатель с ферромагнитными экранами на короткозамыкающих кольцах. Ротор такого двигателя
отличается тем, что с целью увеличения пускового момента, экраны выполнены в виде элементов, число которых равно числу стержней. Наиболее близкими к такой конструкции являются асинхронные короткозамкнутые двигатели, которыеиспользуют эффект вытеснения тока в короткозамыкающих кольцах обмотки ротора, путем размещения ферромагнитных экранов. Недостатком таких двигателей является ухудшение рабочих характеристик двигателя из-за повышенного индуктивного сопротивления рассеяния в номинальном режиме работы. Увеличение пускового момента достигается тем, что экраны выполнены в виде элементов, число которых равно числу стержней. Элементы установлены на короткозамыкающие кольца с зазором между ними поочередно со стороны наружного и внутреннего диаметров колец. Принцип работы состоит в том, что при размещении ферромагнитных экранов с пазами, расположенными в каждом последующем элементе с противоположной стороны, на короткозамыкающих кольцах ротора асинхронного двигателя, активное сопротивление при пуске возрастает, в связи с появлением в них эффекта вытеснения тока. При этом из-за наличия пазов в экране - ток при прохождении по кольцу поочередно вытесняется в противоположных направлениях. Следовательно, путь току удлиняется, вследствие чего повышается активное сопротивление без увеличения индуктивного сопротивления рассеяния. Путем скоса торцов пазов ферромагнитных экранов под углом к радиальному сечению короткозамыкающего кольца можно увеличить путь прохождения тока и, следовательно, повысить активное сопротивление обмотки ротора. Данная конструкция реализует увеличение пускового момента на 10-20%.
Заслуживает внимания конструкция, которая содержит пусковой стержень. В основе изобретения лежит знание того, что электрический КПД асинхронной машины при двойном стержневом роторе может быть заметно улучшен без существенного воздействия на пусковой режим, если рабочий стержень выполнить с большей высотой стержня, так что он входит далеко, в направлении диаметра ротора наружу, в паз. Более точно это достигается тем, что лежащая снаружи, при наблюдении в радиальном направлении, поверхность рабочих стержней окружается частичной оболочкой из электрически хуже проводящего материала. Так как во время пускового момента, когда сравнительно высокочастотные токи протекают в роторе, вторичный ток протекает только в относительно тесно ограниченной области паза, которая обращена к внешнему диаметру короткозамкнутого ротора. За счет эффекта вытеснения тока и эффекта близости ток концентрируется на этой поверхности оболочки, которая окружает рабочие стержни на их поверхности, расположенной радиально снаружи. Таким образом, в соответствии с изобретением [9] максимально возможная часть поверхности паза предоставляется для рабочего стержня, не допуская для пускового момента значительного протекания тока внутри рабочего стержня. По сравнению с обычным двойным стержневым пазом в
соответствии с изобретением рабочий стержень выводится в область пускового стержня, согласно обычному конструктивному выполнению, при этом не оказывается негативного влияния на пусковой режим. При работе после форсированного режима работы асинхронной машины, таким образом, предоставляется в распоряжение максимально возможный по высоте стержень, рабочий стержень из более электропроводного материала, так что в номинальном режиме может достигаться очень высокий КПД. Напротив, известный из уровня техники пусковой стержень сокращается до формы частичной оболочки, поперечное сечение которого соответствует профилю плотности тока в пусковом режиме. В идеальном случае выбирается площадь поперечного сечения для частичной оболочки, которая во время пуска асинхронной машины по существу должна переносить ток, как если бы паз полностью был заполнен материалом частичной оболочки.
Высокий фактор заполнения паза приводит также к высокому электрическому КПД, так что предпочтительным является выполнение изобретения, при котором частично окруженные оболочкой рабочие стержни полностью заполняют пазы.
Проанализировав представленный материал, можно сделать следующие выводы:
1. Проблема снижения пускового тока это комплексная проблема, имеющая несколько аспектов , а потому невозможно найти такое решение, при котором удавалось бы одновременно удовлетворить каждый из них.
2. Классические методы понижения пускового тока уже не устраивают современных конструкторов. Наиболее рациональным является разработка принципиально новых видов конструкций, которые будут удовлетворять требованиям современного потребителя.
3. Большинство двигателей используются с помощью пусковой аппаратуры. Однако, ее применение влечет за собой снижение надежности рабочей схемы, и как следствие, повышение денежных инвестиций в двигатель.
Использованные источники:
1. Гольдберг О.Д. Инженерное проектирование электрических машин / Гольдберг О.Д., Макаров Л.Н., Хелемская С.П.; - М.: ИД "БАСТЕТ" , 2016. -528 е.: ил.
2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. В 2-х т. Том 1: Учебник для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ , 2016. - 652[6].: ил.
3. Беляев Е.Ф., Шулаков Н.В.Дискретно-полевые модели электрических машин. / Пермь: Изд-во Перм. ГТУ, 2009.
4. Григорьев Н.Д. Снижение пусковых токов аинхронных двигателей //Промышленная энергетика. 2010. №12. С.7-11.
5. Пастухов В.В.Расчет пуска асинхронного двигателя с учетом изменений параметров ротора // Электро. 2011. №5. С.45-52.
6. Альтов В.А.Токоограничивающие устройства трансформаторного типа.
2010. №5. С.46-54.
7. Беляев Е.Ф. Математическая модель асинхронных конденсаторных электродвигателей с массивным ферромагнитным ротором из композиционного материала // Электротехника. 2010. №6. С.4-9.
8. Шулаков Н.В. Тепловые процессы дугостаторного асинхронного двигателя // Электротехника. 2010. №6. С.14-20.
9. Короткозамкнутый ротор с пусковым стержнем : пат. 2552384 Рос. Федерация : МПКН 02 К 17/20 / Бюттнер Клаус, Кирхнер Клаус, Мюллер Михаэль; заявитель и патентообладатель Сименс Акциенгезелльшафт-2012110224/07; заявл. 13.08.2010; опубл. 10.06.2015,Бюл. № 16. - 17 с.
