КЛЕТКА РОТОРА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С НИЗКИМ ПУСКОВЫМ ТОКОМ
ROTOR CAGE OF ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR WITH LOW STARTING CURRENT

Изобретение относится к электротехнике и электромашиностроению и предназначено для применения в асинхронных электродвигателях, работающих с источниками питания ограниченной мощности.
Известен способ снижения пускового тока асинхронного электродвигателя, заключающийся в использовании эффекта вытеснения тока в стержнях короткозамкнутой клетки ротора. Согласно данному способу, ток при пуске вытесняется в верхние части стержней клетки, благодаря чему их активное сопротивление увеличивается, а индуктивное - уменьшается ([1. Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. - 3-е изд. перераб. - Л.: Энергия, 1978, глава 27, рис. 27-2]). В случае достаточно интенсивного эффекта вытеснения тока рост активного сопротивления стержней клетки преобладает, а пусковой ток электродвигателя снижается.
Недостатком данного способа является ограниченное влияние эффекта вытеснения тока в стержнях на величину пускового тока. Это связано с тем, что ограниченные радиальные размеры ротора не позволяют существенно интенсифицировать эффект вытеснения тока (см. [1], рис. 27-2).
Известны также устройства короткозамкнутых клеток ротора, реализующие известный способ. Это клетки глубокопазных электродвигателей, клетки двухклеточных двигателей, клетки двигателей с колбообразной, клинообразной и другими формами поперечного сечения стержней, замкнутых по торцам короткозамыкающими кольцами. ([2. Сергеев П.С. и др. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, переработ. и доп.: М., Энергия, 1969], параграф 13-5; [1], параграфы 27-1, 27-2, 27-3).
п
Недостатком известных устройств является высокая кратность пускового тока i ≈ 6-7.5, реализуемая ими. Это связано с недостаточным сопротивлением клетки в пусковом режиме, а также с тем, что основное влияние на кратность пускового тока оказывает вытеснение тока в стержнях клетки. В короткозамыкающих кольцах клетки эффект вытеснения тока выражен слабо, как это имеет место у двигателей мощностью более 100 кВт, или практически не выражен, как это имеет место у двигателей мощностью менее 100 кВт. (См., например, выражения (27-1), [1]). Причиной недостаточности сопротивления клетки и слабой выраженности эффекта вытеснения тока в короткозамыкающих кольцах является отсутствие ферромагнитного окружения с трех сторон каждого короткозамыкающего кольца.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является клетка ротора асинхронного электродвигателя, содержащая стержни и медные короткозамыкающие кольца, у которой медные короткозамыкающие кольца охвачены с обеих сторон экранами из ферромагнитной стали, выполненными в виде колец ([2], параграф 13-5, пункт 7). Благодаря экранам из ферромагнитной стали данное техническое устройство, называемое далее "прототип", позволяет снизить кратность пускового тока на величину порядка 3-5 процентов.
п
Недостатком такого технического устройства является высокая кратность пускового тока, находящаяся, по данным [2], на уровне i ≈ 6-7, что снижает для него возможности осуществления прямого пуска от сети ограниченной мощности.
Причины высокой кратности пускового тока прототипа, при прочих равных условиях, заключаются не только в недостаточно высоком сопротивлении короткозамыкающих колец, но и в низком коэффициенте их мощности. Вытеснение пускового тока в клетке прототипа происходит к верхней и нижней поверхностям короткозамыкающего кольца, не закрытым ферромагнитным экраном, что способствует интенсивному снижению индуктивного сопротивления. В силу симметрии физических характеристик сред пусковой ток распределяется равномерно по ширине короткозамыкающего кольца, что снижает интенсивность роста активного сопротивления. В этих условиях повышение активного сопротивления кольца в значительной мере компенсируется снижением его индуктивного сопротивления. Соответствующие повышение полного пускового сопротивления клетки и снижение кратности пускового тока невелики. Проведенные расчеты позволяют оценить снижение кратности пускового тока прототипа в 4%, по отношению к конструкции без экранов, присущей серийным электродвигателям. Таким образом, ферромагнитные стальные экраны, выполненные в виде плоских колец и охватывающие с внешних и внутренних боковых сторон короткозамыкающие кольца в клетках прототипа, недостаточно эффективно снижают кратность пускового тока.
Техническая задача изобретения заключается в снижении кратности пускового тока электродвигателя до значения не менее чем на 25% по отношению к прототипу.
Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности прямого пуска электродвигателей повышенной мощности от сети ограниченной мощности.
Технический результат достигается тем, что в клетке ротора асинхронного электродвигателя, содержащей стержни и медные короткозамыкающие кольца, медные короткозамыкающие кольца с размерами поперечного сечения 25×44 мм со стороны верхних и наружных боковых поверхностей закрыты экранами из ферромагнитной стали, выполненными в виде колец толщиной 2 мм с поперечным сечением Г-образной формы.
Устройство клетки ротора с экранами из ферромагнитной стали, выполненными в виде колец с поперечным сечением Г-образной формы, иллюстрируется фиг. 1. На ней показаны: 1 - верхняя и нижняя границы стержня клетки, 2 - пакет магнитопровода ротора, 3 - короткозамыкающее кольцо клетки, 4 - экран.
Стержни 1 клетки ротора располагаются в пазах, выполненных вблизи внешней поверхности пакета 2 магнитопровода ротора, и выполняются методом литья совместно с короткозамыкающими кольцами 3 клетки в виде единой конструкции из меди. При этом прилегание короткозамыкающих колец 3 клетки ротора к торцевым поверхностям пакета 2 магнитопровода ротора обеспечивает ей надежную фиксацию относительно пакета 2 магнитопровода ротора и всего ротора в целом. Короткозамыкающие кольца 3 клетки ротора выполняются с размерами поперечного сечения 25×44 мм. Экран 4 выполняется в виде кольца из ферромагнитной стали толщиной 2 мм, имеет поперечное сечение Г-образной формы высотой 44 мм и шириной 25 мм, располагается так, что закрывает наружную боковую и верхнюю поверхности короткозамыкающего кольца 3 и крепится к нему посредством резьбовых соединений.
Клетка ротора с экранами из ферромагнитной стали, имеющими поперечное сечение Г-образной формы, работает следующим образом. Ферромагнитный экран 4 Г-образной формы совместно с пакетом 2 магнитопровода ротора создает условия "открытого вниз паза" для токов короткозамыкающего кольца 3. Благодаря этому, а также в связи с асимметрией, вносимой различием магнитных проницаемостей пакета 2 магнитопровода ротора и ферромагнитного стального экрана 4, при пуске токи вытесняются в нижний правый угол короткозамыкающего кольца 3. Это способствует интенсивному росту активного сопротивления и экстенсивному снижению индуктивного сопротивления короткозамыкающего кольца 3. Выбор, для медных короткозамыкающих колец 3, с размерами поперечного сечения 25×44 мм, значения толщины 2 мм для стального ферромагнитного экрана 4 обеспечивает при пуске 7-8-кратный рост активного сопротивления короткозамыкающего кольца 3 и 25-30 процентное снижение его индуктивного сопротивления. В результате полное пусковое сопротивление клетки возрастает на величину около 35-40 процентов по отношению к пусковому сопротивлению клетки прототипа. Этого роста пускового сопротивления клетки достаточно для снижения кратности пускового тока электродвигателя на 25%.
В номинальном режиме частоты токов клетки составляют 1-2 Гц, поэтому влияние вносимых ферромагнитными стальными экранами 4, повышенных индуктивных сопротивлений короткозамыкающих колец 3 на рабочие характеристики электродвигателя относительно невелико.
Приведенные выше положения подтверждаются результатами аналитических расчетов и моделирования токов и сопротивлений короткозамыкающего кольца, проведенного в среде ELCUT.
Кратность пускового тока электродвигателя согласно формуле (25-5) [1] при s=1 равна
Здесь первый индекс "2" указывает на принадлежность коэффициента мощности, а также полных и активных сопротивлений клетке ротора, вторые индексы "1", "50" указывают на номинальный и пусковой режимы с частотами токов 1 Гц и 50 Гц соответственно, s=0.02 - номинальное скольжение.
Оценочная формула для расчета кратности пускового тока была записана по аналогии с формулой (1) в следующем виде:
1
50
1
50
где cos(αϕ), cos(ϕ) - коэффициенты мощности короткозамыкающих колец клетки в номинальном и пусковом режимах,  - коэффициент изменения активного сопротивления короткозамыкающего кольца под действием эффекта вытеснения тока, r, r - активные сопротивления короткозамыкающих колец клетки в номинальном и пусковом режимах, c - поправочный коэффициент, учитывающий соотношение сопротивлений кольца и сопротивлений клетки ротора в целом. Его формула
была получена методом аппроксимации формулы (1) формулой (2) на множестве относительных значений параметров асинхронного электродвигателя, типичных для мощных асинхронных электродвигателей. Формулы (2), (3) позволяют производить оценку кратности пускового тока электродвигателя по результатам моделирования его короткозамыкающих колец.
Данные расчетов и моделирования короткозамыкающих колец заявляемого устройства приведены на фиг. 2 и в табл. 1, а прототипа - на фиг. 3 и в табл. 2. Фиг. 2 представляет клетку заявляемого устройства с экраном 1 из ферромагнитной стали (Ст. 3 толщиной 2 мм), имеющим поперечное сечение Г-образной формы и закрывающим верхнюю и наружную боковые поверхности медного короткозамыкающего кольца 3.
2
2
2
Кольцо 3 имеет поперечное сечение прямоугольной формы размером 44×28 мм. На фиг. 2 (и далее на фиг. 3) обозначено: 1 - Г-образный экран из ферромагнитной стали (на фиг. 3 поз. 1 - экраны из ферромагнитной стали в виде плоских колец толщиной 1 мм), 2 - пакет магнитопроводаротора, 3 - медное короткозамыкающее кольцо клетки. Пакет ротора считался непроводящим электрический ток, а значение его относительной магнитной проницаемости принималось равным μ=1000 о.е. На фиг. 2 (и далее на фиг. 3) показано распределение плотности тока в короткозамыкающем кольце клетки при частотах тока 50 Гц (пусковой режим) и 1 Гц (номинальный режим). Результаты моделирования (см. фиг. 2) свидетельствуют о том, что в пусковом режиме ток вытесняется в правый нижний угол кольца, занимая приблизительно 15% его площади. Его плотность составляет 11-12 А/мм. В номинальном режиме (правая сторона фиг. 2 и фиг. 3) ток равномерно распределен по площади кольца с плотностью 1.62 А/мм.
Сводные данные расчета сопротивлений короткозамыкающего кольца с Г-образным экраном из ферромагнитной стали приведены в таблице 1. Здесь же приведены значения коэффициента мощности короткозамыкающего кольца в пусковом и номинальном режимах, значение кратности пускового тока, рассчитанное по формулам (2), (3), а также значения коэффициентов изменения сопротивлений короткозамыкающего кольца под действием эффекта вытеснения тока
п
п
r
Результаты расчетов и моделирования свидетельствуют о следующем. Достигнутое в заявляемом устройстве значение кратности пускового тока составляет i=4.36, что на 26% ниже, чем у прототипа (i=5.88, см. табл. 2). Кроме того, клетка с Г-образным экраном из ферромагнитной стали эффективно использует вытеснение тока в короткозамыкающих кольцах. На это указывают высокое значение коэффициента вытеснения тока k=7.26 и повышенное относительное значение коэффициента мощности при пуске
Аналогичный показатель серийных асинхронных электродвигателей не превышает значения 0.3. По сравнению с прототипом индуктивное сопротивление короткозамыкающих колец клетки в номинальном режиме возросло в 3.1 раза (с 0.36 до 1.12, см. табл. 2 и табл. 1). При этом коэффициент мощности короткозамыкающих колец клетки в номинальном режиме понизился на 15% (с 0.98 до 0.83, см. табл. 2 и табл. 1).
Аналогичные данные прототипа приведены для сравнения на фиг. 3 и в табл. 2. Фиг. 3 представляет прототип с двумя экранами из ферромагнитной стали в виде плоских колец, выполненных из стали (Ст. 3 толщиной 1 мм) и закрывающих внешнюю и внутреннюю боковые поверхности медного короткозамыкающего кольца 3. Короткозамыкающее кольцо имеет прямоугольное сечение размером 44×28 мм. Вытеснение тока при пуске происходит к верхней и нижней поверхностям короткозамыкающего кольца, не закрытого ферромагнитным экраном. Пусковой ток распределяется приблизительно равномерно по ширине короткозамыкающего кольца, занимая около трети его площади. В табл. 2 приведены сводные данные расчетов и моделирования короткозамыкающего кольца прототипа.
По сравнению с прототипом у клетки с Г-образными экранами из ферромагнитной стали кратность пускового тока снизилась на 26%. Таким образом, заявляемое устройство короткозамкнутой клетки ротора решает техническую задачу изобретения.
Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности прямого пуска электродвигателей повышенной мощности от сети ограниченной мощности.
Использование изобретения дает возможность эксплуатации электродвигателей с заявленными клетками в электрических сетях ограниченной мощности, что существенно расширяет конкурентные преимущества таких электродвигателей.