РОТОР АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ДОБАВОЧНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ОБМОТКИ
ROTOR OF INDUCTION MOTOR WITH ADDITIONAL WINDING RESISTANCE

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве ротора асинхронного двигателя с регулируемой величиной пускового тока.
Известен ротор асинхронного двигателя, содержащий сердечник с обмоткой в виде беличьей клетки, у которой имеется левое кольцо и правое кольцо, между которыми установлены медные или алюминиевые стержни, концы которых с обоих торцов соединены с указанными кольцами накоротко [1]. Данный ротор нашел широкое применение в асинхронных двигателях малой и средней мощности, так как он имеет простую конструкцию. Недостатком данного устройства является большой ток двигателя при пуске, превышающий в 5…7 раз номинальный ток.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является ротор асинхронного двигателя, содержащий сердечник, в пазах которого размещена трехфазная двухслойная волновая стержневая обмотка, соединенная обычно в звезду, выводные концы которой присоединены к контактным кольцам, и вал [2]. Достоинствами данного устройства являются возможность применения его при более тяжелых условиях пуска, чем короткозамкнутый ротор, и возможность регулирования тока пуска за счет включения регулировочных устройств, например реакторов насыщения, реостатов. Недостатком фазного ротора является наличие контактных колец и щеточного устройства, что приводит к снижению надежности как ротора, так и двигателя в целом.
Техническим результатом изобретения является ограничение пускового тока двигателя.
ном
кp
э
0
1
кр
0
1
2
a
a
a
Поставленный технический результат достигается тем, что в роторе асинхронного двигателя с добавочным сопротивлением обмотки, содержащим короткозамкнутую обмотку и вал, причем указанная обмотка содержит первое кольцо, второе кольцо и стержни, концы которых закреплены в указанных кольцах накоротко, на торце вала установлен датчик скорости, содержащий первый двухполярный вывод и второй двухполярный вывод, при этом первое кольцо обмотки ротора выполнено с разрезом, имеющим первый срез и второй срез, между которыми включена электрическая цепь, содержащая последовательно соединенные первый и второй резисторы, причем величина первого резистора пропорциональна скольжению первой зоны механической характеристики от s=s до s=s, где электромагнитный момент двигателя изменяется по прямой, в соответствии с формулой M=a+as, величина второго резистора пропорциональна скольжению второй зоны механической характеристики от s=s до s=1, где электромагнитный момент изменяется в соответствии с квадратичной зависимостью , где , ,  - коэффициенты моментов критического пускового и кратности минимального момента, а s - скольжение, при этом первый резистор шунтирован транзистором, соединенным с первым двухполярным выводом датчика скорости, второй резистор шунтирован транзистором, соединенным с вторым двухполярным выводом датчика скорости, причем общее сопротивление последовательно соединенных резисторов пропорционально кратности пускового тока к номинальному значению тока двигателя.
На фиг.1 представлена физическая модель короткозамкнутой обмотки двигателя. На фиг.2 изображена схема первого кольца обмотки ротора с электрической цепью, содержащая два последовательно соединенных резистора, каждый из которых шунтирован транзистором, управляемым соответствующим двухполярным выводом датчика скорости. На фиг.3 представлена механическая характеристика двигателя, состоящая из первой зоны I и второй зоны II.
Ротор асинхронного двигателя содержит (фиг.1) короткозамкнутую обмотку 1, имеющую первое кольцо 2, стержни 3 и второе кольцо 4, и вал (не показан), на торце (не показан) которого установлен датчик скорости (не показан), снабженный двумя двухполярными выводами (не показаны).
Первое кольцо 2 обмотки ротора 1 выполнено (фиг.2) с разрезом (не обозначен), имеющим первый срез 2-1 и второй срез 2-2, между которыми включена электрическая цепь 2-3, содержащая последовательно соединенные резисторы 5 и 6, причем резистор 5 шунтирован транзистором 5-1, база - эмиттер 5-2 которого соединена с первым двухполярным выводом (не показан) датчика скорости; резистор 6 шунтирован транзистором 6-1, база - эмиттер 6-2 которого соединена с вторым двухполярным выводом (не показан) датчика скорости; сигнал, открывающий соответствующий транзистор, формируется на соответствующих выводах датчика скорости при достижении скорости вращения ротора соответствующей заданной величины.
ном
кp
В качестве резисторов 5 и 6 могут быть использованы мощные высокотемпературные резисторы таблеточного исполнения типа РК 223, а в качестве транзисторов - транзисторные ключи типа ТК 1-380-60, серийно выпускаемые отечественной промышленностью. Число резисторов в электрической цепи 2-3 зависит от допустимого значения пускового тока двигателя, при этом резисторы имеют разные сопротивления. Величина резистора 5 пропорциональна скольжению первой зоны механической характеристики I (фиг.3) от s=s до s=s, где электромагнитный момент двигателя изменяется по прямой в соответствии с формулой:
Величина резистора 6 пропорциональна скольжению второй зоны механической характеристики II от s=skp до 5=1, где электромагнитный момент изменяется в соответствии с квадратичной зависимостью:
,
a
a
a
0
1
2
max
n
где , ,  - коэффициенты моментов критического M, пускового M (фиг.1) и кратности минимального момента;
s - текущее скольжение.
Можно показать, что электромагнитный момент двигателя зависит от приведенного сопротивления роторной обмотки [3]:
1
где m - число фаз;
- приведенный ток обмотки ротора;
1
Ω - угловая скорость вращающегося магнитного поля;
- приведенное сопротивление обмотки ротора, равное
где  - приведенное сопротивление непосредственно обмотки ротора;
- суммарное сопротивление резистора 5 и резистора 6;
критическое скольжение двигателя также зависит от приведенного сопротивления ротора и для мощных двигателей [3]:
к
где x - индуктивное сопротивление рассеяния режима короткого замыкания,
max
2
кp
а максимальный момент M (фиг.3) не зависит от активного сопротивления вторичной цепи R, однако s, при которой он достигается, зависит от  в соответствии с (5). Выражения (3) и (5) позволили разделить механическую характеристику (фиг.3) на две зоны, а выражения (1) и (2) определяют законы изменения электромагнитного момента в каждой из зон. Общее сопротивление последовательно соединенных резисторов 5 и 6 (фиг.2) пропорционально кратности пускового тока к номинальному значению тока двигателя, т.е.
n
где I - пусковой ток;
ном
I - номинальный ток двигателя;
n - кратность токов.
Современные асинхронные двигатели имеют 3, 5 и 7-кратные токи в зависимости от мощности, поэтому n=3, 5 и 7.
Таким образом, число резисторов электрической цепи 2-3 равно числу транзисторов, шунтирующих указанные резисторы, и равно числу двухполярных выводов датчика скорости, а общее сопротивление резисторов 5 и 6 кратно числу, в которое уменьшается пусковой ток двигателя.
Применение ротора асинхронного двигателя с добавочным сопротивлением обмотки осуществляется следующим образом.
0
0
1
1
2
2
3
При сборке асинхронного двигателя его ротор устанавливается на свое место обычным образом, при этом на торец вала ротора закрепляется датчик скорости, имеющий двухполярные выводы, число которых равно числу транзисторов (фиг.2), которое в свою очередь равно числу резисторов. Датчик скорости обладает начальной намагниченностью, обеспечивающей начальное значение сигнала в первом двухполярном выводе, однако данный сигнал недостаточен для открывания транзистора 5-1. При полностью включенных резисторах 5 и 6 из-за большого общего сопротивления ток ротора будет незначительным, однако ротор начнет вращение и за время 0-t сигналы в двухполярных выводах датчика скорости увеличиваются. В момент t сигнал в первом двухполярном выводе датчика скорости поступает на база - эмиттерный переход 5-2 транзистора 5-1, последний срабатывает, резистор 5 шунтируется, поэтому ток ротора увеличивается и его частота вращения растет до момента t. На интервале времени t-t частота вращения вала постоянная и происходит накопление потенциала во втором двухполярном выводе, и в момент t происходит срабатывание транзистора 6-1, который шунтирует резистор 6, при этом общее сопротивление электрической цепи 2-3 (фиг.2) уменьшилось вдвое, а ток ротора увеличился, что приводит к очередному увеличению частоты вращения ротора, которая достигает точки, соответствующей очередному моменту времени t, при этом происходит реализация обеих зон механической характеристики (фиг.3) двигателя [4].
Таким образом, введение электрической цепи из последовательно соединенных резисторов в разрез кольца роторной обмотки позволяет ограничить пусковой ток, чем и достигается требуемый технический результат.
Стоимость датчика скорости, электрической цепи, содержащей два последовательно соединенных резистора, шунтированных соответствующим числом транзисторов и монтажа, сравнима со стоимостью источника питания повышенной (в 5…7 раз) мощности, обеспечивающего обычный пуск двигателя при условии, что число пусков в месяц достигает сотни.
Источники информации
1. Вольдек А.И. Электрические машины. Л., Энергия, 1974, стр.358…359, рис.19.2.
2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. T.1. M., МЭИ, 2006, стр.475…476, рис.38.6.
3. Электрический справочник. Т 2. Под ред. В.Г.Герасимова. M., МЭИ, 2003, стр.173, рис.26.5.
4. Специальные электрические машины. Книга 1. Под ред. Б.Л.Алиевского. M., Энергоатомиздат, 1993, стр.173, рис.6.4.