Технические средства повышения пусковых показателей электрических машин переменного тока

Проблема повышения добротности пуска является актуальной и имеет большое значение как для потребителей электродвигателей, так и для электромеханики в целом. Согласно постановлению правительства Российской Федерации под номером 301 от 15.04.2014 - Об утверждении государственной программы Российской Федерации “Развитие науки и технологий” на 2013 - 2020 годы, направление развития научно -технологического комплекса - является одним из ключевых для государства. Заинтересованными в решении поднимаемой проблемы являются так же и владельцы частных электрических сетей, что обусловлено определенными причинами. Частные сети, в сравнении с государственными, обладают “ограниченными” ресурсами, таким образом - с трудом конкурируют со своими оппонентами. Для увеличения собственной выгоды и получения конкурентных преимуществ, становится необходимым применение определенных мер по снижению затрат на собственном производстве. Простейшим примером подобных мер служит - повышение стабильности электрической сети предприятия. Некоторые частные сети являются относительно слабыми, а потому критичны к высоким нагрузкам и перегрузкам. Одним из аспектов, на который обращает внимание владелец такой сети - момент запуска электрического двигателя. Одновременный запуск определенного количества двигателей в таких сетях способен на некоторое время вывести либо часть потребителей электрической энергии, либо всю питающую сеть из строя, что негативно скажется на экономических показателях сети. Именно поэтому - критически важно поставлять на рынки электродвигателей такие электрические машины, которые будут иметь не только высокую добротность пуска, но и не будут уступать своим аналогам в области технического качества рабочих характеристик.

Проблема состоит в том, что возможности классических конструкций асинхронных двигателей, в области улучшения пусковых характеристик, на имеющемся уровне технологии и культуры производства практически исчерпаны и не оказывают необходимого результата. Существует определенный набор классических приёмов улучшения добротности пуска, например, использование пусковых реакторов, или использование различных схем обмоток при запуске двигателя. Названные решения могут дать некоторый результат, но назвать его достаточным, в нынешних условиях - нельзя. В ходе поиска решения проблемы было установлено, что его необходимо искать в области изменения конструкции электродвигателя и интенсификации эффекта вытеснения тока, так как именно данные меры оказывают наиболее благоприятное воздействие на показатели добротности пуска.

Добротность пуска оценивается специально вводимым коэффициентом добротности, который представляет собой отношение кратности пускового момента к кратности пускового тока

х = Шп/in,

где, т п - кратность пускового момента, 1 п - кратность пускового тока.

Объектом исследования выступаетклетка асинхронного электродвигателя

4А355М2У3 двухполюсной конструкции и мощностью 315 кВт, значение коэффициента добротности которого, согласно [2] равно тп

X = т— ^п

- = 0.15

В работе ставилась следующая цель - разработать такую конструкцию клетки ротора асинхронного электродвигателя 4А355М2У3, значения коэффициента добротности пуска которой, будут выше, чем его же значение для не модифицированной клетки в 1.5-2.0 раза. Для решения задачи, были использованы следующие средства: установка ферромагнитных и медных экранов на короткозамыкающие кольца клетки ротора, площадь сечения которых составляет 45х50 миллиметров, моделирование комбинаций полученных вариантов экранов с короткозамыкающими кольцами, и как следствие – выбор наиболее эффективных конструкций, по показателю кратности изменения активного сопротивления клетки.

В ходе работы, была создана модель клетки двигателя 4А355М2У3, которая использовалась в качестве эталонной, при сравнении вариантов конструкций. Результатом исследования стали – 30 вариантов комбинаций конструкций клеток ротора асинхронного двигателя вида -“короткозамыкающее кольцо - экран”, оценочные результаты моделирования которых - сведены в таблицу №1, где, N - присваиваемый порядковый номер варианта, Kz=Zn/ZH - коэффициент изменения полного сопротивления клетки при переходе из пускового в номинальный режим работы, Kr=Rn/RH - коэффициент изменения активного сопротивления клетки при переходе из пускового в номинальный режим работы, К1=1п/1н -коэффициент изменения индуктивности клетки при переходе из пускового в номинальный режим работы.

Таблица №1 – Результаты расчета коэффициентов сопротивлений клеток

N	Kz. Ом	Kr. Ом	Kl. Гн
1	15.653	2.210	0.921
2	14.488	2.174	0.925
3	13.166	2.256	0.882
4	19.337	2.067	0.957
5	15.885	2.565	0.905
6	21.160	2.249	0.950
7	16.543	2.526	0.905
8	20.494	2.167	0.948
9	17.928	2.010	0.946
10	14.535	2.271	0.905
11	16.587	8.378	0.666

12	16.619	9.299	0.625
13	17.438	9.794	0.650
14	19.224	3.870	0.890
15	31.481	14.694	0.844
16	31.434	15.761	0.824
17	31.445	15.750	0.824
18	33.251	12.592	0.911
19	25.163	6.536	0.868
20	31.928	15.230	0.844
21	27.828	21.387	0.660
22	26.574	7.816	0.875
23	28.130	8.955	0.882
24	25.326	13.664	0.746
25	16.476	15.850	0.342
26	19.853	18.318	0.428
27	27.409	22.197	0.635
28	25.316	22.726	0.553
29	25.405	22.205	0.565
30	25.282	22.664	0.553

Анализ данных таблицы показал, что наиболее перспективными конструкциями, с точки зрения технического эффекта, являются варианты под номерами 20 и 27. Ниже приведены рисунки 1 и 2, которые соответствуют вариантам названных конструкций.

Так, рисунок 1 представляет конструкцию клетки ротора с короткозамыкающим кольцом, окруженным ферромагнитным экраном из стали 10, толщиной 3-4 мм с утолщением треугольной формы в левом верхнем углу. По короткозамыкающему кольцу был пропущен ток силой 8000 А. На рисунке показаны линии магнитного поля, замыкающиеся через экран и окружающее его пространство.

Рисунок 1 - Вариант экспериментальной клетки №20.

Рисунок 2 представляет конструкцию клетки ротора с короткозамыкающим кольцом, окруженным ферромагнитным экраном из стали с медной накладкой. Ферромагнитный экран выполнен из стали 10, толщиной 3-4 мм с утолщением треугольной формы в левом верхнем углу. На внешней поверхности этого угла установлена медная накладка Г-образной формы толщиной 1 мм. По короткозамыкающему кольцу был пропущен ток силой 8000 А. На рисунке показаны линии магнитного поля, замыкающиеся через экран и окружающее его пространство.

Рисунок 2 – Вариант экспериментальной клетки №27.

Ниже приведена таблица №2, в которой представлены значения коэффициентов изменения сопротивлений эталонной клетки и выбранных конструкций №20 и №27.

Таблица №2 – Сравнение результатов моделирования эталонной конструкции с результатами моделирования модифицированных конструкций

-	Kz	Kr	Kzm/Kzэ	L1m/L1э
Эталонная конструкция	12,46	1,95	1	1
Конструкция №20	31,93	15,23	2,56	3,681
Конструкция №27	27,41	22,19	2,19	3,631

Где Кzm/Kzэ – отношение коэффициентов изменения полных сопротивлений модифицированной клетки и клетки эталонной конструкции, L1m/L1э – Отношение номинальных индуктивностей модифицированной клетки и клетки эталонной конструкции. Данные таблицы были использованы при расчете рабочих и пусковых характеристик вышеприведенных клеток, в результате чего была выбрана наилучшая модификация клетки под номером 27, добротность которой составляет 0.30 о.е., что в 2 раза превышает значение показателя эталона. Помимо очевидных достоинств, конструкция №27 имеет негативное свойство. Из-за возросшего индуктивного сопротивления, коэффициент мощности выбранного варианта исполнения ротора асинхронного двигателя снизился со значения равного 0.986 о.е. до значения 0.897 о.е., что составляет примерно 1%.

В результате проведенных работ, было установлено, что проблема повышения добротности пуска актуальна и требует использования современных подходов решения подобных задач. Классические методы повышения добротности пуска исчерпали собственные возможности, в области решения поставленной проблемы. В ходе исследования, была разработана перспективная конструкция клетки ротора, повышающая добротность пуска электродвигателя в 2 раза.