Несимметрия сопротивлений вторичной цепи асинхронного электродвигателя с фазным ротором

Для получения большего числа пусковых характеристик асинхронного электродвигателя с фазным ротором при ограниченном количестве пусковых ступеней применяют несимметричное подключение роторных сопротивлений. При таком регулировании при изменении положения контроллера сопротивление будет меняться только в одной фазе. Благодаря этому становится возможным получение почти в два раза большего количества механических характеристик, чем в случае включения симметричных сопротивлений.

Ниже показан пример схемы регулирования несимметричными сопротивлениями с помощью контроллера КТ-2005:

При симметричном управлении такая система может дать только две пусковые характеристики, а при несимметричном – пять. Однако такое несимметричное включение может неблагоприятно повлиять на механические характеристики при определенных условиях.

Рассмотрим режим работы такой системы при подключении обмоток ротора электродвигателя в звезду. При симметричном напряжении сети в статорной цепи протекают токи частоты сети. Из-за того,  что сопротивление роторной цепи несимметрично, то и фазные токи в роторе тоже будут несимметричными. Такую систему вполне возможно разложить на симметричные составляющие прямой и обратной последовательности. Токов нулевой последовательности в данной системе не будет.

Роторные токи прямой последовательности с частотой f₁S создадут МДС, которая вращается со скоростью ω₀S относительно ротора и, следовательно, неподвижную относительно МДС статора ω = ω₀(1 — S) — ω₀S = ω₀:

Токи имеющие обратную последовательность и ту же частоту f₁S создадут МДС, которые будут вращаться со скоростью ω₀S относительно ротора, а относительно статора ω = ω₀(1 — S) — ω₀S = ω₀(1 – 2S). Таким образом, направления вращения МДС(создаваемой в роторе токами обратной последовательности) и ее величина будут функциями скольжения. При величине скольжения лежащего в пределах 0,5<S<1 эта МДС будет вращаться в отрицательном направлении относительно статора асинхронной машины. При значении скольжения 0< S<0,5 наоборот, вращение МДС будет происходить в положительном направлении. Несмотря на изменения направлений вращения МДС сохраним за ней название обратного следования, поскольку она вращается по определенному направлению по отношению к ротору.

В таком режиме работы в асинхронном электродвигателе возникнет два вращающих магнитных поля. Первое будет создаваться МДС статора и токами обратной последовательности ротора, а второе МДС токов обратной последовательности ротора и токами статора частоты f = (1-2S)f₁, которые индуктируются в статорных обмотках потоком ротора обратной последовательности. Токи с частотой (1-2S)f₁, которые индуктируются в статорной обмотке, накладываются на статорный ток и замыкаются через сеть.

Соответственно в двигателе будет создаваться два момента М₁ и М₂. Момент М₁ создастся благодаря взаимодействию первого магнитного поля с роторными токами прямой последовательности, а М₂ – взаимодействием второго поля со статорными токами, имеющими  частоту  (1-2S)f₁. Знак момента М₁ будет всегда положителен, а для определения знака М₂ необходимы некоторые пояснения.

Можно представить, что создания токов ротора обратной последовательности создается за счет питания роторных колец от источника энергии f₁S. В таком случае ротор должен быть закреплен неподвижно, а статор вращаться вокруг него в направлении вращения магнитного поля. Однако в действительности все не  так.  Статор закреплен и его момент уравновешивается креплениями, прикрепленными к бетонной плите, а на ротор будет производить действие равный по величине, но противоположный по знаку момент реакции. Ротор двигателя, питание которого производится через роторные кольца, вращается в сторону, которая противоположна вращению поля ротора. Поэтому в зоне скоростей от 1>S>0,5 на ротор действовать дополнительный положительный момент, изображенный на графике ниже:

При значении скольжения S = 0,5 магнитное поле ротора относительно обмоток статора будет неподвижно, ЭДС в них не будет индуктироваться, и момент обратной последовательности равен нулю. При уменьшении скольжения в диапазоне 0,5>S>0 знак дополнительного момента М₂ изменится на противоположный. В результате действия этого момента наблюдается «провал» характеристики при скольжении близком к S = 0,5; что при большом статическом моменте нагрузки может вызвать прекращения разгона и «застрявание» асинхронного электродвигателя у половины его синхронной скорости.

Точные расчеты механической характеристики с учетом провала момента довольно сложны и выполняются с помощью метода симметричных составляющих. С приемлемой для практики точностью характеристики можно подсчитать для эквивалентных симметричных роторных сопротивлений. Под таким эквивалентным сопротивлением понимают такое сопротивление, которое дает такие же тепловые потери в цепи ротора, как и несимметричные. Эквивалентное сопротивление будет равно:

Где r_2a, r_2b, r_2c – несимметричные сопротивления фаз ротора.

Для приближенного расчета данных сопротивлений задаются кратностью пускового момента

 и значением М_п1. Для момента М_п1 при трогании с места определяют необходимое симметричное сопротивление эквивалентное несимметричному. Большее несимметричное сопротивление выбирается равным r_2экλ, а меньшее r_2эк/λ. На следующей ступени разгона эквивалентное сопротивление принимают за наибольшее несимметричное и так далее.

Помимо провала в механической характеристике имеется еще ряд обстоятельств, ограничивающий работу асинхронного электродвигателя с несимметричным сопротивлением в цепи ротора. В нашем случае взаимодействия между магнитными потоками и токами прямых и обратных последовательностей не учтены. Это обуславливает появление пульсирующих моментов, среднее значение которых будет равно нулю и не окажет влияния на механическую характеристику. Чрезмерно большие пульсации могут ограничивать допустимую несимметрию сопротивлений. Также наличие токов и потоков прямой и обратной последовательности значительно увеличивает потери  в стали и меди и повышают возможность перегрева машины.