Билет 6

1. О б л а с т ь п р и м е н е н и я. Наиболее широко эти двигатели применяются в электротяге (магистральный, городской и внутризаводской электро-транспорт), а также для электропривода грузоподъемных механизмов, особенно для электропривода подъемных лебедок специальных кранов в металлургических цехах. Область применения определяется рядом преимуществ, присущих этим типам двигателей.

2. П р е и м у щ е с т в а. Двигатели с последовательным возбуждением требуют меньшего числа троллеев для подвода электропитания, характерный пример этого - электроприводы трамваев и троллейбусов. Двигатели с последовательным и смешанным возбуждением имеют большую (по сравнению с двигателями независимого возбуждения) перегрузочную способность по моменту, эти двигатели более надежны (особенно двигатели последовательного возбуждения, имеющие малое межвитковое напряжение в обмотке возбуждения), не боятся снижения напряжения в питающей сети. При применении рассматриваемых двигателей для электроприводов механизмов с резкими пиками нагрузки мягкость механической характеристики (особенно в области малых нагрузок) обеспечит таким приводам преимущество. При пике нагрузки двигатель автоматически снижает скорость, разряжая запас кинетической энергии на вал рабочей машины. При этом ограничивается величина толчков тока в якоре. Малые грузы поднимаются с большей скоростью, а большие - с малой скоростью. Причем это производится автоматически за счет специфики механических характеристик, а не за счет сложных регулирующих устройств.

3. Н е д о с т а т к и. Двигатели со смешанным и последовательным возбуждением (особенно последние) нельзя включать в сеть вхолостую или с малой статической нагрузкой, так как скорость их в этих случаях превысит допустимые значения, и наступит «разнос» двигателя, сопровождающийся повреждением бандажей и обмоток под действием центробежных усилий.

4. Двигатели с последовательным и смешанным возбуждением имеют большую стоимость по сравнению с двигателями независимого возбуждения той же мощности и скорости. Это объясняется большим расходом активных материалов (железа и меди) для обеспечения большей перегрузочной способности по току и моменту.

5.

2. Асинхронные электродвигатели (АД) находят в народном хозяйстве широкое применение. По разным данным до 70% всей электрической энергии, преобразуемой в механическую энергию вращательного или поступательного движения, потребляется асинхронным двигателем. Электрическую энергию в механическую энергию поступательного движения преобразуют линейные асинхронные электродвигатели, которые широко используются в электрической тяге, для выполнения технологических операций. Широкое применение АД связано с рядом их достоинств. Асинхронные двигатели - это самые простые в конструктивном отношении и в изготовлении, надежные и самые дешевые из всех типов электрических двигателей. Они не имеют щеточноколлекторного узла либо узла скользящего токосъема, что помимо высокой надежности обеспечивает минимальные эксплуатационные расходы. В зависимости от числа питающих фаз различают трехфазные и однофазные асинхронные двигатели.Трехфазный асинхронный двигатель при определенных условиях может успешно выполнять свои функции и при питании от однофазной сети. АД широко применяются не только в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, но и в частном секторе, в быту, в домашних мастерских, на садовых участках.Однофазные асинхронные двигатели приводят во вращение стиральные машины, вентиляторы, небольшие деревообрабатывающие станки, электрические инструменты, насосы для подачи воды. Чаще всего для ремонта или создания механизмов и устройств промышленного изготовления или собственной конструкции применяют трехфазные АД. Причем в распоряжении конструктора может быть как трехфазная, так и однофазная сеть. Возникают проблемы расчета мощности и выбора двигателя для того или другого случая, выбора наиболее рациональной схемы управления асинхронным двигателем, расчета конденсаторов, обеспечивающих работу трехфазного асинхронного двигателя в однофазном режиме, выбора сечения и типа проводов, аппаратов управления и защиты. Такого рода практическим проблемам посвящена предлагаемая вниманию читателя книга. В книге приводится также описание устройства и принципа действия асинхронного двигателя, основные расчетные соотношения для двигателей в трехфазном и однофазном режимах.

Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

1. Устройство трехфазных асинхронных двигателей

Трехфазный асинхронный двигатель (АД) традиционного исполнения, обеспечивающий вращательное движение, представляет собой электрическую машину, состоящую из двух основных частей: неподвижного статора и ротора, вращающегося на валу двигателя. Статор двигателя состоит из станины, в которую впрессовывают так называемое электромагнитное ядро статора, включающее магнитопровод и трехфазную распределенную обмотку статора. Назначение ядра - намагничивание машины или создание вращающегося магнитного поля. Магнитопровод статора состоит из тонких (от 0,28 до 1 Мм) изолированных друг от друга листов, штампованных из специальной электротехнической стали. В листах различают зубцовую зону и ярмо (рис. 1.а). Листы собирают и скрепляют таким образом, что в магнитопроводе формируются зубцы и пазы статора (рис. 1.б). Магнитопровод представляет собой малое магнитное сопротивление для магнитного потока, создаваемого обмоткой статора, и благодаря явлению намагничивания этот поток усиливает.

Рис. 1 Магнитопровод статора

В пазы магнитопровода укладывается распределенная трехфазная обмотка статора. Обмотка в простейшем случае состоит из трех фазных катушек, оси которых сдвинуты в пространстве по отношению друг к другу на 120°. Фазные катушки соединяют между собой по схемам звезда, либо треугольник (рис. 2).

3.

4. Для того чтобы исключить такие явления, необходимо, с одной стороны, обеспечить ограничение пускового тока двигателя, а с другой стороны, по возможности уменьшить время его разгона. Время разгона двигателя от момента его включения до момента, когда ротор достигает номинальной частоты вращения, определяется ускорением ротора во время пуска

(49)

где ω_н — номинальная угловая скорость двигателя, с^-1; а _ср — среднее угловое ускорение во время пуска, с^-2.

В свою очередь ускорение зависит от разности вращающего момента двигателя и момента сопротивления на его валу при постоянстве момента инерции:

(50)

J_а = М _вр - М _с,

где М _вр — вращающий момент двигателя, Н-м; М _с — статический момент сопротивления на валу двигателя, Н∙м; J — момент инерции всех вращающихся частей, кг∙м²; а — угловое ускорение ротора, с^-2.

Пуск может быть успешно проведен, если в течение всего времени разгона М _вр > М _с.

Из выражения (50) следует также, что при заданной величине момента сопротивления ускорение будет тем больше, чем больше величина вращающего момента двигателя. Соответственно при увеличении вращающего момента двигателя в режиме пуска сократится время его разгона. Таким образом, второе требование, которое должно выполняться во время пуска асинхронного двигателя, заключается в создании достаточно большого вращающего момента в этом режиме.

Необходимо, кроме того, иметь в виду, что в тяжелых условиях пуска при недостаточно большом вращающем моменте разгон двигателя вообще невозможно осуществить. Это произойдет в том случае, если момент сопротивления на валу окажется большим, чем вращающий момент двигателя.

Рассмотрим теперь, каким образом выполняются эти два основных требования, предъявляемых к пусковому режиму асинхронного двигателя. Прежде всего отметим, что характеристики асинхронных двигателей в режиме пуска в большой степени зависят от его конструкции. В двигателях с фазным ротором имеются хорошие воз­можности для регулирования величины пускового тока и пускового момента введением сопротивлений в цепь ротора двигателя. Однако они являются более дорогими и сложными в эксплуатации. Более дешевые и надежные двигатели с короткозамкнутым ротором не позволяют осуществлять такого регулирования и их пусковые характеристики значительно хуже.

Наиболее часто применяются следующие способы пуска асинхронных двигателей:
прямое включение двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора;
включение двигателя с понижением напряжения, подаваемого на обмотку статора;
пуск в ход с введением сопротивления в фазную обмотку ротора.

Прямое включение асинхронного двигателя в сеть является наиболее простым способом пуска двигателя. В то же время в этом случае обмотки статора и ротора двигателя обтекаются большим пусковым током (током короткого замыкания), равным 4—7-кратному значению номинального. Поэтому очень важно, чтобы время пуска двигателя было при этом как можно меньшим.

Из всех способов пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора при данном способе пуска создается наибольший вращающий момент. Пусковой вращающий момент двигателя определяется при этом по формуле (48). Поскольку он все же относительно невелик, данный способ пуска применяется для приводов со средними и легкими условиями пуска. Отметим, что в настоящее время все большее распространение получают двигатели

Рис. 22. Схемы пуска асинхронного двигателя. а — при последовательном включении индуктивного сопротивления Др; б — при включении двигателя через автотрансформатор АТ.

с глубоким пазом, которые имеют улучшенные пусковые характеристики. Обладая всеми преимуществами двигателей с короткозамкнутым ротором, они развивают больший пусковой момент при меньшем пусковом токе по сравнению с двигателями обычного исполнения. Это позволяет применять такие двигатели для приводов с более тяжелыми условиями пуска, т. е. со значительными статическими моментами при малых частотах вращения ротора. Необходимо также иметь в виду, что большой ток, потребляемый двигателем, проходит не только по его обмоткам, но и по проводам сети и трансформатору. Поэтому в питающей сети создается падение напряжения, которое в случае пуска мощного двигателя может оказаться весьма значительным. В результате напряжение, подводимое к двигателю в этом режиме, сильно понизится и это вызовет Дополнительное снижение вращающего момента двигателя. Поэтому прямое включение при пуске мощных Двигателей допустимо при наличии достаточно мощной сети, выдерживающей прохождение больших токов без значительного падения напряжения. В современных мощных системах производится прямое включение на сеть двигателей с номинальной мощностью в несколько сотен киловатт.

Рис. 23. Схема пуска двигателя с переключением обмоток со звезды на треугольник.

Включение двигателя при пониженном напряжении питающей сети позволяет уменьшить пусковой ток, потребляемый двигателем. Однако в этом случае снижается и вращающий момент, развиваемый двигателем при пуске, причем это уменьшение происходит пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения. Такой способ применяется для приводов с легкими условиями пуска.

Практически понижение напряжения достигается включением индуктивного сопротивления последовательно с обмоткой статора двигателя (рис. 22, а) или включением двигателя через автотрансформатор (рис. 22, б). При пуске по схеме на рис. 22, а вначале замыкают рубильник Р₁, а затем, когда ротор достигает достаточной частоты вращения, замыкают рубильник Р₂, включая двигатель на полное напряжение сети. При пуске с помощью автотрансформатора (рис. 22, б) вначале замыкается рубильник Р₁, а затем рубильник Р₂. Применение автотрансформатора позволяет ограничивать пусковой ток в питающей сети при меньшем снижении напряжения питающего двигатель, чем в случае включения индуктивного сопротивления. Следовательно, при этом в меньшей степени понижается пусковой момент двигателя.

К способам пуска с понижением напряжения можно отнести также пуск с переключением обмоток статора со звезды на треугольник (рис. 23). В режиме пуска переключатель Р находится в положении 1, причем обмотка статора включена по схеме звезды. После того как ротор достигает установившейся частоты вращения, переключатель необходимо перевести в положение 2 и обмотки статора будут включены по схеме треугольника.

Рис. 24. Схемы асинхронных двигателей с введением сопротивлений-резисторов в цепь статора (а) и в цепь ротора (б).

При данном способе пуска фактически понижается величина напряжения, подводимого к каждой фазе двигателя, поскольку при одинаковом напряжении в линии напряжение на фазу в схеме звезды в √3 раз меньше, чем в схеме треугольника. Пусковой ток в сети при соединении обмотки статора звездой понижается в 3 раза по сравнению с соединением статора треугольником. Однако в 3 раза понижается также пусковой момент.

Для приводов с наиболее тяжелыми условиями пуска следует использовать двигатели с фазной обмоткой ротора. Введение сопротивления в цепь ротора позволяет, с одной стороны. ограничить пусковой ток двигателя, а с другой стороны — повысить пусковой момент. Схема включения сопротивлений (резисторов) в цепь ротора двигателя изображена на рис. 24, б.

Подставляя s _макс = 1 в формулу (45), можно найти величину дополнительного сопротивления в цепи ротора, при котором пусковой момент для данной характеристики оказывается равным максимальному моменту,

(51)

r' _д = x ₁ - r' ₂ + х' ₂.

Последовательно изменяя по мере увеличения частоты вращения двигателя сопротивление в цепи ротора, можно добиться того, чтобы весь процесс пуска проходил при вращающем моменте, близком к максимальному. Это позволяет получить возможно меньшее время пуска двигателя.

5.

Дополнительные возможности управлять координатами асинхронного электропривода появляются, если ротор выполнен не короткозамкнутым, а фазным, т.е. если его обмотка состоит из катушек, похожих на статорные, соединенных между собой и выведенных на кольца, по которым скользят щетки, связанные с внешними устройствами. Схематически трехфазная машина с фазным ротором показана на рис. 10,а. Фазный ротор обеспечивает дополнительный канал, по которому можно воздействовать на двигатель, - в этом его очевидное достоинство, но очевидна и плата за него: существенное усложнение конструкции, бo льшая стоимость, наличие скользящих контактов. Именно эти негативные особенности привели к тому, что в общем объёме производства асинхронные двигатели с фазным ротором составляют небольшую долю.

а) б) в) г)

Рис. 10. Асинхронный двигатель с фазным ротором (а), схема (б) и характеристики (в) и (г) реостатного регулирования

К щеткам на кольцах в цепи ротора можно подключать как пассивные цепи, например, резисторы, так и активные, содержащие источники энергии; последняя возможность широко используется в электроприводах большой мощности (сотни - тысячи киловатт).

Реостатное регулирование.

Как и в электроприводе постоянного тока это простейший способ регулирования: в каждую фазу ротора включают одинаковые резисторы с сопротивлением R_д - рис. 10,б. Тогда общее активное сопротивление фазы ротора составит R₂ = R_р + R_д, а искусственные характеристики приобретут вид, представленный на рис. 10,в,г: предельное значение тока ротора Iў _{2 пред} и критический момент М_к в соответствии с (8) и (11) не изменяется, а s_к в соответствии с (12) растет пропорционально R₂:

. (18)

Последнее соотношение для критического скольжения, очевидно, выполняется и для скольжения при любом М = const, оно похоже на (3.16), а реостатные механические характеристики похожи на таковые для двигателя постоянного тока. Показатели реостатного регулирования скорости асинхронных двигателей с фазным ротором практически те же, что у электропривода постоянного тока.

1. Регулирование однозонное - вниз от основной скорости.

2. Диапазон регулирования (2-3):1, стабильность скорости низкая.

3. Регулирование ступенчатое. С целью устранения этого недостатка иногда используются схемы, в которых роторный ток выпрямляется и сглаживается реактором, а резистор, включаемый за выпрямителем, шунтируется управляемым ключом - транзистором с управляемой скважностью, благодаря чему достигается плавность регулирования, а при использовании обратных связей формируются жесткие характеристики.

4. Допустимая нагрузка М_доп = М_н, поскольку Ф ” Ф_н и при мало меняющемся cos j ₂ I_2доп ” I_2н.

5. С энергетической точки зрения реостатное регулирование в асинхронном электроприводе столь же неэффективно, как и в электроприводе постоянного тока - потери в роторной цепи при M = const пропорциональны скольжению:

,

а распределение этих потерь определяется в соответствии с (18) соотношением сопротивлений - собственно в роторной обмотке рассеивается мощность , а в дополнительных резисторах - мощность .

6. Капитальные затраты, как и в электроприводе постоянного тока, сравнительно невелики.

Поиск по сайту: