Главная | Обратная связь

Уравнение вращающего момента асинхронного двигателя

Отсюда следует, что момент двигателя пропорционален электрическим потерям в роторе. Подставим в последнюю формулу значение тока I₂’:

получим уравнение вращающего момента асинхронного двигателя:

где U₁ — фазное напряжение обмотки статора.

29.Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента на валуn = f (M2). Так как при нагрузке момент холостого хода мал, то M2 ≈ M и механическая характеристика представляется зависимостью n = f (M). Если учесть взаимосвязь s = (n1 - n) / n1, то механическую характеристику можно получить, представив ее графическую зависимость в координатах n и М (рис. 1).

Рис. 1. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя соответствует основной (паспортной) схеме его включения и номинальным параметрам питающего напряжения. Искусственные характеристикиполучаются, если включены какие-либо дополнительные элементы: резисторы, реакторы, конденсаторы. При питании двигателя не номинальным напряжением характеристики также отличаются от естественной механической характеристики.

Механические характеристики являются очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.

 

30 Механическая характеристика и саморегулирование двигателя. График, связывающий между собой механические величины - скорость и вращающий момент, называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис.7) n = ƒ(M). Саморегулирование асинхронного двигателя заключается в следующем. Пусть двигатель работает устойчиво в каком-то режиме, развивая скорость n1 и вращающий момент М1. При равномерном вращении этот момент равен тормозному моменту Мт1, т.е. М1=Мт1, n1= сonset. Увеличение тормозного момента до М2, вызовет уменьшение оборотов машины, так как тормозной момент станет больше вращающего момента. С уменьшением оборотов увеличивается скольжение, что в свою очередь вызывает возрастание ЭДС и тока в роторе. Благодаря этому увеличивается вращающий момент двигателя. Этот процесс заканчивается тогда, когда вращающий момент М2, развиваемый двигателем, станет равным Мт2. При этом, устанавливается скорость вращения меньшая, чем n1. Свойство автоматического установления равновесия между тормозным и вращающим моментами называется саморегулированием.

 

 

 

 

На лабораторном стенде двигатель нагружается электротормозом, состоящим из электромагнита, в зазоре которого вращается диск, посаженный на вал двигателя. Изменяя ручкой автотрансформатора напряжение, питающее катушку электромагнита, можно менять тормозное усилие, момент которого равен: М_ТОРМ = F• r (Н·м)

где F - усилие (сила), действующая на окружность шкива, (Н);

r - радиус шкива, равен 0,18 м. Полезная мощность на валу двигателя:

 

 

( Вт),

гдеn - скорость вращения двигателя, об/мин.

 

где ƒ - частота сети (равна 50 Гц),

р - число пар полюсов обмотки статора (равно 2).

n₁ - синхронная скорость вращающего магнитного поля.

Скорость вращения двигателя определяется с помощью тахометра. Скольжение рассчитывают по формуле:

t bFBLAQItABQABgAIAAAAIQA9NIIy3AAAAAUBAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAACkFAABkcnMvZG93bnJl di54bWxQSwUGAAAAAAQABADzAAAAMgYAAAAA " filled="f" stroked="f">

s %

 

 

31 Рабочими характеристиками называют зависимости мощности, потребляемой двигателем , потребляемого тока I, коэффициента мощности , скорости вращения двигателя , к.п.д. и вращающего момента М от полезной мощности двигателя, отдаваемой на валу . Рабочие характеристики определяют основные эксплуатационные свойства асинхронного двигателя. Рабочие характеристики асинхронного двигателя средней мощности показаны на рис. 8.8. Их поведение объясняется следующим образом. При малых нагрузках потребляемый двигателем ток I (ток холостого хода) может составлять от 20 до 70 % номинального тока. При увеличении нагрузки возрастает ток в цепи ротора, что приводит к почти пропорциональному увеличению тока I в цепи статора.

Рис.8.8
Вращающий момент двигателя ( )также почти пропорционален нагрузке, но при больших нагрузках линейность графика несколько нарушается за счет уменьшения скорости вращения двигателя. Рабочая характеристика выражает зависимость между развиваемой двигателем мощностью и фазовым сдвигом между током и напряжением статора. Асинхронный двигатель, как и трансформатор, потребляет из сети ток I, значительно отстающий по фазе от приложенного напряжения. Например, в режиме холостого хода . При увеличении нагрузки на валу двигателя растут активные составляющие токов ротора и статора, увеличивая . Максимального значения достигает при .

При дальнейшем увеличении величина будет несколько уменьшаться. Это объясняется увеличением скольжения s что вызывает повышение реактивного сопротивления обмотки ротора, а следовательно, и фазового сдвига .С увеличением увеличивается и , т.е. будет уменьшаться.

Поведение рабочей характеристики объясняется следующим образом. Величина к.п.д.определяется отношением полезной мощности к мощности , потребляемой из сети.

Величина называется мощностью потерь. Кроме потерь в стали статора и ротора на перемагничивание и вихревые токи которые вместе с механическими потерями можно считать постоянными, в асинхронном двигателе существуют потяри в меди ,т.е. в обмотках статора и ротора, которые
пропорциональны квадрату протекающего тока и, следовательно, зависят от нагрузки. При холостом ходе, как и в трансформаторе, преобладают потери
в стали, поскольку , а равен току холостого хода , который невелик. При небольших нагрузках на валу потери в меди все же остаются небольшими, и поэтому к.п.д., определяемый формулой
(8.5)

с увеличением сначала резко возрастает. Когда постоянные потери
станут равны потерям, зависящим от нагрузки , к.п.д. достигает своего максимального значения. При дальнейшем увеличении нагрузки переменные потери мощности значительно возрастают, в результате чего к.п.д. заметно уменьшается.
Характер зависимости ) может быть объяснен из соотношения
. Если бы к.п.д. был постоянен, то между и была бы линейная зависимость. Но поскольку к.п.д. зависит от и эта зависимость вначале резко возрастает, а при дальнейшем увеличении нагрузки изменяется незначительно, то и кривая ) сначала растет медленно, а затем резко возрастает.

 

32 В любой электрической цепи сумма мощностей всех источников электрической энергии должна быть равна сумме мощностей всех приемников и вспомогательных элементов. Получив ранее выражения мощностей можно записать в общем виде уравнение баланса мощности для любой электрической цепи:

(1.35)

ΣE_→ I _→ + ΣU_← I _→ = ΣE_← I _→ + ΣU_→ I _→ + ΣI²r.

Уравнение (1.35) может быть написано как для действительных направлений ЭДС, напряжений и токов, так и для случая, когда некоторые из них являются произвольно выбранными положительными направлениями. В первом случае все члены в нем будут положительными и соответствующие элементы цепи будут в действительности источниками или приемниками электрической энергии. Если же некоторые члены записаны с учетом произвольно выбранных положительных направлений, соответствующие элементы нужно рассматривать как предполагаемые источники и приемники. В результате расчета или анализа какие-то из них могут оказаться отрицательными. Это будет означать, что какой-то из предполагаемых источников является на самом деле приемником, а какой-то из предполагаемых приемников — источником.

 

33 Пуск асинхронного двигателя сопровождается переходным процессом машины, связанным с переходом ротора из состояния покоя в состояние равномерного вращения, при котором момент двигателя уравновешивает момент сил сопротивления на валу машины. При пуске асинхронного двигателя имеет место повышенное потребление электрической энергии из питающей сети, затрачиваемое не только на преодоление приложенного к валу тормозного момента и покрытие потерь в самой асинхронном двигателе, но и на сообщение движущимся звеньям производственного агрегата определенной кинетической энергии. Поэтому при пуске асинхронный двигатель должен развить повышенный вращающий момент. Для асинхронного двигателя с фазным ротором начальный пусковой момент, соответствующий скольжению sп= 1, зависит от активных сопротивлений регулируемых резисторов, введенных в цепь ротора.

Рис. 1. Пуск трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором: а — графики зависимости вращающего момента двигателя с фазным ротором от скольжения при различных активных сопротивлениях резисторов в цепи ротора, б — схема включения резисторов и замыкающих контактов ускорения в цепь ротора. Так, при замкнутых контактах ускорения У1, У2, т. е. при пуске асинхронного двигателя с замкнутыми накоротко контактными кольцами, начальный пусковой момент Мп1 = (0,5 -1,0) Мном, а начальный пусковой ток Iп = (4,5 - 7) Iном и более. Малый начальный пусковой момент асинхронного электродвигателя с фазным ротором может оказаться недостаточным для приведения в действие производственного агрегата и последующего его ускорения, а значительный пусковой ток вызовет повышенный нагрев обмоток двигателя, что ограничивает частоту его включений, а в маломощных сетях приводит к нежелательному для работы других приемников временному понижению напряжения. Эти обстоятельства могут явиться причиной, исключающей использование асинхронных двигателей с фазным ротором с большим пусковым током для привода рабочих механизмов. Введение в цепь ротора двигателя регулируемых резисторов, называемых пусковыми, не только снижает начальный пусковой ток, но одновременно увеличивает начальный пусковой момент, который может достигнуть максимального момента Mmax (рис. 1, а, кривая 3), если критическое скольжение двигателя с фазным ротором sкр = (R2' + Rд') / (Х1 + Х2') = 1, где Rд' — активное сопротивление резистора, находящегося в фазе обмотки ротора двигателя, приведенное к фазе обмотки статора. Дальнейшее увеличение активного сопротивления пускового резистора нецелесообразно, так как оно приводит к ослаблению начального пускового момента и выходу точки максимального момента в область скольжения s > 1, что исключает возможность разгона ротора. Необходимое активное сопротивление резисторов для пуска двигателя с фазным ротором определяют, исходя из требований пуска, который может быть легким, когда Мп = (0,1 - 0,4) Mном, нормальным, если Мп — (0,5 - 0,75) Мном, и тяжелым при Мп ≥ Мном. Для поддержания достаточно большого вращающего момента двигателем с фазным ротором в процессе разгона производственного агрегата с целью сокращения длительности переходного процесса и снижения нагрева двигателя необходимо постепенно уменьшать активное сопротивление пусковых резисторов. Допустимое изменение момента в процессе разгона M(t) определяется электрическими и механическими условиями, лимитирующими пиковый предел момента М > 0,85Ммах, момент переключения М2 > > Мс (рис. 2), а также ускорение.

Рис. 2. Пусковые характеристики трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором. Переключение пусковых резисторов обеспечено поочередным включением контакторов ускорения Y1, Y2 соответственно в моменты времени t1, t2 отсчитываемые с момента пуска двигателя, когда в процессе разгона вращающий момент М становится равным моменту переключения М2. Благодаря этому на протяжении всего пуска все пиковые моменты получаются одинаковыми и все моменты переключения равны между собой. Поскольку вращающий момент и ток асинхронного двигателя с фазным ротором взаимно связаны, то можно при разгоне ротора установить пиковый предел тока I1 = (1,5 - 2,5) Iном и ток переключения I2, который должен обеспечить момент переключения М2 > Мc. Отключение асинхронных двигателей с фазным ротором от питающей сети всегда выполняют при цепи ротора, замкнутой накоротко, во избежание появления перенапряжений в фазах обмотки статора, которые могут превысить номинальное напряжение этих фаз в 3 - 4 раза, если цепь ротора в момент отключения двигателя окажется разомкнутой.

 

34 Частотное регулирование. Этот способ регулирования частоты вращения позволяет применять наиболее надежные и дешевые асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Однако для изменения частоты питающего напряжения требуется наличие источника электрического тока переменной частоты. В качестве последнего используют либо синхронные генераторы с переменной частотой вращения, либо преобразователи частоты — электромашинные или статические, выполненные на управляемых полупроводниковых вентилях (тиристорах). В настоящее время преобразователи частоты имеют довольно сложную схему и сравнительно высокую стоимость. Однако быстрое развитие силовой полупроводниковой техники позволяет надеяться на дальнейшее совершенствование преобразователей частоты, что открывает перспективы для широкого применения частотного регулирования. Подробное описание законов управления при частотном регулировании и анализ работы асинхронного двигателя при питании от преобразователя частоты даны в § 4.13 и 4.14. Регулирование путем изменения числа полюсов. Такое регулирование позволяет получить ступенчатое изменение частоты вращения. На рис. 4.35 показана простейшая схема (для одной фазы), позволяющая изменять число полюсов обмотки статора в два раза. Для этого каждую фазу обмотки статора разделяют на две части, которые переключают с последовательного соединения на параллельное. Из рисунка видно, что при включении катушек 1-2 и 3-4 в две параллельные ветви число полюсов уменьшается в два раза, а следовательно, частота вращения магнитного поля увеличивается в два раза. При переключении число последовательно включенных витков в каждой фазе уменьшается вдвое, но, так как частота вращения возрастает в два раза, ЭДС, индуцированная в фазе, остается неизменной. Следовательно, двигатель при обеих частотах вращения может быть подключен к сети с одинаковым напряжением. Чтобы не осуществлять переключения в обмотке ротора, последнюю выполняют короткозамкнутой. Если нужно иметь три или четыре частоты вращения, то на статоре располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить дополнительно две частоты. Асинхронные двигатели с переключением числа полюсов называют многоскоростными. Регулирование путем включения реостата в цепь ротора. При включении в цепь ротора добавочных активных сопро-тивлений R_доб1 , R_доб2 , R_доб3 и других изменяется форма зависимости М = f(s) и механической характеристики n₂ = f(M) двигателя (рис. 4.37, а). При этом некоторому нагрузочному моменту М_н соответствуют скольжения s₁ , s₂ , s₃ , ..., большие, чем скольжения s_e , при работе двигателя на естественной характеристике (при R_доб = 0). Следовательно, установившаяся частота вращения двигателя уменьшается от n_е до п₁ п₂, п₃,... (рис. 4.37,б). Этот метод регулирования может быть использован только для двигателей с фазным ротором. Он позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах. Недостатками его являются: а) большие потери энергии в регулировочном реостате; б) чрезмерно «мягкая» механическая характеристика двигателя при большом сопротивлении в цепи ротора. В некоторых случаях последнее является недопустимым, так как небольшому изменению нагрузочного момента соответствует существенное изменение частоты вращения.

 

35 Асинхронный генератор — это работающая в генераторном режиме асинхронная электрическая машина (ел. двигатель). При помощи приводного двигателя (в нашем случае ватродвигателя) ротор асинхронного электрогенератора вращается в одном направлении с магнитным полем. Скольжение ротора при этом становится отрицательным, на валу асинхронной машины появляется тормозящий момент, и генератор передает энергию в сеть. Для возбуждения электродвижущей силы в его выходной цепи используют остаточную намагниченность ротора. Для этого применяются конденсаторы. Асинхронные генераторы не восприимчивы к коротким замыканиям. Асинхронный генератор устроен проще синхронного (например автомобильного генератора): если у последнего на роторе помещаются катушки индуктивности, то ротор асинхронного генератора похож на обычный маховик. Такой генератор лучше защищен от попадания грязи и влаги, более устойчив к короткому замыканию и перегрузкам, а выходное напряжение асинхронного электрогенератора отличается меньшей степенью нелинейных искажений. Это позволяет использовать асинхронные генераторы не только для питания промышленных устройств, которые не критичны к форме входного напряжения, но подключать электронную технику. Именно асинхронный электрогенератор является идеальным источником тока для приборов, имеющих активную (омическую) нагрузку: электронагревателей, сварочных преобразователей, ламп накаливания, электронных устройств, компьютерную и радиотехнику. Преимущества асинхронного генератора. К таким преимуществам относят низкий клирфактор (коэффициент гармоник), характеризующий количественное наличие в выходном напряжении генератора высших гармоник. Высшие гармоники вызывают неравномерность вращения и бесполезный нагрев электромоторов. У синхронных генераторов может наблюдаться величина клирфактора до 15%, а клирфактор асинхронного электрогенератора не превышает 2%. Таким образом, асинхронный электрогенератор вырабатывает практически только полезную энергию. Еще одним преимуществом асинхронного электрогенератора является то, что в нем полностью отсутствуют вращающиеся обмотки и электронные детали, которые чувствительны к внешним воздействиям и довольно часто подвержены повреждениям. Поэтому асинхронный генератор мало подвержен износу и может служить очень долго. На выходе наших генераторов идет сразу 220/380В переменного тока, который можно использовать напрямую к бытовым приборам (например обогреватели), для зарядки аккумуляторов, для подключения к пилораме, а также для параллельной работы с традиционной сетью. В этом случае Вы будете оплачивать разницу потребленной из сети и сгенерированной ветряком. Т.к. напряжение идет сразу промышленных параметров, то Вам не понадобятся различные преобразователи (инверторы) при прямом включении ветрогенератора к Вашей нагрузке. Например Вы можете напрямую подключить к пилораме и при наличии ветра - работать так, как если бы Вы просто подключились к сети 380В. Как известно, для сокращения времени торможения при остановке производственных машин и механизмов часто применяются механические тормоза. Сокращение времени торможения, особенно в случае непродолжительного цикла работы, приводит к существенному повышению производительности машин и механизмов. Недостатками механических тормозов являются быстрый износ трущихся поверхностей, сложность и необходимость периодического регулирования тормозящего усилия, необходимость дополнительного места для размещения тормоза и его соединения с механизмом. Все перечисленные недостатки устраняются, если для указанных целей вместо механического тормоза использовать свойства электродвигателей работать в тормозных режимах, т. е. работать по существу в качестве генератора и развивать не вращающий, а тормозной момент. Во многих подъемно-транспортных машинах (кранах, лифтах, эскалаторах и т. д.), где возможно движение под действием сил тяжести, с помощью тормозного момента электродвигателя обеспечивается постоянная, установившаяся скорость опускания грузов. Электродвигатели постоянного тока могут работать в трех тормозных режимах:

- в режиме противовключения;

- в генераторном режиме с отдачей энергии в сеть;

- в режиме динамического торможения.

В любом из тормозных режимов электродвигатель работает как генератор, преобразует, например, кинетическую энергию движущихся частей либо потенциальную энергию опускающегося груза в электрическую энергию.

36При реверсировании двигателя на ходу путем переключения рубильника вначале происходит торможение от данной скорости до нулевой, а затем разгон в другом направлении. Такое торможение может быть использовано также для торможения при так называемом противовключении.При таком реверсировании или торможении у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором имеют место значительные токи. Поэтому исходя из условий нагрева для этих двигателей допустимо число реверсирований в час не более десятков. Для ограничения токов и увеличения вращающих моментов в цепь фазного ротора асинхронного двигателя вводят сопротивление. Рассмотрим три основных способа электрического торможения асинхронных двигателей. Торможение по способу противовключения,как было указано, производится при переключении двигателя на ходу. Магнитное поле при этом вращается в другую сторону относительно направления вращения двигателя, и вращающий момент двигателя является тормозным — действует против направления вращения. Генераторное торможениеимеет место при переключении многоскоростного двигателя на ходу с большей скорости на меньшую, т.е. при переключении машины с меньшего числа полюсов на большее. В первый момент переключения скорость двигателя оказывается намного больше скорости его поля, т.е., скольжение получается отрицательным и машина переходит в режим работы генератором. Торможение происходит с превращением кинетической энергии вращающихся частей в электрическую энергию, которая за вычетом потерь в машине отдается в сеть. Генераторное торможение может быть также в подъемнике при спуске тяжелого груза, разгоняющего двигатель до скорости, превышающей синхронную; тогда машина начинает отдавать в сеть энергию, сообщаемою ей опускающимся грузом. Торможение в режиме работы генератором возможно только при сверхсинхронной скорости. Если двигатель в конце торможения должен быть остановлен, то к концу торможении следует перейти на механическое торможение или на другой вид электрического (динамическое, противовключение). Фиксации положения в конце при необходимости производится только с помощью механического тормоза. При динамическом торможенииобмотка статора двигателя отключается от трехфазной сети и включается в сеть постоянного или однофазного переменного токи. При этом возможны различные способы соединения фаз обмотки статора. Обмотка статора, питаемая постоянным током, создает неподвижное магнитное поле. Аналогично тому, как при нормальной работе двигателя его вращающееся поле увлекает за собой ротор, неподвижное поле при динамическом торможении заставляет ротор быстро останавливаться. Кинетическая энергия вращающихся частей переходит в теплоту, выделяющуюся в цепи ротора за счет токов, индуктированных в ней неподвижным полем статора. Плавность торможения обеспечивается регулированием напряжения на зажимах статора, Тормозной момент двигателя с фазным ротором может регулироваться также реостатом в цепи ротора. Недостатком динамического торможения является необходимость наличия источника постоянного тока с низким напряжением.

37 Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре. Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор. Наиболее частым исполнением является такое, при котором якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор. Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора. Индуктор состоит из полюсов - электромагнитов постоянного то ка или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, незаполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса. Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали (то есть набранную из отдельных листов). Электротехническая сталь обладает рядом интересных свойств. В том числе она имеет повышенное содержание кремния, чтобы повысить её электрическое сопротивление и уменьшить тем самым вихревые токи.

Принцип действия

Как всякая электрическая машина синхронная машина может работать в режимах двигателя и генератора. В зависимости от положения основной массы ротора (М) он может быть межопорным, если существенная часть массы расположена между опорами (рис. 1., а); консольным, если она находится за одной из крайних опор (рис. 1.); двухконсольным при расположении существенной части массы за двумя крайними опорами. Возможны и смешанные варианты расположения основной массы.

 

38 Известно, что синхронный двигатель не способен запуститься самостоятельно даже при полном отсутствии нагрузки на валу. Причина состоит в том, что направление вращающего момента двигателя в любой случайный момент времени зависит от взаимной направленности векторов напряженности электромагнитных полей ротора и статора. Поскольку статор синхронного двигателя создает вращающееся поле, а магнитное поле ротора создается постоянным током и неподвижно, то и вектор электромагнитного момента двигателя непрерывно меняет свое направление на противоположное. Происходит это с частотой изменения напряжения сети, равной в наиболее общем случае 50 герцам. Разумеется, что ротор при этом не может прийти во вращение, так как для разгона ему требуется как минимум несколько секунд. Развить какую-то полезную мощность на рабочем валу синхронный двигатель может только тогда, когда ротор уже вращается со скоростью, сколько-нибудь близкой к синхронной. Поэтому для запуска синхронный привод необходимо каким-то образом разогнать, а лишь затем подать напряжение на обмотку постоянного тока ротора и на статорную обмотку. При этом магнитное поле роторной обмотки начинает взаимодействовать с полем статора, и двигатель втягивается в «синхронизм». Подачу постоянного напряжения на роторную обмотку можно обеспечить при помощи аккумуляторной батареи или генератора, устанавливаемого на вал двигателя. Проблема предварительного разгона ротора долгое время решалась только при помощи дополнительной электрической машины – разгонного асинхронного двигателя, включавшегося только на время пуска привода. Но более популярным на сегодняшний день является пуск синхронного двигателя с помощью дополнительной короткозамкнутой обмотки ротора. При этом синхронный двигатель запускается как асинхронный. Пусковая обмотка синхронного двигателя часто выполняется из латуни, а не из меди, чтобы снизить потребляемый двигателем ток при асинхронном пуске. На время асинхронного пуска синхронного привода роторная обмотка постоянного тока двигателя должна быть замкнута на активное сопротивление, превышающее собственное сопротивление обмотки в 8-12 раз. Это требование связано с тем, что при пуске в этой обмотке наводится повышенная ЭДС, которая может вызвать пробой изоляции витков, не будучи разряженной. Иногда из этих же соображений роторную обмотку синхронного двигателя на время пуска замыкают на якорь генератора, если расчеты подтверждают способность последнего выдержать повышенную пусковую нагрузку. В любом случае запуск синхронного привода является технически сложной задачей. Требуется установка дополнительных электрических машин и монтаж электрооборудования, контролирующего и согласовывающего подачу напряжения на обмотки приводного двигателя. Из-за осложненного пуска сфера применения синхронных приводов очень ограничена. Обыкновенно синхронные двигатели применяются в мощных электромеханических установках, длительно работающих при постоянной нагрузке без остановов и пусков. Это может быть, например, привод электромашинного преобразовательного агрегата, привод мощной насосной или вентиляционной установки. Несомненным достоинством синхронного двигателя в таких приводах является возможность регулирования коэффициента мощности для обеспечения высоких энергетических показателей. Наиболее простыми решениями смягчения пусковой характеристики являются:1)- пуск с переключением обмоток двигателя со схемы «звезда» на схему «треугольник»;2) включение резисторов в цепь статора при пуске;3) использование автотрансформатора;4) широко используются пусковые схемы с включением в роторную цепь двигателя пусковых сопротивлений, при этом достигается ограничение пускового тока с сохранением величины пускового момента; однако такие схемы применимы только для двигателей с фазным ротором.

 

39 Прежде чем приступить к рассмотрению особенностей механической характеристики различных типов двигателей, обратимся к ранее рассмотренным уравнениям, общим для всех типов электродвигателей. Во-первых, это выражение для определения ЭДС E, наводимой в обмотке якоря (10). Поскольку эта ЭДС имеет направление, встречное по отношению к приложенному к зажимам двигателя напряжению U, то ее называют противо-ЭДС: E = c_enФ.Во-вторых, уравнение напряжений двигателя (5) U = E+I·R_я И наконец, выражение для электромагнитного момента двигателя (13) M = c_мI_яФ. Эти уравнения позволяют провести анализ наиболее значимых характеристик и особенностей работы двигателей. КПД синхронного генератора определяется как отношение полезной отдаваемой мощностиP₂ к подводимой P₁:
(1.1.13)
где ΣΔp - сумма потерь в генератор, к которым относятся: механические потери (с учетом потерь на вентиляцию), электрические потери в обмотках статора и возбуждения, потери в блоке самовозбуждения или в возбудителе, если он находится на одном валу с генератором, добавочные потери.

 

40 Для синхронного двигателя можно написать такие же по виду выражения мощностей, как и для синхронного генератора. Однако применительно к двигателю они будут иметь иные значения. У двигателя P_φ = 3UI cos φ представляет собой мощность, потребляемую им из трехфазной сети. Вычитая из этой мощности потери мощности в обмотке якоря, получаем электромагнитную мощность, т. е. мощность, преобразуемую из электрической в механическую, развиваемую вращающимся ротором: P_эм = P_ψ - ΔР_я = 3UI cos φ - 3I²r = 3E₀I cos ψ. Электромагнитный момент синхронного двигателя может быть выражен через мощность Р_эм и угловую скорость ω = πn/30 ротора: М = Р_эм/ω. Заменив мощность Р_эм ее выражением, получим

(11,13)

M =	3E0Icos φ	.
ω

Если из точки А векторной диаграммы (рис. 11.9, а) опустить перпендикуляр АГ на линию ОВ, то можно получить следующее равенство:

I cos ψ = U sin θ/x_c .

Заменив I cos ψ в (11.13) его выражением, получим

(11,14)

M =	3E0U	sin θ.
ωхс

Как видно, при постоянных значениях U, Е, ω и х_с момент двигателя прямо пропорционален sin θ. Зависимость М (θ) называется угловой характеристикой синхронного двигателя и приведена на рис. 11.10 в первом квадранте. В пределах от θ = 0 до θ = 90° расположена устойчивая часть характеристики, называемая так потому, что именно здесь возможна устойчивая работа двигателя с различными моментами сопротивления. Любое изменение момента сопротивления М_с при работе на устойчивой части характеристики приводит к такому изменению момента двигателя М, при котором неизбежно наступает равенство моментов М и М_с . На устойчивой части характеристики расположена точка А, соответствующая номинальному режиму работы. При номинальном режиме θ_ном = 20 ÷ 30°. Максимальный момент, который в состоянии развивать двигатель, наступает при θ = 90°:

Mmax =	3UE0	.
ωхс

Если момент сопротивления М_с окажется больше момента М_max, то двигатель не в состоянии будет его уравновесить и остановится. Отношение М_max/М_ном называется перегрузочной способностью двигателя и для различных двигателей лежит в пределах 2 — 3,2. Перегрузочная способность может быть при необходимости увеличена за счет повышения ЭДС Е₀. Из выражения максимального момента следует, что последний и, следовательно, перегрузочная способность синхронного двигателя пропорциональны первой степени напряжения в отличие от асинхронного двигателя, у которого она пропорциональна квадрату напряжения. Из этого следует, что синхронные двигатели менее чувствительны к изменению напряжения, чем асинхронные. Следует обратить внимание на то, что длительная нагрузка двигателей, превышающая номинальную, недопустима, так как двигатель при этом будет перегреваться. Возможная кратковременная перегрузка должна быть учтена при выборе двигателя по мощности.

Рис. 11.10. Угловая характеристика синхронного двигателя

Рис. 11.11. Механическая характеристика синхронного двигателя

Рассмотрим явления, происходящие при изменении нагрузки двигателя. Допустим, что двигатель работает с моментом М = М_с и углом θ (см. рис. 11.10), чему соответствует векторная диаграмма, изображенная на рис. 11.9, а. В результате изменения момента сопротивления, например, от М_с до М_с > М_с происходит кратковременное снижение частоты вращения ротора, что сопровождается соответствующим изменением частоты индуктированной ЭДС Е₀ и, следовательно, частоты вращения вектора ЭДС Е₀ на векторной диаграмме. В результате этого возрастает угол сдвига фаз θ ЭДС Е₀ относительно напряжения U и как следствие увеличиваются ток I, падение напряжения Iх_c , момент Ми мощности Р_φ и Р_эм .

Перечисленные величины возрастают до тех пор, пока при некотором угле θ₁ (см. рис 11.9, б и 11.10) момент двигателя М₁ не сравняется с моментом сопротивленияМ_с1. При М₁ = М_с1 частота вращения ротора снова станет равной частоте вращения поля якоря: n = n₀ = 60f/р. При уменьшении момента сопротивления угол θ и, следовательно, значения I, Iх_c , М, P_φ и Р_эм также уменьшаются, а при θ = 0 все они, кроме I и Iх_с , оказываются равными нулю. Векторная диаграмма для случая θ = 0 дана на рис. 11.9, в Как видно, при θ = 0 двигатель потребляет чисто индуктивный ток. Нетрудно установить, что если бы двигатель был возбужден до ЭДС E₀ = U, то при θ = 0 токI был бы равен нулю. Так как при изменении нагрузки двигателя происходит лишь относительно небольшое смещение ротора относительно вращающегося поля (изменение угла θ), то механическая характеристика синхронного двигателя представляется линией, параллельной оси абсцисс (рис. 11.11). Двигатель имеет постоянную частоту вращения при изменении момента вплоть до максимального значения. Синхронные двигатели могут работать кроме двигательного режима в тормозном генераторном режиме с отдачей энергии в сеть. Генераторный режим возникает в том случае, если к валу двигателя приложить не тормозящий, а вращающий момент. Двигатель в генераторном режиме представляет собой по существу генератор, работающий параллельно с сетью. Угловая и механическая характеристики двигателя в генераторном режиме приведены соответственно на рис. 11.10 и 11.11 в третьем и втором квадрантах.

 

41 V-образные характеристики-зависимость тока статора от тока возбуждения ротора при постоянной активной мощности. Показывают возможность регулирования реактивной мощности.

 

42 Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного тока обратима. Машина постоянного тока образуется из синхронной обращённой конструкции, если её якорь снабдить коллектором, который в генераторном режиме играет роль выпрямителя, а в двигательном — преобразователя частоты. Благодаря наличию коллектора по обмотке якоря проходит переменный ток, а во внешней цепи, связанной с якорем, — постоянный. Якорь состоит из сердечника магнитопровода, обмотки 5, вала 6 и конструктивных деталей для их крепления. Сердечник якоря представляет собой стальной цилиндр, набранный из штампованных листов 1 (рисунок 1.7) электротехнической стали толщи­ной 0,5 мм, которые изолируются друг от друга лаком для уменьше­ния потерь от вихревых токов.

Рисунок 1.7

В листах штампуются пазы для размещения в них обмотки якоря и отверстия для насаживания сердечника на вал якоря, для стяжных шпилек и осевой вентиляции. Пакет железа якоря крепится на валу шпонкой, а с торцов стягивается нажимными кольцами. В боль­ших машинах якорь состоит из нескольких пакетов штампованных лис­тов, между которыми делаются промежутки для лучшего охлаждения ма­шины (радиальная вентиляция). Часть сердечника якоря, занятая па­зами, называется зубцовой зоной.

Обмотка якоря выполняется из изолированного провода круглого или прямоугольного сечения. Она состоит из отдельных элементов – сек­ций (рисунок 1.8), образованных из одного или нескольких витков.

Рисунок 1.8

Сек­ции изготавливаются по шаблонам. Часть секции 1, заложенная в пазы сердечника якоря, называется пазовой или активной частью. Часть секции 2, расположенная вне сердечника – в воздухе и соединяющая активные части, называется лобовой частью (лобовые соединения). Концы секций припаиваются к коллекторным пластинам. Для крепления секций в пазах применяются деревянные, гетинаксовые или текстоли­товые клинья. Кроме витковой изоляции обмотка имеет пазовую изо­ляцию от сердечника. Лобовые части закрепляются с помощью прово­лочного бандажа. Электроизоляционные материалы, применяемые для изоляции об­моток, по степени термостойкости делятся на классы, которые допус­кают определенную температуру нагрева. В машинах постоянного тока применяются в основном классы А, В, С и Н. Коллектор (рисунок 1.9) набирается из медных пластин I, изолиро­ванных друг от друга и от вала, на котором он крепится, с помощью миканитовых прокладок 8 и манжет 5,7. Состороны, обращенной к валу, пластины имеют форму ласточкиного хвоста 2. В два конусооб­разных углубления коллектора вставляются изолированные нажимные конусы 3,4, которые стягивают коллекторные пластины в осевом нап­равлении. В собранном виде коллектор спрессовывают в горячем сос­тоянии, после чего обтачивают для придания ему строго цилиндричес­кой формы.

 

43 Работа электрической машины постоянного тока в режиме генератора

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

где U - напряжение на зажимах генератора; R_я - сопротивление обмотки якоря.

(11.2)

Уравнение (11.2) называется основным уравнением генератора. С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы. На рис. 11.5 схематично изображен генератор постоянного тока, показаны направления токов в проводниках якор ной обмотки.

Рис. 11.5

Воспользовавшись правилом левой руки,

видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент М_эм, препятствующий вращению якоря генератора.
Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент.

 

44 Все рабочие характеристики двигателя постоянного тока, как и генератора, зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным, смешанным и, наконец, они могут быть независимы друг от друга. Двигатель с независимым возбуждением.

 

Если обмотку возбуждения подключить к другому источнику постоянного напряжения, то получим двигатель с независимым возбуждением. Такими же свойствами обладают электродвигатели с постоянным магнитом. Скоростная характеристика двигателей с независимым и параллельным возбуждением – это зависимость n = f ( Iя ) при U = const и Iе = const, где n - скорость

Iя - ток якоря

Iе - ток возбуждения.

Рис.8.5.4. Скоростная характеристика.

Изменение скорости вращения может происходить за счёт изменения нагрузки и магнитного потока. Увеличение тока нагрузки незначительно изменяет внутреннее падение напряжения из-за малого сопротивления цепи якоря и поэтому лишь незначительно уменьшает скорость вращения двигателя. Что же касается магнитного потока, то вследствие реакции якоря при увеличении тока нагрузки он несколько уменьшается, что приводит к незначительному увеличению скорости двигателя. Таким образом, скорость вращения двигателя с параллельным возбуждением изменяется очень мало. Скорость вращения двигателя определяется формулой: n = (U – IяRя) / c∙Φ, где c – коэффициент, зависящий от устройства машины. Скорость вращения двигателя с независимым возбуждением можно регулировать либо изменением сопротивления в цепи якоря, либо изменением магнитного потока. Следует отметить, что чрезмерное уменьшение тока возбуждения и, особенно, случайный обрыв этой цепи очень опасны для двигателей с параллельным и независимым возбуждением, т.к. ток в якоре может возрасти до недопустимо больших значений. При небольшой нагрузке (или на холостом ходу) скорость может настолько возрасти, что станет опасной для целостности двигателя.

 

45Все рабочие характеристики двигателя постоянного тока, как и генератора, зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным, смешанным и, наконец, они могут быть независимы друг от друга Машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, в зависимости от того, какую энергию к ней подвести — если электрическую, то электрическая машина будет работать в режиме электродвигателя, а если механическую — то будет работать в режиме генератора. Однако электрические машины, как правило, предназначены заводом изготовителем для одного определенного режима работы — или в режиме генератора, или электродвигателя. Электродвигатель.Электродвигатели постоянного тока стоят почти на каждом автомобиле — это стартер, электропривод стеклоочистителя, вентилятор отопителя салона и др.В роли индуктора выступает статор, на котором расположена обмотка. На неё подаётся постоянный ток, в результате чего вокруг неё создаётся постоянное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из проводников, запитанных через коллектор. В результате на них действуют пары сил Ампера, которые вызывают вращающий момент. Направление сил определяется по правилу «буравчика». Однако этот вращающий момент способен повернуть ротор только на 180 градусов, после чего он остановится. Чтобы это предотвратить, используется щёточно-коллекторный узел, выполняющий роль переключателя полюсов и датчика положения ротора (ДПР).

 

46. Вращающий момент двигателя постоянного тока

Вращающий момент двигателя постоянного тока создается взаимодействием магнитного потока индуктора Ф с током якоряI_я. При числе параллельных ветвей обмотки якоря 2а сила тока в каждой из них будет равна По формуле вращающий момент, создаваемый каждым стержнем обмотки

где D – диаметр якоря и l – активная длина стержня в м. Полный электромагнитный вращающий момент двигателя в ньютонометрах получим, помножив т на число стержней, в обмотке N:

Обозначив полюсное деление через τ, можем написать:

и окончательно

где постоянный коэффициент

Вращающий момент двигателя постоянного тока пропорционален произведению магнитного потока индуктора на ток якоря.

Механическая мощность на валу двигателя, согласно равенству , выразится формулой

 

 

47 Основной характеристикой для оценки электромеханических свойств электродвигателя является механическая характеристика, представляющая собой зависимость n=f(М) или = f(М). Иногда используется так называемая скоростная характеристика, представляющая собой зависимость n=f(I). или = f(I).

Рис. 2. Механические характеристики двигателя постоянного тока при различных сопротивлениях цепи якоря (а) и напряжениях (б)

Изменяя сопротивление реостата в цепи якоря можно получить при номинальной нагрузке различные угловые скорости электродвигателя на искусственных характеристиках — ω1, ω2, ω3

 

48 Пуск двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока пускаются в ход с помощью пускового реостата, ограничивающего пусковой ток. Из уравнения электрического равновесия

Так как в момент пуска n = 0, то E = с Ф n = 0 и, следовательно

Сопротивление якоря R_я очень мало (десятые, а то и сотые доли ома) и потому пусковой ток якоря I_яn получается очень большим, во много раз превышающим номинальный. Чтобы ограничить пусковой ток, на время пуска последовательно с якорем включается пусковой реостат R_n.

В этом случае

Величина сопротивления R_n выбирается по допустимому пусковому току якоря, обычно

По мере разгона двигателя пусковой реостат ступень за ступенью выводится. Металлические проволочные пусковые реостаты входят в комплект поставки двигателя. При пуске двигателя параллельная обмотка возбуждения включается на полное напряжение, то есть регулировочный реостат R_peг в цепи параллельной обмотки выводится полностью, пуск осуществляется при максимальном потоке Ф, что увеличивает пусковой момент и облегчает запуск. Реверсирование — изменение направления вращения двигателя — производится путем изменения направления действия вращающего момента. Для этого требуется изменить направление магнитного потока двигателя постоянного тока, т. е. переключить обмотку возбуждения или якорь, при этом в якоре будет протекать ток другого направления. При переключении и цепи возбуждения, и якоря направление вращения останется прежним.

 

49 Регулирование скорости вращения двигателей

Из уравнения , с учетом выражения , находим выражение для числа оборотов

Как показывает это выражение, регулировать n можно двумя способами: изменяя поток Ф или напряжение, подведенное к двигателю U. Регулирование скорости изменением потока осуществляется с помощью регулировочного реостата R_peг в цепи возбуждения двигателя (в цепи индуктора). Перемещение движка реостата R_peг приводит к изменению тока возбуждения i_в, а значит, и потока Ф. Регулирование скорости двигателя последовательного возбуждения изменением потока осуществляется с помощью регулировочного реостата R_peг, шунтирующего последовательную обмотку возбуждения. С уменьшением сопротивления шунтирующего реостата R_peг ток возбуждения i_в, а следовательно, и поток Ф уменьшаются, а обороты увеличиваются. Второй способ регулирования скорости применяется обычно тогда, когда параллельно работают два (или более) двигателя, как например, в вагоне трамвая. В этом случае изменение напряжения на зажимах двигателей (при неизменном напряжении сети) достигается в основном изменением схемы взаимного соединения двигателей и частично реостатом в цепи якоря. А якоря двигателей соединены последовательно между собой, последовательно с ними включен пускорегулирующий реостатR_peг, выполняющий одновременно функции пускового и регулирующего реостатов. Напряжение на зажимах двигателей

Когда двигатели остаются соединенными последовательно, но реостат выведен; напряжение на зажимах каждого двигателя

Когда двигатели соединены параллельно, последовательно с ними включен реостат:

Все переключения выполняются с помощью аппарата, называемого контроллером. Возможность плавного, экономичного и в широких пределах регулирования скорости вращения является одним из основных достоинств двигателей постоянного тока.

 

50 Во всех исполнительных механизмах, где используется электрический привод, из соображений безопасности, как правило, применяют механический и электрический способы торможения.- Механическое торможение основано на трении тормозных устройств о вращающиеся части привода, а электрическое — на создании в двигателе тормозного электромагнитного момента М, противоположного направлению вращения. Существуют три вида электрического торможения: рекуперативное, динамическое (реостатное) и противовключением. Рекуперативное торможение. Оно является наиболее экономичным, так как основано на переводе двигателя в генераторный режим с отдачей энергии в сеть. Двигатели параллельного или смешанного возбуждения могут автоматически переходить в режим рекуперативного торможения при частоте вращения больше п0 = U\(сеФ); характеристики продолжатся левее оси ординат, где вращающий момент является отрицательным. В этом случае ЭДС машины становится больше напряжения сети и ток, согласно, меняет свое направление. Автоматический переход двигателя смешанного возбуждения в рекуперативный режим и его сравнительно «мягкие» механические характеристики обусловили его применение для целей электрической тяги на троллейбусах и трамваях. Можно перевести машину в рекуперативный режим и принудительно, уменьшив частоту вращения па путем увеличения тока возбуждения (значит, Ф) или снижения подводимого напряжения U. Двигатель последовательного возбуждения таким способом не может перейти в рекуперативный режим: его характеристика на рис. 7.4 не пересекает ось ординат, а ЭДС Е никогда не может стать больше напряжения U. Дело в том, что Е — сепФу а Ф = с<&1 я (ненасыщенная магнитная система) и, п ~ 1 //„. Поэтому с ростом частоты вращения убывает ток якоря, а с ним и магнитный поток; следовательно, ЭДС Е не увеличивается. На электроподвижном составе двигатели последовательного возбуждения для перевода в рекуперативный режим изменением схемы включения превращают в генераторы независимого возбуждения. Динамическое торможение.Осуществляется путем отключения якорной обмотки от сети и замыканием ее на тормозной резистор (реостат) сопротивлением гт. При этом механическая энергия вращающихся масс преобразуется в электрическую, которая расходуется на нагрев тормозного резистора и других элементов цепи якоря. Обмотка возбуждения двигателя параллельного возбуждения остается включенной в сеть той же полярности и, следовательно, ток возбуждения и магнитный поток остаются неизменными. Так как якорная обмотка отключена от сети, то ток, потребляемый двигателем из сети, равен нулю, но якорь двигателя по инерции продолжает вращаться, вследствие чего в нем наводится ЭДС Е = сепФ. Тормозной ток якоря
(1)
Изменение знака тока приводит к изменению знака момента, который из вращающего становится тормозным:
(2)
Из выражения (2) видно, что при постоянном магнитном потоке Ф тормозной момент зависит от частоты вращения /г, которая вследствие торможения убывает, и от сопротивления тормозного резистора гт. Для поддержания тормозного момента относительно постоянным тормозной резистор выполняют секционированным. По мере уменьшения частоты вращения якоря выводят секции тормозного резистора, уменьшая его сопротивление, и тем самым поддерживают ток и тормозной момент постоянными. У двигателя последовательного возбуждения при динамическом торможении необходимо переключить выводы обмотки возбуждения с тем, чтобы направление тока в ней а значит, и магнитного потока осталось неизменным.