Материал: А27402 Афанасьева НА Булат ЛП Электротехника и электроника Учебн пособие

Пусковой реостат R_п подключается через медно-графитовые щетки к контактным кольцам, расположенным на валу ротора. При этом пусковой ток уменьшается, а пусковой момент возрастает.

По мере разгона АД пусковой реостат закорачивается вручную или автоматически, двигатель переходит на работу по естественной механической характеристике.

Преимущества этого способа пуска – плавный и относительно быстрый пуск при достаточно большом моменте и малом пусковом токе, поэтому АД с фазным ротором применяются в установках с тяжелыми условиями пуска (например: подъемные краны, лебедка, лифты).

11.7. Регулирование частоты вращения ад

Частота вращения ротора АД определяется выражением

.

Исходя из этого выражения можно осуществить три вида регулирования частоты вращения АД.

1. Полюсное регулирование – изменение числа пар полюсов (p).

Переключая катушки обмотки статора на каждой фазе (последовательно или параллельно), можно изменить число пар полюсов статорного поля. Двигатели, в которых технологически предусмотрено это переключение, называются многоскоростными, в них осуществляется ступенчатое регулирование частоты вращения.

2. Частотное регулирование – изменение частоты ( f ) питающего тока в обмотках статора. Этот вид регулирования осуществляется с помощью специальных преобразователей частоты транзисторных или тиристорных. Применяемые в настоящее время преобразователи частоты одновременно с решением задачи регулирования частоты вращения АД решают и проблемы пуска.

3. Изменение скольжения (s).

Изменение скольжения возможно у двигателей с фазным ротором, для которых применяется роторное регулирование частоты вращения.

Это достигается путем введения в цепь фазных обмоток ротора регулируемого трехфазного пускового реостата, изменением сопротивления которого, можно менять частоту вращения двигателя.

Реверсирование АД – изменение направления вращения. Реверсирование осуществляется путем изменения порядка следования двух фаз в обмотках статора. При этом меняется порядок чередования тока в фазах, что вызывает изменение направления вращения поля статора, приводящего к изменению направления вращения асинхронного двигателя (рис. 93).

12. Синхронные двигатели

12.1. Назначение и область применения синхронных машин

Синхронные машины – это такие машины переменного тока, у которых частота вращения ротора равна частоте вращения поля статора (n₁ = n₂), поэтому скольжение у синхронных машин равно нулю. (s = 0). Синхронные машины обратимы, т. е. они могут быть как дви-гателями, так и генераторами.

Синхронные генераторы являются основными источниками электрической энергии в промышленных сетях электроснабжения, на транспорте, передвижных электростанциях и т. д.

Синхронные двигатели (СД) применяются в приводах большой мощности (несколько десятков мегаватт).

Синхронные двигатели приводят во вращение насосы компрессоры, вентиляторы и другие механизмы, работающие с неизменной угловой скоростью.

Кроме того, синхронные двигатели используются в качестве синхронных компенсаторов для улучшения коэффициента мощности предприятия, так как они могут работать в отличие от асинхронных двигателей с различной реактивной мощностью – индуктивной или емкостной. Компенсаторы работают в режиме холостого хода и отдают в сеть только реактивную составляющую мощности, которая необходима для асинхронных двигателей.

Специальные СД малой мощности используются в устройствах, где требуется строгое постоянство угловой скорости – например, электрочасы, автоматические самопишущие приборы, устройства с программным управлением. Изготовление синхронных двигателей сложнее асинхронных и стоимость их выше.

12.2. Устройство, принцип действия и пуск синхронных двигателей

Синхронный двигатель преобразует электрическую энергию переменного тока в механическую энергию при неизменной частоте вращения ротора, равной частоте вращения магнитного поля статора, не зависящей от нагрузки.

СД состоит из неподвижной части – статора и подвижной –ротора. Статор ничем не отличается от статора асинхронного двигателя, статорная обмотка также подключена к сети трехфазного переменного тока.

На роторе имеется обмотка, которая называется обмоткой возбуждения, она подключена через щетки и контактные кольца к независимому источнику постоянного тока – возбудителю.

Ротор СД бывает явнополюсный и неявнополюсный. Синхронные машины проектируют так, чтобы количество полюсов магнитного поля ротора и магнитного поля статора было одинаковым.

Если обмотку возбуждения ОВ синхронного двигателя подключить к источнику постоянного тока, а статорную обмотку включить в сеть трехфазного тока, то СД вращаться не будет, так как возникающее магнитное поле будет вращаться с большей скоростью ₁ относительно неподвижного пока ротора ₂.

Электрическая схема синхронной машины показана на рис. 94.

Это объясняется тем, что вращающееся магнитное поле статора мгновенно набирает скорость, а ротор в силу механической инерции также мгновенно двигаться не может.

Поэтому ротор СД необходимо раскручивать тем или иным способом до частоты вращения, близкой к синхронной.

Существует два способа пуска синхронных двигателей.

1. Синхронный пуск осуществляется с помощью дополнительного разгонного двигателя, находящегося на одном валу с ротором СД, который заставляет ротор вращаться. Этот способ используется только при холостом ходе синхронного двигателя и в настоящее время почти не применяется.

Мощность разгонного двигателя невелика, она определяется мощностью, необходимой только для вращения ротора СД. Когда частота вращения ротора достигает частоты вращения магнитного поля статора, обмотку статора СД подключают к сети трехфазного переменного тока, а в обмотку ротора подается постоянный ток. После этого разгонный двигатель отключается и СД вращается с синхронной скоростью.

2. Асинхронный пуск. При явнополюсном роторе в полюсные наконечники закладывается короткозамкнутая пусковая обмотка из медных или латунных стержней. Она напоминает беличье колесо асинхронной машины, но занимает лишь часть окружности ротора.

Пуск двигателя состоит из двух этапов:

– первый этап: асинхронный набор частоты вращения при отсутствии возбуждения постоянным током;

– второй этап: втягивание в синхронизм после включения постоянного тока возбуждения.

Во время первого этапа обмотку возбуждения СД, находящуюся на роторе, отключают от источника постоянного тока и замыкают на резистор R = (610) R_В, где R_В – сопротивление обмотки возбуждения, т. к. при разомкнутой обмотке в ней может индуктироваться значительная ЭДС, опасная для целостности изоляции.

Двигатель становится как бы асинхронным, и под действием асинхронного момента скорость ротора удается довести примерно до 0,95₁.

После того, как ротор разогнался, обмотку возбуждения снова подключают к источнику постоянного тока (второй этап). Возникает синхронный электромагнитный момент, машина втягивается в синхронизм, т. е. ротор и поле статора вращаются синхронно (₁ = ₂).

При нагрузке на валу в статорной обмотке возникают активные составляющие тока , которые имеют направление, противоположное направлению ЭДС в роторе. Эти токи создают свое вращающее магнитное поле.

В результате воздействия магнитного поля токов статора на постоянные токи обмотки возбуждения ротора возникает электромагнитный момент, вращающий ротор.

Иначе говоря, образование вращающего электромагнитного момента синхронного двигателя можно рассматривать как результат взаимодействия полюсов двух намагниченных тел – статора и ротора, причем ведущий элемент – полюсы статора, а ведомый – полюсы ротора.

Этот вращающий момент уравновешивает противодействующий момент рабочего механизма.

Равенство моментов двигателя и нагрузки не превышает наибольшего значения момента, который в состоянии развить синхронный двигатель.

Если равновесие моментов будет невозможно, то поддержание синхронной скорости вращения ротора нарушается и машина выпадает из синхронизма, скорость машины начинает падать, возникают недопустимые колебания тока и вращающего момента, при этом двигатель надо немедленно отключить от сети.

Уменьшение напряжения в сети, питающей статор, приводит к уменьшению максимального момента, развиваемого двигателем и к снижению его запаса устойчивости, но соответствующим регулированием тока возбуждения ротора можно восстановить прежнее значение момента M_max. Этим синхронный двигатель выгодно отличается от асинхронного.

Недостатки синхронных двигателей:

– сложность конструкции ротора;

– необходимость наличия источника постоянного тока;

– сложность пуска.

Поэтому СД целесообразно применять для установок большой мощности >> 100 кВт, работающих в условиях редких пусков.

12.3. U-образная характеристика синхронного двигателя. Синхронный компенсатор

Рассмотрим режим работы синхронного двигателя, когда тормозной момент на валу M₂ постоянен, а ток возбуждения I_В на роторе меняется.

Для СД, у которого частота вращения const, постоянство тормозного момента M₂ означает, что полезная мощность P₂ – постоянная, а следовательно, потребляемая из сети мощность P₁ и электромагнитная мощность также постоянные. На этом основании строятся U-образные характеристики – зависимость тока статора и коэффициента мощности (I₁ и cos ₁) от тока возбуждения I_В при M₂ = const и U_сети = const.

На рис. 95 представлено семейство таких характеристик для разных значений моментов M₂.

Величина и знак угла сдвига фаз  между током и напряжением зависят от величины тока возбуждения I_в. Изменяя ток возбуждения синхронного двигателя, можно установить такой режим работы, при котором ток, потребляемый двигателем, будет опережать напряжение.

При недовозбуждении, т. е. когда I_в < I_ном, СД ведет себя как индуктивная нагрузка для сети (потребляет из сети реактивную составляющую), а при перевозбуждении, т. е. когда I_в > I_ном СД ведет себя как емкостная нагрузка для сети (отдает в сеть реактивную составляющую). За счет опережающего емкостного тока осуществляется компенсация коэффициента мощности сети.

Это свойство синхронных двигателей используется в синхронных компенсаторах.

Синхронный компенсатор – это синхронный двигатель облегченной конструкции, работающий в режиме холостого хода при значительном перевозбуждении.

Синхронный компенсатор является местным источником реактивной мощности для электроприемников, он освобождает линии передачи большой протяженности от передачи реактивной мощности; устанавливается на крупных подстанциях. Синхронный компенсатор также может стабилизировать напряжение сети: при повышении напряжения сети надо уменьшать ток возбуждения, при понижении напряжения сети – увеличивать ток возбуждения.

На рис. 96, а, б показана линия передачи электроэнергии с применением синхронного компенсатора (а) и приведена векторная диаграмма, поясняющая его применение (б).

При подключении синхронного компенсатора в точке включения электроприемника АД (рис. 96, а) ток в линии равен векторной сумме тока приемника и компенсатора . Как видно из векторной диаграммы (рис. 96, б), ток в линии уменьшается (), угол сдвига фаз (₁ < )между током I_л и напряжением сети уменьшается, а коэффициент мощности увеличивается (cos  ₁ > cos ).

Таким образом, синхронный компенсатор является местным источником реактивной мощности для электроприемников, он освобождает линии передачи большой протяженности от передачи реактивной мощности и позволяет улучшить коэффициент мощности электрической системы. Синхронные компенсаторы устанавливают на крупных подстанциях.

13. Двигатели постоянного тока

13.1. Назначение и область применения машин постоянного тока

Машины постоянного тока энергетически обратимы, т. е. они могут быть как двигателями так и генераторами. Машины постоянного тока широко применяются в качестве двигателей, реже – в качестве генераторов. Двигатели постоянного тока (ДПТ) обладают следующими преимуществами:

– возможностью плавного регулирования частоты вращения;

– лучшими пусковыми качествами, т. е. могут развивать большой пусковой момент при относительно небольшом токе.

Благодаря этому их широко используют в качестве тяговых двигателей на электротранспорте.

Машины постоянного тока входят в состав автомобильного, судового и самолетного электрооборудования, а также дорожно–строи-тельных машин.

Кроме того ДПТ являются исполнительными звеньями систем автоматического регулирования.

Генераторы напряжением 612 В применяются для питания электролитических ванн, зарядки аккумуляторных батарей.

В пищевой промышленности на складских помещениях применяются электропогрузчики и электротележки с источником питания в виде аккумуляторных батарей, поэтому там применяются ДПТ со смешанным возбуждением мощностью 510 кВт.

Кроме того, на пищевых предприятиях нашли применение промышленные роботы (ПР), которые позволили освободить человека от тяжелых или ручных операций, включая и вредные работы, а следовательно перейти к комплексной автоматизации серийного производства. Следящие приводы ПР строятся на базе электродвигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. К преимуществу этих двигателей следует отнести их малую инерционность, высокий КПД и независимость магнитного потока возбуждения от изменения температуры окружающей среды.

Общим недостатком ДПТ является сложность их конструкции, связанная со щеточно-коллекторным механизмом, осуществляющим постоянную перекоммутацию цепей электрической машины из-за которой возникает искрение. Это снижает надежность машин и ограничивает область их применения.

Существенным недостатком ДПТ является необходимость предварительного преобразования для них электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

13.2. Устройство и принцип действия двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока состоят из трех основных частей:

– неподвижная часть – станина с индуктором;

– вращающаяся часть – якорь;

– коллектор, закрепленный на валу якоря и вращающийся вместе с ним.

Индуктор – система неподвижных электромагнитов (полюсов), установленных по окружности на станине машины, которые состоят из сердечников, полюсных наконечников, необходимых для создания требуемого распределения магнитного потока и обмоток, называемых обмотками возбуждения.

Сердечники и полюсные наконечники выполнены из листовой электротехнической стали.

Станина – литая или сварная – выполнена из чугуна или стали, на ней устанавливаются полюса и подшипниковые щиты, в которых закрепляются подшипники вала якоря. Станина также является ярмом машины, обеспечивающим замкнутость магнитопровода.

Назначение индуктора – создавать магнитный поток при пропускании тока по обмотке возбуждения.

Якорь состоит из зубчатого сердечника и обмоток, уложенных в пазах сердечника, которые называются обмотками якоря.

Сердечник якоря выполнен из листовой электротехнической стали (толщиной 0,5 мм), из которой штампуют диски с пазами. Диски покрыты изоляционным лаком для уменьшения потерь от вихревых токов.

Обмотки якоря представляют собой секции в виде катушек, выполненных из изолированного медного провода.

Схемы обмоток бывают петлевые или волновые, катушки могут быть соединены последовательно и параллельно. Простую петлевую обмотку имеют двухполюсные машины малой мощности (до 1 кВт) и машины мощностью свыше 500 кВт; простая волновая обмотка применяется для машин малой и средней мощности (до 500 кВт) при напряжении 110 В и выше.