Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

400

ный ток, а потом в переменный ток частоты f

, поступающий в сеть.

На рис. 68.8, а приведена схема преобразования частоты в электриче-

ском каскаде Шербиуса. В том каскаде преобразование тока и ЭДС E

частоты f

в постоянные ток и ЭДС производится одноякорным пре-

образователем ОП, контактные кольца которого присоединены к об-

мотке ротора АД. Вторая стадия преобразования осуществляется c

помощью агрегата постоянной скорости вращения, состоящего из

машины постоянного тока МП, питающейся от якоря ОП, и синхрон-

ного генератора СГ, включенного в сеть с частотой f

В связи с нарушением устойчивости работы ОП при малых сколь-

жениях (s < 0,1) каскад допускает регулирование частоты вращения

только вниз от синхронной примерно от 0,9Ω

до 0,5Ω

. Мощность

регулирования P

потребляется ОП, который работает со стороны ко-

лец как двигатель, и передается машине постоянного тока МП, кото-

рая приводит во вращение синхронный генератор СГ. Последний воз-

вращает мощность P

(за вычетом потерь при преобразовании) в сеть

с частотой f

Регулирование частоты вращения АД производится изменением

тока возбуждения машины постоянного тока. Более широкие преде-

лы регулирования (до 10 : 1) вниз от синхронной частоты вращения

можно получить, если заменить ОП агрегатом, состоящим из син-

хронного двигателя и генератора постоянного тока. Такой каскад

называется асинхронно-синхронным. В нем мощность регулирова-

ния не ограничивается возможностями одноякорного преобразова-

теля и лимитируется только предельной мощностью машин постоян-

ного тока, что позволяет выполнить асинхронно-синхронный каскад

с главным двигателем мощностью до 30 000 кВт и с пределами регу-

лирования 8: 1 (в таком каскаде машины постоянного тока имеют

ВИ

ОП

МП

СМ

б)

в)

Рис. 68.8. Возможные исполнения преобразователя частоты в электрических кас-

кадах с промежуточным звеном постоянного тока

401

двухъякорное исполнение). По мере развития силовой полупровод-

никовой техники электромашинные преобразователи частоты все в

большей степени вытесняются более надежными и экономичными

вентильными преобразователями. В вентильно-машинном электри-

ческом каскаде, преобразователь частоты которого изображен схе-

матически на рис. 68.8, б, одноякорный преобразователь заменен

выпрямительным мостом В, образованным из неуправляемых полу-

проводниковых вентилей. Преобразование постоянного тока в пере-

менный частотой f

производится точно так же, как и в каскаде Шер-

биуса. Следующий шаг во внедрении полупроводниковой техники

состоял в том, что агрегат постоянной частоты вращения (МП + СГ )

был заменен инверторным мостом И, образованным из управляемых

полупроводниковых вентилей. Электрический каскад с промежуточ-

ным звеном постоянного тока, в котором обе стадии преобразования

осуществляются вентилями, называется асинхронно-вентильным. Схе-

ма преобразователя частоты такого каскада, состоящего из выпрями-

теля В, инвертора И и согласующего сетевого трансформатора Т,

показана на рис. 68.8, в.

Наряду с наиболее распространенными электрическими каскадами

с промежуточным звеном постоянного тока получили применение

электрические каскады с непосредственной связью (рис. 68.9), в кото-

рых ток ротора АД с частотой скольжения f

преобразуется непосред-

ственно в ток с частотой сети f

. Возможные исполнения преобразова-

теля частоты ПЧ (см. рис. 68.7, а) в электромашинных электрических

каскадах с непосредственной связью показаны на рис. 68.9, а, б. В схе-

ме по рис. 68.9, а преобразование осуществляется c помощью трехфаз-

ного коллекторного двигателя с параллельным возбуждением КМ

(см. § 68.3), который питается током частотой f

от обмотки ротора

АД, потребляя мощность регулирования P

, и приводит во вращение

КМ

ПЧ

ДП

СМ

РУ

РТ

б) в)

Рис. 68.9. Возможные исполнения преобразователя частоты в электрических кас-

кадах с непосредственной связью

402

(с постоянной частотой) синхронный генератор СГ, присоединенный к

сети с частотой f

. Регулирование частоты вращения осуществляется

изменением добавочной ЭДС E

, индуктируемой в обмотке ротора

КМ, что достигается изменением ее тока возбуждения c помощью

регулировочного устройства РУ. Частота вращения в приведенной

схеме может регулироваться только вниз от синхронной, так как при

s = 0 коллекторная машина теряет возбуждение. Частота вращения

должна быть менее 0,7 синхронной, так как при меньших значениях

частота на щетках коллекторной машины будет превосходить 15 Гц,

что является недопустимым по условиям коммутации. Схема по рис.

68.9, б, в которой используется коллекторный преобразователь часто-

ты ПЧ (см. § 68.2), позволяет регулировать частоту вращения как вниз,

так и вверх от синхронной, поскольку дополнительная ЭДС частоты

скольжения не задается с помощью регулировочного трансформатора

РТ и не зависит от скольжения главного двигателя. Мощность регули-

рования P

передается от ротора АД через ПЧ и РТ непосредственно

всеть.

Двигатель постоянного тока ДП, приводящий во вращение ротор

ПЧ, рассчитывается только на мощность потерь в ПЧ. С помощью ДП

устанавливается такая частота вращения ротора ПЧ, при которой час-

тота ЭДС на его щетках совпадает с частотой скольжения АД. По

условиям коммутации ПЧ частота вращения каскада может регулиро-

ваться примерно в пределах 0,75—1,25 синхронной.

При современном развитии силовой полупроводниковой техники

преобразователь частоты в электрическом каскаде с непосредствен-

ной связью может быть выполнен полностью вентильным. Принци-

пиальная схема такого вентильного преобразователя частоты приве-

дена на рис. 68.9, в.

Реверсивный преобразователь, выполненный по встречно-парал-

лельной схеме, состоит из трех однофазных блоков, образованных из

управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров). На вход

преобразователя подается напряжение U

частотой f

, на его выходе

получается напряжение E

частотой f

. Преобразователь управля-

ется сигналами на включение вентилей, поступающими от блока

управления. Регулирование частоты выходного напряжения f

про-

изводится изменением числа полуволн входного напряжения, укла-

дывающихся в полуволну выходного напряжения. Регулирование

выходного напряжения E

осуществляется изменением углов вклю-

чения вентилей.

Каскад с реверсивным вентильным преобразователем допускает

регулирование частоты вращения как вниз, так и вверх по отношению

403

к синхронной. Однако для обеспечения устойчивости при сверхсин-

хронной скорости требуется принимать специальные меры.

Возможные исполнения электромеханических каскадов приведе-

ны на рис. 68.10. Электромеханические каскады могут быть выполне-

ны с промежуточным звеном постоянного тока (рис. 68.10, а, б) или

без такого звена — с непосредственной связью (рис. 68.10, в).

В электромеханических каскадах с промежуточным звеном по-

стоянного тока (см. рис. 68.7, а, б) мощность регулирования P

воз-

вращается на вал асинхронного двигателя АД с помощью двигателя

постоянного тока МП, получающего питание от обмотки ротора АД

через преобразователь частоты ПЧ. Преобразователь частоты выпол-

няет в этом случае функции выпрямителя, преобразуя ток и ЭДС E

частотой f

в постоянные ток и ЭДС. В схеме электромашинного кас-

када Кремера, приведенной на рис. 68.10, а, в качестве выпрямителя

используется одноякорный преобразователь ОП. В связи с этим схеме

присущи те же недостатки, что и каскаду Шербиуса (см. ранее): воз-

можность регулирования только вниз от синхронной скорости; нару-

шение устойчивости ОП при s < 0,1; ограничения по мощности.

Поэтому в мощных электромеханических каскадах применяют вме-

сто одноякорного преобразователя агрегат, состоящий из синхронно-

го двигателя и генератора постоянного тока. Такой электромеханиче-

ский каскад называется асинхронно-синхронным. В вентильно-ма-

шинном электромеханическом каскаде, схема которого изображена

на рис. 68.10, б, выпрямление тока частотой f

производится с помо-

щью выпрямительного моста В, составленного из неуправляемых по-

лупроводниковых вентилей.

Одно из возможных исполнений электромеханического каскада с

непосредственной связью показано на рис. 68.10, в. В этих каскадах

преобразователь частоты вообще отсутствует, а в качестве двигателя,

реализующего мощность скольжения P

, применяется коллекторный

двигатель переменного тока КМ (в рассматриваемом исполнении

ОП

МП

АД

КМ

РУ

АД

б)

в)

Рис. 68.10. Возможные исполнения электромеханических каскадов

404

трехфазный коллекторный двигатель с параллельным возбуждением,

см. § 68.3). В трехфазном коллекторном двигателе частота ЭДС E

на

щетках двигателя совпадает с частотой тока f

в его обмотке возбуж-

дения. Поэтому с его помощью можно ввести в обмотку ротора асин-

хронного двигателя ЭДС E

частоты скольжения. Эту ЭДС и, следова-

тельно, скольжение главного двигателя АД можно изменять регулиро-

вочным устройством РУ. По тем же причинам, что и в электрическом

каскаде с коллекторным двигателем, регулирование частоты враще-

ния в рассматриваемой схеме может производиться только вниз от

синхронной (частоты вращения выше синхронной могут быть полу-

чены, если обмотка возбуждения КМ будет питаться от независимого

источника напряжения частоты скольжения). Из-за ограничений по

условиям коммутации мощность коллекторной машины в каскаде не

должна превышать 150—200 кВт, а мощность каскада (при регулиро-

вании до 0,7 синхронной скорости) — 450—600 кВт.

В настоящее время электромашинные каскады почти полностью

вытеснены вентильно-машинными и вентильными каскадами, кото-

рые могут быть выполнены на любые мощности и пределы регулиро-

вания и обладают рядом других достоинств.

68.5. Однофазные оллеторные двиатели

Однофазные коллекторные двигатели напоминают по своему уст-

ройству двигатели постоянного тока. На роторе этих двигателей рас-

полагается замкнутая якорная обмотка, присоединенная к коллекто-

ру. Магнитопровод статора может иметь явнополюсное или неявно-

полюсное исполнение. В целях уменьшения магнитных потерь он на-

бирается из изолированных листов электротехнической стали. В па-

зах статора располагается разноименнополюсная сосредоточенная

или распределенная однофазная обмотка.

В однофазных коллекторных двигателях с последовательным воз-

буждением обмотки статора и ротора соединяются электрически

последовательно (см. рис. 68.12); в индукционных однофазных кол-

лекторных двигателях между обмотками статора и ротора имеется

только трансформаторная связь (см. рис. 68.15).

Особенности электромагнитных процессов в однофазных дви-

гателях. Электродвижущие силы в обмотках ротора. Переменный

магнитный поток взаимной индукции Φ, образуемый переменными

токами в обмотках однофазного двигателя, может быть разложен на

две составляющие: продольный поток Φ

и поперечный поток Φ

(рис. 68.11). При вращении ротора в продольном поле на его щетках

индуктируется ЭДС вращения e

, пропорциональная мгновенному

405

значению продольного пото-

ка Φ

. Если поток Φ

изменя-

ется с частотой f

, то ЭДС e

тоже будет изменяться сину-

соидально в фазе (в режиме

генератора) или в противофа-

зе (в режиме двигателя) с по-

током Φ

. Ее мгновенное зна-

чение может быть рассчитано

по формуле, выведенной при-

менительно к машине посто-

янного тока (§ 64.4). Распро-

страняя эту формулу на ам-

плитудное значение ЭДС E

вm

и имея в виду, что E

вm

= , находим действующее значение ЭДС

вращения

, (68.13)

где Φ

— амплитуда продольного потока; f = pΩ/(2π) — частота

вращения ротора; Ω — угловая скорость ротора.

Кроме того, в параллельной ветви обмотки ротора, включенной ме-

жду щетками, будет индуктироваться так называемая трансформатор-

ная ЭДС e

. Эта ЭДС индуктируется в результате изменения попереч-

ного потока Φ

с частотой f

и имеет ту же природу, что и ЭДС во вто-

ричной обмотке трансформатора. Действующее значение этой ЭДС

. (68.14)

В этой формуле Φ

— амплитуда поперечного потока; k

= k

≈

≈ 2/π — обмоточный коэффициент (см. § 64.4).

Трансформаторная ЭДС не зависит от частоты вращения ротора и

отстает от потока Φ

на угол π/2.

Электромагнитный момент. Мгновенный вращающий электро-

магнитный момент, воздействующий на ротор однофазного двигате-

ля, может быть рассчитан по формуле, выведенной для машины по-

стоянного тока (см. § 64.6):

M = c

iΦ

где i = I

cos ω

t; Φ

= Φ

cos (ω

t – β) — мгновенные ток ротора и

продольный поток.

ΩΦ

/2 22fwΦ

2π

-------

wΦ

(

,f

(

R/2

–

Рис. 68.11. Электродвижущие силы в обмот-

ке ротора однофазного коллекторного дви-

гателя

406

Представляя мгновенный момент как функцию времени

замечаем, что он включает постоянную составляющую, пропорцио-

нальную cos β и переменную составляющую, пропорциональную

cos (2ω

t – β), которая изменяется с двойной частотой 2 f

= 2ω

/(2π). Средний момент M

ср

находится путем интегрирования

мгновенного момента М на протяжении периода T = 1/f

= 2π/ ω

. (68.15)

С этим моментом связаны процессы электромеханического преоб-

разования энергии в однофазном двигателе. Не трудно выразить элек-

тромагнитную мощность, преобразуемую двигателем в механиче-

скую мощность:

эм

= P

мех

= M

ср

Ω = E

I cos β, (68.16)

где , — действующие ЭДС вращения и

ток якоря.

Как видно из (68.16), электромагнитная мощность и электромеха-

ническое преобразование энергии в однофазной машине связаны

только с ЭДС вращения.

Коммутация. В коммутируемых секциях обмотки ротора однофаз-

ного коллекторного двигателя, так же как в трехфазных коллектор-

ных двигателях, индуктируются три ЭДС различной природы: реак-

тивная ЭДС, ЭДС вращения и трансформаторная ЭДС. Реактивная

ЭДС, связанная с изменением тока в коммутируемой секции, пропор-

циональна мгновенному току ротора и частоте вращения; она пред-

ставляет собой переменную ЭДС E

, изменяющуюся в фазе с током

ротора. Электродвижущая сила вращения E

в.к

индуктируется в ком-

мутируемой секции при ее перемещении в поперечном поле; она так-

же пропорциональна частоте вращения и току ротора и представляет

собой переменную ЭДС, изменяющуюся в фазе с током ротора.

Трансформаторная ЭДС E

т.к

индуктируется в коммутируемой секции

вследствие изменения продольного потока Φ

с частотой сети f

;

действующее значение этой ЭДС пропорционально потоку Φ

и час-

тоте сети f

; по фазе она отстает от потока на угол π/2. Появление

трансформаторной ЭДС E

т.к

существенно ухудшает коммутацию тока

-----------------------

2ω

t β–()cos βcos+[]=

ср

---

M dt

∫

-----------------------

βcos==

ΩΦ

/2= II

/2=

407

в однофазных коллекторных двигателях по сравнению с двигателями

постоянного тока.

Однофазный коллекторный двигатель с последовательным

возбуждением. Двигатель схематически изображен на рис. 68.12. По

своей конструкции он мало отличается от двигателя постоянного тока

с последовательным возбуждением. На статоре двигателя кроме

обмотки возбуждения В, включенной последовательно с обмоткой

ротора, располагаются еще две обмотки, также соединенные после-

довательно с ротором: обмотка дополнительных полюсов Д и компен-

сационная обмотка К.

Ток I двигателя определяется из уравнения напряжений

в котором R, X — активное и индуктивное сопротивления последова-

тельно включенных обмоток ротора, возбуждения, компенсационной

и дополнительных полюсов (благодаря компенсирующему действию

обмоток К и Д индуктивное сопротивление X меньше индуктивного

сопротивления обмотки ротора).

Уравнению соответствует диаграмма напряжения на рас. 68.13.

Поскольку продольный поток Φ

, образованный током I в обмот-

ке возбуждения, в ненасыщенной машине пропорционален току I,

ЭДС вращения (68.13) целесообразно выразить через ток I в следую-

щем виде: , где r

— коэффициент пропорциональности,

определяемый по характеристике намагничивания машины и являю-

щийся функцией тока I (если характеристика намагничивания линеа-

ризована, то r

= const); Ω

= Ω/Ω

— относительная угловая ско-

рость; Ω

= 2π f

/p — базисная угловая скорость, имеющая смысл

синхронной угловой скорости при частоте сети.

–

– E

–

jXI

–

++=

т.

д.т

д.р

jXI

–E

Рис. 68.13. Диаграмма однофазного кол-

лекторного двигателя с последователь-

ным возбуждением

Рис. 68.12. Схема однофазного

коллекторного двигателя с по-

следовательным возбуждением

–

– Ω

–

408

Рассматривая уравнения для и совместно, находим ток дви-

гателя

Электромагнитный момент двигателя удобно выразить через элек-

тромагнитную мощность по (68.16)

На рис. 68.14 показано построенное по этому уравнению семейст-

ва механических характеристик двигателя. Характеристики получа-

ются такими же «мягкими», как у двигателя постоянного тока с по-

следовательным возбуждением. Регулирование частоты вращения

двигателя в широких пределах может осуществляться за счет измене-

ния напряжения с помощью регулировочного трансформатора. Для

реверсирования двигателя используется переключение обмотки воз-

буждения с изменением направления тока в ней на обратное.

Крупные однофазные двигатели с последовательным возбуждени-

ем нашли применение только в электрической тяге. В целях улучше-

ния коммутации для их питания используется переменный ток пони-

женной частоты (16

2/3

или 25 Гц). Для получения напряжения на щет-

ках, допустимого по условиям коммутации (300 В при 25 Гц и 500 В

при 16

2/3

Гц), двигатели присоединя-

ют к контактной сети, имеющей на-

пряжение 10—25 кВ, через пони-

жающий трансформатор. Тяговые

однофазные двигатели обладают вы-

сокими КПД и cosϕ (КПД ≈ 0,9 и

cosϕ = 0,96 при 16

2/3

Гц) и хорошими

пусковыми свойствами (при пониже-

нии напряжения до 40—50 % U

ном

пусковой момент и начальный пуско-

вой ток близки к номинальным).

Мощность тяговых двигателей дос-

тигает 2500 кВт.

Однако на электрифицированных

железных дорогах тяговые однофаз-

ные двигатели вытесняются двигате-

–

jX++

--------------------------------------

+()

----------------------------------------------------

== =

ср

эм

---------

I βcos

------------------------

[ Rr

+()

--------------------------------------------------------------

== =

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,20

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

ср*

Рис. 68.14. Механические харак-

теристики однофазного коллек-

торного двигателя с последова-

тельным возбуждением

409

лями постоянного тока, питающимися от контактной сети переменно-

го тока 50 Гц через полупроводниковые выпрямители (см. § 65.9).

Однофазные двигатели малой мощьности (до 0,5 кВт), предназна-

ченные для питания от сети 50—60 Гц, широко применяются для

высокоскоростного (до 30 000 об/мин) и регулируемого электропри-

водов (пылесосы, полотеры, швейные машины, электродрели и др.).

Последовательные двигатели малой мощьности (десятки ватт)

часто выпускаются для питания от сетей переменного (50 Гц) и посто-

янного тока. Такие двигатели называют универсальными коллектор-

ными двигателями.

Обмотка возбуждения универсального двигателя имеет дополни-

тельный отвод, который позволяет при питании двигателя от сети

переменного тока отключить часть обмотки, снизить ее индуктивное

сопротивление и получить такую же частоту вращения, как и при пи-

тании от сети постоянного тока.

Однофазные коллекторные двигатели с трансформаторной

связью обмоток статора и ротора (репульсионные двигатели). В

отличие от однофазных двигателей с последовательным возбуждени-

ем в этих двигателях отсутствует электрическая связь между обмот-

ками статора и ротора. Двигатель такого рода с двумя последователь-

но включенными обмотками статора, одна из которых создает про-

дольное поле Φ

, а вторая — поперечное поле Φ

, был предложен

Л. Аткинсоном. В этом двигателе щетки замкнуты накоротко и ток в

обмотке ротора появляется под воздействием трансформаторной

ЭДС E

по (68.14), индуктируемой в результате изменения поперечно-

го потока Φ

с частотой f

По предложению Э. Арнольда вместо двух статорных обмоток,

ориентированных по продольной и поперечной осям ротора, на ста-

торе двигателя располагается всего одна обмотка 1 (рис. 68.15). Цепь

якорной обмотки 2 замыкается накоротко через электрическое соеди-

нение между щетками. С помощью специального приспособления

щетки могут устанавливаться в любом положении по отношению к

оси обмотки статора. Двигатели такого исполнения получили доволь-

но широкое распространение под названием репульсионных двига-

телей или двигателей Томпсона. Двигатели могут включаться непо-

средственно в сеть, и их пуск в ход и регулирование частоты враще-

ния могут осуществляться только при перемещении щеток (без ка-

ких-либо внешних дополнительных регулировочных или пусковых

устройств).

Свойства двигателя существенно зависят от положения щеток, ко-

торое принято характеризовать углом α между продольной осью d и

осью обмотки статора. Разложим пульсирующую МДС обмотки ста-