Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

Несколько большая величина максимального момента в генераторном

режиме объясняется тем, что потери в статоре (на сопротивлении r

) к двига-

тельном режиме уменьшают момент на валу, а в генераторном режиме момент

на валу должен быть больше, чтобы покрыть потери в статоре.

Энергетический баланс в режиме ре-

куперативного генераторного торможения

определяется следующим (рис.3.15). Ме-

ханическая мощность, поступающая на вал

двигателя, преобразуется в

электромагнитную мощность вращающегося

поля Р

эм

и электрическую мощность,

трансформируемую в роторную цепь двигателя. По аналогии с (3.35) получим

SММРРР

Sэммех 00

−

Электромагнитная мощность, за исключением потерь в статоре, отдается

в питающую сеть, а мощность скольжения рассеивается в роторной цепи, Отме-

тим, что в режиме рекуперативного торможения асинхронны» двигатель гене-

рирует и отдает в сеть активную мощность, а для стояния электромагнитного

поля асинхронный двигатель и в режиме генератора должен обмениваться с се-

тью реактивной мощностью. Поэтому асинхронная машина не может работать

автономным генератором при отключении от сети. Возможно, однако, подклю-

чение асинхронной машины к конденсаторным батареям, как к источнику реак-

тивной мощности (см. рис.3.19).

Способ динамического торможения характеризуется тем, что статорные

обмотки отключаются

от сети переменного

тока и подключаются к

источнику

постоянного

напряжения (см.

рис.3.16). При питании обмоток статора постоянным током со> дается непод-

вижное в пространстве электромагнитное попе, т.е. скорость вращения поля ста-

тора ω

0дт

= 0. Скольжение будет равно

ндт

−

где: ω

0н

- номинальная угловая скорость крашения поля статора.

Вид механических характеристик (см. рис.3.17) подобен характеристи-

кам в режиме рекуперативного торможения.

Исходной точкой характеристик является

начало координат. Регулировать интенсивность

динамического торможения можно изменяя

величину тока возбуждения I

дт

в обмотках

статора. Чем выше ток, тем больший тормозной

момент развивает двигатель. При этом, однако

нужно учитывать, что при токах I

дт

> I

1н

на-

чинает сказываться насыщение магнитной цепи

двигателя.

Для асинхронных двигателей с фазным

ротором регулирование тормозного момента может производиться также введе-

нием дополнительного сопротивления в цепь ротора. Эффект от введения доба-

вочного сопротивления аналогичен тому, которое имеет место при пуске асин-

хронного двигателя: благодаря улучшению cos ω

повышается критическое

скольжение двигателя и увеличивается тормозной момент при больших скоро-

стях вращения.

Работу асинхронного двигателя в режиме динамического торможения

можно рассматривать как работу трехфазного асинхронного двигателя при пи-

тании его постоянным током, т.е. током при частоте f

=0. Второе отличие за-

ключается в том, что обмотки статора питаются не от источника напряжения, а

от источника тока. Следует также иметь в виду, что в схеме динамического тор-

можения ток I

дт

протекает (при соединении обмоток в звезду) не по трем, а по

двум фазным обмоткам.

Для расчета характеристик нужно заменить реальный I

дт

эквивалентным

током I

экв

, который, протекая по трем фазным обмоткам, создает ту же намагни-

чивающую силу, что и ток I

дт

Для схемы рис.3.16,б – I

экв

=0,816 I

дт

Для схемы рис.3.16,в – I

экв

=0,472 I

дт

С учетом указанных особенностей

векторная диаграмма асинхронной машины в

режиме динамического торможения

(рис.3.18) будет определяться соотношением:

...

III

экв

Ток намагничивания зависит от тока

ротора при постоянном I

экв

. По мере роста

скольжения ток намагничивания будет уменьшаться под действием реактивного

тока ротора.

Упрощенная формула для приближенного расчета механических харак-

теристик (не учитывающая насыщение двигателя) подобна формуле Клосса для

двигательного режима

дтдткдткдт

дтк

SSSS

Здесь

)(2

хх

Iх

экв

дтк

−=

xх

доб

дтк

Следует подчеркнуть, что критическое скольжение в режиме динамиче-

ского торможения существенно меньше критического скольжения в двигатель-

ном режиме, т.к. х

» х

. Для получения максимального тормозного момента,

равного максимальному моменту в двигательном режиме ток I

экв

должен в 2-4

раза превышать номинальный ток намагничивания I

. Напряжение источника

питания постоянного тока будет значительно меньше номинального напряжения

и примерно равно U

дт

= (2,5 ÷ 4) I

экв

Энергетически в режиме динамического торможения асинхронный дви-

гатель работает как синхронный генератор, нагруженный на сопротивление ро-

торной цепи двигателя. Вся механическая мощность, поступающая на вал дви-

гателя, при торможении преобразуется в электрическую и идет на нагрев сопро-

тивлений роторной цепи.

Возбуждение асинхронной машины в режиме динамического торможе-

ния может осуществляться не только подачей постоянного тока в обмотки ста-

тора машины, но также в режиме самовозбуждения путем подключения конден-

саторов к цепям статора асинхронной машины, как это показано на рис.3.19. Та-

кой способ торможения называют конденсаторным торможением асинхронных

двигателей. По энергетической сущности этот вид

торможения идентичен динамическому торможению,

т.к. энергия, поступающая с вала, преобразуется в

электрическую и выделяется в виде потерь в роторе

двигателя.

Процесс самовозбуждения асинхронного

двигателя происходит следующим образом. Под

действием остаточного потока ротора в обмотках

статора наводится э.д.с., под действием которой

возникает намагничивающий ток, протекающий через

конденсаторы. При этом увеличивается поток машины, следовательно, наводи-

мая э.д.с. и ток намагничивания. Верхняя и нижняя границы режима самовозбу-

ждения и величина тормозного момента зависят от величины емкости конденса-

торов. Данный способ торможения применяется для приводов малой мощности

(до 5кВт), т.к. требует установки конденсаторов значительного объема.

Торможение противовключением может быть в двух случаях:

- в первом, когда при работе двигателя необходимо его экстренно оста-

новить, и с этой целью меняют порядок чередования фаз питания обмоток ста-

тора двигателя;

- во втором, когда электромеханическая система движется в отрицатель-

ном направлении под действием спускаемого груза, а двигатель включается в

направлении подъема, чтобы ограничить скорость спуска (режим протягиваю-

щего груза).

В обоих случаях электромагнитное поле статора и ротор двигателя вра-

щаются в разные стороны. Скольжение двигателя в режиме противовключения

всегда больше 1.

〉

пв

В первом случае (см.рис.3.20)

двигатель, работавший в т.1, после изменения

порядка чередования фаз двигателя переходит

в тормозной режим в т.

1 , и скорость привода

быстро снижается под действием тормозного

момента М

и статического момента М

. При

замедлении до скорости, близкой к нулю,

двигатель необходимо отключить, иначе он

будет разгоняться в противоположном направ-

лении вращения.

Во втором случае после снятия

механического тормоза двигатель, вклю-

ченный в направлении вверх, под действием

силы тяжести спускаемого груза будет

вращаться в противоположном направлении со скоростью, соответствующей

точке 2. Работа в режиме противовключения под действием протягивающего

груза возможна при использовании двигателей с фазным ротором. При этом в

цепь ротора вводится значительное добавочное сопротивление, которому соот-

ветствует характеристика 2 на рис.3.20.

Энергетически режим противовключения крайне неблагоприятен. Ток в

этом режиме для асинхронных короткозамкнутых двигателей превосходит пус-

ковой, достигая 10-кратного значения. Потери в роторной цепи двигателя скла-

дываются из потерь короткого замыкания двигателя и мощности, которая пере-

дается на вал двигателя при торможении

mmS

ММР

пв

Для короткозамкнутых двигателей режим противовключения возможен

только в течение нескольких секунд. При использовании двигателей с фазным

ротором в режиме противовключения обязательно включение в цепь ротора до-

бавочного сопротивления. В этом случае потери энергии остаются такими же

значительными, но они выносятся из объема двигателя в роторные со-

противления.

3.2.8. Электромеханические характеристики многоскоростных асин-

хронных двигателей

Поскольку скорость вращения электромагнитного поля статора, как это

следует из (3.3), зависит от числа пар полюсов двигателя р

то имеются специ-

альные модификации асинхронных короткозамкнутых двигателей, позволяю-

щие изменять число пар полюсов машины и тем самым получать две или более

(3 и 4) рабочие скорости двигателя. Конструктивно изменение числа пар полю-

сов может быть достигнуто двумя способами. При первом в пазы статора укла-

дываются две или три независимые обмотки с различными значениями р

. При

этом значительно увеличиваются габариты двигателей, но возможно получение

любого соотношения числа пар полюсов.

При другом способе используется для получения различного числа пар

полюсов одна и та же обмотка, а изменение р

достигается переключением сек-

ций этой обмотки. Наибольшее распространение получили две схемы обмоток:

звезда - двойная звезда и треугольник - двойная звезда.

Рассмотрим схему звезда - двойная звезда (см. рис.3.21). В этой схеме

каждая из фазных обмоток состоит из двух секций, которые могут включаться

параллельно или последовательно. При параллельном соединении напряжение

подводится к средним точкам обмоток, а начали обмоток замыкаются между со-

бой. Образуются две параллельно включенные системы обмоток, соединенные в

двойную звезд. Такое соединение соответствует меньшему числу пар полюсов

. Этой схеме соединения отвечает механическая характеристика с индексом на

рис.3.21,б.

При

последовательном

соединении секций

обмоток число пар

полюсов увеличивается

вдвое, поэтому

номинальная скорость

двигателя в этом случае

будет вдвое меньше.

Так, например, если

схеме соединения

соответствует число пар полюсов р

=2, то номинальная скорость вращения бу-

дет 1470о6/мин (n

=1500об/мин). Переключив обмотки для соединения в звезду,

получим р

=4 и номинальную скорость вращения 735об/мин (л0=750об/мин).

Поскольку длительно допустимый ток в обмотках должен остаться не-

изменным, то номинальная мощность на валу двигателя будет: при схеме двой-

ная звезда

нндв

IUР

⋅

⋅=

111

cos23

при схеме звезда

нндв

IUР

⋅

⋅=

111

cos3

Т.е. мощность двигателя при высокой скорости будет примерно в

2 раза выше, чем при низкой скорости. Однако длительно допустимый номи-

нальный момент сохраняется постоянным, т.к.

ннн

РМ

Рассмотрим схему треугольник - двойная звезда (рис.3.22). В этой схеме

соединение обмоток двойная звезда соответствует высокой скорости.

При последовательном включении полуобмоток и соединении их в тре-

угольник число пар полюсов увеличивается вдвое, следовательно, вдвое снижа-

ется скорость двигателя.

Мощность двигателя при этом будет:

нндв

IUР

ηϕ

111

cos33= ,

здесь U

, - фазное напряжение питания.

Длительно допустимый момент при соединении обмоток в Δ будет в 3

раз больше, чем при соединении в двойную звезду. Таким образом, при обеих

схемах соединения двигатель примерно сохраняет свою мощность.

Двух и многоскоростные двигатели применяются в тех случаях, когда по

условиям технологии необходимо иметь две или более фиксированные скорости

вращения приводного электродвигателя.

3.3. Электромеханические характеристики синхронных

электродвигателей

3.3.1. Принцип работы синхронного двигателя

Для нерегулируемых электроприводов большой мощности (свыше

160кВт) широко применяются синхронные электродвигатели с электромаг-

нитным возбуждением. Схема включения такого двигателя показана на рис.3

.23.

Конструкция статора синхронного двигателя аналогична конструкции

статора асинхронного двигателя. Токи, протекающие по трехфазной обмотке

статора, создают намагничивающие силы, результирующий вектор которых об-

разует вращающееся в пространстве электромагнитное поле статора

Ф , . Ско-

рость вращения поля статора равна согласно (3.3)

и является рабочей скоростью синхронного двигателя.

На роторе синхронного двигателя расположена обмотка возбуждения,

которая питается постоянным током от независимого регулируемого источника

напряжения — возбудителя. Ток возбуждения создает электромагнитное поле

Ф , неподвижное относительно ротора и вращающееся в установившемся режи-

ме вместе с ротором со скоростью ω

. Магнитные силовые линии поля ротора

сцепляются с вращающимся синхронно с ним электромагнитным полем статора.

Взаимодействие полей статора и ротора создает электромагнитный момент на

валу синхронной машины.

ФФкМ ×= (3.8)

При отсутствии нагрузки векторы поля статора

и поля ротора

сов-

падают в пространстве (см. рис.3.24,а) и совместно вращаются со скоростью ω

При появлении на валу двигателя момента сопротивления векторы

, и

рас-

ходятся (как бы растягиваются подобно пружине) на угол θ, называемый углом

нагрузки, причем, если вектор

отстает от вектора

, (см. рис. 3.24,6), то

синхронная машина работает в двигательном режиме и электромагнитный мо-

мент на ее валу положителен. Если синхронная машина работает генератором,

приводимым во вращение первичным двигателем, то вектор поля ротора опере-

жает вектор поля статора на угол (-θ) и электромагнитный момент на валу ма-

шины отрицателен. Изменению нагрузки на валу машины соответствует изме-

нение угла в. Образно это соответствует растяжению-сжатию пружины. Макси-

мальный момент М

макс

будет иметь место при θ = π/2 . Если нагрузка на валу

машины будет больше М

макс

, то

синхронный режим нарушается и машина

выпадает из синхронизма.

Механическая характеристика

синхронной машины представляют собой

прямую, параллельную оси абсцисс и

ограниченную значениями момента ±

макс

(рис.3.25). Жесткость механической

характеристики равна бесконечности.

Поскольку ротор двигателя

вращается с синхронной скоростью и скольжение отсутствует, то вся мощность

электромагнитного поля статора Р

эм

преобразуется в механическую мощность

на валу синхронного двигателя. Если пренебречь потерями в статоре,

то

011

cos3

MIUР

эм

== , откуда

cos3

M =

(3.39)