Онищенко Г.Б. и др. Автоматизированный электропривод промышленных установок

Подождите немного. Документ загружается.

созамкнутых двигателей, позволяющие изменять число пар

;оа машины и тем самым получать две или более (3 и 4) ра-

скорости двигателя. Конструктивно изменение числа пар

:оз может быть достигнуто двумя способами. При первом в

статора укладываются две или три независимые обмотки с

1ными значениями рп- При этом значительно увеличивают-

|бариты двигателей, но возможно получение любого соотно-

» числа нар полюсов.

При другом способе используется для получения различного

la flap полюсов одна и та же обмотка, а изменение рц достнга-

персключением секций этой обмотки. Наибольшее распро-

1ение получили две схемы обмоток: звезда (Y) - двойная

la (Y-Y) и треугольник (А) - двойная звезда.

Рассмотрим схему звезда - двойная звезда (см.рис.4.20). В

схеме каждая из фазных обмоток состоит из двух секций,

>ые могут включаться параллельно или последовательно,

параллельном соединении напряжение подводится к сред-

точкам обмоток, а начала обмоток замыкаются между собой.

}уются лве параллельно включенные системы обмоток, со-

;нные в двойную звезду (Y-Y). Такое соединение соответст-

меньшему числу пар полюсов р

. Этой схеме соединения от-

ICT механическая характеристика с индексом Y-Y на

\.20б.

Рис.4.20. Схема (а) и механические характеристики (б) двухскоро-

стного асинхронного двигателя со схемой соединения обмоток

При последовательном соединении секций обмоток число

пар полюсов увеличивается вдвое, поэтому номинальная ско-

рость двигателя в этом случае будет вдвое меньше. Так. напри-

мер, если схеме соединения Y-Y соответствует число пар полю-

сов prf= 2, то номинальная скорость вращения будет 1470об/мин

(л

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

(Y). получим

prf=A

и номинальную скорость вращения 735об/мин

(Л(7=750об/мин)

Поскольку длительно допустимый ток в обмотках должен

остаться неизменным, то номинальная мощность на валу двига-

теля будет:

при схеме Y-Y Р

= 3£/,

•

cos^,

• rj„,

при схеме Y Р

= 3С/, • cos<z>,

• г}„,

Т е. мощность двигателя

при высокой скорости

будет примерно в 2 раза

выше, чем при низкой

скорости. Однако длитель-

но допустимый номиналь-

ный момент сохраняется

постоянным, т.к. М

- — .

Рассмотрим схему тре-

угольник - двойная звезда

(рис.4.21). В этой схеме

соединение «двойная звез-

да» соответствует высокой

скорости.

11ри последовательном

включении полуобмоток и

соединении их в треуголь-

ник число пар полюсов

увеличивается вдвое, сле-

довательно. вдвое снижает-

ся скорость двигателя.

Мощность двигателя

при этом будет:

Рмс.4.21 Схема (а) и мсхашгчсские xapax-ir-

ристнкн лвухскоростного двигателя

здесь U\ - фазное напряжение питания.

•Длительно допустимый момент при соединении обмоток в А

в л/3 раз больше, чем при соединении в двойную звезду

м образом, при обеих схемах соединения двигатель пример-

храняст свою мощность.

Двух и многоскоростные двигатели применяются в тех слу-

когда по условиям технологии необходимо иметь две или

фиксированные скорости вращения приводного электро-

теля.

4.5. Потери в асинхронном двигателе при пуске н

торможении

Как было выяснено в разделе 4.3.1, потери в роторной цепи

ронного двигателя пропорциональны его скольжению, по-

' стремятся, чтобы в рабочем режиме двигатель работал с

мальным скольжением. Однако в процессе пуска двигатель

няясь проходит скольжение or

до 5„. В этот период в рото-

игателя могут выделиться значительные по величине потерн

что особенно неблагоприятно для асинхронных корот-

кнутых двигателей, где эти потери не могут быть вынесены

ашнны в пусковые сопротивления.

Определим потери в цепи ротора ДЛ за один пуск асинхрон-

двигателя без нагрузки (без статического момента на валу

:ля).

Потери энергии за один пуск будут

i„

= jm

sdt- (4.38)

При отсутствии статического момента уравнение движения

dco

err М = Jт . подставляя которое в (4.38) и соответственно

няя пределы интегрирования, получим:

«Мь

АА - jj

sdco = J

J(<y

- co)dco,

о о

да

(4.39)

Отсюда вытекает правило, что при пуске асинхронного дви-

я вхолостую потерн в цепи его ротора равны тому запасу

кинетической энергии, который получают приходящие в движе-

ние маховые массы (ротора и рабочего механизма) при их разго-

не до установившейся скорости.

Заметим, что потери в роторе не зависят от времени пуска,

пусковых токов и других параметров. Потери в статоре, напро-

тив, зависят от параметров пуска.

Во избежание перегрева для каждого короткозамкнутого

двигателя существует предельное значение суммарного момента

инерции, который может преодолеть данный двигатель. При пус-

ке значение указывается в каталогах. При отсутствии этих

данных величина J

tnped

может быть определена из следующих

соображений

Допустимая величина энергии, выделяющейся в клетке ро-

тора и массой /«

, не должна приводить к ее перегреву более чем

на Т= 300° С. Отсюда

где С

, - Дж/кг.гр

—

теплоемкость материала клетки ротора

Расчет проводится исходя из необходимости обеспечения

двух пусков подряд. Поэтому 2ЛЛ < m

•

300. Из этих ус-

ловий получим:

.С„ 300

Потери энергии в роторной цепи двигателя при динамиче-

ском торможении от скорости м

до минимальной скорости (за-

тормозить двигатель до нулевой скорости при динамическом

торможении нельзя) также равны запасу кинетической энергии,

которой обладали движущиеся массы ротора и рабочей машины.

При торможении противовключением двигатель работает

при еще больших

скольжениях

—

от =2 до

I. Подставляя эти

значения в (4.38), получим, что

М--3

Р" 2

Для асинхронного двигателя важно определить потерн при

пуске и торможении не только в роторной, но и в статорной цепи

Ориентировочно эти потери можно найти, зная потери в ротор№

пользуясь соотношением

М.-И-'

Потерн в статоре могут быть сокращены, используя, напри-

, снижение напряженна на статоре при пуске (если это воз-

-10).

4.6. Электромеханические характеристики синхронных

электрод в и гател ей

Для нере1улируемых электроприводов большой мощности

ше 250кВт) широко применяются синхронные электродвига-

с электромагнитным возбуждением. Схема включения тако-

нгателя показана на рис.4.22.

Конструкция статора синхронного двигателя аналогична

>укции статора асинхронного двигателя. Токи, протекаю-

по трехфазной обмотке статора, создают намагничивающие

J, результирующий вектор которых образует вращающееся в

анстве электромагнитное поле статора Ф\. Скорость вра-

1Я

поля статора равна

Является рабочей скоростью синхронного двигателя.

(4.40)

ЩЦСА.22.

Схема включения

сронного двнгзтеля

двигателя

Рис.4.23. Пространственные векторы

электромагнитных полей синхронного

а) идеальный холостой ход;

б) при нагрузке на валу

На роторе синхронного двигателя расположена обмотка воз-

1сния, которая питается постоянным током от независимого

тируемого источника напряжения - возбудителя. Ток возбу-

гния создает электромагнитное поле Ф

, неподвижное относи-

1ьно ротора и вращающееся в установившемся режиме вместе

с ротором со скоростью . Магнитные силовые линии поля ро-

тора сцепляются с вращающимся синхронно с ним электромаг-

нитным полем статора. Взаимодействие полей статора и ротора

создает электромагнитный момент на валу синхронной машины.

= кФ

хФ

При отсутствии нагрузки векторы поля статора Ф, и поля

ротора Ф

совпадают в пространстве (см.рнс.4.23) и совместно

вращаются со скоростью <у

. При появлении на валу двигателя

момента сопротивления векторы Ф, и Ф

расходятся (как бы

растягиваются подобно пружине) на угол О, называемый углом

нагрузки, причем, если вектор Ф

отстает от вектора Ф, (см.рис.

4.236), то синхронная машина работает в двигательном режиме и

электромагнитный момент на ее валу положителен. Если син-

хронная машина работает генератором, приводимым во вращение

первичным двигатель, то вектор поля ротора опережает вектор

поля статора на угол {-в) и электромагнитный момент на валу

машины отрицателен. Изменению нагрузки на валу машины со-

ответствует изменение угла в. Образно это соответствует растя-

жению-сжатию пружины. Максимальный момент будет иметь

место при 0 - я / 2. Если нагрузка на валу машины будет больше

Miovc, то синхронный режим нарушается и машина выпадает из

синхронизма.

Механическая харак-

теристика синхронной

машины представляют

собой прямую, парал-

лельную оси абсцисс и

ограниченную значени-

ями момента ± М

(рис. 4.24). Жесткость

механической характе-

ристики равна беско-

нечности.

Поскольку ротор*

двигателя вращается с

синхронной скоростью

и скольжение отсутст-

Оо

б 1 М^

0,95й>о

•

м Мс м^ м

Рис.4.24. Механические характеристики

синхронного двигателя

1 - характеристика синхронного режима

2 - пусковая характеристика (асинхрон-

ный режим)

то вся мощность электромагнитного поля статора Р

%и

пре-

устся в механическую мощность на валу синхронного дви-

ля. Если пренебречь потерями в статоре. то

= 3t/,/, cos$>,

Md)

, откуда

л/

_ /, cosp,

(4.41)

COr,

Рассмотрим векторную диаграмму меявнополюсной син-

ной машины (рис.4 25). Двигатель с неявнополюсным рото-

м имеет симметричную в магнитном отношении конструкцию,

небрегая активным сопротивлением статора иолучим

Здесь Е\ - э.д.с., наводимая в

обмотках статора вращающим-

ся вместе с ротором полем

Ф<>.

Из векторной диаграммы

следует:

/,*, cos(p -в)

sin

Рис.4.25. Векторная диаграмма

синхронного двигателя

или /

С/, COS <р- COS(0? - в).

Подставляя эти значения в

(4.41), получим выражение для

угловой характеристики неяв-

нополюсной синхронной ма-

шины

м - —

—sm

г?

(4.42)

х,

Из этого выражения и соответствующей ему угловой харак-

Ьристики (рис.4.26) следует, что по мере нагружеиия синхрон-

шон машины угол нагрузки увеличивается и момент достигает

Ш1ксимума при в - к) 2. Учитывая пропорциональность между

с. £j и магнитным потоком Фо(т.е. током возбуждения /

), по-

им, что максимальный момент синхронной машины будет ра-

А/ =

(4.43)

а>

х,

,е. максимальный момент синхронного двигателя (в отличие от

нхронного) зависит от величины питающего напряжения в

первой степени и в определенных пределах (когда не сказывается

насыщснис магнитной цели) пропорционален величине тока воз-

буждения. Исходя из соотношения (4.43) в большинстве схем ав-

томатического регулирования возбуждения синхронных двигате-

лей для сохранения постоянной перегрузочной способности дви-

гателя предусматривается автоматическое увеличение тока воз-

буждения при приложении ударной нагрузки или снижении ве-

личины питающего напряжения.

Рис.4.26. Угловая характеристика синхронного двигателя: в) неявнопо-

пюсной машины; б) - явнополюсной машины

1 при номинальном потоке возбуждения;

2 - при форсировке возбуждения

Для синхронной машины с несимметричной магнитной це-

пью, когда ротор имеет явнополюсную конструкцию, кроме мо-

мента, вызванного полем ротора, возникает реактивный момент,

определяемый стремлением ротора занять такое положение в

пространстве, при котором магнитная проницаемость пути, по

которому замыкается магнитное поле статора, была бы макси-

мальной. Возникновение реактивного момента соответствует за-

кону Ленца, который определяет: «При всяком изменении маг-

нитного потока возникают силы электрического и механического

характера, стремящиеся сохранить этот поток».

Для анализа угловой характеристики явнополюсного син-

хронного двигателя разложим векторы токов и падений напряже-

ния по продольной d (согласно вектору э.д.с. £j) и поперечной ц

осям ротора. Очевидно, что индуктивные сопротивления двифф-

теля по этим осям будут разными, причем xj>x

Преобразуем

выражения (4.41) в соответствии с векторной диаграммой 4.25,

где у - ф - в.

_зи.

з и

/, cos(0 + у/) = —

[/, cosy cos0 - /, sin у/

Обозначив /, sin^ = J

cosy

—

• получим

A/«^-(/

ain0-/, costf).

Из векторной диаграммы следует:

ГУ,

cos# - £, + I

= 0;

(/, sin 0

—

Подставляя Л./ и /|

из (4.45) в (4.44), после преобразований

чим

sin

о]

(4.44)

(4.45)

ЗС/f

—— sin0 +—

2<у

'о-

1 1

sin 20.

(4.46)

Первый член выражения представляет электромагнитный

енг И', возникающий в результате взаимодействия полей

"гора и ротора, второй член - реактивный момент М'\ возни-

щий из-за несимметрии магнитной цепи двигателя и связан-

но с ней стремления ротора ориентироваться по оси поля ста-

Угловая характеристика синхронной машины с явнополюс-

;м ротором показана на рис.4.266. Максимальная величина ре-

вного момента составляет обычно 15-20% от момента, опре-

емого взаимодействием полей.

Заметим, что явнополюсная синхронная машина развивает

HIERIT даже при отсутствии тока возбуждения - за счет реактив-

момента. Это свойство синхронной машины легло в основу

Здания синхронных электроприводов без возбуждения на базе

кронных реактивных двигателей. У этих машин индуктьз-

Лть по продольной и поперечной осям различается значитель-

i что обуславливает создание достаточного по величине рсак-

ного момента на валу двигателя. Синхронные реактивные

игателн используются, как правило, для приводов небольшой

]рщиости (менее

кВт).

4.7. Режимы работы синхронною двигателя

4.7.1. Пуск синхронных двигателей

Поскольку синхронный двигатель имеет в синхронном ре-

ме одну рабочую скорость, то пуск этих двигателей осуществ-

•ется в асинхронном режиме. Для этого в конструкции ротора

предусмотрена короткозамкнутая обмотка, конструкция которой

аналогична клетке ротора асинхронного короткозамкнутого дви-

гателя. Поэтому при разгоне до подсинхронной скорости двига-

тель работает как асинхронный короткозамкнугый с механиче-

ской характеристикой 2 (см.рис.4.24). По достижении подсин-

хронной скорости, которая должна быть не менее, чем 0,95 <У

. в

обмотку возбуждения подается постоянный ток, и двигатель втя-

гивается в синхронизм, переходя на работу в точке 6

соответст-

вующей синхронному режиму.

При работе в установившемся режиме с синхронной скоро-

стью ток в пусковой клетке не протекает. Пусковая клетка ротора

рассчитывается на кратковременный режим работы, и длительная

(свыше 20-30с) работа в асинхронном режиме недопустима.

Кроме обеспечения режима пуска, пусковая клетка играет

роль демпферной обмотки, стабилизируя переходные процессы

при работе двигателя в синхронном режиме

4.7.2.Возбуждение синхронных двигателей

Синхронные двигатели промышленного назначения имеют

электромагнитное возбуждение от независимого источника по-

стоянного тока, в качестве которых используются: генераторы

постоянного тока (возбудители), которые могуг располагаться на

одном валу с синхронным двигателем (рис.4.27а) или приводить-

ся во вращение отдельным двигателем (рис.4.27б), тиристорные

управляемые выпрямители, которые могут получать питание от

промышленной сети (рис 4.27в), либо от специального генерато-

ра переменного тока, располагаемого на одном валу с синхрон-

ным двигателем. В последнем случае (рнс.4.27г) полупроводни-

ковые выпрямители располагаются на роторе синхронной маши-

ны (система с вращающимися выпрямителями), вследствие чего

не требуются щетки и кольца для подвода тока к обмотке возбу-

ждения, т.е. синхронная машина становится бесконтактной.

Во время разгона, когда двигатель работает в асинхронном

режиме, возбудитель может быть подключен к обмотке ротора

при снятом напряжении возбудителя (схема с глухоподключен-

ным возбудителем), а может быть отключен от обмотки возбуж-

дения контактором КМ (см., например, схемы рнс.4.22 и 4.27). В

последнем случае обмотка возбуждения замыкается на сопротив*

ление или замыкается накоротко. Оставлять концы обмотки воз-

буждения во время разгона разомкнутыми нельзя, т.к. в обмотке