Электрические и магнитные цепи электрические цепи постоянного тока
 Скачать 3.06 Mb.
|
|
10.9. Пуск двигателя Припуске двигатель разгоняется от нулевой скорости вращения до скорости, при которой создаваемый нагрузкой момент сопротивления c M будет уравновешен моментом, развиваемым двигателем M. Кроме момента сопротивления нагрузки двигатель припуске преодолевает также динамический момент д d dt = ⋅ Ω , создаваемый моментом инерции масс всех приводимых в движение тел, включая ротор – J. Для обеспечения пуска необходимо, чтобы c д M M M > + Особенностью асинхронных двигателей является относительно небольшая кратность пускового момента (1,2 …2,0) при значительном токе, превосходящем номинальное значение враз. Поэтому при питании двигателя от сети соизмеримой мощности может возникать понижение напряжения, делающее пуск невозможным. Для улучшения пусковых свойств асинхронных двигателей используют явление вытеснения тока из внутренних слоёв стержня беличьей клетки в наружные. Это связано с различным пото- косцеплением рассеяния слов. У внутренних слоёв оно максимально и уменьшается по мере смещения к наружной части паза (рис. 10.17). Соответственно меняется и их индуктивное сопротивление, уменьшаясь от внутренних слоёв к наружным. Припуске частота тока в роторе максимальна и равна частоте сети. Максимальны также индуктивные сопротивления и их различие по слоям. В результате плотность тока j в стержне распределяется по кривой рис. 10.17 так, что ток в основном протекает по наружной части. Это эквивалентно уменьшению сечения и увеличению сопротивления стержня. В результате пусковой ток уменьшается, а пусковой момент возрастает. Рис. 10.17 По мере разгона двигателя частота тока в роторе снижается, величина индуктивного сопротивления становится близкой к нулю, и ток распределяется по стержню практически равномерно (рис. 10.17). Для получения требуемого эффекта от вытеснения тока глубину паза делают приблизительно враз больше ширины. Поэтому двигатели такой конструкции называются глубокопазными. Глубину можно несколько уменьшить, если вместо прямой формы паза использовать трапецеидальную или бутылочную риса. В этом случае сопротивление верхней части стержня увеличивается также за счёт уменьшения сечения. Максимальный эффект от вытеснения тока достигается в двигателях с двойной беличьей клеткой. В верхней части паза таких двигателей располагают пусковую короткозамкнутую обмотку, а в нижней – рабочую. Пусковая обмотка изготавливается из латуни или бронзы – материалов, обладающих относительно высоким удельным сопротивлением, а рабочая – из меди. Кроме того, диаметр стержней пусковой обмотки делают меньше, чем рабочей (рис. 10.18, б ив. Таким образом, в двигателях с двойной беличьей клеткой используют не только эффект вытеснения тока, но и конструктивные решения, увеличивающие сопротивление пусковой обмотки. Припуске потокосцепление пусковой обмотки незначительно, а рабочая обмотка сцепляется с сильным магнитным полем. В результате практически весь ток вытесняется в пусковую обмотку. По мере разгона ток переходит в рабочую обмотку, а в пусковой – снижается. Помимо уменьшения индуктивного сопротивления рабочей обмотки после разгона, перераспределению тока способствует также то, что её сопротивление существенно меньше за счёт размера и материала стержней. Пусковой момент двигателей с двойной беличьей клеткой значительно выше, чему обычных двигателей, и несколько выше, чему глубокопазных двигателей. Однако стоимость таких двигателей существенно больше. Асинхронные короткозамкнутые двигатели мощностью приблизительно до 50 кВт запускаются прямым включением в сеть. Для пуска более мощных двигателей используют различную пусковую аппаратуру. Однако при частых пусках прямое включение становится невозможным из-за перегрева двигателя пусковыми токами. В этом случае используют двигатели с фазным ротором. В цепь фазных обмоток ротора через контактные кольца включают добавочное сопротивление д, разделённое на секции (риса. Величина сопротивления цепи ротора асинхронного двигателя определяет значение критического скольжения. Чем больше сопротивление, тем больше критическое скольжение и пусковой момент. Пуск производится при разомкнутых Рис. 10.18 контактах ключей 1 S и 2 S . Величина добавочного сопротивления при этом максимальна и двигатель развивает момент, соответствующий точке на механической характеристике рис. 10.19, б. По мере увеличения скорости вращения рабочая точка перемещается по характеристике 1 и при моменте, соответствующем точке b, контакты 1 S замыкаются, шунтируя часть добавочного сопротивления. При новом значении добавочного сопротивления механическая характеристика двигателя соответствует кривой 2, поэтому рабочая точка скачком перемещается в точку c на этой характеристике и двигатель продолжает разгон до тех пор, пока в точке d не произойдёт замыкание контактов 2 S . Контакты 2 S полностью шунтируют добавочное сопротивление, замыкая обмотки ротора накоротко. Двигатель переходит в точку e на естественной механической характеристике 3 и разгоняется по ней до рабочей точки f соответствующей моменту нагрузки навалу. Двигатели с фазным ротором позволяют произвести пуск с ограничением тока и с максимальным пусковым моментом. Однако при этом происходят значительные потери энергии в добавочном сопротивлении. Кроме того, эти двигатели существенно дороже двигателей с короткозамкнутым ротором. Поэтому их используют только при наличии достаточных оснований. В последнее время область их применения значительно сократилась в связи широким распространением полупроводниковых устройств мягкого пуска, позволяющих реализовать оптимальные режимы в приводе с короткозамкнутым двигателем. Вопросы для самопроверки 1. Какие проблемы могут возникать припуске асинхронного двигателя. Что такое вытеснение тока в стержнях беличьей клетки 3. Как используется явление вытеснения тока для улучшения пусковых свойств двигателей 4. Чем отличаются глубокопазные двигатели от двигателей с двойной беличьей клеткой Рис. 10.19 192 5. Почему пусковой момент двигателей с двойной беличьей клеткой выше пускового момента глубокопазных двигателей 6. Какие двигатели можно запускать прямым включением в сеть 7. Какой принцип используется припуске двигателей с фазным ротором. Как реализуется пуск двигателей с фазным ротором 10.10. Регулирование скорости вращения Возможность регулирования скорости вращения двигателей является важнейшим требованием современных технологических процессов. Это связано со снижением энергопотребления и с повышением качества продукции, которого часто невозможно достичь в процессах с нерегулируемыми параметрами движения (положением, скоростью вращения, угловыми или линейным ускорением. Асинхронные двигатели в сочетании с современной аппаратурой управления удовлетворяют большинству требований, предъявляемых не только к приводам высокотехнологичного оборудования, но и к простым установкам, в которых достаточно сформировать один-два режима с постоянной скоростью вращения. Из уравнения механической характеристики (10.25) следует, что приза- данном моменте навалу скоростью вращения, те. скольжением s, можно управлять изменением числа пар магнитных полюсов p, напряжения 1 U , частоты и, у двигателей с фазным ротором, изменением сопротивления цепи ротора 2 R 10.10.1. Регулирование изменением числа пар полюсов Этот способ является самым простыми эффективным способом получения нескольких фиксированных значений скорости вращения. Для этого начала и концы катушечных групп фазных обмоток выводятся на клеммы щитка двигателя и при переключении схемы их соединения изменяется число пар полюсов магнитного поля. На рис. 10.20 показаны возможные схемы соединения обмоток двухскоростного двигателя и получаемые механические характеристики. При переключении обмоток с двойной звезды YY на одинарную Y скорость вращения уменьшается вдвое с сохранением величины максимального момента. Если Рис. 10.20 обмотки при переключении соединяются треугольником Δ, то максимальный момент возрастает приблизительно вдвое и сохраняется постоянным произведение максимального момента на скорость вращения, те. мощность. Поэтому схема переключения YY/Y называется схемой переключения с постоянным моментом, а схема YY/ Δ – схемой переключения с постоянной мощностью. Кроме двухскоростных двигателей изготавливаются также трёх и четы- рёхскоростные. Для получения трёх и четырёх ступеней требуется более сложная обмотка. Эти двигатели при той же мощности имеют худшие массо- габаритные показатели и большую стоимость. Дискретность регулирования является недостатком этого способа, однако для целого ряда задач плавное регулирование не требуется ив этом случае он может быть оптимальным техническим решением. Например, переключение обмоток двигателя часто используется в приводе станков для уменьшения числа ступеней и упрощения механической передачи в приводах вентиляторов и насосов для управления их производительностью в подъёмно-транспортном оборудовании. 10.10.2. Регулирование понижением напряжения питания Обычно этот способ реализуется с помощью полупроводниковых импульсных регуляторов напряжения (РН на риса. Приуменьшении напряжения уменьшается максимальный момент двигателя с сохранением значения критического скольжения (рис. 10.21, б. В случае постоянного момента нагрузки навалу двигателя c M скорость при этом будет также уменьшаться Недостатками этого способа управления являются 1) уменьшение перегрузочной способности двигателя при снижении напряжения вплоть до возможного опрокидывания 2) сильно ограниченный диапазон регулирования кр s s < < , вследствие чего его применяют с двигателями специального исполнения с повышенным критическим скольжением 3) значительные тепловые потери в роторе вследствие больших значений скольжения. Всё это делает способ регулирования понижением напряжения малоэффективным при длительном режиме работы, но для кратковременного снижения скорости машин малой мощности он может применяться. Рис. 10.21 194 10.10.3. Регулирование изменением сопротивления цепи ротора Иначе этот способ называется реостатным регулированием и применяется только для двигателей с фазным ротором. Увеличение добавочных сопротивлений д , включённых вцепи фазных обмоток ротора (риса, приводит к увеличению критического скольжения при сохранении максимального момента развиваемого двигателем (рис. 10.22, б. В результате скорость вращения двигателя уменьшается. Этот способ связан с большими тепловыми потерями в реостатах д , поэтому не может применяться при длительной работе. Кроме того, с уменьшением скорости уменьшается жёсткость механических характеристик. Недостатком реостатного регулирования является также зависимость диапазона регулирования от величины нагрузочного момента. С уменьшением нагрузки навалу диапазон уменьшается (рис. 10.22, б) так, что при режимах близких к холостому ходу регулирование скорости становится практически невозможным. 10.10.4. Регулирование изменением частоты питания (частотное регулирование В настоящее время этот способ является самым распространённым. Он обеспечивает выполнение требований предъявляемых к подавляющему большинству приводов высокого и среднего качества в диапазоне мощностей от десятков ватт до десятков мегаватт. Частотное регулирование реализуется с помощью полупроводниковых преобразователей частоты (ПЧ на риса, имеющих два канала управления частотой f s и амплитудой выходного напряжения u s . Это необходимо для того, чтобы обеспечить стабилизацию магнитного потока в двигателе, т.к. он прямо пропорционален величине напряжения питания и обратно пропорционален частоте. Поэтому при изменении частоты обязательно нужно пропорционально изменять также напряжение питания. Закон частотного управления, при котором соблюдается постоянное соотношение между напряжением и частотой / const U f = является наиболее распространённым. Однако по мере уменьшения частоты уменьшается также Рис. 10.22 максимальный момент двигателя (рис. 10.23, б. Это связано с увеличением падения напряжения на активном сопротивлении обмотки статора 1 R и, как следствие, с уменьшением магнитного потока. Уменьшение момента ограничивает диапазон регулирования скорости вращения, т.к. при этом уменьшается перегрузочная способность двигателя и возникает опасность его опрокидывания. Для исключения этого явления нужно изменять напряжение несколько виной пропорции так, чтобы компенсировать падение напряжения 1 1 R I . Это называется компенсацией. Использование режима компенсации увеличивает максимальный момент на 15 …20% и сохраняет его неизменным, обеспечивая значительное расширение диапазона регулирования скорости вращения (рис. 10.23, б. Частотное регулирование позволяет плавно менять скорость вращения от нулевой до номинальной н . Однако, если двигатель по условиям эксплуатации допускает увеличение скорости выше этого значения, то преобразователи частоты обеспечивают и такой режим работы. При этом напряжение поддерживается постоянными равным номинальному значению, т.к. его увеличение невозможно из-за перегрузки изоляции. Вследствие этого в области скоростей вращения выше номинальной магнитный потоки максимальный момент уменьшаются обратно пропорционально увеличению частоты (рис. 10.23, б, а располагаемая мощность двигателя сохраняется на уровне номинальной. Современные преобразователи контролируют тепловой режим двигателя, не допуская его перегрева. Однако для длительной работы при низких скоростях вращения необходимо использовать двигатели с принудительной вентиляцией. Массогабаритные показатели и стоимость преобразователей частоты соизмеримы с двигателями, поэтому асинхронный привод с частотным управлением в настоящее время получил широкое распространение. Вопросы для самопроверки 1. Как реализуется изменение скорости вращения переключением схемы соединения обмоток Рис. 10.23 196 2. Укажите достоинства и недостатки регулирования скорости вращения изменением напряжения питания. 3. Укажите достоинства и недостатки регулирования скорости вращения изменением сопротивления вцепи ротора. 4. Почему при частотном управлении ниже номинальной скорости вращения нужно одновременно регулировать частоту и напряжение питания 5. Почему при частотном управлении выше номинальной скорости вращения нужно сохранять напряжение питания номинальным 6. Почему при частотном управлении по закону / const U f = с уменьшением частоты уменьшается максимальный момент 7. Как можно сохранить перегрузочную способность двигателя при частотном управлении 8. Укажите достоинства и недостатки частотного регулирования скорости вращения. 10.11. Однофазные и двухфазные асинхронные двигатели 10.11.1. Однофазные двигатели. В тех случаях, когда мощность механизма приводимого в движение невелика или когда у пользователя нет трёхфазного источника питания используют асинхронные однофазные двигатели. Обычно их мощность не превышает кВт и основной областью применения является бытовая аппаратура и электроинструмент. Статор двигателя имеет однофазную обмотку, а ротор короткозамкнутую обмотку типа беличья клетка, аналогичную обмотке трёхфазных двигателей. Однофазный ток статора создаёт пульсирующее магнитное поле, которое можно представить суммой двух круговых полей вращающихся в противоположные стороны. Для вращающих моментов и M − , создаваемых каждым полем, можно построить механические характеристики ( ), ( ) n M n и получить результирующую механическую характеристику ( ) n M , суммируя абсциссы точек характеристик отдельных моментов (риса. При неподвижном роторе поля прямого и обратного вращения создают одинаковые вращающие моменты, действующие в противоположные стороны, поэтому пусковой момент однофазного двигателя равен нулю и самостоятельно такой двигатель запуститься не может. Механическая характеристика его симметрична относительно начала координат и, будучи приведён- ным во вращение в любом направлении, он работает одинаково. Для создания пускового момента нужно усилить поле прямого вращения и ослабить поле обратного вращения. Это делается с помощью обмотки, подключаемой к сети вовремя пуска и называемой пусковой (ПО на рис. 10.24, б. Пусковая обмотка расположена на статоре и смещена относительно рабочей РО на угол 90 °. Фазовый сдвиг тока пусковой обмотки, необходимый для формирования кругового магнитного поля, получают включением последовательно с ней пускового конденсатора C. После включения рабочей обмотки к сети подключают пусковую. При этом в двигателе создаётся магнитное поле близкое к круговому, ион начинает разгон спусковым моментом, соответствующим точке a рис. 10.24, в. В точке b оператором или сигналом какого-либо автоматического устройства реле времени, токового реле, центробежного выключателя и т.п.) пусковая отмотка отключается, и двигатель переходит в режим работы с пульсирующим полем, создаваемым рабочей обмоткой. Более простая конструкция у однофазных двигателей с экранированными (расщеплёнными) полюсами (рис. 10.25). Они имеют на статоре явно выраженные полюсы 1, на которых расположена обмотка 2. Часть каждого полюсного наконечника охвачена (экранирована) короткозамкнутым витком 3, уложенным в паз. Ток статора создаёт в экранированной и неэкранированной частях полюсов переменные магнитные потоки. Поток, проходящий через экранированную часть, наводит в витке ЭДС ив нём возникает ток, возбуждающий собственный магнитный поток. Магнитный поток короткозамкнутого витка сдвигает фазу потока в экранированной части полюса. В результате под полюсом образуются два магнитных потока, смещённых по фазе друг относительно друга и сдвинутых в пространстве. Смещение этих потоков в пространстве и по фазе недостаточно для формирования кругового магнитного поля, тем не ме- Рис. 10.24 Рис. 10.25 нее, в двигателе создаётся момент п ном 0,2 0,5 M M = … , достаточный для пуска двигателя вхолостую. Коэффициент мощности и КПД двигателей с экранированными полюсами крайне низкие, поэтому они выпускаются на мощности до нескольких десятков ватт. Низкие энергетические показатели характерны вообще для всех однофазных двигателей. Кроме того, они в 1,5 …2,0 раза больше по массе и габаритам, чем трёхфазные двигатели той же мощности. 10.11.2. Двухфазные двигатели. Двухфазные асинхронные двигатели относятся к классу исполнительных двигателей, предназначенных для работы в системах автоматического управления. Поэтому к ним предъявляются особые требования 1) устойчивая работа во всём диапазоне скоростей вращения 2) широкий диапазон регулирования скорости 3) близкие к линейным механические характеристики 4) большое значение пускового момента 5) малая мощность управления 6) высокое быстродействие 7) высокая надёжность; 8) малые габариты и вес. Энергетические характеристики для исполнительных двигателей не имеют столь существенного значения, как для двигателей общего применения, т.к. мощность их обычно не более 500 ватт. Двухфазные двигатели имеют на статоре две обмотки, оси которых смещены в пространстве на 90 °. При питании обмоток токами одинаковой амплитуды и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 90 ° в двигателе возбуждается круговое магнитное поле. Любая асимметрия питания обмоток в виде разных амплитуд и/или фазового смещения на угол, отличающийся от 90 °, приводит к искажению магнитного поля, и оно становится эллиптическим, те. появляется магнитное поле с обратным направлением вращения, изменяющее развиваемый двигателем вращающий момент. Таким образом, путём регулирования амплитуды и/или фазового сдвига тока одной из обмоток можно сформировать в двигателе магнитное поле от кругового до пульсирующего и получить вращающий момент от максимального до нулевого. Ротор двигателя представляет собой полый цилиндр из алюминиевого сплава, имеющий очень малый момент инерции и большое активное сопротивление. Малый момент инерции позволяет получить высокое быстродействие, аза счёт большого активного сопротивления ротора обеспечивается высокая линейность механических характеристик, т.к. при этом критическое скольжение составляет величину порядка 4,0 …5,0 и двигатель работает на участке механической характеристики близком к режиму холостого хода, где нелинейность её минимальна. Двухфазные двигатели питаются, как правило, от однофазной сети (рис. 10.26). Одна из обмоток, называемая обмоткой возбуждения ОВ, подключается к сети непосредственно, а вторая, называемая обмоткой управления ОУ, через регулирующее устройство. На риса показана схема включения двигателя при амплитудном управлении. Фазосдвигающее устройство ФСУ 199 создаёт на входе регулятора напряжения в виде потенциометра фазовый сдвиг в 90 °. Изменением положения движка потенциометра напряжение обмотки управления можно изменять от нуля до напряжения питания обмотки возбуждения. Обычно для анализа процессов при амплитудном управлении используют понятие коэффициента сигнала оу ов 0 / 1,0 U U ≤ α = ≤ , где оу ов , U U – напряжения обмотки управления и обмотки возбуждения. При 0 α = магнитное поле в двигателе будет пульсирующим, а при 1 α = – круговым. На рис. 10.26, в показана схема включения двигателя при фазовом управлении. Здесь обмотка управления подключена к сети через фазовращатель ФВ, управляемый сигналом u β . Фазовое смещение напряжения на выходе фазовращателя может изменяться от нуля до 90 °, изменяя характер магнитного поля от пульсирующего до кругового. При анализе процессов в двигателе с фазовым управлением в качестве коэффициента сигнала используют sin β , где β – угол сдвига фаз между напряжениями обмоток возбуждения и управления. При sin 0 β = магнитное поле в двигателе будет пульсирующим, а при sin 1 β = – круговым. Фазосдвигающее устройство и фазовращатель являются довольно сложными элементами системы управления двигателем. Часто задачу фазового смещения решают простым включением конденсатора в цепь обмотки возбуждения (рис. 10.26, б. В этом случае при изменении напряжения обмотки управления и нагрузки двигателя меняется также фазовый сдвиг между напряжениями обмоток. Такое управление называется амплитудно-фазовым. Из трёх рассмотренных способов наилучшие характеристики обеспечивает фазо- Рис. 10.26 Рис. 10.27 вое управление. Однако из-за сложности реализации оно практически не применяется. Из двух других способов лучшим является амплитудное управление, реализуемое выпускаемыми промышленностью усилителями. Типичные механические характеристики в относительных единицах для амплитудного способа показаны на рис. 10.27. Они имеют хорошую линейность и двигатель при амплитудном управлении удовлетворяет большинству требований к подобным устройствам. Вопросы для самопроверки 1. Как устроен однофазный асинхронный двигатель 2. Какое магнитное поле формируется в однофазном двигателе 3. Как создаётся вращающий момент в однофазном двигателе 4. Как запускается однофазный двигатель 5. Как устроен двигатель с экранированными (расщеплёнными) полюсами. Укажите достоинства, недостатки и область применению однофазных двигателей. 7. Укажите требования, предъявляемые к исполнительным двигателям. Как устроен двухфазный исполнительный двигатель 9. Какие существуют способы управления двухфазными исполнительными двигателями 10. Какой вид имеют механические характеристики двухфазного исполнительного двигателя при амплитудном управлении |