эиэ. Технология мяса и мясных продуктов, 260303 Технология молока и молочных продуктов. СанктПетербург 2009 2
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
11.6. Способы пуска асинхронных двигателей Пусковые свойства АД определяются пусковым током, начальным пусковым моментом, а также плавностью, экономичностью пускового процесса и длительностью пуска. Улучшение пускового режима АД сводится к уменьшению пускового тока, причем желательно, чтобы пусковой момент был как можно больше. Для АД с короткозамкнутым ротором существуют следующие способы пуска. 1. Прямой пуск – включение в сеть трехфазного тока обмотки статора. Этот способ простой и быстрый, но применяется только для двигателей, мощность которых относительно невелика сравнительно с мощностью электрической сети. Способ применим в тех случаях, когда не требуется плавности пуска. Если же мощность АД соизмерима с мощностью питающей сети, то применяются различные способы снижения напряжения, подводимого к двигателю припуске. При этом пусковой ток также снижается, но понижение напряжения вызывает нежелательное уменьшение пускового момента. Поэтому применяют следующие способы снижения напряжения, подводимого к двигателю припуске. Включение в обмотку статора автотрансформатора рис. 90). Припуске автотрансформатор полностью введен (полностью включен, по мере разгона двигателя автотрансформатор выводится (выключается) вручную или автоматически. Однако этот способ имеет существенные недостатки – наличие громоздкого автотрансформатopa; – пусковой момент снижается во столько же раз, во сколько снижается и пусковой ток. 3. Переключение статора АД со звез- ды на треугольник При этом пусковой ток уменьшается в 3 раза, но и пусковой момент также снижается, так как уровень снижения напряжения составляет 3 а пусковой момент пропорционален квадрату напряжения 147 После разгона двигателя обмотку статора необходимо снова переключить на треугольник для увеличения вращающего момента АД. Способ применим для двигателей с короткозамкнутым ротором малой мощности (до 20 кВт. ф л ф ф ф ф л ф ф ф Z U Z U I ф л л л ф л л сети I I ; 3 1 3 л ф ф л л л. Включение в обмотку статора элементов с активным или индуктивным сопротивлением (рис. 91). В момент пуска R или L подключены полностью, а после окончания пуска они шунтируются вручную или автоматически. Эта схема дешевле и проще, чем пуск с помощью автотрансформатора, но пусковой момент уменьшается пропорционально квадрату напряжения. Для пуска асинхронных двигателей с фазным ротором применяется способ введения в цепь ротора пусковых реостатов (рис. 92). A B C R L или п Рис. 91 Рис. 92 148 Пусковой реостат п подключается через медно-графитовые щетки к контактным кольцам, расположенным навалу 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 s p f s n n 1 60 1 1 Исходя из этого выражения можно осуществить три вида регулирования частоты вращения АД. 1. Полюсное регулирование – изменение числа пар полюсов (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 (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 двигателя 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). A B C Рис. 93 150 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 (n 1 = n 2 ), поэтому скольжение у синхронных машин равно нулю (s = 0). Синхронные машины обратимы, те. они могут быть как двигателями, таки 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 (без нагрузки) 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, независящей от нагрузки. 151 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 статора будет вращаться с большей скоростью 1 относительно неподвижного пока ротора 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. + – – – n 2 A B C ОВ Рис. 94 152 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 ив 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. Вовремя первого этапа обмотку возбуждения СД, находящуюся на роторе, отключают от источника постоянного тока и замыкают на резистор R = (6 10) В, где В – сопротивление обмотки возбуждения, т. к. при разомкнутой обмотке в ней может индуктироваться значительная ЭДС, опасная для целостности изоляции. Двигатель становится как бы асинхронными под действием асинхронного момента скорость ротора удается довести примерно до После того, как ротор разогнался, обмотку возбуждения снова подключают к источнику постоянного тока (второй этап. Возникает синхронный электромагнитный момент, машина втягивается в синхронизм, те. ротор и поле статора вращаются синхронно ( 1 = 2 ). При нагрузке навалу в статорной обмотке возникают активные составляющие тока а которые имеют направление, противоположное направлению ЭДС в роторе. Эти токи создают свое вращающее магнитное поле. 153 В результате воздействия магнитного поля токов статора а i 1 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 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. образная характеристика синхронного двигателя. Синхронный компенсатор Рассмотрим режим работы синхронного двигателя, когда тормозной момент навалу постоянен, а ток возбуждения В на роторе меняется. 154 Для СД, у которого частота вращения const, постоянство тормозного момента M 2 означает, что полезная мощность P 2 – постоянная, а следовательно, потребляемая из сети мощность P 1 и электромагнитная мощность также постоянные. На этом основании строятся образные характеристики – зависимость тока статора и коэффициента мощности (I 1 и cos 1 ) оттока возбуждения В при M 2 = const и сети = const. На рис. 95 представлено семейство таких характеристик для разных значений моментов Величина и знак угла сдвига фаз между током и напряжением зависят от величины тока возбуждения в. Изменяя ток возбуждения синхронного двигателя, можно установить такой режим работы, при котором ток, потребляемый двигателем, будет опережать напряжение. При недовозбуждении, те. когда в < ном, СД ведет себя как индуктивная нагрузка для сети (потребляет из сети реактивную составляющую, а при перевозбуждении, те. когда в > 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. I 1 cos 1 < 0 емк. В I Вном M 2 = 0 M 2 > 0 I 1 cos 1 = 1 > 0 инд. 0 Рис. 95 155 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 риса, б показана линия передачи электроэнергии с применением синхронного компенсатора (аи приведена векторная диаграмма, поясняющая его применение (б. При подключении синхронного компенсатора в точке включения электроприемника АД (риса) ток в линии равен векторной сумме тока приемника и компенсатора с.к пр л. Как видно из векторной диаграммы (рис. 96, б, ток в линии уменьшается (пр л, угол сдвига фаз ( 1 < между током ли 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. ск I ск I пр I л I с U 1 ; 1 ; cos cos 1 пр I ск I л л x R АД СК а б Л I Рис. 96 156 13. ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 13.1. Назначение и область применения машин постоянного тока Машины постоянного тока энергетически обратимы, те. они могут быть как двигателями таки 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, те. 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 навалу 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) 158 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. Назначение якоря – создавать электромагнитный вращающий момент путем взаимодействия тока в обмотке якоря с магнитным полем полюсов, создаваемым током возбуждения. Коллектор – полый цилиндр, состоящий из клинообразных медных пластин (в виде ласточкина хвоста, изолированных друг от друга и от корпуса. Пластины коллектора изолируются также отвала машины. Коллектор в собранном виде насаживается навал якоря. К пластинам коллектора припаивают начала и концы секции обмотки, размещенной в пазах якоря. На коллекторе устанавливаются неподвижные электро-графи- товые щетки. Вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней цепью скользящим контактом между щетками и коллектором. Щетки делят замкнутую обмотку якоря на параллельные ветви, число параллельных ветвей равно числу щеток, таким образом, ЭДС на щетках (ЭДС машины) равна ЭДС одной параллельной ветви. Коллектор является электромеханическим преобразователем и обеспечивает создание постоянного по направлению вращающего момента (для двигателей) путем изменения направления тока в проводниках якорной обмотки, перемещающихся из зоны одного полюса в зону другого. В генераторах коллектор обеспечивает выпрямление переменной ЭДС, индуктируемой во вращающейся обмотке якоря. Обозначение ДПТ на электрических схемах и принцип его действия показаны риса, б. Я б N S F ЭМ Я ЯН На Рис. 97 159 Напряжение от источника постоянного тока подается на зажимы неподвижного якоря. Пусть направление тока в якоре я будет таким, как показано на рис. 97, б. В обмотку возбуждения, находящуюся на полюсах индуктора также подается постоянный ток, который создает магнитное поле, пронизывающее якорь. Если полюса индуктора выполнены из магни- тотвердого материала то обмотки возбуждения на них может и не быть, магнитное поле все равно будет создаваться противоположно намагниченными полюсами (N и S). За счет взаимодействия магнитного поля полюсов и тока якоря образуются электромагнитные силы F ЭМ , которые создают вращающий момент я м ФI C M , где См – коэффициент пропорциональности Ф – поток возбуждения ДПТ; я – ток якоря ДПТ. Во вращающемся в магнитном поле якоре ДПТ наводится ЭДС, которая противоположна направлению тока якоря, поэтому эта ЭДС называется обратной или противоЭДС Ф, где C E – коэффициент пропорциональности Ф – поток возбуждения ДПТ; n – частота вращения ДПТ. Основное уравнение двигателя U c = E + я я, где с – напряжение сети я – ток якоря я – сопротивление обмотки якоря. Откуда величина тока якоря я с я 160 Подставив в это выражение значение Е, получим частоту вращения двигателя постоянного тока Ф я я с E C R I U n Из этого выражения видно, что частота вращения ДПТ зависит от величины подводимого напряжения, тока возбуждения (потока Ф в, сопротивления якорной цепи я и нагрузки навалу я. Типы двигателей постоянного тока По способу соединения обмотки возбуждения и обмотки якоря ДПТ подразделяются наследующие типы – ДПТ с независимым возбуждением риса ДПТ с последовательным возбуждением (рис. 98, б – ДПТ с параллельным возбуждением (рис. 98, в – ДПТ со смешанным возбуждением (рис. 98, г. У ДПТ с независимым возбуждением обмотка возбуждения и обмотка якоря питаются от разных источников. Обмотка возбуждения обозначается Н – Н (риса. Двигатели большой мощности обычно выполняют с независимым возбуждением. У ДПТ последовательным возбуждением обмотка возбуждения, подсоединенная последовательно к обмотке якоря, называется сериесной, рис. 98, б. У двигателей с последовательным возбуждением вращающий момент при нагрузке возрастает больше, чему двигателей с параллельным возбуждением, при этом частота вращения двигателя уменьшается Это свойство определяет широкое применение ДПТ в машиностроительных электровозах, городском транспорте. Однако пуск двигателя с последовательным возбуждением без нагрузки недопустим, так как частота вращения двигателя может превысить допустимую, а это может привести к аварии – двигатель идет вразнос. У ДПТ с параллельным возбуждением обмотка возбуждения, соединенная параллельно с обмоткой якоря, называется шунтовой Ш – Ш, рис. 98, в. 161 Двигатели с параллельным возбуждением обеспечивают устойчивую частоту вращения при различных нагрузках и возможность плавного регулирования этой частоты вращения. Поэтому ДПТ с параллельным возбуждением применяются для электропривода, требующего постоянства частоты вращения при различных нагрузках и плавного широкого регулирования ее. У ДПТ со смешанным возбуждением на полюсе имеются две обмотки возбуждения, одна из которых подсоединяется последовательно к обмотке якоря, а другая – параллельно (рис. 98, г. Двигатели со смешанным возбуждением устраняют некоторые недостатки, например, такому двигателю не угрожает разнос по причине наличия параллельной обмотки возбуждения, которая обеспечивает перевод двигателя электропоезда в режим торможения сот- дачей энергии в сеть при его движении по инерции (под уклон. ДПТ со смешанным возбуждением имеют наибольший пусковой момент и применяются там, где требуются значительные пусковые моменты или возможны кратковременные перегрузки и большие ускорения – например, для пуска компрессоров. В зависимости от требований параллельная и последовательная обмотки возбуждения могут быть включены согласно или встречно. При согласном включении магнитные потоки обмоток направлены одинаково и складываются, при встречном – вычитаются. Н Н Я Я Я Я + – - а + – б + – С С Ш С С Я Я Я Я в – + г – + Ш Ш Ш Рис. 98 162 |