Контрольные вопросы

1. Принцип действия двигателя постоянного тока.

2. Способы соединения обмоток якоря и возбуждения. Достоинства и недостатки каждого способа соединения.

3. Понятие о механической характеристике. Естественная механическая характеристика ДПТНВ.

4. Регулирование скорости вала двигателя. Зоны регулирования.

5. Достоинства и недостатки регулирования скорости вала изменением напряжения, подаваемого на обмотку якоря.

6. Достоинства и недостатки регулирования скорости вала изменением магнитного потока возбуждения.

7. Принцип действия генератора постоянного тока.

8. Значение характеристики холостого хода ГПТНВ.

9. Значение характеристики короткого замыкания ГПТНВ

10. Значение внешней характеристики ГПТНВ

11. Понятие о регулировочной характеристике ГПТНВ

12. Значение нагрузочной характеристики ГПТНВ

3. «Исследование способов регулирования скорости асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором»

3.1. Теоретическая часть

Двигатели переменного тока имеют несколько разновидностей. Наиболее важными из них являются двигатели трехфазного тока: асинхронные с короткозамкнутым (АДК) или фазным (АДФ) ротором и син­хронные (СД).

В сравнении с двигателями постоянного тока асин­хронные двигатели проще, дешевле, надежнее в эксплуа­тации и не требуют преобразования трехфазного пере­менного тока, получаемого непосредственно от завод­ских сетей, в постоянный ток.

Конструктивная схема трехфазного асинхронного АДК приведена на рис.2.1,а. Шихтованный статор машины 1 имеет равно­мерно расположенные по внутренней расточке пазы, в которые уложены три фазы обмотки. Оси обмоток фаз пространственно сдвинуты на 120° относительно друг друга. При включении обмотки статора в трехфазную сеть переменного тока в фазах протекают переменные токи I_А, I_В, Ic, которые создают переменные н. с. F_A, F_В и Fc, изменяющиеся во времени по синусоидальным за­конам со сдвигом во времени на 1/3 периода переменного тока.

Рис.31. Конструктивная схема (а); механические характеристики АДК (б)

Вследствие сдвига по времени максимумы магнитных потоков фаз наступают поочередно в последовательности — фаза А, фаза В, фаза С, что приводит к вращению ре­зультирующего магнитного поля машины со скоростью

(3.1)

где: f₁ — частота сети переменного тока, Гц; 2р — число пар полюсов; n₁ – скорость вращения результирующего магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором, об/мин.

Так как число пар полюсов может выражаться толь­ко числами натурального ряда 1, 2, 3, 4 и т. д., то при промышленной частоте синхронная скорость двига­теля может иметь лишь вполне определенные значения: 3 000, 1 500, 1 000, 750 об/мин и т.д. соответственно.

По конструкции асинхронные машины делятся на два основных типа: с короткозамкнутым ротором (АДК) и фазным ротором (АДФ).

Наибольшее распространение получили двигатели с короткозамкнутым ротором, которые в серии 4А выполняются на все мощности, включая 400 кВт.

Обмотки короткозамкнутых роторов выполняются литыми из алюминия или его сплавов или из меди. При заливке одновременно отливаются стержни, лежащие в пазах, и короткозамыкающие медные кольца с размещенными на их торцах вентиляционными лопатками и штырями для крепления балансировочных грузиков (см. рис. 3.1).

Рис.3. 2. Асинхронный двигатель 4А250

Роторы АДК крупных и специальных асинхронных машин с улучшенными пусковыми характеристиками выполняются сварными. Стержни ротора из меди или латуни привариваются к короткозамыкающим кольцам, имеющим отверстия, куда перед сваркой вставляются стержни обмотки.

АДФ имеют на роторе обмотку из круглых или прямоугольных проводов, которая выполняется так же, как и обмотка статора, начала которой выведены на контактные кольца. Узел контактных колец вынесен из станины, а контактные кольца закрыты кожухом. Узел контактных колец — консольного типа. Контактные кольца, опрессованные пластмассой, насаживаются на вал двигателя Кольца выполняются чугунными или медными. Выводные концы обмотки ротора подходят к трем кольцам через внутреннее отверстие в вале ротора. Обмотка ротора соединяется в звезду.

Токосъемный аппарат состоит из щеток и щеткодержателей. Щеткодержатели укреплены на изолированной части пальца, металлический конец которого ввинчен в прилив подшипникового щита.

При изготовлении серий электрических машин предусматривается максимальная унификация, поэтому большинство деталей одинаковые для машин как с короткозамкнутым, так и с фазным ротором.

Статор АДК и АДФ состоит из магнитопровода с обмоткой и станины. Магнитопровод статора набирается из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга специальным изоляционным клеем, и имеющих на внутренней поверхности пазы.

Сердечник статора состоит из отдельных пакетов, которые после сборки скрепляют скобами и укрепляют в станине. При сборке пакетов магнитопровода статора может быть выполнен скос пазов. Форма пазов и число пазов на статоре зависят от мощности и частоты вращения.

Принципиальные схемы подключения асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором приведены на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схема принципиальная подключения АД с короткозамкнутым ротором (а) и фазным ротором (б)

Ротор двигателя 2 на рис.3.3,а имеет короткозамкнутую обмотку в виде беличьей клетки 3 и находится во вращающемся со скоростью n₁ магнитном поле, созда­ваемом обмоткой статора. Вращающееся магнитное поле, пересекая проводники ротора, наводит в них э. д. с., под действием которой в замкнутой накоротко обмотке ротора протекают токи, вокруг которых создается свое магнитное поле. В результате взаимо­действия этих магнитных потоков, возникает потокосцепление, создающее момент М, увлекающий ротор в направлении вра­щения поля статора.

Электродвижущая сила роторной обмотки зависит от относительной скорости пересечения полем проводников ротора, которую принято называть скольжением асинхронной машины. Скольжение s, %, определяется по формуле (3.2)

(3.2)

где n₂ — скорость вращения ротора.

Электромеханические свойства АДК можно установить, рас­сматривая его механическую характеристику (кривая 1 на рис.7.1,6). При вращении ротора с синхронной ско­ростью n = n₁, скольжение s = 0, соответственно равны нулю э. д. с. ротора и развиваемый машиной момент М. При увеличении нагрузки на валу ротор начинает отста­вать от поля, скольжение возрастает, что вызывает рост момента двигателя М до значения, определяемого на­грузкой на валу. При этом скорость несколько умень­шается, оставаясь близкой скорости n₁. В пределах ра­бочих нагрузок характеристика асинхронного двигателя подобна характеристике двигателя с независимым воз­буждением.

Однако при дальнейшем росте нагрузки механичес­кая характеристика асинхронного двигателя все больше отклоняется от прямой, скорость уменьшается с возра­станием М все быстрее. При увеличении нагрузки на валу до значений, превышающих критический момент машины М_макс. дальнейшее снижение скорости вызывает не возрастание момента двигателя, а его уменьшение и двигатель быстро останавливается.

Важным параметром АДК является пусковой момент М_п, который он развивает при n=0, т. е. в начале пуска. У АДК нормального исполнения пусковой момент намного меньше, чем критический мо­мент М_макс. Это обстоятельство осложняет пуск двигателей под нагрузкой, поэтому конструкторы при­нимают меры для увеличения пускового момента. С этой целью, например, можно увеличить сопротивление короткозамкнутой роторной обмотки, применив для ее из­готовления сплав с большим удельным сопротивлением. Характеристика двигателя при увеличении сопротивле­ния роторной клетки примет вид кривой 2 на рис.3.1,6. Рассматривая ее, можно установить, что при изменении сопротивления ротора критический момент не изменяет­ся, пусковой момент увеличивается, но одновременно уменьшается скорость вращения двигателя в рабочей зоне характеристики и уменьшается к. п. д. двигателя. Двигатели, изготовленные с повышенным сопротивлением роторной клетки, назы­ваются двигателями с повышенным скольже­нием.

Другим способом увеличения пускового момента является изготовление ротора с глубокими пазами или с двойной беличьей клеткой. В этом случае сопротивле­ние роторной обмотки переменно — при малых скоростях оно больше, чем в рабочей зоне. Характеристика двигателя с двойной беличьей клеткой представлена на рис.3.1,6 (кривая 3).

Кроме того, в специальном многоскоростном исполнении этот двигатель обеспечивает ступенчатое регулирование скорости (практически не больше четырех ступеней).

АДФ имеют на роторе трехфазную обмотку, аналогичную статорной. Зажимы обмотки ротора выведены на контактные коль­ца, поэтому в цепь ротора такого двигателя можно включать добавочные пусковые и регулировочные сопро­тивления, или тиристорный преобразователь. Схема включения двигателя с фазным рото­ром показана на рис.3.4,а. На рис.3.4,б показаны механи­ческие n=f(M) и электромеханические n=f(I₁) харак­теристики, где I₁ — ток фазы статорной обмотки. Механическая характеристика 1 соответствует работе двигателя с замкнутыми накоротко кольцами. Сравнивая ее с кривой 1 на рис.3.1,б, можно убедиться, что они аналогичны по форме, но пусковой момент двигателя с фазным ротором при n = 0 обычно меньше, чем у короткозамкнутого.

Кривая 1' представляет соответствующую механи­ческой характеристике 1 зависимость n=f(I₁). При включении добавочного сопротивления R_Д2 в цепь ротора пусковой момент двигателя увеличивается, а пусковой ток I_П — уменьшается (кривые 2 и 2' на рис.3.4,б).

Рис.3.4. Схема включения АДФ (а); его характеристики (б).

По­этому, вводя пусковой реостат в цепь ротора, можно получить достаточный пусковой момент при небольшом токе статора, а затем постепенно по мере разгона дви­гателя вывести его, замкнуть кольца накоротко и ра­ботать со скоростью, мало отличающейся от синхронной. Это важное преимущество АДФ перед АДК. При эксплуатации асинхрон­ных двигателей необходимо учитывать, что при снижении напряжения сети пусковой и критический моменты снижаются пропорционально квадрату напряжения сети.

АДФ успешно при­меняются для механизмов, работающих с частыми пус­ками и остановками под нагрузкой и требующих регулирования скоро­сти в первой зоне.

Благодаря простоте и надежности асинхронные дви­гатели получили на практике наиболее широкое приме­нение, хотя их возможности до середины 20 века в отношении регулирования скорости были весьма ограничены.

Режимы работы асинхронных машин:

В двигательном режиме электрическая мощность Р₁, поступающая в двигатель из сети, преобразуется в механическую мощность Р₂. Ротор асинхронного двигателя приходит во вращение с частотой в сторону вращения поля статора.

При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стержнях обмот­ки ротора появляются токи. В результате взаимодействия этих токов с вра­щающимся магнитным полем на роторе возникают электромагнитные силы. Со­вокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под дей­ствием которого ротор асинхронного двигателя приходит во вращение с час­тотой в сторону вращения поля статора. Если вал асинхронного дви­гателя механически соединить с валом какого-либо исполнительного механизма ИМ (станка, подъемного крана и т.п.), то вращающий момент двигателя М₂, преодолев противодействующий (нагрузочный) момент М_нагр. исполнительного ме­ханизма, приведет механизм во вращение. Следовательно, электрическая мощ­ность Р₁, поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразует­ся в механическую мощность Р₂ и передается исполнительному механизму ИМ.

Весьма важным параметром асинхронной машины является скольжение — вели­чина, характеризующая разность частот вращения ротора и вращающегося по­ля статора (см.формулу 7.2). Вполне очевидно, что с увеличением нагрузочного момента на валу АД частота вращения ротора уменьшается. Следовательно, скольже­ние асинхронного двигателя зависит от механической нагрузки на валу двигате­ля и может изменяться в диапазоне

0 < s < 1 (3.3.)

При включении асинхронного двигателя в сеть в начальный момент времени ро­тор под влиянием сил инерции неподвижен, т.е. =0, а скольжение s =1. В режиме работы двигателя без нагрузки на валу (режим холостого хода) ротор вращается с частотой лишь немного меньшей синхронной частоты вращения, и скольжение весьма мало отличается от нуля s .

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называют номинальным скольжением s_ном. Для асинхронных двигателей общего назначения s = 1-8%, при этом для двигателей большой мощности s_ном =1%, для двигателей малой мощности s_ном =8%.

Преобразовав выражение (3.2), получим формулу для определения асинхронной частоты вращения:

(3.4)

В генераторном режиме обмотку статора включают в сеть, а ротор асинхрон­ной машины посредством приводного двигателя, являющегося источником механиче­ской энергии, вращают в направлении вращения магнитного поля статора с часто­той, большей частоты вращения поля статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направле­ние. Электромагнитный момент на роторе М₂ также изменит свое направление, т.е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к вращающемуся моменту приводного двигателя М_i. В этом случае механическая мощность приводного двига­теля в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р₂, переменного тока.

Особенность работы асинхронного генератора состоит в том, что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в которую включен генератор и куда он отда­ет вырабатываемую активную мощность Р₂. Следовательно, для работы асин­хронного генератора необходим источник переменного тока, при подключении к которому происходит возбуждение генератора, т.е. в нем возбуждается вра­щающееся магнитное поле.

Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменять­ся в диапазоне

< s < 0, (3.5)

т.е. оно может принимать любые отрицательные зна­чения.

В режиме торможения противовключением ротор асинхронной машины посред­ством приводного двигателя вращают против направления вращения магнитного поля статора. В этих условиях электромагнитный момент машины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие. Активная мощность, поступающая из сети в машину, частично затрачивается на компенсацию механической мощности вращающегося ротора, т.е. на его торможе­ние. Частота вращения ротора является отрицательной.

В режиме электромагнитного торможения частота вращения ротора явля­ется отрицательной, а поэтому скольжение приобретает положительные зна­чения больше единицы и может изменяться в диапазоне

1 < s < + , (3.6)

т.е. оно может принимать любые по­ложительные значения больше единицы.

При динамическом торможении статор асинхронного двигателя отключают от сети и подключают к источнику постоянного тока. Применение динамического торможения вместо торможения противовключением позволяет значительно улучшить регулировочные показатели асинхронных двигателей, однако, при таком режиме торможения увеличиваются потери активной энергии, и снижается КПД.

Режим холостого хода происходит при работе АД на холостом ходу без нагрузки на его валу. Режим имеет низкий КПД и отрицательно сказывается на всего предприятия.

Режим короткого замыкания происходит при замкнутой накоротко вторичной обмотке и заторможенном роторе. Режим аварийный, так как приводит к пробою изоляции как статора, так и ротора, к большим тепловым потерям и воспламенению машины.

Рабочие характеристики АД есть зависимость потребляемой мощности Р₁, первичного тока I₁, cos , момента на валу М₂ и КПД от полезной мощности Р₂ при работе с номинальными U₁, ₁.

Рабочие характеристики позволяют находить все основные величины, определяющие режим работы машины в двигательном, генераторном и трансформаторном режимах при различной нагрузке.

Механической характеристикой АД является зависимость скорости вращения ротора ω₂ или скольжения s в функции механического вращающего момента электромагнитного происхождения М_эл при неизменном напряжении сети или зависимость электромагнитного вращающего момента М_эл от скольжения s.

Выражение для электромагнитного вращающего момента АД

, Нм (3.7)

где: х_k - реактивное сопротивление двигателя, Ом, х_k = x₁ + x₂;

г'₂ и х'₂ - приведенные к статору, соответственно, активное и реактивное сопротивления фазы ротора, Ом;

s – скольжение, %; ω₁ - скорость вращения магнитного поля статора, с^-1;

г₁ - активное сопротивление фазы статора, Ом;

U_1Ф - фазное напряжение сети, В.

Выражение (3.7) представляет собой аналитическую качественную зависимость естественной механической характеристики АД (рис.3.5), где прямая ОА является рабочей частью этой характеристики (т. А соответствует номинальному режиму), а кривая ВА – ее пусковой частью.

Рис.3.5.Естественная механическая характеристика АД

Для построения естественной механической характеристики как АДК, так и АДФ, на практике используют упрощенную формулу Клосса:

, (3.8)

где М_i – текущий момент на валу двигателя, Нм; М_max – максимальный или критический момент, развиваемый данным двигателем, Нм; s_i – скольжение, соответствующее текущему моменту, %; s_k – критическое скольжение, %.

Регулирование изменением амплитуды питающего напряжения: Из формулы 2.7 видно, что электромагнитный момент М_эл прямо пропорционален квадрату амплитуды питающего напряжения, т.е. при изменении U_ф меняется и М_эл.. Регулирование в этом случае производится только в первой зоне, т.к. возникает опасность перегрева статора, особенно при повышениях амплитуды напряжения в сети на величину, превышающую 5-10%, жесткость рабочей части механической характеристики падает, уменьшается М_пуск и М_max, М_ном – сохраняются. Диапазон регулирования даже в первой зоне ограничен, т.к. возникает опасность перегрева ротора при понижении амплитуды напряжения в сети на величину, превышающую 2,5-5% (см. рис. 3.6).

Рис.3.6

Регулирование изменением частоты питающего напряжения: Из той же формулы 1.7, видно, что М_эл обратно пропорциональна величине частоты питающего напряжения f₁.

, с^-1 (3.9),

где: f₁ , Гц – частота питающего напряжения;

2р – число пар полюсов.

Искусственные характеристики в этом случае располагаются в обеих зонах регулирования, жесткость рабочей части механической характеристики сохраняется, М_пуск и М_max изменяются, М_ном сохраняется неизменным (см. рис. 3.7).

Рис.3.7.

Регулирование изменением частоты и амплитуды питающего напряжения: Из вышеприведенных графиков (рис.3.6 и 3.7), видно, что искусственные характеристики и в случае изменения только амплитуды, и в случае изменения только частоты питающего напряжения, имеют ряд недостатков. Для исключения этих недостатков должен выполняться закон частотного регулирования, который в первом приближении выглядит так:

(3.10),

где U₁ⁱ – i-тое значение измененной амплитуды питающего напряжения;

f₁ⁱ – i-тое значение измененной частоты питающего напряжения.

В этом случае (см. рис. 1.8) сохраняются жесткость рабочей части искусственных характеристик, М_max и М_ном; изменяется только М_пуск..

Рис.3.8

Выполнение этого закона позволяет сохранять жесткость рабочей части механической характеристики в обеих зонах, сохраняя при этом высокий к.п.д. и cos .