2.1.2. Синхронные двигатели.

Особенностью синхронных двигателей является то, что скоростью его вращения постоянна и не зависит от нагрузки. Она определяется частотой сети и числом пар полюсов магнитной системы:

.

Синхронные электродвигатели применяют в приводах средней и большой мощности в тех случаях, когда режим работы длительный и регулирование скорости не требуется: мощные насосы и вентиляторы, компрессоры, воздуходувки, эксгаустеры, дробилки, мельницы, приводы черновых клетей прокатных станов. Достоинство этих двигателей – надежность, высокие значения КПД и cos, большая мощность в заданных габаритах и массе.

Вращающий момент двигателя зависит от угла сдвига фаз  между напряжением сети и ЭДС в обмотке статора:

,

где U_C – фазное напряжение сети; Е – фазная ЭДС, наводимая в обмотке статора полем обмотки возбуждения ротора; х – синхронное индуктивное сопротивление статора; Ммакс – максимальный момент.

При =/2 момент максимален. Работа при >/2 не допускается, т.к. с ростом нагрузки момент двигателя уменьшается, что приведет к выпадению двигателя из синхронизации. Обычно номинальной нагрузке на валу двигателя соответствует угол =2030 , что соответствует перегрузочной способности 3. В специальных случаях применяются синхронные двигатели с перегрузочной способностью 3,54.

Пуск синхронного двигателя осуществляется в асинхронном режиме под воздействием пусковой короткозамкнутой обмотки ротора. При достижении скорости, близкой к синхронной, автоматически подключается обмотка возбуждения постоянного тока. При этом двигатель входит в синхронизм.

Достоинством синхронных двигателей является их надежность и высокий КПД, равный 0,98. За счет того, что потребляемый из сети ток имеет опережающий характер, синхронные двигатели повышают общезаводской cos, что благоприятно сказывается на устойчивости электрических цепей.

Основным режимом торможения являются динамическое торможение. При этом возбуждение ротора сохраняется, а обмотка статора отключается от сети и подключается к тормозному сопротивлению. Машина при этом работает в генераторном режиме, развивая тормозной момент.

Особенностью синхронного двигателя является то, что путем изменения тока возбуждения можно регулировать потребляемую из сети реактивную мощность. Это свойство используют для компенсации реактивных нагрузок металлургических предприятий.

В последнее время наблюдаются попытки использовать синхронные двигатели с частотным управлением в регулируемых электроприводах.

2.1.3. Двигатели постоянного тока.

Двигатели постоянного тока используются на средних и больших мощностях при необходимости регулирования скорости. Они значительно дороже двигателей переменного тока, требуют наличия выпрямительных установок, но обеспечивают более высокое качество регулирования. Двигатели имеют независимое, параллельное, последовательное или смешанное возбуждение.

Электродвигатели постоянного тока с независимым и параллельным возбуждением имеют сходные механические характеристики, имеющие линейный характер:

где U – напряжение, приложенное к якорю; С_д – конструктивный коэффициент; Ф – магнитный поток возбуждения; М – вращающий момент; R_Я - сопротивление обмотки якоря; R_Р – сопротивление реостата в цепи якоря.

Скорость холостого хода можно изменять путем регулирования параметров U и Ф. Увеличение сопротивления цепи якоря уменьшает жесткость механической характеристики.

Для двигателей этого типа возможны все три известных режима торможения: рекуперативное с отдачей энергии в сеть, динамическое торможение и торможение противовключением.

Рекуперативное торможение возможно, когда скорость двигателя, вращающегося в том же направлении, что и в двигательном режиме, станет больше скорости холостого хода под влиянием нагрузки, например, при спуске груза. ЭДС якоря становится выше напряжения сети, момент меняет знак. Такое торможение применяется в приводе прокатных станов, скиповых подъемников, механизма поворота конвертора. Рекуперативное торможение наиболее экономичнее из всех тормозных режимов.

Динамическое торможение осуществляется включением якоря на специальный резистор, а обмотки возбуждения – в сеть. Двигатель работает генератором, преобразуя запасенную ранее механическую энергию в электрическую и далее – в тепловую на нагрузочном резисторе. С уменьшением скорости тормозной момент уменьшается, поэтому для полной остановки необходимо наложение механического тормоза. Динамическое торможение отличается плавностью и точностью дозирования тормозного момента.

Торможение противовключением происходит если с помощью реостата момент двигателя станет меньше момента сопротивления. В этом случае двигатель остановится и далее под действием нагрузки начнет вращаться в противоположную сторону. При этом изменится знак ЭДС и может станет тормозным; ток резко возрастет и для его ограничения пусковой реостат снабжается дополнительной ступенью, называемой ступенью противовключения.

На практике торможение противовключением часто осуществляют изменением полярности якоря на ходу. При остановке двигателя его следует отключить, иначе он может разогнаться в обратном направлении.

Электродвигатели с последовательным и смешанным возбуждением имеют нелинейные и весьма мягкие механические характеристики. Они еще более смягчаются при введении реостата в цепь якоря. При малых нагрузках (1520 % от номинальной) магнитный поток сериесных двигателей резко снижается и скорость недопустимо возрастает (разнос двигателя). Поэтому двигатель последовательного возбуждения нельзя пускать в холостую. В двигателях смешанного возбуждения скорость холостого хода имеет конечное значение и опасность разноса отсутствует.

Двигатели последовательного возбуждения легко и плавно преодолевают нагрузки, имеют высокий пусковой момент, относительно мало перегружают сеть при пуске. Они широко используются в приводе транспортных механизмов, а также механизмов, производящих слив жидкого металла: конверторов, миксеров, кранов.

У двигателей с последовательным возбуждением отсутствует режим рекуперационного торможения, поскольку скорость холостого хода не имеет конечной величины. Динамическое торможение из-за больших толчков тока используется редко. Его используют при исчезновении напряжения сети. Динамическое торможение двигателей со смешанным возбуждением происходит аналогично двигателям с параллельным возбуждением и широко используется на практике.

Двигатели со смешанным возбуждением имеют механические характеристики, приближающиеся по форме к характеристикам сериесных двигателей или двигателей с параллельным возбуждением.

Регулирование скорости электродвигателей постоянного тока возможно тремя способами: введением реостата в цепь якоря, изменением величины магнитного потока и изменением величины якорного напряжения.

Реостатное регулирование в цепи якоря имеет много недостатков: ступенчатость регулирования, снижение жесткости механической характеристики, что ухудшает стабильность скорости, малый диапазон регулирования, большие потери мощности на реостате (пропорциональны степени снижения скорости), однонаправленность регулирования – только уменьшение скорости.

Регулирование изменением потока возбуждения осуществляется введением резистора в обмотку возбуждения. При этом скорость можно только увеличить. Диапазон регулирования от 12 до 15. Данный способ используется при двухзонном регулировании в приводе прокатных станов. В сериесных двигателях изменение потока можно осуществить шунтированием резистором обмотки возбуждения (поток уменьшается и скорость возрастает) или шунтированием обмотки якоря (поток увеличивается и скорость падает). И хотя шунтирование якоря снижает экономичность привода, этот метод используется для получения устойчивых малых скоростей, необходимых при сливе жидкого металла из емкостей.

Регулирование изменением величины якорного напряжения наиболее перспективно. Оно обеспечивает высокий диапазон регулирования, плавность регулирования, не вызывает больших потерь энергии. При этом требуется наличие регулируемого источника постоянного напряжения. В зависимости от конструкции источника могут быть несколько систем регулируемого привода: система Г-Д, ТП-Д. В последние годы в основном используются комплектные тиристорные электроприводы (КТП). В состав КТП входят: электродвигатель; тахогенератор; тиристорный преобразователь якорной цепи с аппаратурой управления, защиты, контроля и сигнализации; силовой трансформатор; тиристорный преобразователь цепи возбуждения; сглаживающий реактор; коммутационная и защитная аппаратура; система управления.