Теория электропривода учебное пособие

привода получается при ω > ω0, т.е. при s < 0. Такой режим работы используется в механизмах с многоскоростными АД, которые при переключении обмотки статора на большее число пар полюсов будут работать в генераторном режиме, отдавая запасенную энергию в сеть переменного тока (рис. 5.19). Механическая характеристика АД в этом режиме проходит во II квадранте, являясь продолжением механической характеристики (естественной или искусственной) двигательного режима.

Процесс торможения двигателя при уменьшении числа пар полюсов (например с р = 2 до p = 1) на рис. 5.19 показан стрелками от ωс1 до ωс2. (Пуск двигателя при Мс = const также показан стрелками от Мп1 или Мп2.)

При введении в цепь ротора АД с фазным ротором добавочных сопротивлений его механические характеристики в режим рекуперации энергии будут менее жесткими.

Рис. 5.19. Механические характеристики АД при генераторном торможении

В связи с этим использование генераторного режима рекуперативного торможения при мягких механических характеристиках ограничено, так как такой режим требует больших скоростей и развивает небольшие тормозные моменты.

181

Торможение противовключением возникает при вращении ротора асинхронной машины под действием статического или динамического момента в направлении, противоположном вращению поля статора.

Режим противовключения при реактивном Мс получается изменением чередования фаз обмотки статора для изменения направления вращения АД. В этом случае меняется направление вращения магнитного поля, а ротор в начальный момент переключения будет вращаться в прежнем направлении, так как скорость двигателя не может мгновенно поменять направление из-за действия сил инерции.

Рис. 5.20. Механические характеристики АД при торможении противовключением

Двигатель, вращаясь против направления вращения магнитного поля, тормозится до полного останова при Мc > M. Если при том же реактивном Мc развиваемый двигателем момент больше момента сопротивления, произойдет пуск АД в противоположном направлении. На рис. 5.20 показано торможение противовключением от режима с ωс и пуск

182

двигателя с короткозамкнутым ротором до скорости –ωс (линия LABEF) и двигателя с фазовым ротором (линия

LABCDEF).

Режим противовключения приводит к 7–8-кратной перегрузке двигателя по току. При торможении и реверсе противовключением АД с короткозамкнутым ротором малой и средней мощности большой тормозной ток в роторе ничем не ограничивается. Поэтому внутренние тепловые потери в роторе такого двигателя существенно ограничивают частоту включений электродвигателя.

При частых противовключениях используют АД с фазовым ротором, искусственные (реостатные) характеристики которых позволяют ограничивать токовые нагрузки и формировать тормозной режим и пуск с максимальным моментом.

При активном Мс в цепь ротора АД с фазовым ротором вводится активное добавочное сопротивление, выбираемое из условия М ≈ Мс.

АД под действием механизма (груза) тормозится до останова, а если M < Mc, разгоняется до –ωт1 (режим тормозного спуска).

Наряду с этим способом может применяться генераторный режим торможения противовключением, когда АД реверсируется и под действием активного Мс переходит в режим рекуперативного торможения со скоростью, большей чем синхронная (режим в т. G на рис. 5.20).

Режим динамического торможения асинхронного двигателя может быть получен при независимом возбуждении со стороны статора, когда статор асинхронного двигателя отключается от сети переменного тока и включается к источнику постоянного напряжения по одному из вариантов схем, приведенных на рис. 5.21.

183

3

Рис. 5.21. Варианты включения обмотки статора при динамическом торможении

При таком независимом возбуждении двигатель получает неподвижный магнитный поток статора, который индуктирует в обмотках вращающегося от механизма ротора ЭДС и ток. Таким образом двигатель превращается в синхронный генератор с неявно выраженными полюсами, работающий при переменной скорости.

Наиболее просты и поэтому чаще всего применяются изза простоты схемы соединения обмоток статора по рис. 5.21, а, б, хотя они не обеспечивают равномерного магнитного поля. Варианты г, д, е и ж создают более равномерное магнитное поле, но требуют дополнительной коммутации обмоток.

Установим связь между трехфазным током I1 схемы при соединении обмоток в звезду и постоянным током Iп в схеме динамического торможения (см. рис. 5.21, б). По векторной диаграмме (рис. 5.21, в) МДС определена результирующая МДС для этой схемы постоянного тока:

184

Условием эквивалентности является равенство МДС, создаваемых постоянным током Iп в данной схеме соединения обмоток и переменным током I1. Используя для обобщенной электрической машины равенство вектора переменных при фазных преобразованиях координат трехфазной системы в двухфазную:

где x1max 3ф и x1max 2ф – соответственно амплитуды перемен-

ных в трехфазной системе реальной машины и ее двухфазной модели, определим эквивалентный ток Iэкв:

Тогда для рассматриваемой схемы по рис. 5.21, б имеем

Уравнение механических характеристик при данном способе торможения определим по Т-образной схеме замещения (см. рис. 5.1):

где ν – относительная скорость или скольжение в режиме динамического торможения.

Электромагнитный тормозной момент, развиваемый двигателем, выраженный через электромагнитную мощность статора, с учетом (5.56) может быть представлен как

Исследованием полученной функции на экстремум найдены критические значения момента и скольжения при динамическом торможении с независимым возбуждением АД [1]:

В выражении критического момента при динамическом торможении получены пропорциональная зависимость от переменного тока Iэкв, эквивалентного постоянному, протекающему по обмоткам статора, а также зависимость критического скольжения от активного сопротивления цепи ротора.

Механические характеристики динамического торможения с независимым возбуждением приведены на рис. 5.22.

Рис. 5.22. Механические характеристики динамического торможения с независимым возбуждением

Из выражений (5.58) и соответствующих характеристик на рис. 5.22 следует, что критический момент двигателя в режиме динамического торможения не зависит от активного сопротивления цепи ротора, а введение добавочных резисторов в цепь ротора увеличивает критическое скольжение, снижая тем самым жесткость рабочего участка, так же, как и при дви-

186

гательном режиме. Процесс торможения со значения начальной скорости в двигательном режиме ω0 показан по точкам А–С–0 с дополнительным сопротивлением в роторной цепи с целью ограничения начального тока и током в статорной обмотке Iп1. Если начальное значение тока не превышает допустимого, торможение может быть выполнено по естественной характеристике при токе статора Iп1 (показано стрелками).

Динамическое торможение с самовозбуждением двигателя достигается при замыкании обмотки статора накоротко за счет остаточного намагничивания статора или при подключении обмотки статора к батареям конденсаторов.

При отключении обмотки статора АД от сети сохраняется лишь незначительный магнитный поток от остаточного намагничивания стали вращающегося ротора. Двигатель работает как самовозбужденный асинхронный генератор. При конденсаторном способе торможения ЭДС, индуктированная в обмотке статора от остаточного намагничивания стали ротора и приложенная к конденсаторам, обеспечивает протекание по обмоткам статора емкостного тока I = Iµ. Ток создает вращающееся магнитное поле, которое увеличивает ЭДС и напряжение на статоре. Механические характеристики двигателя в режиме торможения с самовозбуждением для значений емкостей С1 и С2 приведены на рис. 5.23. Максимум тормозного момента при уменьшении емкости перемещается в область более высоких скоростей, причем он может в 5–8 раз превышать номинальный момент двигателя.

Однако возникновение тормозного момента возможно только при больших скоростях (ω > 0,3…0,5ω0), поэтому необходимы большие емкости для обеспечения тормозного эффекта при малых скоростях.

ЭДС, наводимая во вращающемся роторе, и ток в роторе будут весьма малыми, поэтому взаимодействие тока ротора с потоком от остаточного намагничивания не может создать значительного электромагнитного момента.

187

Рис. 5.23. Механические характеристики при комбинированном способе торможения

Если тормозной момент оказывается недостаточным, то в таких случаях используется комбинированный способ торможения – сочетание конденсаторного и независимого возбуждения, механические характеристики которого показаны на рис. 5.22. Отключение батареи конденсаторов от обмотки статора и подача от независимого источника напряжения постоянного тока на обмотку статора осуществляется при значениях скорости вращения двигателя ω ≈ 0,5ωс.

Динамическое торможение не требует больших затрат энергии, но требует источник постоянного тока, обеспечивает более плавное торможение АД и точность его остановки.

Конденсаторное торможение эффективно лишь в начальный момент, при высоких скоростях АД. При малых скоростях уменьшающаяся ЭДС самовозбуждения становится ниже критического значения (так же, как и при динамическом торможении с самовозбуждением машин постоянного тока). Это обусловливает падение потока возбуждения и тормозного момента. Окончание процесса торможения проходит на выбеге, когда электромагнитный тормозной момент равен нулю.

188

6.ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ССИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

Синхронные двигатели находят все более широкое применение в промышленности, что объясняется их высокими технико-экономическими показателями:

–высокий КПД (η = 0,94…0,98) и коэффициент мощности (cosϕ), который в перевозбужденной машине может быть опережающим, что позволяет использовать в качестве компенсаторов реактивной мощности в сетях с активноиндуктивной нагрузкой;

–синхронный двигатель обладает абсолютно жесткой механической характеристикой;

–большая перегрузочная способность λ = М , которую

Мн

можно кратковременно регулировать током обмотки возбуждения;

– синхронные двигатели имеют большой воздушный зазор, вследствие чего они легко охлаждаются внешним вентилятором;

– электромагнитный момент СД пропорционален U1, а не U12 , как у АД, что положительно сказывается при сни-

жении напряжения в сети;

– особенности конструкции синхронных двигателей позволяют изготовлять их на мощности Р = 300…25 000 кВт.

Наряду с этим синхронные двигатели имеют значительно большую стоимость по сравнению с АД той же мощности и скорости, требуют более сложных систем управления, чем АД, что удорожает стоимость их применения.

6.1. Особенности конструкции синхронных двигателей

Конструкция статора синхронных двигателей (СД) принципиально не отличается от конструкции статора асинхронных электродвигателей. Статор СД похож на статор

189

АД и используется для создания вращающегося магнитного поля.

На роторе СД размещается обмотка возбуждения, питание которой осуществляется от источника постоянного тока через контактные кольца.

Рис. 6.1. Условное обозначение трехфазных синхронных двигателей: а – с возбуждением от постоянных магнитов; б – с неявнополюсным ротором; в – с явнополюсным ротором

По конструктивному выполнению роторов с обмоткой возбуждения различают следующие типы синхронных двигателей:

–с неявно выраженными полюсами, так называемые турбодвигатели с массивными роторами и равномерно расположенной обмоткой возбуждения;

–двигатели с явно выраженными полюсами и насаженными на них катушками обмоток возбуждения;

–маломощные двигатели специального назначения, имеющие ротор с постоянными магнитами (рис. 6.1).

Ротор синхронного двигателя («магнит») увлекается вращающимся полем статора и движется синхронно с ним, связанный «магнитной пружиной», отставая в двигательном

режиме или опережая в тормозном на угол θ, зависящий от электромагнитного момента.

190