книги из ГПНТБ / Рекус, Г. Г. Элементы автоматизированного электропривода учебное пособие

двигатели специальной конструкции, у которых ротор выполнен с двумя клетками (клетки состоят из медных, латунных или алю­ миниевых стержней, помещенных в пазах ротора, замкнутых между собой торцевыми кольцами, рис. 2,18) и с глубоким пазом.

а) с двойной беличьей клеткой; б) с глу­ боким пазом

У двигателей с двойной беличьей клеткой (рис. 2,18а) наруж­ ная клетка имеет большое активное и незначительное индуктив­ ное сопротивление (выполняется из латуни, алюминия, бронзы) и является пусковой. Внутренняя клетка наоборот имеет большое индуктивное и малое активное сопротивление (выполняется из красной меди) и является рабочей.

В момент пуска, при скольжении s = 1 частота тока ротора / 2 = Л равна частоте напряжения питающей сети, поэтому ин­ дуктивное сопротивление рабочей клетки с индуктивностью L бу­ дет большим (х 2 = 2кf 2 Ь).

Сопротивление рабочей клетки при этом будет значительно больше сопротивления пусковой клетки. В результате ток ротора в основном будет протекать по наружной (пусковой) клетке, ко­ торая обладает большим активным сопротивлением, что приве­ дет к созданию значительного пускового момента и соответствен­ но к снижению пускового тока.

По мере возрастания скорости двигателя частота тока в ро­ торе будет уменьшаться, вследствие чего будет уменьшаться и индуктивное сопротивление х 2. При достижении номинальной скорости вращения частота тока ротора оказывается весьма ма­ лой, сопротивление рабочей клетки значительно уменьшится и ток в основном будет протекать по рабочей клетке, имеющей малое активное сопротивление.

50

Действие ротора с глубоким пазом (рис. 2,186) основано на том же принципе, что и ротора с двойной клеткой. Роль внутрен­ ней рабочей клетки ротора с глубоким пазом выполняют элемен­ ты ее стержней, расположенные в глубине паза.

Пусковой ток при пуске вытесняется в верхнюю часть сечения клетки, активное сопротивление клетки увеличивается, пусковой гок двигателя уменьшается. При этом пусковой момент двига­ теля с глубоким пазом по сравнению с пусковым моментом ко­ роткозамкнутого двигателя нормального исполнения оказывается

намного больше.

Следует, однако, заметить, что при использовании двигателей с двойной клеткой ротора или с глубоким пазом несколько умень­ шаются энергетические показатели (коэффициент мощности и к. п. д.) при номинальной нагрузке.

У некоторых типов асинхронных двигателей с короткозамкну­ тым ротором начальной пусковой момент при s = 1 является несколько большим чем минимальный его момент. Неустойчивая часть механической характеристики таких двигателей при сколь­ жениях порядка 0,95 0,85 имеет провал, обусловленный влия­ нием высших гармонических зубцовых полей (М нач. пуск '^min дв )• Механическая характеристика подобных двигателей имеет вид характеристики, приведенной на рис. 2,19.

51

Поэтому при выборе и при проверке асинхронного двигателя по пусковому моменту следует учитывать возможность пониже-

П

S=0

Рис. 2-19. Механическая характе­ ристика асинхронного электро­ двигателя с короткозамкнутым ротором, характеризующаяся про­ валом при больших скольжениях

S=1

М н а ч . п у с к

ния вращающего момента двигателя от М ва,.пу« до М ттв процес­ се разгона на неустойчивой части механической характеристики. У двигателей с фазным ротором при введении сопротивления в цепь ротора величина пускового момента может изменяться. При этом имеется возможность повысить начальный пусковой момент двигателя до значения, равного максимальному моменту.

§7. Механические характеристики асинхронного электродвигателя

втормозных режимах

Торможение асинхронного двигателя (независимо от кон­ струкции его ротора) может осуществляться тремя способами, к числу которых относятся генераторное торможение с отдачей энергии в сеть, торможение противовключением и динамическое торможение.

Генераторное торможение с отдачей энергии в сеть возможно при работе асинхронной машины со скоростью большей синхрон­ ной. в этом случае асинхронная машина работает в режиме гене­ ратора с отдачей электрической энергии в сеть. Механические характеристики асинхронного двигателя в генераторном режиме приведены на рис. 2,20 во II квадранте.

Анализ формулы (2,46) для расчета момента асинхронной ма­ шины показывает, что максимальный момент в генераторном режиме оказывается больше максимального момента в двига­ тельном режиме. Генераторное торможение асинхронного дви­ гателя с отдачей энергии в сеть возможно в том случае, когда ротор вращается по направлению поля со скоростью большей синхронной скорости. Подобное торможение имеет место напри-

52

Рис. 2-20. Механические характеристики асинхронного элек­ тродвигателя в двигательном и генераторном режимах работы

мер при спуске грузов при работе грузоподъемных машин (подъем­ ники, некоторые экскаваторы и т. д.) со сверхсинхронной ско­ ростью.

Рис. 2-21. Механические характеристики асинхронного электро­ двигателя при переключении фаз и в режиме противовключения

53

Генераторное торможение может быть осуществлено так же при использовании двухскоростных электродвигателей в резуль­ тате переключения числа пар полюсов с большей синхронной скорости на меньшую. При этом ротор продолжает вращаться по инерции, развивая скорость большую, чем скорость вращаю­ щегося магнитного поля статора.

Торможение противовключением обеспечивается переключением двух фаз обмотки статора (реверсирование двигателя). В резуль­ тате этого происходит изменение направления вращения магнит­ ного поля статора. При этом направление вращения ротора оказывается обратным направлению вращения поля и двигатель создает тормозной момент, противодействующий движению. В процессе торможения ротор постепенно снижает скорость вра­ щения, а затем останавливается (точка 3, рис. 2,21). После оста­ новки двигатель развивает скорость в направлении, обратном первоначальному направлению вращения.

Механические характеристики асинхронного двигателя в ре­ жиме противовключения располагаются во II квадранте.

Режим торможения противовключением возникает также в том случае, когда двигатель, включенный на подъем, из-за недоста­ точности развиваемого момента не в состоянии преодолеть мо­ мент, обусловленный весом груза (Мп < Мс), при этом вместо подъема происходит спуск груза с установившейся скоро­ стью — пу„.

Механические характеристики в этом режиме являются про­ должением характеристик двигательного режима.

А В С + г

Рис. 2-22. Схема включе­ ния асинхронного электро­ двигателя в режиме дина­ мического торможения

54

В режиме противовключения скольжение ротора S > 1, по обмоткам двигателя протекает значительный ток, и снижается тормозной момент, развиваемый двигателем. Для обеспечения необходимого тормозного момента и ограничения потребляемо­ го тока при использовании асинхронного двигателя с фазным ротором в обмотку ротора включают дополнительное активное сопротивление, расчет которых производится так же, как и расчет пусковых сопротивлений.

Динамическое торможение асинхронного двигателя осущест­ вляется путем подачи в его обмотку статора постоянного тока. При этом обмотка ротора замыкается на внешнее сопротивление, выбираемое из условия получения требуемой механической ха­ рактеристики.

Схема включения асинхронного двигателя в режиме торможе­ ния приведена на рис. 2,22.

При переходе от двигательного режима к режиму динамичес­ кого торможения контактором Л отключается обмотка статора от сети переменного тока и контактором 1Л включается в сеть постоянного тока. С уменьшением скорости вращения двигателя пропорционально уменьшается частота тока в роторе. В резуль­ тате взаимодействия магнитного потока статора с током ротора возникает тормозной момент, зависящий от скорости вращения, сопротивления в цепи ротора и магнитного потока. Обмотка статора асинхронного двигателя в режиме динамического тормо­ жения включается либо звездой, либо треугольником. Возможно несколько схем включения обмоток статора при динамическом торможении. Однако наибольшее практическое применение нашли две из них, приведенные на рис. 2,23.

+

Рис. 2-23. Схемы включения обмоток статора асинхронного электро­ двигателя в режиме динамического торможения

а) звездой; б) треугольником

55

Механические характеристики асинхронного двигателя при динамическом режиме торможения располагаются во II квадран­ те и проходят через начало координат, т. к. при и = 0; Мт = 0. (рис. 2,24).

На рис. 2,24 показаны искусственные механические характе­ ристики при различных сопротивлениях в цепи ротора.

При динамическом торможении желательно получить боль­ шой тормозной момент в начале процесса торможения, что дос­ тигается включением дополнительных сопротивлений в цепь ротора или увеличением значения постоянного тока, подаваемо­ го в обмотки статора. Величина сопротивления, включаемого в статор при динамическом торможении, может быть определена по формуле:

(2,50)

где г, — активное сопротивление обмотки статора.

Величина максимального момента не зависит от величины активного добавочного сопротивления и может быть принята пропорциональной квадрату приложенного, к обмотке статора, напряжения. Однако критическое скольжение двигателя зависит от активного сопротивления, включенного в цепь ротора двига­ теля и увеличивается пропорционально увеличению сопротивле­ ния. При этом критическое скольжение соответствующее двига­ тельному режиму много больше критического скольжения, соот­ ветствующего режиму динамического торможения при одном

итом же сопротивлении, включенном в цепь ротора.

*%di >

Рис. 2-24. Механические ха­ рактеристики асинхронного электродвигателя в режиме динамического торможе­ ния

0

56

Достоинством этого метода торможения является экономич­ ность и плавность торможения. Недостатком является необхо­ димость использования источника постоянного тока, однако этот недостаток в настоящее время не имеет существенного значения в связи с возможностью использования полупроводниковой тех­ ники, при создании схем выпрямления переменного тока в пос­ тоянный. В качестве примера на рис. 2,25 приведена одна из воз­ можных схем включения асинхронного двигателя при динами­ ческом торможении, при питании обмотки статора через полу­ проводниковый выпрямитель. В качестве выпрямительного уст­ ройства используется мостовая схема двухполупериодного вып­ рямления. Эта схема является наиболее простой из двухполупериодных схем выпрямления и характеризуется сравнительно не­ большим коэффициентом пульсации.

А В С

Питание обмотки статора асинхронного двигателя от двух­ полупериодного выпрямителя в ряде случаев может осуществлятся и без трансформатора, что возможно тогда, когда напряжение сети полностью соответствует напряжению, используемому при динамическом торможении.

57

§ 8. Механическая и угловая характеристики синхронного двигателя

Синхронные электродвигатели достаточно широко использу­ ются в электроприводах большой и средней мощности, для приво­ да исполнительных механизмов, которые требуют постоянной скорости вращения. К числу подобных механизмов относятся насосы, вентиляторы, экскаустеры, холодильные машины и т. д.

Синхронные электродвигатели имеют абсолютно жесткую механическую характеристику, обеспечивающую неизменное чис­ ло оборотов, независимо от величины нагрузки на валу.

Скорость вращения ротора синхронного двигателя строго рав­ на синхронной скорости вращающегося магнитного поля:

Отличительной особенностью синхронных электродвигателей является относительно небольшая чувствительность к изменению

Рис. 2-26. Схема асинхронного пуска синхронного электродвигателя

58

питающего напряжения. При этом момент, развиваемый синхрон­ ным двигателем пропорционален напряжению в первой степени, в то время, как момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Синхронный электродвигатель может ра­ ботать с высоким коэффициентом мощности и даже при опере­ жающем токе, что позволяет улучшать коэффициент мощности системы. На рис. 2,26 показана принципиальная схема включения синхронного двигателя от полного напряжения сети. Пуск син­ хронных двигателей затруднителен вследствие того, что эти дви­ гатели не имеют пускового момента. Для обеспечения возмож­ ности пуска в настоящее время при изготовлении двигателей кроме нормальной рабочей обмотки создается пусковая обмотка. Для этого в пазы полюсных наконечников ротора закладываются стержни, соединенные между собой по торцам кольцами. Наличие указанной клетки позволяет осуществлять непосредственный пуск синхронного двигателя от напряжения питающей сети, по­ добно пуску асинхронного двигателя.

Асинхронный пуск синхронного двигателя осуществляется в две стадии. Вначале обмотка статора двигателя включается в трехфазную сеть при замкнутой на сопротивление его обмотке возбуждения (I положение) во избежание появления значитель­ ной э. д. с., опасной для изоляции обмотки возбуждения. При достижении скорости вращения близкой к синхронной (и= 0,95 пх), т. н. подсинхронной скорости, обмотка возбуждения синхронного двигателя включается в цепь возбуждения, при этом обмотка возбуждения питается постоянным током и двигатель втягивает­ ся в синхронизм (2 положение). При асинхронном пуске в пуско­ вом периоде синхронный электродвигатель обладает характерис­ тиками асинхронного двигателя. В зависимости от величины активного сопротивления короткозамкнутой клетки пусковые характеристики двигателя в области подсинхронной скорости могут быть жесткими и мягкими.

С увеличением активного сопротивления пусковой клетки пусковой момент двигателя увеличивается, а момент, развивае­ мый двигателем при подсинхронной скорости, уменьшается и наоборот.

Пусковой момент двигателя должен быть по величине таким, чтобы он обеспечивал трогание механизма с места, а входной момент — вхождение двигателя в синхронизм, для этого необхо­ димо, чтобы М%х > Мс. Указанными условиями руководствуются при выборе величины активного сопротивления короткозамкнутой пусковой клетки.

59