книги из ГПНТБ / Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник

п, меньшей, чем скорость поля. Относительная разность скоростей поля и ротора называется скольжением:

Э. д. с. и частота тока во вращающемся роторе зависят от сколь­ жения:

Известно, что для устойчивой работы любого механического двигателя (дизель, турбина) требуется автоматический регуля­ тор частоты вращения. Электрические же двигатели обеспечивают устойчивую работу без дополнительных регуляторов. Эта особен­ ность их называется саморегулированием, которое у асинхронных двигателей выглядит следующим образом. Двигатель развивает вращающий момент, равный моменту сопротивления, и скорость его постоянна.

При увеличении момента сопротивления скорость двигателя начинает падать, а значит, увеличивается скольжение, э. д. с. ро­ тора, ток ротора и вращающий момент двигателя. Все это проис­ ходит до тех пор, пока вращающий момент вновь будет равен мо­ менту сопротивления. Кратко все это можно записать следующим образом:

М = Мс; п = const. Мс f —п ф—s f —E2s f —/ 2 f —М f .

Механическая характеристика асинхронного двигателя являет­ ся сложной кривой (рис. 132), у которой выделяются два участка: аб — рабочая часть характеристики и вб — пусковая. Саморегу­ лирование двигателя происходит только на рабочей части меха­ нической характеристики.

Наибольший момент Л4Мах, развиваемый двигателем, называет­ ся максимальным (опрокидывающим, критическим). Отношение

220

максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью Двигателя:

Л1мах

К м

М н '

При включении реостата в цепь обмотки ротора максимальный момент двигателя не изменяется, но возрастает наклон рабочей

части механических характеристик, т. е. уменьшается их жест­ кость.

Очень важно помнить, что максимальный момент двигателя пропорционален квадрату напряжения сети. При снижении напря­ жения, подаваемого на двигатель, резко уменьшается его перегру­ зочная способность, увеличивается скольжение и потери энергии в Цепи ротора. Практически такая же ситуация возникает и при включении активных и индуктивных сопротивлений последова­ тельно в обмотку статора.

Механическая характеристика синхронных двигателей являетСя прямой, параллельной оси абсцисс. Это значит, что при изме­ нении нагрузки на валу синхронного двигателя его частота вра­ щения абсолютно не изменяется. При чрезмерной перегрузке син­ хронный двигатель выпадает из синхронизма и останавли­ вается.

§ 53. Тормозные режимы работы электродвигателей

При анализе основного уравнения движения (79) было пока­ зано, что при определенных условиях электрический двигатель Может развивать отрицательный момент, т. е. момент, действую­ щий навстречу вращению электропривода. Такой режим работы

Двигателя называется тормозным.

Тормозной режим может быть установившимся и переходным. Установившийся режим торможения возникает при спуске груза, при движении электрички или трамвая под уклон и т. д. Он может возникнуть только при наличии в приводе положительного актив­ ного статического момента. Переходный режим торможения

221

возникает при остановке привода или при переходе его с одной установившейся скорости вращения па другую при любом ста­ тическом моменте сопротивления и на холостом ходу.

Электрические двигатели могут работать в различных тормоз­ ных режимах. На практике получили распространение три спосо­ ба торможения: рекуперативное, динамическое и торможение противовключением.

Рекуперативное торможение. Двигатель постоянного тока па­ раллельного возбуждения переходит в режим рекуперативного торможения, когда частота вращения его под действием внешних сил становится больше скорости идеального холостого хода. При этом э. д. с. якоря превышает напряжение сети, ток якоря в со­

увеличении з. д. с. уменьшается ток, а значит и поток возбуж­ дения. Понятно, что э. д. с. при этом не может превысить напря­ жение сети.

У двигателей постоянного тока смешанного возбуждения при переходе в режим рекуперативного торможения чаще всего по­ следовательная обмотка исключается шунтированием ее.

Рекуперативное торможение асинхронных двигателей начи­ нается тогда, когда скорость ротора под действием внешних сил превысит скорость поля. Скольжение при этом становится отри­ цательным, и асинхронный двигатель переходит в режим асин­ хронного генератора, работающего параллельно с генераторами электростанции.

Рекуперативное торможение отличается высокой экономич­ ностью, поскольку энергия тормозящихся масс превращается в электрическую энергию и отдается в сеть. Практически это приво­ дит к тому, что нагрузка на генераторы электростанции уменьшает­ ся. Очень важно также, что при переходе из двигательного ре­ жима в тормозной и наоборот никаких переключений в схеме уп­ равления двигателем не делается. Все зависит от действия внеш­ них сил. Так например, при пуске холостого гака или легкого груза двигатель работает в силовом режиме, а при пуске более тяжелого груза он автоматически переходит в тормозной режим при этом же полржении поста управления лебедкой или краном.

Если на судне одновременно переходят в режим рекуператив­ ного торможения несколько относительно мощных электродвига­ телей, то они могут полностью разгрузить генератор на электро­ станции, который в свою очередь перейдет в режим двигателя, и

222

защита от обратной мощности (тока) выключит его, обеспечив суд­ но. Такая ситуация нередко возникает во время грузовых операций, когда лебедки или краны, скажем, двух трюмов спускают груз одновременно, а остальная нагрузка на генератор невелика.

Другим недостатком рекуперативного торможения является то, что торможение осуществляется только при скорости выше, чем скорость идеального холостого хода.

Динамическое торможение. Если якорь двигателя постоянного тока отключить от сети и замкнуть на сопротивление реостата, а обмотку возбуждения оставить подключенной к сети (рис. 133), то двигатель переходит в режим автономного генератора с незави­ симым возбуждением. Нагрузкой для этого генератора является реостат. Следовательно, кинетическая энергия тормозящихся масс превращается в электрическую и выделяется в виде тепла на со­ противлении реостата и в обмотке якоря.

В процессе динамического торможения двигателей постоянного

ваемая на возбуждение, и в двигательном и в тормозном режимах одинакова и составляет 2—3% номинальной мощности двигателя.

При динамическом торможении двигателей последовательного возбуждения их низкоомную обмотку, рассчитанную на номиналь­ ный ток двигателя, приходится включать на сеть через дополни­ тельный реостат, также рассчитанный на номинальный ток двига­ теля. Мощность, потребляемая этой цепью из сети, соизмерима с номинальной мощностью двигателя.

Динамическое торможение двигателей смешанного возбуждения обычно осуществляется при отключенной последовательной обмотке.

Режим динамического торможения асин­ хронных двигателей возникает тогда, когда обмотка статора отключается от сети пере­ менного тока и подключается к цепи постоян­ ного тока (рис. 134), т. е. размыкаются

вижное магнитное поле, которое индуктирует во вращающемся ро­ торе э. д. с. Под действием этой э. д. с. в обмотке ротора потечет ток, а его взаимодействие с неподвижным полем и создает тормоз­ ной момент. Кинетическая энергия торможения превращается в электрическую энергию и выделяется в виде тепла в цепи ротора.

Достоинство динамического торможения состоит в том, что торможение происходит до полной остановки привода. Однако энергия тормозящихся масс полезно не используется, и при пере­ ходе от двигательного режима к тормозному должна переключать­ ся схема управления.

Динамическое торможение применяется чаще всего для быстрой и точной остановки электропривода, например в рулевом устройст­ ве, в приводе поворота башни крана.

Торможение противовключением. Оно возникает тогда, когда двигатель включен на вращение в одну сторону, но под действием внешних сил вращается в другую. Этот режим является тяжелым для двигателей постоянного и переменного тока, так как он связан с резким увеличением тока. Здесь не только энергия тормозящих­ ся масс, но и значительная энергия, потребляемая из сети, превра­ щается в тепло на сопротивлениях обмоток двигателя и на сопро­ тивлениях реостатов.

Торможение противовключением применяется иногда для бы­ строй остановки привода с последующим реверсом.

Для асинхронных двигателей с фазным ротором применяется однофазное торможение (электропривод брашпиля судов типа теп­ лоходов «Андижан», «Повенец»), при котором трехфазная обмотка статора включается на две фазы сети, а в цепь ротора вводится большое сопротивление реостата.

§ 54. Регулирование частоты вращения электроприводов постоянного тока

Проблема регулирования частоты вращения электроприводов является одной из важнейших задач современной силовой электро­ техники. Разработка и применение рациональных способов регули­ рования позволяют повысить производительность механизмов, улучшить качество выпускаемой продукции, упростить механичес­ кую часть привода, уменьшить расход электроэнергии и т. д.

С регулированием частоты вращения не следует смешивать естественное изменение частоты вращения электродвигателя в соот­ ветствии с его механической характеристикой, когда изменяется на­ грузка на валу привода. Регулирование — это принудительное из­ менение частоты вращения электропривода в зависимости от тре­ бований приводного механизма.

224

Любой способ регулирования можно характеризовать следую­ щими основными показателями.

Д и а п а з о н р е г у л и р о в а н и я . Отношение максимальной частоты вращения к минимальной, которое можно получить в при­ воде:

^И мах

,гмин

Пл а в н о с т ь р е г у л и р о в а н и я . Количество устойчивых скоростей, получаемых в данном диапазоне регулирования.

Э к о н о м и ч н о с т ь . При характеристике того или иного спосо­ ба регулирования частоты вращения учитываются как затраты, связанные с созданием самого способа регулирования, так и допол­

изменение частоты вращения только вниз или только вверх от ос­ новной частоты вращения привода или же возможно регулирование и вверх и вниз.

Анализируя формулу (87), нетрудно видеть, что частоту вра­ щения двигателя постоянного тока можно регулировать тремя спо­ собами: изменением сопротивления реостата в цепи якоря, измене­ нием потока возбуждения, изменением напряжения питания дви­ гателя.

Изменение сопротивления реостата в цепи якоря. Механические характеристики двигателя (см. рис. 126) показывают, что увели­ чение сопротивления реостата в цепи якоря приводит к уменьшению частоты вращения. Кратко процесс регулирования можно записать следующим образом:

М = М С; n = const — исходное состояние привода;

Я р t ~/я | — М | - я | - Е I - / я f — М f .

Такая последовательность рассуждений позволяет попять фи­ зические процессы, происходящие в электроприводе при изменении тех или иных параметров.

Оценка этого способа регулирования частоты вращения с точки зрения принятых показателей получается следующей.

Диапазон регулирования частоты составляет около 5:1 и огра­ ничивается тем, что при большом сопротивлении реостата работа двигателя становится нестабильной, особенно если момент сопро­ тивления колеблется.

Плавность регулирования принципиально может быть любой, но при увеличении частоты вращения усложняется схема управления.

Экономичность этого способа регулирования низкая, поскольку в цепи якоря выделяются потери энергии в виде тепла, пропорци­ ональные перепаду частоты вращения. Так, при снижении частоты вдвое по сравнению с п0 половина всей мощности, потребляемой двигателем из сети, превращается в тепло на сопротивлениях реостата и обмотке якоря. Благодаря своей относительной просто­ те способ сравнительно широко применяется на судах.

Изменение потока возбуждения. У двигателей параллельного и смешанного возбуждения для изменения потока возбуждения ис­ пользуется реостат rv (см. рис. 130), включенный последовательно в цепь параллельной обмотки возбуждения. У двигателя последо­ вательного возбуждения для этой цели реостат необходимо вклю­ чать параллельно обмотке возбуждения.

Процесс регулирования кратко записывается так: М ;~ М С; п = const — исходное состояние привода.

r p t - I BI - Ф 1 - Е | - I s t - М t - п t - Е t - I n 1 - M i .

Здесь следует заметить, что сразу же при уменьшении потока Ф в соответствии с (86) уменьшается Е, а в соответствии с (88) должен уменьшиться момент М. Однако при уменьшении Е увели­ чивается ток /я (85) в значительно большей степени, чем умень­ шился поток, и поэтому вращающий момент двигателя увеличива­ ется, что и приводит к увеличению частоты вращения двигателя.

Обычные двигатели постоянного тока допускают увеличение частоты вращения за счет ослабления поля не более чем на 30—40% выше номинальной. Ограничение частоты вращения при этом происходит из-за ухудшения условий коммутации на коллек­ торе. Двигатели, допускающие двукратное увеличение частоты, рас­ считываются специально.

Для уменьшения частоты вращения электродвигателя нужно увеличивать поток возбуждения, но магнитная система машины уже при номинальном потоке находится в насыщенном состоянии. По этой причине осуществить сколько-нибудь существенное увели­ чение потока, невозможно, а значит, и регулирование частоты вниз весьма ограничено, а практически и вообще невозможно, поскольку обмотка возбуждения у двигателей рассчитывается на полное на­ пряжение сети.

Регулирование частоты вращения изменением потока возбуж­ дения является экономичным, поскольку потери энергии в цепях возбуждения электрических машин составляют 1—5% мощности машины.

Этот способ на практике часто применяется в сочетании с дру­ гими способами регулирования частоты вращения.

Изменение напряжения, подводимого к якорю двигателя. Изме­ нять напряжение, пЬдаваемое на якорь двигателя, можно в том случае, если двигатель получает питание от отдельного источника электроэнергии или от статического преобразователя.

Электропривод, в котором исполнительный двигатель ИД полу­ чает питание от отдельного генератора Г, называется системой

226

A r t Ф г! A rt и л . A it Мид\ Кид\ Еид\ A t Мид\-

Все это происходит до тех пор, пока Мид вновь станет равным моменту сопротивления Мс, но уже при большей скорости вращения

ИД.

Механические характеристики для этого случая приведены на рис. 127. Важно, что жесткость их почти не меняется, следователь­ но, и стабильность работы ИД высокая. Благодаря этому диапазон регулирования может быть 10:1 и более. Кроме того, регулирова­ ние скорости можно осуществлять и изменением потока возбужде­ ния ИД. При этом общий диапазон регулирования скорости в си­ стеме Г—Д расширяется до 20:1.

Реверсирование ИД осуществляется изменением направления' тока возбуждения генератора, ‘т. е. без разрыва цепи главного тока.

Очень важно, что в системе Г—Д рекуперативное торможение ИД может осуществляться почти до полной остановки, так как скорость идеального холостого хода п0, зависящую от напряжения генератора, можно уменьшать сколько угодно.

В мощных системах Г—Д обмотки возбуждения генератора ОВГ и исполнительного двигателя ОВИД получают питание от от­ дельных возбудителей, и тогда регулировочные реостаты гу и гр переносятся в цепи обмоток возбуждения возбудителей. При этом сохраняется высокая плавность регулирования и уменьшаются по­ тери энергии в регулировочных реостатах.

В электроприводах рулевого устройству брашпиля, шпиля и некоторых других в процессе работы возможны случаи заклинива­ ния: перо руля во льдах, отрыв якоря от грунта, втягивание якоря в клюз. При этом момент, развиваемый неподвижным двигателем, может вызвать поломки в механической части, а чрез­

мерное увеличение тока приведет к повреждению самого дви­ гателя.

В системе Г—Д в этих случаях применяется генератор со сме­ шанным возбуждением, причем последовательная обмотка ПОВ включается встречно с независимой обмоткой ОВГ. Увеличение нагрузки на двигатель, а следовательно, и увеличение тока главной цепи приводят к тому, что последовательная обмотка размагничи­ вает генератор, напряжение его и скорость пИД уменьшаются.

Механическая характеристика системы Г—Д, для этого случая показана на рис 136. Число витков последовательной обмотки по Правилам Регистра СССР выбирается таким, чтобы ИД мог стоять под током не менее одной минуты и момент стоянки Мст не вызы­ вал бы механических поломок привода.

Система Г—Д получила широкое распространение на судах и с точки зрения регулировочных свойств до последнего времени ос­ тается лучшим способом регулирования частоты вращения.

Вместе с тем экономичность системы Г—Д невысока. Общий к. п. д. ее определяется как произведение к. п д. отдельных машин:

Tlr-д = 'ПгПпдПид-

Первоначальная стоимость трех машин также относительно высока. Н-ельзя забывать и о повышении массы, п габаритах систе­ мы Г—Д, а также и об эксплуатационных расходах, связанных с уходом за коллекторами и щелочными аппаратами.

Применение в системе Г—Д размагничивающей последователь­ ной обмотки ПОВ (иногда она называется .противокомпаундной или противопоследовательной) приводит к тому, что механические характеристики ИД становятся мягкими не только в области пере­ грузок, но и в рабочей части, т. е. при допустимых значениях мо­ мента. Предпочтительнее была бы механическая характеристика

ласти перегрузок, т. е. объединяет достоинства характеристик, изо­ браженных на рис. 127 и 136. Такая характеристика получила наз­ вание «экскаваторной». Оказывается, ее можно получить в системе Г—Д, если применять генератор с тремя обмотками возбуждения.

228

ратором (приводной двигатель генератора на рисунке не показан). Намагничивающие силы независимой (задающей) ОВ1 и па­ раллельной ОВ2 обмоток возбуждения действуют согласно, а намагничивающая сила последовательной обмотки ОВЗ действу­ ет встречно. Обмотки QB1 и ОВ2 рассчитываются так, что маг­ нитная система возбужденного генератора на холостом ходу на­

ходится в сильно насыщенном состоянии.

На рис. 139 показана характеристика намагничивания генера­ тора. Ф = f(F ) Fi и F2 — намагничивающие силы обмоток ОВ1 и ОВ2 . До тех пор, пока нагрузка на генератор не превышает допу­ стимой величины, размагничивающее действие (F3) обмотки ОВЗ проявляется слабо, поток возбуждения, а значит, э. д. с. и напря­ жение генератора изменяются незначительно. При перегрузке магнитная система генератора выходит из насыщения, и напря­ жение генератора начинает резко уменьшаться. Этому способству­ ет и уменьшение намагничивающей силы обмотки ОВ2. Скорость вращения исполнительного двигателя уменьшается.

В мощных системах Г—Д (гребная электрическая установка) Для получения специальных механических характеристик приме­ няются трехобмоточные возбудители генераторов.

Кроме рассмотренных, существуют и другие, менее распростра­ ненные способы регулирования частоты вращения двигателей по­ стоянного тока, но в конечном счете любой из них связан с изме­ нением одного из трех параметров двигателя: Rv, Ф, U.

§ 55. Регулирование частоты вращения электроприводов переменного тока

Частота вращения ротора асинхронного двигателя определя­ ется формулой

(96)

гДе / — частота переменного тока; р — число пар полюсов обмотки статора; 5 — скольжение.