книги из ГПНТБ / Кудактин, А. В. Электрооборудование подъемно-транспортных машин учебник для учащихся механизаторской специальности мореходных училищ

Рис. 48. Схемы пуска асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ро­ тором

напряжения, что ухудшает условия работы других потребите­ лей, питающихся от той же сети; в этом случае необходимо при­ нимать меры, ограничивающие пусковые токи.

При пуске непосредственным включением на полное напря­ жение обмотка статора подключается к сети простым включе­ нием соответствующего аппарата — рубильника, контактора, маг­ нитного пускателя и т. п. При этом имеет место толчок пускового тока, который в 7— 8 раз превышает номинальный ток электро­ двигателя. Нужно иметь в виду, что толчок тока в момент пуска зависит не от нагрузки, а от величины сопротивления обмоток электродвигателя и напряжения сети. В связи с этим, если воз­ никает необходимость в снижении пусковых токов, к электродви­

угольник применяется наиболее часто для асинхронных электро­ двигателей с короткозамкнутым ротором, у которых при нор­ мальной работе обмотка статора соединена треугольником. Принцип работы схемы (рис. 48, б) состоит в том, что в началь­ ный период пуска обмотка статора включается звездой и присое­ диняется к сети. Когда же электродвигатель разовьет некоторую

80

скорость, обмотку переключают на треугольник. Очевидно, что

величина пускового тока при соединении звездой в f 3 раз мень­ ше, чем при соединении треугольником, так как величина напря­ жения, подводимого к каждой фазе электродвигателя, в первом

случае в У 3 раз меньше по сравнению со вторым случаем. Правда, пусковой момент будет в 3 раза меньше. Как показано на рис. 48, б, для пуска электродвигателя данным способом ни­ какой сложной аппаратуры не требуется. Пуск электродвигателя осуществляется обычным трехполюсным переключателем Р.

Сравнительно редко используется малоэкономичный способ пуска при помощи активного или индуктивного сопротивления, включаемого в цепь обмотки статора. Этот способ пуска приме­ няют лишь в тех случаях, когда обмотка статора электродвига­

Когда электродвигатель разовьет некоторую скорость, замыкает­ ся рубильник Р2 и реостат шунтируется.

Довольно редко также применяется пуск асинхронных элек­

автотрансформатор Т подводится пониженное напряжение. Ког­ да электродвигатель разгонится, переключатель ставится в поло­ жение 2 и статор оказывается под полным напряжением сети.

Общим недостатком всех рассмотренных способов пуска асин­ хронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором от по­ ниженного напряжения является значительное снижение пуско­ вого момента.

Чтобы ограничить пусковой ток без одновременного снижения пускового момента, необходимо на время пуска увеличить сопро­ тивление обмотки ротора. Для этого на роторе помещают не од­ ну, а две короткозамкнутые обмотки (двухклеточные электродви­ гатели) или выполняют роторы с так называемым глубоким пазом.

Двухклеточные асинхронные электродвигатели и электродви­ гатели с глубоким пазом обладают большим пусковым моментом и меньшей кратностью пускового тока (см. § 5), чем короткозамкнутые электродвигатели обычного исполнения, однако стои­ мость первых значительно выше и применяют их сравнительно редко.

§ 27. Регулирование частоты вращения

Из уравнения механической характеристики (97) вытекает, что регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей можно осуществить:

изменением частоты питающего тока; изменением числа пар полюсов обмотки статора;

I

введением дополнительных сопротивлений в цепь обмотки ро­ тора.

Первые два способа используются для регулирования часто­ ты вращения электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а

ты питающего тока применим в том случае, когда двигатель пи­

же пропорциональности, в какой должна меняться частота ре­ гулируемого электродвигателя. При непосредственном питании электродвигателя от сети трехфазного тока применить этот спо­

вентили-тиристоры. Метод тиристорного управления частотой пе­ ременного тока следует считать очень перспективным, так как он сулит возможность плавно и в широких пределах изменять час­ тоту вращения двигателей переменного тока. Полупроводниковые преобразователи частоты в будущем могут найти весьма широ­ кое применение в схемах электроприводов подъемно-транспорт­ ных машин, так как они должны избавить асинхронный двига­

лирование частоты вращения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Если имеется возможность изменять число пар полюсов обмотки статора [см. формулу (80)], то, сле­ довательно, имеется возможность ступенчатого регулирования частоты вращения электродвигателя, так как число пар полюсов может быть равно 1, 2, 3 и т. д. Электродвигатели, допускающие переключение числа пар полюсов, должны иметь в пазах статора либо несколько независимых обмоток, либо одну обмотку со спе­ циальным переключающим устройством. Отечественная промыш­ ленность выпускает двух-, трех- и четырехскоростные электро­ двигатели, используемые в основном на морском транспорте и на некоторых кранах. Когда числа полюсов значительно отлича­ ются друг от друга, двухскоростные электродвигатели изготов­ ляются с двумя независимыми обмотками. Одна, например, мо-

= 750 об/мин.

82

л* т яз

Рис. 49. Схемы включения статорной обмотки двухскорост­ ного асинхронного электродвигателя:

а — треугольником; б — двойной звездой

Соответствующим образом будет изменяться при этом и ча­ стота вращения ротора n2 = rii (1 —s).

Часто в пазы статора двухскоростного электродвигателя за­ кладывают одну обмотку, но выполняют ее так, чтобы можно было включать ее при необходимости треугольником (рис. 49, а) и двойной звездой (рис. 49,6). При включении такой обмотки

ется только для электродвигателя с короткозамкнутым ротором, потому что у электродвигателей с фазным ротором одновремен­ но с переключением обмотки статора требуется переключать и обмотку ротора, что усложняет конструкцию электродвигателя и переключающего устройства. Данный способ регулирования ча­ стоты отличается высокой экономичностью, но он не лишен и недостатков. В частности, регулирование происходит не плавно, а скачками, требуется довольно сложное переключающее устройст­ во, в особенности при числе скоростей, большем двух; при пере­ воде с одной скорости на другую разрывается цепь статора, при этом неизбежны толчки тока и момента, коэффициент мощности при низших скоростях ниже, чем при высших из-за увеличения рассеяния магнитного потока.

Регулирование частоты вращения введением дополнительных сопротивлений в цепь ротора возможно только у электродвига­ телей с фазным ротором. Согласно уравнению (97), при введе­ нии различных активных сопротивлений в цепь ротора жесткость характеристик изменяется (рис. 50), т. е. при одной и той же нагрузке частота вращения электродвигателя будет различной. Очевидно, чем выше величина дополнительного сопротивления,

Так как в момент включения сопротивления скорость электро­ двигателя практически не изменится, переход с характеристи­ ки а на характеристику b произойдет по горизонтали 1—2, при­ чем вращающий момент электродвигателя снизится до М2, ко­ торый меньше момента сопротивления механизма Мс, поэтому скорость электродвигателя будет падать, а скольжение воз­ растать. При возрастании скольжения момент, согласно выра­ жению (92), увеличивается до тех пор, пока момент электродви­ гателя вновь не станет равным моменту сопротивления механиз­ ма, после чего наступит равновесие моментов и двигатель будет вращаться с новой установившейся скоростью п3 (точка 3).

При необходимости дополнительно может быть включено со­ противление R2. Тогда скорость электродвигателя снизится до величины п$. При отключении сопротивлений скорость электро­ двигателя будет возрастать, при этом переход с одной характе­ ристики на другую происходит в обратном порядке, как показано на рис. 50.

Последний способ позволяет получить широкий диапазон ско­ ростей, но является крайне неэкономичным, так как при увели­ чении активного сопротивления цепи ротора растут потери энер­ гии в электродвигателе, а значит уменьшается его к. и. д. Сами регулировочные реостаты, особенно для мощных электродвига­ телей, получаются громоздкими и выделяют много тепла.

§ 28. Электрическое торможение

Торможение противовключением. Режим противо-

включения имеет место в том случае, когда ротор включенного в сеть электродвигателя по инерции или под действием момента сопротивления вращается в сторону, противоположную направ­ лению вращения магнитного поля статора. При этом электродви­

84

гатель развивает значительный тормозной момент и происходит ве_сьма интенсивное торможение.

Данный способ торможения применяется как для ускорения остановки механизма, так и для получения устойчивых скоростей при спуске грузов (в подъемных устройствах). Если, например, требуется быстро остановить электродвигатель, то можно на хо­ ду переключить его статорную обмотку (поменять местами две фазы). При этом магнитное поле статора начнет вращаться в сторону, противоположную направлению вращения ротора, кото­ рый будет интенсивно затормаживаться. При снижении скорости ротора до нуля статорную обмотку необходимо от сети от­ ключить, иначе ротор начнет вращаться в противоположную сто­ рону.

Допустим, асинхронная машина работает в двигательном ре­

вовключения, в его роторную цепь вводится добавочное сопро­ тивление Rn и изменяется направление вращения магнитного поля путем переключения статорной обмотки. Очевидно, что при этом электродвигатель должен перейти на работу по искусствен­

по прямой, параллельной оси абсцисс. Однако в точке 2 электро­ двигатель устойчиво работать не может, так как развиваемый им момент М2 ни по абсолютной величине, ни по знаку не совпада­ ет с моментом сопротивления Мс. Поэтому скорость электродви­ гателя начинает резко уменьшаться и в точке 3 становится рав­ ной 0. В этот момент обмотку статора необходимо отключить от сети, иначе ротор начнет вращаться в противоположную сто­ рону. При использовании режима противовключения для ускоре­

85

же с короткозамкнутым ротором такой возможности нет и для ограничения тока при их торможении иногда дополнительное сопротивление включают в цепь статора, хотя это приводит к су­ щественному снижению тормозного момента.

Режим противовключения дает неплохие результаты, если тре­ буется производить спуск грузов с заданными скоростями. Пусть электродвигатель работает на подъем груза на естественной ха­ рактеристике а в точке 1 (рис. 51, б), развивая момент М \ = М С. Когда груз будет поднят на заданную высоту и его необходимо спустить, в цепь ротора нужно включить дополнительное сопро­

При введении достаточно большого дополнительного сопротив­

которую можно регулировать, вводя различные сопротивления в

отрицательной, т. е. заставить груз подниматься. Последнее воз­ можно в том случае, если вращающий момент машины окажется больше, чем момент, создаваемый грузом на ее валу.

Режим противовключения является простым и достаточно на­ дежным тормозным режимом, но отличается неэкономичностью из-за больших потерь энергии в дополнительных сопротивлениях. Наилучшие результаты он дает у электродвигателей с контакт­ ными кольцами, где имеется возможность произвольно менять активное сопротивление роторной цепи.

Генераторный режим с отдачей энергии в сеть. Ротор асин­ хронного электродвигателя под влиянием внешних сил (напри­ мер, опускающегося груза) может превысить синхронную ско­ рость и вращаться в направлении вращения магнитного поля статора со скоростью n2>tii. В этом случае скольжение s<0. Соответственно меняют свой знак э. д. с. и ток в роторе, а также вращающий момент, развиваемый электродвигателем.

Таким образом, при определенных условиях асинхронный электродвигатель без всяких переключений может переходить из двигательного режима в генераторный, возвращая некоторую часть электроэнергии в сеть.

86

Уравнение механических харак­ теристик для генераторного режи­ ма следующее:

данного способа торможения следует считать повышенную ско­ рость спуска груза. Даже при работе на естественной характе­ ристике минимальная скорость спуска груза при данном способе торможения всегда превосходит наибольшую скорость его подъ­ ема примерно на 10—12%. При введении же дополнительных со­ противлений в цепь ротора скорость спуска груза значительно увеличивается (в некоторых случаях до двойной синхронной). Очевидно, что чем выше скорость электродвигателя в генера­ торном режиме, тем больше электроэнергии возвращается в сеть. Расчеты показывают, что таким путем можно возвращать в сеть более 30% энергии, затраченной на подъем груза. Особенно боль­ шую экономию энергии данный способ дает при загрузке судов, когда высота спуска груза значительно больше, чем высота его

подъема.

Режим динамического торможения. В станочных и некоторых крановых схемах широкое применение получил режим динами­ ческого торможения асинхронных электродвигателей при пита­ нии обмотки статора постоянным током. Обмотка статора рабо­

качестве которого может использоваться селеновый или купроксный выпрямитель, монтируемый непосредственно у электродви­ гателя. При этом магнитное поле машины будет неподвижным, в обмотке ротора при его вращении будет наводиться э. д. с. и появится ток, т. е. электродвигатель превратится в генератор, создающий тормозной момент. Таким образом, данный способ аналогичен торможению электродвигателей постоянного тока за­ мыканием на сопротивление при независимом возбуждении. Ро­ тор электродвигателя, работающего в этом режиме, может вра­ щаться по инерции или под действием момента внешних сил. Передаваемая при этом электродвигателю механическая энергия преобразуется в его роторе в электрическую, а последняя в теп­ ловую.

87

Рис. 53. Динамическое торможение асинхронного электродви­ гателя

Характеристики режима динамического торможения прохо­ дят через начало координат и до некоторого предела их можно считать прямолинейными (см. рис. 53). Жесткость характеристик определяется величиной активного сопротивления роторной це­ пи.,Чем выше величина сопротивления, тем мягче характеристи­ ка электродвигателя в этом режиме. Регулируя сопротивление, можно изменить частоту вращения электродвигателя и тем са­ мым регулировать, например, скорость спуска груза.

Торможение при однофазном включении. Иногда в крановых схемах на время спуска груза обмотка статора подключается только к двум фазам трехфазной сети. При этом вместо вра­ щающего будет образовываться пульсирующее магнитное поле ютатора. Когда ротор под действием внешних сил будет вращать­ ся в этом магнитном поле, то согласно закону Ленца в его об­ мотке будет индуктироваться ток, создающий тормозной момент. Путем соответствующего подбора сопротивлений, включаемых в роторную цепь, можно получать различные тормозные характе­ ристики, позволяющие опускать груз со скоростями как ниже, так

38

ра. Такое переключение статорной обмотки можно осуществить посредством двухполюсного переключателя или двух трехполюс­ ных контакторов (рис. 54).

Нужно помнить, что изменению направления вращения на ходу предшествует торможение противовключением, которое для электродвигателей с фазным ротором недопустимо без предва­ рительного введения сопротивления в цепь ротора.

Глава VI

СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

§ 29. Двухдвигательный привод

Некоторые крановые механизмы, например, меха­ низмы подъема, могут снабжаться так называемым двухдвига­ тельным приводом, состоящим из двух электродвигателей, соеди­ ненных между собой жесткой муфтой. Таким образом, привод механизма осуществляется в данном случае не одним электро­

позволяет снизить маховый момент привода, в результате умень­ шается не только время пуска, но и снижаются пусковые потери. При работе крана с нагрузкой, равной половине нормальной и меньше, используется только один электродвигатель, второй отключается. Благодаря этому к. п.д. привода при неболь­ ших нагрузках повышается, а надежность действия установки увеличивается. Необходимость в двухдвигательных приводах мо­ жет возникнуть из-за отсутствия электродвигателей требуемой мощности, из-за конструктивных соображений, а также из-за стремления получить некоторые дополнительные возможности в отношении регулирования скорости.

Однако двухдвигательный привод не лишен и некоторых не­ достатков. Он более сложен по конструкции и обслуживанию, занимает большую площадь, стоимость его гораздо больше, чем однодвигательного привода такой же мощности. Особенно трудно подобрать электродвигатели для двухдвигательного привода, ко­ торые должны иметь не только одинаковые номинальные данные, но и одинаковые механические характеристики. Если же харак­ теристики электродвигателей отличаются друг от друга, то при их совместной работе на один вал нагрузка между ними будет распределяться неравномерно. Из диаграммы, приведенной на рис. 5 5 , а, видно, что электродвигатель, обладающий более жест­ кой характеристикой, при совместной работе будет перегружать-

'ся за счет недогрузки электродвигателя с более мягкой характе­ ристикой. Разность нагрузок тем значительней, чем на больший

89