книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник

Характеристик видно, что при том же токе возбуждения начальный тор­ мозной момент тем выше, чем больше сопротивление цепи ротора, а при том же сопротивлении максимальный тормозной момент тем боль­ ше, чем выше ток возбуждения.

Увеличение тормозного момента при введении в цепь ротора актив­ ного сопротивления объясняется тем, что работе двигателя в началь-

ханические характеристики при независимом возбуждении и самовозбуждении

ный период соответствует большое скольжение и, ввиду этого, актив­ ная составляющая тока ротора / 2акт = / 2 cos ij)2 очень мала. С введе­ нием активного сопротивления cos ф2 в значительной степени возра­ стает и, соответственно, увеличивается тормозной момент электродви­ гателя. Повышение тока возбуждения во всех случаях приводит к уве­ личению магнитного потока статора и соответствующему возрастанию тормозного момента.

Ввиду того что в цепь ротора фазных электродвигателей вводит­ ся активное сопротивление, начальный тормозной момент их больше, как видно из характеристик, чем у короткозамкнутых. По тем же при-

60

чинам у Двигателей с фазным ротором критическое скольжение s 1( для данного режима имеет большую величину (R 2 — 2nf1s KL) и максималь­

ный тормозной момент наступает при большей частоте вращения. Поэтому фазный электродвигатель при прочих равных условиях про­ ходит во время торможения меньший путь, чем короткозамкнутый, хотя продолжительность торможения у обоих примерно одинаковая. Чтобы обеспечить у короткозамкнутого электродвигателя такой же тормозной путь, как у фазного, приходится подавать в обмотку его статора значительно больший ток. Рассмотренный способ торможения весьма эффективен, но для него необходим дополнительный источник постоянного тока пли выпрямитель.

Торможение с самовозбуждением, пли конденсаторное торможение асинхронных электродвигателей, осуществляют, отключая обмотку статора от сети и присоединяя к ней конденсаторы по схеме, изобра­ женной на рис. 31, г. Ротор электродвигателя вращается по инерции и,

обладая остаточной индукцией, индуктирует небольшую э. д. с. в об­ мотке статора — так называемую начальную э. д. с. самовозбуждения, или остаточную. Эта э. д. с., приложенная к конденсаторам, вызывает появление в обмотке статора небольшого емкостного тока, который соз­ дает в машине вращающееся магнитное поле, увеличивающее э. д. с. в обмотке ротора. По ротору начинает протекать небольшой ток, уси­ ливающий его магнитный поток. Этот поток индуктирует в обмотке статора большую э. д. с., чем в начале процесса. Вследствие этого воз­ растает напряжение, приложенное к конденсаторам, снова увеличивает­ ся емкостный ток и т. д. Происходит процесс самовозбуждения асин­ хронного генератора, аналогичный такому же у генераторов постоян­ ного тока. Конечное напряжение п ток возбуждения зависят от пара­ метров машины и от емкости конденсаторов. При работе в генератор­ ном режиме ток ротора, взаимодействуя с потоком возбуждения, созда­ ет тормозной момент, под действием которого электродвигатель оста­ навливается. По мере уменьшения частоты вращения напряжение на конденсаторах снижается и при определенном значении частоты вра­ щения самовозбуждение прекращается, причем раньше, чем’ происходит полная остановка. Механические характеристики при торможении этим способом для разных значений емкости Cl > С 2 > СЗ показаны на рис. 31, д. Процесс торможения таков же, как при подаче постоян­

ного тока в обмотку статора. Недостатки этого вида торможения — возникновение тормозного момента только при частотах вращения выше 30—50% номинальных и необходимость в конденсаторах иногда до­ вольно большой емкости. Однако этот способ торможения вполне авто­ номный (не требует источников постоянного тока) и весьма эффек­ тивный.

Наряду с динамическим торможением возможно так называемое однофазное торможение асинхронных фазных электродвигателей. В этом случае обмотку статора отключают от сети, подают на две ее фазы однофазный переменный ток, а в цепь обмотки ротора включают актив­ ное сопротивление (рис. 32, а). В электродвигателе при этом образуется

однофазное пульсирующее поле. Его можно разложить на два поля — прямое и обратное, вращающихся с синхронной частотой в противопо­

61

ложных направлениях. Каждое из этих полей создает свой вращающий момент, изменяющийся в функции скольжения так же, как момент обыч­ ного трефхазного электродвигателя (кривые М пр и М обр на рис. 32, б).

При введении в цепь ротора добавочного сопротивления максималь­ ные моменты смещаются в область больших скольжений (кривые М пр и Мо0р на рис. 32, б). В обоих случаях результирующий момент Л4рез, получающийся при сложении моментов тИпр и MoGp, у неподвижного электродвигателя, т. е. при s = 1, равен нулю. Включенный таким об­ разом электродвигатель при отрицательном статическом моменте с ме-

Рис. 32. Однофазное торможение асинхронных электродвигателей:

а — схема включения; б и в — кривые моментов при отсутствии и различии тормозного сопротивления

ста не трогается. Но если произвести переключения на ходу при s < 1, то при наличии большого активного сопротивления результирующий момент окажет тормозящее действие н электродвигатель остановится (рис. 32, в). Если сопротивления в цепи ротора нет или если оно мало,

торможение не произойдет (см. рис. 32, б). В случае действия на элек­ тродвигатель положительного статического момента, например при спуске тяжелого груза, результирующий момент— М ттормозит элек­

тропривод и спуск происходит с ограниченной частотой вращения — птпри s > 1 так же, как при динамическом торможении электродви­ гателей постоянного тока (см. рис. 32, в, квадрант IV). Этот вид тор­

можения находит широкое применение в электроприводах подъемно­ транспортных механизмов.

Торможение противовключением. Так же как и в электроприводах постоянного тока, данный режим осуществляется в процессе реверса при переходе от одного направления вращения к другому и при огра­ ничении частоты вращения спуска тяжелых грузов.

В первом случае, чтобы ввести асинхронный двигатель в режим противовключения, необходимо поменять местами две фазы статора

62

(рис. 33, а и б). Из-за перемены фаз поле статора меняет направление

вращения, а ротор в первоначальный момент по инерции продолжает вращаться в ту же сторону. Так как витки ротора движутся навстре­ чу магнитному полю статора, то скольжение

резко возрастает по величине и становится отрицательным по знаку. Меняют направления э. д. с. и ток ротора, соответственно, и момент

п т

Рис. 33. Торможение противовключением асинхронных электродвигателей:

а н (5— схемы включении короткозамкнутого н фазного электродвигателей; о — механиче­ ские характеристики

двигателя, который для вращающегося в прежнем направлении р.отора будет являться тормозным. Из-за большого скольжения в началь-

сопротивление ротора хи — 2л/ysL2>a cos ф2 уменьшается. Несмотря

мент электродвигателя. У двигателей с фазным ротором уменьшение броска тока и увеличение тормозного моментадостигаются вводом до­ бавочных сопротивлений в цепь ротора. Для двигателей с короткозам­ кнутым ротором уменьшение тока осуществляется за счет ввода сопро­ тивлений в цепь статора. Однако в этом случае одновременно резко снижается и тормозной момент.

Под действием тормозного п статического моментов ротор заторма­ живается, а с уменьшением частоты вращения скольжение уменьшает­ ся. Из-за снижения скольжения уменьшаются э. д. с. и индуктивное сопротивление ротора, что приводит к увеличению активной составля­ ющей тока (резкое повышение cos ф2) и соответствующему возраста­ нию тормозного момента. Если при п = 0 двигатель не отключить

от сети, то он будет разгоняться в обратном направлении до частоты вращения, которая определяется нагрузкой на валу. На рис. 33, в

63

представлены механические характеристики асинхронного двигателя. Характеристики 1 и Г относятся к короткозамкнутому электродвига­ телю, а 2 и 3 —'К фазному при разных значениях сопротивления про­ тивотока /?nii3> ^ n iu - Как видно, начальный тормозной момент корот­

козамкнутого электродвигателя весьма мал, а у фазного электродвига­ теля он тем больше, чем больше сопротивление противотока. Послед­ нее верно до определенного значения сопротивления, после превыше­

включением можно использовать с целью получения посадочных ско­ ростей при опускании тяжелых грузов. Необходимым условием его осуществления является ввод больших активных сопротивлений в цепь ротора, при котором критическое скольжение s,, >■ 1, а пусковой мо­

мент двигателя меньше статического, создаваемого массой груза. В свою очередь критический момент электродвигателя должен быть больше ста­ тического момента. При этих условиях, несмотря на включение двига­ теля в сторону подъема, его ускорение будет происходить в сторону опускания. Увеличение частоты вращения приводит к увеличению

ствует случаю тормозного спуска груза в данном режиме.

Глава 5 РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

§ 16. Показатели для сравнения регулировочных свойств электродвигателей

Во время работы некоторых механизмов необ­ ходимо изменять скорость их рабочего органа. Наиболее рациональ­ ным, экономичным и простым способом изменения скорости механизма является изменение частоты вращения приводного электродвигателя.

Изменение частоты вращения электродвигателя независимо от его нагрузки называется регулированием, и его не следует смешивать с автоматическим изменением частоты вращения электродвигателя вслед­ ствие изменения нагрузки. Регулирование осуществляется принуди­ тельно — воздействием человека или автоматического устройства на электрические параметры работающего электродвигателя или пи­ тающей его сети. Чаще всего для регулирования вводят или выводят

64

сопротивления, включенные в цепь электродвигателя, перемещают его щетки по коллектору, изменяют напряжение или частоту источника тока, питающего электропривод, и т. д. При регулировании обычно видоизменяется форма или наклон механической характеристики элек­ тродвигателя и меняется его частота вращения, т. е. изменение нагруз­ ки происходит в соответствии с регулировочной характеристикой.

Разные электродвигатели обладают различными регулировочными свойствами. Эти свойства оценивают и сравнивают по следующим ос­ новным технико-экономическим показателям регулирования: диапазон, плавность, экономичность, степень жесткости регулировочных харак­ теристик, направление регулирования относительно номинальной частоты вращения.

Рассмотрим каждый из этих показателей в отдельности.

1. Диапазон регулирования — отношение наименьшей устойчивой

частоты вращения электродвигателя к его наибольшей частоте при одном и том же токе нагрузки, равном номинальному. Обычно наи­ меньшую частоту вращения принимают за единицу и выражают диапа­

где ДР — потеря энергии в двигателе и сопротивлении.

4.Жесткость регулировочных характеристик может отличаться от

жесткости естественной характеристики. Чем мягче первые по сравне­ нию со второй, тем данный способ регулирования для большинства электроприводов хуже.

5.Направление регулирования может быть вверх или вниз от номи­

нальной частоты вращения. Одни способы регулирования допускают только увеличение частоты вращения по сравнению с номинальной, другие — только уменьшение, а некоторые изменяют частоту враще­ ния в обоих направлениях от номинальной.

§17. Регулировочные свойства электродвигателей постоянного тока

Вероятность регулирования электродвигателей постоянного тока вытекает из уравнения скоростной характеристи­ ки (2 0 ):

U— IR

Принципиально возможны три способа регулирования: 1) измене­ нием напряжения U, приложенного к цепи якоря электродвигателя; 2 ) изменением сопротивления цепи якоря R ; 3) изменением магнитного

потока возбуждения Ф.

Рис. 34. Регулирование частоты вращения шунтового электродвигателя:

а — схема для увеличения сопротивления цепи якоря; б — регулировочные характеристики

Первый способ при питании электродвигателя от сети неприменим. Им пользуются в случах, когда электродвигатель получает питание от отдельного, специально предназначенного для него генератора (система генератор — двигатель).

При регулировании шунтового электродвигателя вторым способом в цепь якоря включают добавочное сопротивление R n (рис. 34, а).

Вследствие этого частота вращения уменьшается, что объясняется

Этот момент при установившейся частоте вращения равен статическому моменту М = М с. В момент введения сопротивления в цепь якоря ча­

стота вращения не может измениться мгновенно из-за инерции элек­ тропривода и по-прежнему равна и1уст. Поэтому ток в этот момент ра­

вен / = и ~ п е f -p1 уст < Д. Так как уменьшился ток, то уменьшился

■Кя + ^д

и момент электродвигателя: М = kMФ/ < М г. Следовательно, ра­

венство вращающего и статического моментов нарушилось, появляет­ ся отрицательный избыточный момент М — А4С< 0 и происходит

замедление вращения электропривода до тех пор, пока ток, который

мент электродвигателя М 2 = kMФ/ 2 снова станет равен статическому.

66

Работа электропривода будет происходить при новой установившейся частоте вращения /г, уст, меньшей, чем начальная п1уст. Если стати­

ческий момент при регулировании не остается постоянным, а умень­ шается, то равновесие наступает при меньшем значении тока /.,.

Регулирование этим способом возможно только вниз от номинальной частоты вращения. Чем больше добавочное сопротивление, тем меньше частота вращения. Это сопротивление называют регулировочным. Оно

состоит из нескольких ступеней, при включении которых получаются регулировочные характеристики такие же, как пусковые (рис. 34, б, характеристики 1—3). Жесткость регулировочных характеристик

сильно уменьшается при увеличении регулировочного сопротивле­ ния. Поэтому невозможно получить малую iij вместе с тем достаточ­ но устойчивую частоту вращения. Например, при работе на -характе­ ристике 1 незначительное изменение нагрузки на валу от М х до /И,

вызывает большое изменение частоты вращения. Это обстоятельство значительно уменьшает диапазон регулирования. Если принять наи­ меньшую допустимую с точки зрения устойчивости частоту вращения равной 0,5 /г,„ то диапазон регулирования составляет всего 1 : 2. При уменьшении нагрузки по сравнению с номинальной пределы регули­ рования намного сужаются. При холостом ходе механизма (момент М 0) регулирование этим способом практически неосуществимо.

По регулировочным сопротивлениям протекает большой ток якоря. Поэтому регулирование сопровождается значительными потерями энер­ гии. Например, при снижении частоты примерно в два раза в регу­ лировочных сопротивлениях выделяется в виде тепла мощность, рав­ ная механической мощности, отдаваемой электродвигателем. Обыч­ но число ступеней регулирования равно числу пусковых ступеней. Для повышения плавности регулирования можно как будто бы при­ менять любое число ступеней регулировочного сопротивления. Однако при этом значительно усложняется конструкция аппаратуры управ­ ления, при помощи которой выключают и включают ступени сопротив­ ления, так как она должна быть рассчитана на большой ток. Обычно регулировочное сопротивление объединяют с пусковым и используют его для пуска электродвигателя. Оно называется в этом случае пуско­ регулировочным. Пускорегулировочное сопротивление при той же ве­

личине в омах и при том же числе ступеней, что и пусковое, значитель­ но больше него по габаритам и дороже, так как пусковое сопротивле­ ние рассчитано на кратковременное протекание пускового тока,

апускорегулировочное — на длительный номинальный ток. Рассмотренный спо'соб регулирования из-за его неэкономичности и

других указанных недостатков применяется в основном для электро­ приводов, работающих на регулировочных характеристиках непро­ должительное время, если остальные требования к регулируемому элек­ троприводу при этом удовлетворены.

Более распространен третий способ регулирования шунтовых элек­ тродвигателей — изменением магнитного потока. Последнее осуще­ ствляют, включая регулировочное сопротивление R v в цепь обмотки возбуждения электродвигателя (рис. 35, а). Это приводит к уменьше­

нию тока возбуждения, а значит и к уменьшению намагничивающей

силы ii магнитного потока. В результате частота вращения Электродви­ гателя увеличивается по сравнению с номинальной при полном потоке возбуждения. Это объясняется следующим. При уменьшении магнит­ ного потока-от Фх до Ф2ток электродвигателя в первый момент регули­ рования увеличивается, так как из-за инерции скорость мгновенно измениться не может:

небольшое уменьшение потока приводит к значительному возрастанию тока. Например, U% = 100%; Е% = (/fe®i«i)% = 95%; P n% =

Рис. 35. Регулирование частоты вращения шунтового электродвигателя:

электропривода. При этом возрастает э. д. с. и уменьшается ток. Это продолжается до тех пор, пока не установится равновесие моментов:

Регулирование этим способом возможно только вверх от номиналь­ ной частоты вращения. Регулировочное сопротивление, вводимое в

цепь возбуждения, делают из большого числа ступеней, так как ток возбуждения мал и конструктивных препятствий для изготовления соответствующего регулировочного аппарата, которым включают и выключают эти ступени, нет. Поэтому плавность регулирования этим способом может быть очень высокой. Потери в регулировочном со­ противлении из-за небольшого тока возбуждения очень незначительны, практически с ними можно не считаться. Поэтому рассматриваемый способ регулирования весьма экономичен.

68

Сделаем сравнение механических характеристик шунтовых электро­ двигателей при полном и ослабленном потоке. Из уравнений

Следовательно, жесткость механических характеристике уменьшением магнитного потока уменьшается. Вид механических характеристик электродвигателей при регулировании скорости изменением магнитного потока представлен на рис. 35, б. Обычные электродвигатели допуска­

ют увеличение скорости за счет ослабления магнитного потока не бо­ лее чем на 10—2 0 % (по сравнению с номинальной), так как при возра­

стании тока и частоты вращения ухудшаются условия коммутации: реактивная э. д. с. при этом возрастает и может вызвать искрение кол­ лектора. Кроме того, увеличение скорости ограничивается механиче­ ской прочностью электродвигателей. Поэтому, если необходимо регу­ лирование в более широких пределах, применяют специальные регу­ лируемые электродвигатели, рассчитанные и в электрическом, и в ме­

ханическом отношениях на работу с высокими частотами вращения. В недавнем прошлом максимальным диапазоном регулируемых элек­ тродвигателей считался 1 : 3 — 1 : 5. В настоящее время изготовляют регулируемые шунтовые электродвигатели с диапазоном регулирова­ ния, доходящим до 1: 8, при мощности до 16 кВт. Электродвигатели большей мощности этой серии допускают регулирование в диапазоне

1 : 4 (до 36 кВт), 1 : 3 (до 55 кВт), 1 :2,5 (70 кВт), 1 : 2,25 (до 85 кВт).

Принцип регулирования сериесного электродвигателя изменением сопротивления в цепи якоря и физические процессы, протекающие при этом, подобны шунтовому. Механические характеристики для данного способа регулирования сериесного двигателя показаны на рис. 11.

Выводы, сделанные при оценке этого способа регулирования при­ менительно к шунтовым электродвигателям, справедливы и по отно­ шению к сериесным. Однако, несмотря на недостатки, здесь он приме­ няется наиболее часто.

Регулирование ослаблением магнитного потока можно осуществить, подключая параллельно сериесной обмотке регулируемое сопротивле­ ние R m (рис. 36, а). При этом часть тока якоря ответвляется в это со­

противление и магнитный поток электродвигателя уменьшается. Со­ противление сериесной обмотки очень мало, регулировочное сопротив­ ление по величине примерно такое же. Ток, проходящий по нему, велик. В этих условиях переходное сопротивление контактов регули-

69