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

Рующего аппарата соизмеримо гхо величине с регулировочным сопро­ тивлением. В эксплуатации переходное сопротивление может изме­ няться от воздействия внешних факторов. Это вносит элемент не­ устойчивости в процесс регулирования: в одном и том же положении регулировочного аппарата в разное время могут получаться различные скорости электродвигателя. Кроме того, регулировочный аппарат из-за большого тока, протекающего через его контакты, трудно сделать с большим числом ступеней, следовательно, регулирование получается недостаточно плавным.

Ослабление потока можно получить и другим путем — секциони­ руя сериесную обмотку и включая в цепь якоря при регулировании

«)

м

Рис. 36. Регулирование частоты вращения сериесного электродвигателя:

• а — схема шунтирования сернесной обмотки; б — схема секционирования сернесной обмот­ ки; в — регулировочные характеристики

различное число ее витков (рис. 36, б). Однако и этот способ регулиро­

вания практически трудно осуществим и применяется еще реже преды­

Уменьшение магнитного потока делает полюса менее насыщенными, а поэтому механические характеристики сериесного электродвигателя становятся еще более мягкими и частота вращения электродвигателя —• менее устойчивой.

Регулирование компаундных электродвигателей изменением сопро­ тивления цепи якоря осуществляют так же, как регулирование этим способом шунтовых и сериесных электродвигателей. Регулирование ослаблением магнитного потока выполняют, воздействуя на ток воз­ буждения шунтовой обмотки так же, как при регулировании шунто­ вых электродвигателей. Магнитный поток сернесной обмотки при этом не изменяют. По сравнению с сериесными электродвигателями компаундные обладают лучшими регулировочными свойствами, ибо допускают возможность практически удобного регулирования в обоих направлениях от номинальной частоты вращения. По сравнению с шунтовыми регулировочные свойства компаундных электродвигателей ху­ же, так как диапазон регулирования у них меньше, а регулировочные характеристики смягчаются больше.

70

§ 18. Искусственные схемы включения электродвигателей постоянного тока

Рассмотренные способы регулирования электро­ двигателей постоянного тока не дают возможности получить низкие устойчивые скорости, называемые ползучими. Вместе с тем для ряда судовых механизмов они необходимы, чтобы обеспечить точную оста­ новку в конце пути. Для получения соответствующих ползучих меха­ нических характеристик применяют искусственные схемы включения электродви гателей.

На рис. 37 изображена схема для шунтового электродвигателя. Параллельно якорю включено сопротивление Rm, а последовательно

Рис. 37. Схема шунтирования якоря электродви­ гателя

с якорем и R m — сопротивление R„. Эта схема называется схемой шунтирования якоря или схемой потенциометрического включения,

так как якорь присоединен здесь к части делителя напряжения (потен­ циометра), состоящего из сопротивлений R n и Rm. Найдем уравнение

механической характеристики электродвигателя, включенного по этой схеме. Обозначим токи, протекающие по якорю, шунтирующему и последовательному сопротивлениям, соответственно через / я, / ш и / п; запишем уравнение равновесия э. д. с. для этой схемы:

Сопротивления R n и Rm, соединенные между собой последовательно,

включены на полное напряжение сети. Поэтому сумма падений напря­ жения в них равна напряжению сети:

71

Подставим это значение в уравнение (67):

Приведем правую часть к общему знаменателю, сгруппируем члены, содержащие U и R a, разделим числитель коэффициента при / я на зна­

менатель и получим:

Это уравнение скоростной характеристики при шунтировании якоря.

ческой характеристики (24) для нормальной схемы включения, уста­ навливаем, что механические характеристики при шунтировании пря­ молинейны и что скорость идеального холостого хода при шунтиро­

цы. Это объясняется тем, что при отсутствии тока нагрузки / я напря­ жение, приложенное к якорю, меньше напряжения сети на величину падения напряжения в сопротивлении R u, по которому протекает ток

7Ш. Перепад частоты вращения двигателя при шунтировании якоря

Рассмотренный способ отличается от метода регулирования скоро­ сти изменением сопротивления цепи якоря тем, что позволяет получать низкие скорости при более жестких механических характеристиках.

72

На рис. 38 показана естественная механическая характеристика 1 шунтового электродвигателя, регулировочная характеристика 2 при нормальной схеме включения и ползучая характеристика 3. По­

следняя значительно жестче предыдущей и дает возможность работать с малой скоростью даже при не­ большой нагрузке.

Рассмотренный метод регули­ рования неэкономичен из-за больших потерь в сопротивле­ ниях и применяется только в слу­ чаях, когда работа с ползучей скоростью продолжается недол­ го, а также для двигателей ма­ лой мощности, при регулирова­ нии которых величина абсолют­ ных потерь в сопротивлениях незначительна.

Искусственные схемы вклю­ чения сериесных электродвига­ телей применяют не только для создания ползучих скоростей, но

и для обеспечения устойчивых скоростей при спуске груза грузоподъемными механизмами. Эти электродвигатели при работе на обыч­ ных искусственных характеристиках не обеспечивают тормозной спуск груза вообще, а силовой спуск протекает у них с недопустимо боль­ шой скоростью.

о)

Рассмотрим искусственные схемы включения сериесных электро­ двигателей ■(рис. 39). Представленная схема включения электродвига­ теля (рис. 39, а) позволяет регулировать частоту вращения изменени­

ем величины потока возбуждения и напряжения на зажимах якоря двигателя. Благодаря включению шунтирующего якоря сопротивле­ ния R m полный ток / п = / я + / ш. В случае отсутствия нагрузки (М = 0 , / я = 0) по обмотке возбуждения двигателя протекает ток

— Ад = R -, и частота вращения якоря будет и в этом слу­

чае иметь конечную величину п0. При уменьшении величины шунти­ рующего якорь сопротивления R m и сопротивления главной цепи R n

ток / п увеличивается и может обеспечить требуемую скорость.

73

При возрастании нагрузки Е — U — JnRn — I nR n уменьшается. Следовательпо, уменьшается и частота вращения п. Так как при одина­

ковой нагрузке поток возбуждения двигателя в данном случае пре­ вышает поток при нормальной схеме включения благодаря увеличен­ ному за счет шунта току возбужде­ ния, частоты вращения снижаются при тех же значениях вращающего момента, развиваемого двигателем.

Механические характеристики полу­ чаются более жесткими и работа при­ вода — более устойчивой.

В связи с тем что электродвига­ тель последовательного возбуждения

сшунтированным якорем имеет ко­

о+М нечную скорость холостого хода, ме­

лельно с сетью на внешнее сопротивление Rm. Данный способ регули­

рования частоты вращения двигателя мало экономичен,, так как поте­

включается параллельно с обмоткой возбуждения, и последовательно с последней включается дополнительное сопротивление Rm, ограничиваю­

щее величину тока до номинального, так как внутреннее сопротивление обмотки возбуждения двигателя мало. При этой схеме включения дви­ гатель имеет прямолинейные механические характеристики. При сило­ вом спуске с малой нагрузкой работа двигателя на прямолинейной

74

искусственной характеристике более устойчива, чем па мягкий харак­ теристике обычного сериесного двигателя (рис. 41).

Регулирование частоты вращения осп в данном случае осуще­ ствляется, как и у шунтовых двигателей. При силовом спуске уве­ личение сопротивления R n приводит к уменьшению скорости, а уве­

в результате чего скорость возрастает. Желаемую характеристику при искусственном включении электродвигателя можно получить, подобрав соответствующим образом сопротивление.

Искусственные схемы включения компаундных электродвигателей применяют в тех же случаях и с такими же целями, какие преследуют при искусственном включении сериесных электродвигателей. Регулиро­ вочные характеристики подобны приведенным выше. Для спуска груза с малыми скоростями сериесную обмотку включают также, как в рас­ смотренных схемах. Метод расчета характеристик совершенно анало­ гичен приведенному для сериесных электродвигателей.Для получения больших скоростей, применяемых при спуске легких грузов, сериес­ ную обмотку выключают, а в цепь шунтовой обмотки вводят регули­ ровочное сопротивление.

§ 1 9 . Регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей

Регулирование асинхронных электродвигателей можно осуществить четырьмя способами:

изменением частоты тока питающей сети; изменением величины ак­ тивного сопротивления, включенного в цепь ротора фазного электро­

таем з. д. с. статора равной приложенному напряжению. Исходя из этого, определим, какие факторы оказывают влияние на величину маг­ нитного потока:

75

Скорость асинхронного двигателя изменяется данным способом, как правило, в сторону уменьшения, т. е. при понижении частоты тока. Магнитный поток статора обратно пропорционален частоте тока, по­ этому ее уменьшение при неизменном напряжении вызовет увеличение магнитного потока. При всяком увеличении магнитного потока возра­ стает критический момент асинхронного двигателя:

Для обеспечения постоянства перегрузочной способности электро­ двигателя при разных частотах необходимо сохранять магнитный поток статора постоянным, для чего напряжение, подаваемое иа статор, сле­ дует понижать пропорционально

уменьшению частоты в отношении

ты вращения первичного двигателя приводит к одинаковому снижению напряжения генератора и частоты тока, вследствие чего магнитный поток статора

Ф = ^ kf

остается постоянным и соответственно не меняется величина опроки­ дывающего момента. Такая система применяется в судовых электрогребных установках. В судовых электроприводах ею не пользуются из-за сложности и высокой стоимости. Более перспективным для регу­ лирования частоты вращения асинхронных двигателей следует счи­ тать этот способ, но лишь при условии замены громоздких машинных преобразователей частоты тиристорными.

Второй способ регулирования применим только для фазных элек­ тродвигателей. Введением в цепь ротора сопротивления регулировоч­ ного реостата создается возможность регулировать скорость работа­ ющего двигателя в сторону снижения.

Рассмотрим подробнее процесс изменения скорости. Первоначаль­ ная работа электродвигателя характеризуется точкой А на характери­ стике 1 (рис. 42). Вращающий момент может быть выражен прибли­ женной формулой М — с / , Ф. Допускаем cos 4х2 = 1, так как при

76

работе на рабочей части характеристики скольжение очень мало и ин­ дуктивным сопротивлением ротора можно пренебречь. При увеличе­ нии сопротивления цепи ротора в первый момент времени уменьшается ток ротора

/., = - 22-

2 3

н, соответственно, уменьшается вращающий момент электродвигателя

М. Нарушается равновесие моментов, которым характеризуется уста­

новившееся движение, и вращающий момент электродвигателя оказы­ вается меньше момента сопротивления (точка В). Это приводит к сни­

жению частоты вращения ротора и, следовательно, к увеличению сколь­ жения и э. д. с. ротора.'Увеличение э. д. с. ротора при уменьшении частоты вращения вызовет увеличение тока / 2 и вращающего момента

М. Снижение скорости двигателя будет продолжаться до тех пор, по­

ка вращающий момент не возрастет настолько, что он станет равным моменту сопротивления. Асинхронный электродвигатель имеет уже

новую механическую характеристику 2. Ввиду большей крутизны ха­ рактеристики 2 устойчивость частоты вращения будет меньшей. Дан­

ный способ сходен с методами регулирования скорости двигателя по­ стоянного тока при включении сопротивлений в цепь якоря. Однако при определении диапазона регулирования скорости данным способом следует иметь в виду, что в настоящее время асинхронные двигатели выполняются, как правило, с самовентиляцией. А поскольку с умень­ шением частоты вращения ухудшаются условия охлаждения двигателя, то последний при низких скоростях уже не сможет развивать номиналь­ ный момент. Область распространения этого способа в судовых элек­ троприводах весьма ограничена — в основном для фазных электродви­ гателей грузоподъемных устройств.

Третий способ регулирования, пригодный для короткозамкнутых электродвигателей, находит наиболее широкое применение. Как видно из формулы (35), изменяя*числ'о пар полюсов р переключением фазных обмоток статора с одной схемы соединения на другую (рис. 43, а, б),

можно в обратно пропорциональной зависимости изменить синхрон­ ную частоту вращения электродвигателя под нагрузкой. В простей­ шем и наиболее распространенном случае полюса переключают со схемы соединения «звезда» на схему соединения «двойная звезда» так, как это показано на рис. 43, а. Каждая фазная обмотка специаль­

ного двухскоростного электродвигателя делается из двух половин. Начала и концы каждой из половин фазных обмоток выводятся на клеммную панель электродвигателя. Их соединяют последовательно или параллельно; во втором случае получается схема двойной звезды. Число пар полюсов при этом уменьшается вдвое. Это становится оче­ видным из сопоставления принципиальных схем соединения обеих поло­ вин обмотки одной фазы электродвигателя. На рис. 44, а обе половины соединены последовательно перемычкой 1К—2Н между концом пер­

вой половины и началом второй. Рассматривая направление тока в ак­ тивных сторонах секции обмотки в определенный момент времени, уста­ навливаем, что в электродвигателе создано вращающееся магнитное

77

На рис. 45, а, в приведены соответствующие механические характе­

ристики. Отличие этих характеристик при различных способах пере­ ключения пар полюсов объясняется следующими обстоятельствами При переключении одинарной звезды на двойную звезду вдвое умень­ шается число пар полюсов и вдвое увеличивается магнитный поток од­ ного полюса. Последнее объясняется тем, что у «двойной звезды» по от­ ношению к одинарной при той же величине фазового напряжения чис­ ло последовательно соединенных витков одной фазы будет меньше в два раза, а это ведет к соответствующему увеличению тока статора и пото­ ка. Так как вращающий момент электродвигателя пропорционален чис­ лу полюсов, то его величина может быть выражена следующей формулой:

Из этого уравнения ясно, что поскольку при переключении числа пар полюсов по первому способу величина рФ не изменяется, момент элек­

тродвигателя при том же токе нагрузки остается постоянным. Во вто­ ром случае при переключении с «треугольника» на «двойную звезду» фазное напряжение уменьшается в ] /3 раза, а число последовательно соединенных витков одной фазы — в два раза. Поэтому ток возбужде­ ния и магнитный поток здесь увеличиваются всего на 14%. Величи­ на р Ф при уменьшении вдвое числа пар полюсов также уменьшается.

Следовательно, уменьшается и момент электродвигателя при том же токе нагрузки.

При переключении с большей скорости на меньшую в первоначаль­ ный момент скорость вращающегося по инерции ротора оказывается

двигателя:

а — при переключении обмотки статора со звезды на двойную звезду; б — то же, с тре­ угольника на двойную звезду

больше частоты вращения поля статора, снизившейся в два раза. Вследствие этого скольжение становится отрицательным, э. д. с. рото­ ра E*s становится противоположной по знаку и соответственно меня­

ет направление ток ротора / 2. Изменившийся по ^направлению ток создает во взаимодействии с магнитным потоком противоположный по направлению момент

Мт = с /2Ф cos 'Wo,

79