книги из ГПНТБ / Блантер С.Г. Электрооборудование для нефтяной промышленности учебник

Замыкание обмотки возбуждения на разрядный резистор значительно снижает величину одноосного момента.

Обычно синхронные двигатели СД имеют на своем валу возбуди­ тель В в виде генератора постоянного тока параллельного возбужде­ ния (рис. 3.11). При пуске по схеме (рис. 3.11, а) обмотка возбужде­ ния двигателя ОВ замкнута контактами контактора КВ на разряд­ ный резистор PP. После включения контактора Л под действием асинхронного момента, создаваемого пусковой обмоткой, двигатель СД разгоняется до подсинхронной частоты вращения. В конце асин­ хронного пуска срабатывает частотное реле, обмотка которого (на

рис. 3.11, а не показана) под­ ключена к резистору РР, и включает контактор цепи воз­ буждения КВ. Последний своими контактами отключает разрядный резистор и подает постоянный ток в обмотку воз­ буждения двигателя. Если мо­ мент двигателя на этой частоте вращения при подключенном возбуждении (втягивающий мо­ мент) оказывается достаточным для ускорения привода до син­ хронной частоты вращения, двигатель втягивается в син­ хронизм и продолжает работать в синхронном режиме.

Условия втягивания в син­ хронизм будут тем благоприят­ нее, чем меньше скольжение,

при котором подается ток в обмотку возбуждения, а также меньше величина момента статического сопротивления на валу двигателя, момента инерции ротора двигателя и приводимого механизма. Прак­ тически скольжение, при котором происходит надежное втягивание в синхронизм, должно быть меньше 0,05.

При синхронной частоте вращения момент, создаваемый пусковой обмоткой, равен нулю, так как проводники обмотки не пересекают магнитные силовые линии, и ток в них равен нулю.

Пуск по схеме на рис. 3.11, а отличается определенной слож­ ностью. Поэтому в последнее время все чаще применяется схема на рис. 3.11, б с наглухо подключенным возбудителем и без разрядного резистора. При этом якорь возбудителя выполняет роль разряд­ ного резистора и в его цепи протекает при пуске переменный ток, который, однако, не причиняет ему вреда. При частоте вращения ротора, равной 60—70% синхронной, возбудитель возбуждается и возбуждает синхронный двигатель, благодаря чему при приближе­ нии к синхронной частоте вращения двигатель втягивается в синхро­ низм.

Пуск по схеме на рис. 3.11, б происходит в менее благоприятных условиях. Во-первых, двигатель возбуждается слишком рано и при этом возникает дополнительный тормозящий момент на валу. Во-вторых, сопротивление якоря недостаточно для значительного уменьшения одноосного момента. Тем не менее схема на рис. 3.11, б обеспечивает надежное втягивание двигателя в синхронизм, если момент сопротивления на валу при подсинхронной частоте вращения не превышает (0,4—0,5) Мн. Путем совершенствования пусковой обмотки двигателя можно достичь надежного втягивания в синхро­ низм при моменте статического сопротивления, равном номинальному моменту двигателя. Пуск по схеме на рис. 3.11, б по своей простоте приближается к прямому пуску асинхронного двигателя и поэтому находит в последние годы все более широкое применение.

Обычно производится прямой асинхронный пуск синхронных двигателей путем включения обмотки статора на полное напряжение сети. При тяжелых условиях пуска (большая потеря напряжения в сети и опасность перегрева пусковой обмотки) применяют реактор­ ный или автотрансформаторный пуск при пониженном напряжении, как и в случае короткозамкнутых двигателей.

Внекоторых случаях возможен частотный пуск, когда двигатель питается от отдельного синхронного генератора и частота последнего плавно поднимается от нуля. При этом синхронный двигатель прихо­ дит всинхронное вращение уже при достаточно малой частоте. Обмотки возбуждения генератора и двигателя в этом случае необходимо питать от посторонних источников постоянного тока, чтобы получить наи­ более благоприятные для пуска соотношения токов возбуждения генератора и двигателя.

Впоследние годы внедряются системы возбуждения синхронных двигателей с питанием обмотки возбуждения от сети переменного тока через управляемые или неуправляемые полупроводниковые выпрямители.

§22. РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ

Общие положения. Регулированием частоты вращения называется ее принудительное изменение в зависимости от требований про­ изводственного процесса. В условиях автоматизации и механизации процессов бурения, добычи и транспорта нефти необходимо обеспе­ чить регулирование частоты вращения многих механизмов в задан­ ных пределах. В настоящее время доказано, что регулирование частоты вращения способствует увеличению производительности труда, улучшению качества продукции и экономии электроэнергии. В качестве примера механизмов, для которых требуется регулирова­ ние частоты вращения, можно привести буровые насосы, станкикачалки, центробежные нагнетатели.

Регулирование частоты вращения механизма можно осуществить изменением передаточного числа механических или гидравлических передач либо воздействием на параметры электрических цепей

двигателя. Последний способ находит все большее распространение,

регулирования (отношение максимальной рабочей частоты вращения

кминимальной); направление, в котором регулируется частота вра­ щения (увеличение или уменьшение частоты вращения по отношению

кноминальной); плавность регулирования (отношение частот враще­ ния двигателя на двух соседних ступенях регулирования); допустимая нагрузка двигателя при различных частотах вращения; экономич­ ность (коэффициент полезного действия, эксплуатационные и перво­ начальные затраты); стабильность работы на искусственной характе­ ристике.

Регулирование частоты вращения представляет собой не только техническую, но и экономическую задачу. Поскольку регулируемый электропривод, как правило, требует больших первоначальных и эксплуатационных затрат, чем нерегулируемый, повышение произ­ водительности труда и экономия электроэнергии при правильно вы­ бранном регулируемом приводе должны компенсировать указанноевыше увеличение затрат.

Вопрос о величине нагрузки, допустимой при продолжительной работе на регулировочных характеристиках, очень важен при выборе способа регулирования и определения необходимой мощности двига­ теля. Главным критерием при решении этого вопроса является нагрев двигателя, который зависит от потерь энергии в двигателе. Поскольку последние определяются силой тока якоря (ротора) двигателя, то для косвенной оценки нагрева используется сила тока. При этом в качестве допустимого тока с точки зрения нагрева двига­ теля при его продолжительной работе принимается величина номи­ нального тока.

Таким образом, в первом приближении можно считать, что при работе на регулировочных характеристиках будет длительно до­ пустим такой момент сопротивления на валу двигателя, при котором ток якоря (ротора) не превзойдет номинального, а в пределе будет ему равен.

Как известно, момент двигателя, равный в установившемся ре­ жиме моменту статического сопротивления, определяется произведе­ нием магнитного потока на ток якоря (ротора). Если в процессе регулирования частоты вращения магнитный поток не изменяется и равен номинальному значению и условия охлаждения двигателя неизменны, то и сила тока якоря не будет изменяться. Поэтому момент статического сопротивления на валу двигателя может быть равным номинальному при всех частотах вращения. Допустимая же мощность, равная произведению допустимого момента статического сопротивления на частоту вращения, будет изменяться пропорцио­ нально частоте вращения. Такое регулирование называется р е г у ­ л и р о в а н и е м с п о с т о я н н ы м м о м е н т о м .

Сохранить постоянный допустимый момент статического сопро­ тивления на валу возможно лишь для двигателей с независимой вентиляцией, у которых условия охлаждения не зависят от частоты вращения. В двигателях с самовентиляцией понижение частоты вращения влечет за собой ухудшение условий охлаждения. Поэтому для таких двигателей допустимый момент статического сопротивле­ ния на валу должен снижаться (приблизительно 0,5% снижения момента на каждый процент снижения частоты вращения).

Если при регулировании частоты вращения двигателя изменяется его магнитный поток, а ток якоря (ротора) должен быть неизменным по условиям нагревания, это значит, что прямо пропорционально потоку будет изменяться и допустимый момент статического сопро­ тивления на валу двигателя. Частота вращения будет обратно пропорциональна магнитному потоку, поэтому мощность на валу двигателя при указанном режиме остается приблизительно постоян­ ной и такое регулирование называется р е г у л и р о в а н и е м с п о с т о я н н о й м о щ н о с т ь ю .

Таким образом, при регулировании частоты вращения с постоян­ ной мощностью увеличение частоты вращения должно сопровож­ даться уменьшением момента статического сопротивления на валу двигателя по гиперболическому закону. У двигателей постоянного тока уменьшение момента статического сопротивления должно быть еще большим, поскольку при высоких частотах вращения необхо­ димо снижать допустимый ток якоря Ёследствие ухудшения условий работы коллектора.

Двигатель постоянного тока. Как это следует из формулы (3.26), регулировать частоту вращения двигателя независимого возбужде­

дополнительного сопротивления осуществляется достаточно просто; механическая характеристика двигателя при таком регулировании приведена на рис. 3.6 (линия 2).

Регулирование частоты вращения изменением сопротивления в цепи якоря возможно только вниз от номинальной частоты враще­ ния. Это регулирование является регулированием с постоянным моментом, причем диапазон регулирования при номинальной на­ грузке на валу не превышает 2,5—3. При малых нагрузках на валу двигателя даже такой ограниченный диапазон регулирования не может быть достигнут, поскольку для создания большого падения напряжения в добавочном сопротивлении потребовался бы реостат с большим сопротивлением, а характеристики получились бы слиш­ ком мягкими..

К недостаткам рассматриваемого метода регулирования частоты вращения относятся уменьшение жесткости характеристик, значи­ тельные потери мощности при регулировании и сложность осуще­ ствления бесступенчатого регулирования.

Потери мощности при регулировании введением сопротивления в цепь якоря и постоянном моменте пропорциональны относительному изменению частоты вращения, поэтому, если частота вращения снижена до 30% от номинальной, мощность, теряемая в реостате, приблизительно составляет 70% мощности, забираемой из сети. Несколько более благоприятные энергетические соотношения полу­ чаются при реостатном регулировании двигателей, вращающих механизмы с вентиляторным моментом.

Частоту вращения двигателя независимого возбуждения регу­ лируют изменением величины магнитного потока, вводя в цепь обмотки возбуждения дополнительный резистор. Поток ослабляется и регулирование осуществляется с постоянной мощностью вверх от номинальной частоты вращения. Возможный диапазон регулирова­ ния 1,5—4. Причем предельная частота вращения ограничивается механической прочностью якоря и условиями коммутации тока. Механическая характеристика двигателя при регулировании частоты вращения путем изменения величины магнитного потока показана на рис. 3.6 (линия 3).

Регулирование магнитным потоком, с точки зрения потерь энер­ гии, является экономичным, так как осуществляется изменением тока возбуждения, сила которого составляет 1—10% номинальной силы тока якоря, однако габаритные размеры и стоимость двигателя

частоты вращения применяются схемы с регулированием напряжения на обмотке якоря двигателя. Напряжения, а следовательно, и ча­ стота вращения обычно изменяются в сторону понижения от номи­ нального значения, причем момент остается постоянным, так как магнитный поток двигателя не изменяется. Соответствующая харак­ теристика показана на рис. 3.6 (линия 4).

Напряжение при этом способе регулирования можно изменять питанием якоря от отдельного управляемого генератора (система генератор — двигатель) или от управляемого выпрямителя, выпол­

двигатель ПД (переменного тока, внутреннего сгорания и пр.), вращающий с постоянной частотой генератор постоянного тока Г. Якорь генератора непосредственно присоединен к якорю двигателя постоянного тока Д, который служит приводом производственного механизма ПМ. Обмотки возбуждения генератор ОВГ и двигателя ОВД независимо питаются от источника постоянного тока (возбуди­ тель В на валу первичного двигателя ПД). Ток возбуждения генера­ тора можно регулировать от нуля с помощью реостата IP, включен­ ного по потенциометрической схеме. Реверсирование двигателя

можно осуществить изменением полярности обмотки возбуждения генератора с помощью переключателя П.

В этой схеме двигатель постоянного тока не нуждается в пуско­ вом реостате, поскольку ограничение пускового тока осуществляется соответствующим изменением напряжения генератора. Пуск двига­ теля Д и регулирование его частоты вращения осуществляются сле­ дующим образом. При полностью выведенном реостате 2Р в цепи обмотки возбуждения двигателя и левом положении движка реостата IP производят пуск первичного двигателя ПД, что влечет за собой самовозбуждение возбудителя В. Затем плавно увеличивают ток возбуждения генератора и при небольшом напряжении генератора

Рис. 3.12. Схема генератор—двигатель для регулиро­ вания частоты вращения двигателя независимого воз­ буждения.

двигатель Д придет во вращение. Регулируя далее напряжение гене­ ратора до номинального, можно получить любые частоты вращения двигателя от нуля до номинальной. Практически диапазон регули­ рования в обычной системе генератор — двигатель изменением на­ пряжения составляет 8—10. Дальнейшее расширение диапазона регулирования в рассматриваемой системе возможно путем ослабле­ ния магнитного потока двигателя с помощью реостата 2Р. Применяя специальные регуляторы и вводя обратные связи, можно увели­ чить диапазон регулирования в системе генератор — двигатель до 100-150.

Недостатком системы генератор — двигатель является высокая стоимость установки (за счет дополнительных машин для регулиро­ вания). Общая установленная мощность машин агрегата более чем в 3 раза превышает мощность регулируемого двигателя Д. Наличие дополнительных машин приводит к уменьшению общего к. п. д. установки.

В качестве источника регулируемого напряжения постоянного тока вместо генератора может быть применен тиристорний преобра­ зователь переменного тока в постоянный, выпрямленное напряже­ ние которого можно регулировать изменением фазы напряжения

управления. Системы с тиристорными преобразователями имеют бо­ лее низкую стоимость, чем система генератор — двигатель, требуют меньшей площади производственного помещения, имеют более высо­ кий к. п. д. и практически безынерционное управление. Основной недостаток тиристорных преобразователей — низкий коэффициент мощности, снижающийся при глубоком регулировании примерно пропорционально уменьшению частоты вращения, сложность ревер­ сирования и рекуперации энергии.

Асинхронный двигатель. Из формул (3.30) и (3.31) следует, что частота вращения асинхронного двигателя

частотой тока (синхронные генераторы с переменной частотой враще­ ния, ионные или полупроводниковые преобразователи частоты и др.). Поэтому этот способ регулирования получил некоторое применение в установках для бурения (дизель — электрический привод БУ-50Бр, электробуры), для привода быстроходных станков и др. С развитием полупроводниковых преобразователей все более перспективным ста­ новится индивидуальное частотное регулирование частоты вращения двигателей.

Если пренебречь относительно небольшим падением напряжения

Существенное изменение величины потока Ф при регулировании частоты вращения нежелательно, так как увеличение Ф против, нормального вызывает увеличение насыщения магнитной цепи, а уменьшение Ф вызывает недоиспользование двигателя, уменьшение максимального момента и увеличение тока ротора при том же значе­ нии момента. Поэтому, если необходимо сохранить неизменным

максимальный момент двигателя, целесообразно поддерживать Ф = const. При этом из соотношения (3.55) следует, что одновременно с регулированием частоты пропорционально ей необходимо изменять

Отступление от этого правила целесообразно только в случаях, когда момент статического сопротивления быстро уменьшается

суменьшением частоты вращения (например, приводы вентиляторов).

Вэтом случае более быстрое уменьшение напряжения по сравнению

с частотой тока улучшает энергетические показатели двигателя и в то же время уменьшение максимального момента с точки зрения

у с т а н о в к и .

Регулирование частоты вращения изменением числа пар полюсов используется только для короткозамкнутых двигателей, так как при этом требуется изменять число пар полюсов только для обмотки статора. Чтобы изменить число пар полюсов двигателя, обычно обмотку пересоединяют так, чтобы направление тока в половине ка­ тушек каждой фазы изменилось на обратное. С этой целью обмотку каждой фазы переключают с последовательного на параллельное соединение, в результате чего число полюсов вдвое уменьшается, а синхронная частота вращения вдвое возрастает. Практически пере­ соединение можно производить переключением со звезды на двой­ ную звезду или с треугольника на двойную звезду.

Двигатели с изменением числа пар полюсов называются много­ скоростными. Обычно они выпускаются на 2, 3 или 4 частоты враще­ ния, причем двухскоростные двигатели изготовляются с одной обмот­ кой на статоре и с переключением числа пар полюсов в отношении 2 : 1 , трехскоростньїе двигатели—с двумя обмотками на статоре, из которых одна выполняется с переключением пар полюсов 2 : 1 , четырехскоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, каж­ дая из которых выполняется с переключением числа пар полюсов в отношении 2 : 1 .

Изменение числа пар полюсов — экономичный и широко приме­ няемый способ регулирования частоты вращения асинхронных ко­ роткозамкнутых двигателей. Его недостаток — ступенчатый характер изменения частоты вращения и ограниченный диапазон регулирова­ ния. Вес и стоимость многоскоростных двигателей несколько больше, чем асинхронных двигателей нормального исполнения такой же мощ­ ности.

Для асинхронных короткозамкнутых двигателей возможно также регулирование частоты вращения уменьшением величины питающего напряжения или путем периодического включения двигателя в сеть и отключения его от сети (импульсное регулирование). Однако в связи с пониженными энергетическими показателями эти способы регули­ рования применяются только для двигателей очень малой мощности.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей с фаз­ ным ротором может быть осуществлено с помощью резисторов в цепи ротора по схеме рис. 3.7, а. Этот способ имеет те же преимущества и недостатки, что и способ регулирования частоты вращения двига­ теля постоянного тока включением резистора в цепь якоря. Механи­ ческие характеристики представлены на рис. 3.8 (кривые 1 и 2).

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем увеличения его скольжения всегда связано с выделением в цепи ро­ тора двигателя значительной электрической мощности скольжения

которая при регулировании резисторами почти полностью в них теряется. Поэтому возникает мысль о полезном использовании этой мощности и о повышении таким образом к. п. д. установки.

Полезное использование мощности скольжения возможно, если вместо реостата присоединить к контактным кольцам двигателя при­ емник электрической энергии в виде подходящей для этой цели вспо­ могательной электрической машины. Эта машина будет работать в режиме двигателя и оказывать воздействие на регулируемый асин­ хронный двигатель, развивая напряжение на зажимах его ротора, так как при вращении вспомогательной машины в ее якоре индукти­ руется э. д. с.

Реализация рассмотренного способа регулирования частоты вра­ щения асинхронного двигателя с фазным ротором осуществляется

вкаскадных соединениях с машинами постоянного тока.

Всвязи с развитием полупроводниковой техники перспективно применение в каскадных схемах полупроводниковых вентилей вместо машин постоянного тока.

Вэлектроприводах механизмов, требующих плавного регулиро­ вания скорости в относительно небольшом диапазоне (1,5—2), нахо­ дят применение электромагнитные муфты скольжения.

Для расширения диапазона регулирования скорости применяется

система автоматического регулирования тока возбуждения муфты с обратными связями. Принцип действия и характеристики этих муфт рассмотрены в § 29. »

Синхронный двигатель. Регулирование частоты вращения син­ хронного двигателя возможно только изменением частоты питающего напряжения. Обычно синхронные двигатели имеют сравнительно большую мощность и питаются от сетей промышленных предприятий совместно с другими потребителями. Поэтому регулирование частоты тока здесь невозможно. Исключение составляют маломощные син-