книги из ГПНТБ / Василевский, Марк Николаевич. Асинхронный привод шахтных подъемных машин

реактивная составляющая тока статора

ток ротора

где /s=/2— абсолютное скольжение, равное частоте тока ро тора;

момент вращения

(46)

Взяв производную ам от этого выражения и приравняв

ее нулю, найдем, что максимальный момент вращения полу­ чается при критическом скольжении

220

Коэффициент мощности

низких частот и плохих параметров) членами в квадратных скоб­ ках можно пренебречь ввиду их относительной малости.

Довольно сложные общие выражения (42), (43) и (53) без часто применяемых упрощений (UЕ; ц = 0 и т. д.) удобны тем, что они при всех частотах и при любых частных и пре­ дельных значениях параметров дают определенные, логически и физически правильные результаты и позволяют обследовать

свойства асинхронной машины в самых разнообразных условиях. После подстановки в эти выражения числовых значений пара­

метров они преобразуются в простые и удобные расчетные фор­ мулы.

В качестве примера покажем применение этих формул для

расчета механических характеристик асинхронного двигателя

мощностью 100 кет: и = 0,01; г2 = 0,015; xi = 0,125; %2 = 0,083;

Ь = 0,85.

Подставляя эти параметры в формулы (53), находим

а = (1,06 + 450/2) 10-4; р = 3- 10~4

221

Частотные характеристики двигателя приняты при регулиро-

Максимальный момент из выражения (48)

222

Критическое скольжение, при котором получается макси­

Из рисунка видно, что при пуске с частотой 0,1 пусковой момент равен 1,75 М„ и пусковой ток 3,1 /н.

Рис. 125. Частотные характеристики асинхронного двигателя

При низкой частоте возможна не только работа с *понижен ной скоростью в двигательном режиме, но и торможение двига­ теля в генераторном режиме.

Из рис. 124 видно, что моменты, развиваемые двигателем в генераторном режиме, гораздо выше, чем в двигательном. Это подтверждается и формулой (48). При работе в генераторном режиме на низкой частоте так же, как и при динамическом тор­ можении, необходимо при снижении скорости переключением роторного сопротивления осуществлять переход с одной меха­ нической характеристики на другую.

Преимуществом торможения на низкой частоте является

автоматический переход в двигательный режим при достиже­ нии скорости, соответствующей питающей частоте, и наличие

223

рекуперации энергии в сеть, что несколько повышает к. п. д.

установки.

На рис. 126 даны кривые зависимости момента двигателя от скорости его вращения при постоянном напряжении 0,08 Ua

и различной частоте. Из рис. 126 видно, что с убыванием ча­

стоты опрокидывающий момент двигателя возрастает. .

При снижении частоты пропорционально напряжению для данного постоянного напряжения лучше всего подходит кривая,

соответствующая частоте 5,85. Эта кривая при любой скорости

вращения не достигает величины номинального момента двига­ теля. При дальнейшем снижении частоты и поддержании преж­ него напряжения моменты двигателя намного возрастают и до­ стигают более чем двухкратных номинальных.

На рис. 127 показана зависимость пускового момента от прикладываемого напряжения при частоте 0,034 номинальной.

Небольшим повышением напряжения можно значительно уве­

трехкратного номинального.

§3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Вкачестве источников тока низкой частоты могут использо­ ваться синхронные, асинхронные, одноякорные и механические

преобразователи частоты.

Синхронные и асинхронные преобразователи частоты обла­ дают тем недостатком, что их основные размеры определяются не мощностью, требуемой на пониженной частоте, а мощностью, равной произведению отношения номинальной частоты к низ-

224

шей на мощность при пониженной частоте. Например, при ча­

стоте 5 гц преобразователь частоты должен выбираться на мощ­ ность в 10 раз большую требуемой. Асинхронные преобразова­ тели частоты при нагрузке снижают напряжение, что трудно

компенсировать. На рис. 128 показана схема асинхронного пре­

образователя частоты. Принцип работы преобразователя частоты

заключается в том, что статор асинхронного двигателя питается от сети с частотой 50 гц, а с колец ротора снимается ток с часто­ той, пропорциональной скольжению.

Таким образом, в ротор передается мощность, пропорцио­ нальная скольжению, т. е. пропорциональная частоте тока ро­

тора. Остальная мощность, пропорциональная разности частот статора и ротора, т. е. основная часть мощности, должна быть отобрана из статора и рекуперирована обратно в сеть при по­ мощи дополнительного асинхронного двигателя, работающего в генераторном режиме.

При питании двигателя током с частотой 5 гц и требуемой мощностью при этом 60 кет асинхронный преобразователь дол-

50

жен быть выбран на мощность 60 у = 600 кет, причем реку­

перировано обратно в сеть может быть 600 —■ 60 = 540 кет (без учета к. п. д. преобразователя). Следовательно, применение

асинхронных преобразователей частоты из-за громоздкости не­

приемлемо.

Для получения токов низкой частоты наиболее рациональ­ ным является применение асинхронных одноякорных преобра­

зователей.

Одноякорный асинхронный преобразователь состоит из ста­ тора и якоря, снабженного кольцами и коллектором. Обмотка вращающегося якоря подключена к кольцам и коллектору. Ста­ тор выполнен подобно статору нормального асинхронного дви­ гателя, т. е. неявнополюсным.

Одноякорные преобразователи разделяются на преобразо­

ватели с собственным приводом (не требующие для вращения своего якоря дополнительного привода) и преобразователи с посторонним приводом.

При помощи трех колец через щетки якорь преобразователя

подключается к сети переменного тока 50 гц, а с коллектора при помощи трех щеток на пару полюсов, размещенных под углом

120°, снимается ток с частотой от 0 до 15 гц (рис. 129).

В зависимости от того, замыкают ли обмотку статора непо­ средственно или через регулировочное сопротивление машина пускается как питаемый через ротор асинхронный двигатель

и достигает скорости вращения, которая определяется тепло­ выми потерями тока во вторичной цепи (как и у обычного асин­ хронного двигателя), а в данном случае зависит от потерь в ста­ торе. Ток статора определяется вращающим моментом, который должен развивать двигатель для преодоления трения и потерь на вентиляцию. Так как эта мощность весьма мала, то статор­ ная обмотка рассчитывается на очень малый ток.

Если статорная обмотка замкнута накоротко, то падение

напряжения на ней весьма мало и для покрытия его необхо­ дима малая частота скольжения; якорь имеет скорость, близкую к синхронной.

На коллекторе появляется переменное напряжение с часто­

той, равной частоте скольжения якоря, так как с этой частотой,

вращается по отношению к статору и щеткам вращающееся поле.

Если к щеткам коллектора подключить нагрузку, то машина нагрузится. Увеличение отдаваемого коллектором тока вызы­

вает увеличение подводимого тока к кольцам, в то время как ток в обмотках статора не зависит от нагрузки якоря, так как потери на трение и вентиляцию не изменяются.

Для повышения частоты, снимаемой с коллектора, необхо­

димо увеличить скольжение якоря, что может быть достигнуто включением в обмотку статора дополнительного сопротивления, благодаря чему увеличится падение напряжения в обмотке ста­

тора и, следовательно, уменьшится скорость вращения якоря.

Частота на коллекторе увеличится, но величина напряжения не изменится, так как коллектор и кольца подключены к одним и тем же' обмоткам якоря. Напряжение на коллекторе равно на­ пряжению на кольцах (или находится в определенном отноше­ нии к нему, например, при шестищеточном включении) и из­ меняется только с изменением последнего.

Таким образом, для регулирования частоты у одноякорного преобразователя необходимо изменять сопротивление обмотки статора, а для регулирования величины напряжения, снимае­ мого с коллектора, необходимо изменять напряжение, подводи­

мое к кольцам.

При изменении подводимого к кольцам напряжения в широ­ ких пределах поле преобразователя может стать настолько

226

мало, что не хватает для-компенсации потерь в статоре, чтобы получить требуемый вращающий момент, и якорь не может вра­ щаться.

В этих случаях должен быть применен преобразователь с по­ сторонним приводом (рис. 130). Поскольку для вращения якоря преобразователя требуется очень ма­ лая мощность, то осуществление тако­

го регулируемого привода несложно.

Требуемая скорость вращения яко­ ря преобразователя определяется по формуле

„ 60 (/„ -/2)

Р

где /„ — частота тока, питающего его

кольца;

А— требуемая пониженная час­

тота;

специальной машины, называемой Лидаль-машиной или маши­ ной Шербиуса, служащей усилителем.

Рис. 131. Схема с Лидаль-машиной

Лидаль-машина 1 (рис. 131) возбуждается через статор от одноякорного преобразователя 2; от щеток коллектора Лидаль-

машины осуществляется питание регулируемого подъемного асинхронного двигателя 5. Приводом Лидаль-машины служит

нерегулируемый асинхронный двигатель 4. Одноякорный пре­

образователь 2 при неглубоком регулировании величины на­ пряжения на его кольцах может работать с собственным при­ водом, при глубоком регулировании требуется посторонний привод.

Благодаря тому, что Лидаль-машина имеет раздельные главные и вспомогательные полюсы и компенсационную обмот­

ку, она может быть изготовлена на большую мощность и напря­ жение, чем одноякорный преобразователь. Регулирование ве­ личины напряжения якоря Лидаль-машины производится изменением величины напряжения ее возбуждения, а регулиро­ вание частоты — изменением частоты тока возбуждения.

При работе Лидаль-машины на малых частотах требуемая мощность на ее возбуждение составляет 3—4% мощности, сни­ маемой с ее якоря. При работе с частотой 50 гц мощность на возбуждение составляет 30—40%, мощности якоря. Следова­ тельно, такая система регулирования хороша при работе на низкой частоте. При работе на частотах, приближающихся к но­ минальной, мощности вспомогательных электрических машин получаются равными или соизмеримыми с мощностью подъем­

образователь должен давать все большую мощность.

§ 4. РЕЖИМ РАБОТЫ ПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВКИ ПРИ ПОНИЖЕННОЙ ЧАСТОТЕ

При питании подъемного двигателя током пониженной ча­ стоты выполняются следующие режимы работы: торможение в период замедленного движения, движение с пониженной ско­ ростью порядка 0,6 м/сек в конце подъемного цикла и со ско­ ростью 0,3 м./сек при ревизии ствола и канатов. Следовательно, необходимо получение двух значений пониженной частоты для

обеспечения скорости порядка 0,6 и 0,3 м/сек.

При режиме торможения на пониженной частоте подъемный двигатель должен работать с переменным сопротивлением в цепи ротора, изменяемым в функции скорости вращения ротора. Вследствие того, что двигатель работает с сопротивлением

вцепи ротора, большая часть энергии торможения рассеивается

вэтом сопротивлении и меньшая ее часть рекуперируется в сеть.

Так, например, при требуемой мощности на торможение 100 кет

только 20 кет рекуперируется в сеть, а 80 кет рассеивается в сопротивлениях. Таким образом, влияние рекуперации энер­

гии на к. п. д. установки при торможении токами низкой ча­ стоты весьма незначительно.

Вероятно, даже более выгодно осуществлять торможение по­

стоянным током, так как при этом требуется значительно более низкое напряжение, а следовательно, и меньшая мощность.

228

При работе подъемного двигателя на малой скорости и пи­

тании статора током соответствующей этой скорости частоты ротор двигателя замыкается накоротко, и двигатель работает

с очень высоким к. и. д. (номинальным или близким к нему) на жесткой механической характеристике, благодаря чему скорость его вращения практически не зависит от нагрузки. Самым вы­ годным режимом работы двигателя на пониженной частоте яв­ ляется его работа с замкнутым накоротко ротором с постоянной скоростью.

При использовании пониженной частоты для управления подъемным двигателем удобно применять вспомогательный ко-

мандо-аппарат, выключающийся рукояткой управления основ­ ного командо-аппарата, которая передвигается в Н-образном пазу пульта управления.

Перемещая рукоятку управления в поперечной прорези вправо, машинист подключает статор подъемного двигателя к источнику тока низкой частоты. Для перехода на питание дви­ гателя низкой частотой с частоты 50 гц необходимо возможно быстрее снизить ток в статоре для переключения последнего на питание низкой частотой. Для этого перед отключением ревер­ сора в цепь ротора вводится сопротивление, что снижает ток

статора и позволяет уже через 0,5 сек подключить статор к ис­

точнику тока низкой частоты.

Электрические схемы управления подъемным двигателем с использованием низкой частоты даны в гл. XVI.

Глава XIII

ПРИВОД С ДРОССЕЛЯМИ НАСЫЩЕНИЯ

§ 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Применение дросселей насыщения открывает широкие воз­ можности для осуществления схем автоматического регулиро­ вания и управления приводом подъемных машин.

Дроссель насыщения сочетает в себе ценные свойства непо­ средственного воздействия на мощные силовые сети при не­

значительной мощности, требуемой для его регулирования.

Достоинства применения дросселей насыщения:

1)непрерывность процесса управления;

2)возможность получения рациональных режимов регули­ рования привода при минимальном расходе энергии в силовых цепях;

3)широкие пределы изменения регулируемых параметров;

4)частичное или полное устранение релейно-контакторной

автоматики;

5)простота и надежность конструкции.

229