КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 2. Электрические машины

158

2.4.3 Частота вращения вала асинхронного двигателя и ее регулирование

Рассмотрим трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкну- тым ротором.

Частота вращения ротора асинхронного двигателя определяется как:

Учитывая, что величина номинального скольжения мала (Sном=0,01 – 0,05), то скорость вращения двигателя определяется в основном синхрон- ной скоростью n1.

Исходя из формулы (21) видим, что есть два способа менять син- хронную скорость:

-изменять число пар полюсов р обмотки статора;

-изменять частоту трехфазной сети.

Оба этих способа находят применение.

2.4.3.1 Регулирование частоты вращения изменением числа пар полюсов

Частоту вращения вала двигателя можно изменить, если на статоре смонтировать две отдельных обмотки на различное число пар полюсов, например на 1 и 2.

n2

р=1, n1=3000 об/мин

р=2, n1=1500 об/мин

0 Mвр

159

для р=2, n2 = 3000 (1 − S ) = 1500 (1 − S ) об/мин.

P

Промышленность выпускаются двигатели на две, три и иногда четы- ре скорости. Регулирование частоты вращения вала двигателя здесь проис- ходит скачкообразно. Поэтому такие двигатели получили название много- скоростные. За счет увеличения обмоток двигатель становится дороже.

2.4.3.2 Частотное регулирование скорости вращения асинхронных двигателей

Наилучшими производственными характеристиками обладают сис- темы с частотным регулированием скорости вращения.

Для изменения частоты используют полупроводниковые преобразо- ватели частоты. Это сложные устройства. В них, напряжение сетевой час- тоты выпрямляется и преобразуется сначала в постоянное напряжение. За- тем с помощью специальных схем называемых инверторами оно преобра- зуется в переменное трехфазное напряжение требуемой частоты. Совре- менный преобразователи выпускаются на мощность от долей кВт до тысяч кВт. Они позволяют менять частоту от 0 до 300 – 400 Гц.

Принцип работы преобразователя частоты

Преобразователь частоты (рисунок 10) состоит из неуправляемого ди- одного силового выпрямителя (В), автономного инвертора (АИН), системы управления (СУ ШИМ), системы автоматического регулирования (САР), дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв.

Рисунок 10 – Структурная схема преобразователя частоты

Регулирование выходной частоты f и напряжения U осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного модуляции (ШИМ). Ее суть понятна из рисунка 11.

ШИМ модуляция характеризуется периодом коммутации, внутри кото- рого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к поло- жительному и отрицательному полюсам выпрямителя. Длительность этих состояний внутри периода модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках элек- тродвигателя (М), вследствие их фильтрующих свойств, текут синусои- дальные токи.

В 1925 г. академик М.П. Костенко сформулировал закон, согласно которому при частотном регулировании необходимо одновременно с час- тотой пропорционально изменять и напряжение, подаваемое на электро- двигатель.

При соблюдении этого закона электродвигатель на всех скоростях будет работать наиболее оптимально.

Механические характеристики электродвигателя при частотном ре- гулировании аналогичны показанным на рисунке 9. Но синхронная ско- рость здесь может меняться в широких пределах.

На рисунке 10 приведен общий вид нескольких типов преобразова- телей частоты.

161

Рисунок 10 – Общий вид преобразователей частоты

2.4.3.2 Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя с фазным ротором

Рассмотрим теперь трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором (контактными кольцами).

Двигатель с фазным ротором позволяет регулировать частоту вра- щения вала за счет включения реостата в цепь ротора по схеме, приведен- ной на рисунке 6. Изменяя сопротивление реостата Rp, можно регулиро- вать частоту вращения.

Как видно из рисунка 7 заданному моменту сил сопротивления на валу двигателя соответствуют разные скорости вращения. Сопротивление RP называется здесь не пусковым, а регулировочным реостатом и рассчи- тывается на длительное протекание тока.

Указанный способ регулирования очень прост, но неэкономичен, т.к. в реостате Rp выделяется тепловая энергия. Чем глубже регулирование ско- рости вращения, тем больше потери энергии в реостате.

Эти потери энергии рассчитываются по формуле:

При снижении частоты вращения на 30%, в реостате потери дости- гают так же 30% от паспортной мощности двигателя.

Кроме того, пологая механическая характеристика электродвигателя в данном режиме, приводит к зависимости скорости вращения от нагрузки, что часто противоречит требованиям, предъявляемым к электроприводу механизмов.

В настоящее время данный способ регулирования скорости враще- ния используется редко.

162

Контрольные вопросы

1.Пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей: прямой; с пе- реключением со звезды на треугольник; с помощью автотрансформатора (схемы, операции, достоинства, недостатки каждого способа, область при- менения).

2.Пуск асинхронного двигателя с контактными кольцами (схема, операции пуска, механические характеристики, достоинства и недостатки, область применения).

3.Реверс асинхронного двигателя.

4.Способы регулирования скорости вращения асинхронного двига- теля. Описать достоинства и недостатки каждого способа.

5.Частотное регулирование скорости вращения асинхронного дви-

гателя.

164

При вращении ротора (магнитного поля) в каждой фазе (обмотке) статора по закону электромагнитной индукции будут наводиться ЭДС, из- меняющиеся по синусоиде и сдвинутые на 120°.

а б Рисунок 2 – Типы роторов асинхронных генераторов и двигателей: а – с

явно выраженными полюсами; б - с неявно выраженными полюсами

На рисунке 2: 1 – сердечник ротора; 2 - полюсный наконечник; 3 - катушка обмотки возбуждения, уложенная на сердечнике полюса.

Постоянный ток, питающий обмотку ротора, называется током воз-

буждения Iв, а сама обмотка ротора называется обмоткой возбуждения

генератора. Она называется так потому, что ток, протекающий в ней, воз- буждает магнитный поток машины Ф. Постоянный ток возбуждения под- водится к обмоткам электромагнитов ротора через два изолированных друг от друга и от вала машины кольца с помощью щеток, скользящих по коль- цам.

Рисунок 3 – Питание обмотки возбуждения

Питание обмотки возбуждения производится:

165

-от возбудителя – небольшого генератора постоянного тока (мощ- ность его (1 2) % от мощности синхронного генератора).

-от постоянного источника тока, например, аккумуляторной бата-

реи, выпрямителя.

При прохождении тока по обмотке возбуждения создается магнит- ный поток Ф, который распределен по поверхности ротора по закону сину- са. Общее устройство синхронной машины показано на рисунке 4.

5

8 7

Рисунок 4 - Устройство синхронного двигателя небольшой мощности: 1 – корпус; 2 – сердечник статора; 3 – обмотка статора; 4– ротор; 5 – вентилятор; 6 – выводы обмотки статора; 7 – контактные кольца; 8 – щетки; 9 – возбудитель.

При вращении ротора в каждой фазе создается ЭДС, равная:

где р – число пар полюсов; n – частота вращения вала.

Поле ротора, созданное постоянным током, постоянно и жестко свя- зано с поверхностью ротора.

На поверхности ротора неподвижно распределена синусоида маг- нитного потока. Если ротор вращать, то и синусоида вместе с ротором бу- дет вращаться. В результате возникает вращающееся магнитное поле рото- ра (поле возбуждения.). Это поле, пересекая фазные обмотки статора, соз-

166

дает трехфазные ЭДС. Если генератор нагрузки не несет, то ток нагрузки равен нулю IН=0 и в машине существует единственное вращающееся поле ротора.

Если генератор подключен к нагрузке, то ток нагрузки, протекая по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле статора, которое будет вращаться синхронно с полем ротора. Поле статора вращается в сто- рону противоположную ротору. В машине будет два поля синусоидальной формы, направленных друг против друга. Таким образом, поле статора вы- читается из поля ротора и размагничивает ротор. Размагничивание поля ротора полем статора называется реакцией якоря синхронной машины.

Чем больше нагрузка, тем больший ток течет по обмотке статора, тем больше поле статора и тем сильнее оно размагничивает ротор. При этом снижается магнитный поток машины. Уменьшение потока вызывает уменьшение напряжения на клеммах статора генератора и чтобы его под- держать при увеличении нагрузки приходится сильнее намагничивать по- стоянным током ротор генератора, т.е. увеличивать ток возбуждения гене- ратора. Закон, по которому следует увеличивать ток возбуждения генера- тора IВ=f(IН), называют регулировочной характеристикой. Ее вид показан на рисунке 5.

Рисунок 5 – Регулировочная характеристика синхронного генератора

(U1=const, n2=const)

У синхронных генераторов вид регулировочной характеристики за- висит от вида нагрузки – активной, индуктивной или емкостной. На ри- сунке 5 они не показаны.

При включении нагрузки и увеличения тока потребляемого от гене- ратора IH фазное напряжение на его зажимах UФ станет меньше фазной ЭДС Е1 . Зависимость напряжения на обмотках статора от тока статора на-

зывается внешней характеристикой синхронного генератора (рисунок 6).

167

Рисунок 6 – Внешняя характеристика синхронного генератора

Характеристика определяется при постоянном значении тока возбу- ждения (IВ=const) и постоянной частоте вращения вала (n=nном=const).

Характеристика показывает, что с увеличением тока нагрузки на-

Первая причина, вызывающая снижение напряжения – падение на- пряжение на сопротивлении обмотки статора.

Вторая причина, вызывающая снижение напряжения, это реакция якоря, которая уменьшает магнитный поток Ф машины. Как известно, ток нагрузки (потребителя электрической энергии) зависит от коэффициента мощности cosφ, следовательно, и внешняя характеристика также зависит от cosφ, причем, чем меньше cosφ, тем больше ток нагрузки (при Рном=const), тем ниже располагается внешняя характеристика (круче).

2.5.1.2 Синхронные двигатели

Синхронные двигатели по устройству и принципу работы не отли- чаются от синхронного генератора. Трёхфазная обмотка статора двигателя питается от трёхфазной сети. Обмотка возбуждения, находящаяся на рото- ре, питается от источника постоянного тока. Работа двигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с постоянным магнитным полем ротора. Поле статора, как и у асинхронного двигателя, имеет частоту вращения

Взаимодействие магнитных полей статора и ротора имеет место при одинаковых скоростях вращения этих полей.