КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 2. Электрические машины
.pdf
168
n1 = n2 |
(5) |
Поэтому, для того чтобы магнитное поле ротора n2 вращалось со ско- ростью равной полю статора, необходимо ротор двигателя предварительно привести во вращение. Таким образом, при пуске синхронного двигателя возникает задача доведения скорости вращения ротора от 0 до n = nном = n1 .
На практике используются три способа пуска:
-пуск с помощью разгонного двигателя;
-асинхронный пуск;
-частотный пуск.
Пуск с помощью разгонного двигателя производится по схеме, пока-
занной на рисунке 7.
Рисунок 7 – Принципиальная схема пуска синхронного двигателя
с помощью разгонного двигателя
Разгонным двигателем является трехфазный асинхронный двигатель, присоединенный к валу синхронного двигателя. Он раскручивает син- хронный двигатель до асинхронной скорости, которая меньше синхронной на 3-5%, после чего обмотка статора синхронного двигателя подключается к трехфазной сети, в обмотку ротора подаётся ток возбуждения и синхрон- ный двигатель втягивается в синхронизм (частота вращения вала ротора становится равной частоте поля статора n1 = n2 ).
Асинхронный пуск синхронного двигателя (рисунок 8) заключается в том, что обмотка возбуждения двигателя предварительно замыкается на добавочное сопротивление, которое должно превосходить примерно в 10 раз сопротивление обмотки возбуждения (переключатель П установлен в положение “1” ). У синхронных двигателей, предназначенных для асин- хронного пуска, обычно помимо обмотки возбуждения на роторе распола-
169
гают специальную пусковую обмотку, наподобие беличьей клетки асин- хронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Рисунок 8 – Принципиальная схема асинхронного пуска синхронного
двигателя
При взаимодействии вращающегося поля статора с токами, наведён- ными этим полем в обмотках ротора (беличьей и возбуждения), создаётся вращающий момент, который приводит ротор во вращение, скорость кото- рого близка к скорости поля статора (скольжение S0 0 ). После этого об- мотку возбуждения двигателя размыкают и подключают к источнику по- стоянного тока (переключатель П устанавливается в положение “2”), дви- гатель втягивается в синхронизм (ротор добирает обороты до синхронных
) и в таком режиме он работает до остановки. Асинхронный пуск синхронного двигателя возможен и при отсутствии у двигателя пусковой обмотки.
Частотный способ пуска синхронного двигателя состоит в том, что обмотку ротора подключают к источнику постоянного тока, а обмотку ста- тора к трёхфазному источнику переменного тока с регулируемой частотой. Установив вначале малую частоту, ротор легко втягивается в синхронизм, затем постоянно увеличивают частоту, подаваемую к обмотке статора, в результате повышается скорость вращения вала ротора до необходимой величины.
2.5.2 Потери и КПД синхронной машины
Полную мощность синхронной машины можно представить как сум- му полезной мощности и мощности потерь в самой машине.
Мощность потерь в синхронной машине состоит из следующих сла- гаемых:
-потери на нагревание обмоток статора PЭЛ;
-потери в стали PСТ;
-мощность потерь на трение PТР;
-мощность потерь на возбуждение PВОЗБ.
170
|
|
|
|
|
|
|
Р2 |
|
||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
РHOM |
|
|
|
||
|
Рисунок 9 – Зависимость коэффициента полезного действия |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
от мощности на валу |
|
|||
Тогда для генератора КПД будет равен |
|
|
|
|||||||
η |
|
= |
P2 |
100% = |
P2 |
100% , а |
(6) |
|||
ГЕН |
P1 |
P2 + PЭЛ + PCT + PВОЗБ + PТР |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
для двигателя он равен:
η ДВИГ |
= |
|
|
3UI cos ϕ |
|
100% . |
(7) |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
||||
|
|
||||||
|
|
|
3UI cos ϕ + PЭЛ + PCT + PВОЗБ |
+ PТР |
|
||
Среднее значение КПД в современных синхронных машинах высо- кое и достигает 98 99%.
2.5.3 Применение синхронных двигателей
Синхронные двигатели по конструкции и эксплуатации сложнее, а по стоимости дороже асинхронных двигателей. Однако, асинхронный дви- гатель для создания вращающегося магнитного поля потребляет из сети реактивную мощность, в то время как синхронный может не только по- треблять, но даже генерировать реактивную мощность в сеть, работая с ко- эффициентом мощности cosφ=0,8÷0,9 опережающим (ёмкостным).
Если синхронный двигатель работает при неизменном значении мо- мента на валу, то его активная мощность, потребляемая из сети, также не- изменна, а, следовательно, активная составляющая тока статора тоже не меняется. При постоянном напряжении на зажимах двигателя:
P1 = const = 3UI cosϕ = 3UIa , |
(8) |
где I a = const – активная составляющая тока статора.
Когда двигатель работает в таком режиме, регулирование тока воз- буждения будет вызывать изменение тока статора и коэффициента мощно- сти двигателя (рисунок 10).
171
I |
|
M2 = const > 0 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
cosφ = 1 |
I |
|
|
|
|
||
|
|
M2 = 0 |
|
|
|
|
cosφ = 1 |
IB |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
0 Недовозбуждение IB HOM Перевозбуждение |
|
|
||
Рисунок 10 – Влияние регулирования тока возбуждения на режим
работы синхронного двигателя
Из кривых (рисунок 10) видно, что на границе между областями не- довозбуждения и перевозбуждения, при cosφ=1, ток статора имеет мини- мальное значение. Кривая I=F(IВ) носит название U-образной характери- стики синхронного двигателя. Эта характеристика показывает возможно- сти использования синхронного двигателя в режимах, когда φ=0 или φ<0, то есть при которых достигается повышение коэффициента мощности электроустановок.
Таким образом, сравнивая синхронный двигатель с асинхронным, отметим следующие достоинства и недостатки:
Недостатки: синхронный двигатель конструктивно сложнее, менее надёжен в эксплуатации и дороже; не обладает самозапуском; требует два источника питания (трёхфазный и источник постоянного тока).
Достоинства: имеет сверхжёсткую механическую характеристику; работает при cosφ=1.
Синхронные и асинхронные двигатели следует сравнивать с учётом не только первоначальной стоимости, но и эксплуатационных затрат. По- этому, поэтому синхронный двигатель с cosφ=1, по своей стоимости и по- терям энергии обычно имеет преимущество перед асинхронным, снабжён- ным конденсаторными батареями для компенсации коэффициента мощно- сти до cosφ=1.
Синхронные двигатели выпускаются в основном большой мощно- стью, начиная с 55 кВт до 1000 кВт и более. В диапазоне от 1 до 100 кВт синхронный двигатель не выдерживает конкуренцию асинхронного двига- теля.
Если синхронный двигатель, работающий вхолостую (М2=0) пере- возбудить, то он начинает вырабатывать реактивно-ёмкостную энергию (работает в режиме конденсатора). Такой двигатель называют синхронным компенсатором. Синхронные компенсаторы применяют для повышения
172
коэффициента мощности. Они выпускаются мощностью от 1 до 75 тыс. кВт и более, потребление активной мощности при этом составляет
Ра=(1,3÷1,5)% от Рном двигателя.
Контрольные вопросы
1.Синхронные генераторы (устройство и принцип работы, характе- ристика холостого хода, внешняя и регулировочная характеристика).
2.Регулирование реактивной мощности синхронными машинами.
3.Потери энергии и КПД синхронной машины.
4.Синхронные двигатели (устройство, принцип работы, достоинст- ва, недостатки, применение).
5.Механическая характеристика синхронного двигателя. Способы запуска синхронного двигателя.
173
Лекция 2.6 Машины постоянного тока
План лекции
1)Принцип работы и устройство, классификация и применение ма- шин постоянного тока.
2)Механические характеристики машин с разным типом возбужде-
ния.
2.6.1Принцип работы и устройство, классификация и применение машин постоянного тока
Машины постоянного тока (МПТ) начали использоваться значитель- но раньше машин переменного тока. Однако в настоящее время они оттес- нены с первого места асинхронными двигателями. Это объясняется слож- ностью устройства МПТ, меньшей надежностью, искрообразованием на коллекторе. И все же МПТ не утратили своего значения в современной технике. Сейчас они используются в основном:
-в системах регулируемого электропривода в станках;
-как тяговые двигатели на электрифицированном транспорте;
-в качестве электросварочных генераторов.
На рисунке 1 представлена простейшая МПТ. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы.
Рисунок 1 – Простейший генератор постоянного тока: 1 – полюса индуктора; 2 – якорь с обмоткой в виде одиночного витка проводника; 3 – пластины коллектора; 4 – щетки
Назначением индуктора является создание в машине основного маг- нитного потока. Индуктор простейшей машины имеет два полюса (1) и
174
ярмо (на рисунке 1 не показано). Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря (2) и коллектора (3). Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, уложенной в пазах сердечника якоря. Обмотка якоря имеет один виток, соединенный с изолированными от вала двумя медными пластина- ми коллектора. Обмотка якоря соединяется с внешней цепью коллектором и щетками (4).
На коллектор налегают две неподвижные щетки 4, с помощью кото- рых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.
Основной магнитный поток в нормальных МПТ создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N че- рез якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному по- люсу.
2.6.1.1 Работа машины в режиме генератора
N |
|
N |
|
Fпр EЯ IЯ |
EЯ |
IЯ |
Fпр |
|
|
|
|
n |
|
n |
|
Fпр |
Fпр |
|
|
S |
S |
а |
б |
Рисунок 2 - Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
|
|
|
Е |
|
|
I |
|
|
|
|
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VV
а б Рисунок 3 – Правило рук: а – правило правой руки; б – правило левой
руки
175
Предположим, что якорь машины (рисунки 1 и 2,а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индук- тируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки (рисунок 3,а) и показано на рисунке 1 и 2,а. Величина индук- тируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС
E = B l V , |
(1) |
где В - величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника;
l - активная длина проводника, т. е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле;
V - линейная скорость движения проводника.
В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одина- ковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС. якоря рассматриваемой машины равна
EЯ = 2 B l V . |
|
|
|
|
|
|
(2) |
|||
Если выразить величину ЭДС якоря через конструктивные парамет- |
||||||||||
ры машины, то получим |
|
|
|
|
||||||
Е |
|
= К |
Фn , К |
|
= |
р |
|
N |
, |
(3) |
Я |
Е |
|
|
|||||||
|
Е |
|
|
а |
60 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где КЕ - машинная постоянная; |
|
|||||||||
Ф – магнитный поток машины; |
|
|||||||||
р – число пар полюсов индуктора; |
|
|||||||||
a - число пар параллельных ветвей обмотки якоря; |
|
|||||||||
N - общее число проводников якоря; |
|
|||||||||
n - скорость вращения якоря в об/мин. |
|
|||||||||
ЭДС якоря EЯ |
является переменной, так как проводники обмотки |
|||||||||
якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами. В резуль- тате чего направление ЭДС в проводниках меняется. По форме кривая ЭДС проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распреде- ления индукции В вдоль воздушного зазора.
Частота ЭДС в двухполюсной машине равна скорости вращения яко- ря n, выраженной й оборотах в секунду
f = n. |
(4) |
В общем случае, когда машина имеет р пар полюсов с чередующейся полярностью,
f =рn. (5)
Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток I Я . В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кри- вой ЭДС. Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте яко-
176
ря и коллектора (рисунок 1) на 90° и изменении направления ЭДС. в про- водниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет нахо- диться пластина, соединенная с проводником, расположенным под север- ным полюсом, а под нижней щеткой — пластина, соединенная с провод- ником, расположенным под южным полюсом. В результате этого поляр- ность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.
Таким образом, в генераторе коллектор является механическим вы- прямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.
Простейший генератор, изображенный на рисунке 1 малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пуль- саций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмот- ку якоря и коллектор. Однако основные свойства МПТ могут быть уста- новлены на примере рассматриваемой здесь простейшей машины. Напря- жение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше ЕЯ на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря RЯ
U Я = EЯ − RЯ I Я . |
(6) |
Проводники обмотки якоря с током I Я находятся в магнитном поле, поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рисунок 2, а).
(7)
Их направление определяется по правилу левой руки (рисунок 3, б). Эти силы создают механический вращающий момент МЯ , который назы- вается электромагнитным моментом и равен
М |
|
= Fпр |
DЯ |
= B l I |
|
DЯ |
, |
(8) |
Я |
|
Я |
|
|||||
|
2 |
|
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
где DЯ - диаметр якоря.
Как видно из рисунка 2, а, в режиме генератора этот момент дейст- вует против направления вращения якоря и является тормозящим.
Вращающий момент якоря машины может быть выражен через кон- структивные параметры машины. Тогда он запишется так
M Я = CM Ф I Я , CM |
= |
p |
|
N |
, |
(9) |
|
|
|||||
|
|
a 2π |
|
|||
где CM - постоянная момента машины.
2.6.1.2 Работа машины в режиме двигателя
Рассматриваемая простейшая машина может работать также двига- телем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего ис- точника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать элек- тромагнитные силы Fпр и возникнет электромагнитный момент МЯ . Ве-
177
личины Fпр и МЯ , как и для генератора, определяются равенствами (6) и
(7). При достаточной величине МЯ якорь машины придет во вращение, и будет развивать механическую мощность. Момент МЯ при этом является движущим и действует в направлении вращения.
Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направле- ния вращения генератора (рисунок 2, а) и двигателя (рисунок 2, б) были одинаковы, то направление действия МЯ , а следовательно, и направление тока I Я у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рисунок 2, б).
В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внеш- ней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.
Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется ЭДС ЕЯ, величина которой определяется равенством (2). Направление этой ЭДС в двигателе (рисунок 2, б) такое же, как и в генераторе (рисунок 2, а). Таким образом, в двигателе ЭДС якоря ЕЯ направлена против тока I Я и прило- женного к зажимам якоря напряжения U Я . Поэтому ЭДС якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой (противоЭДС).
Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается ЭДС ЕЯ и падением напряжения в обмотке якоря:
U Я = ЕЯ + RЯ I Я . |
(10) |
Из сравнения равенств (6) и (9) видно, что в генераторе U Я < EЯ , а в двигателе U Я > EЯ .
2.6.1.3 Принцип обратимости
Из изложенного выше следует, что каждая МПТ может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимо- стью.
Для перехода МПТ из режима генератора в режим двигателя и об- ратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном на- правлении вращения требуется только изменение направления тока в об- мотке якоря.
Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в оп- ределенных условиях даже автоматически.
2.6.1.4 Реакция якоря
Под реакцией якоря понимается явление размагничивания машины за счет магнитного поля якоря.
