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

168

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

для двигателя он равен:

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:

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

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

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

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

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

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

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

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

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:

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.