11

ДОСЛІДЖЕННЯ СИСТЕМИ СИНХРОННОГО ОБЕРТАННЯ ДВИГУНІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З ДОПОМІЖНИМИ ІНДУКЦІЙНИМИ МАШИНАМИ

І Н С Т Р У К Ц І Я

до лабораторної роботи № 3

з курсу

“ Тягові передачі електротранспорту“

Відповідальний за випуск О.Ю. Лозинський, д.т.н., проф.

1. Основні відомості.

Для багатьох механізмів необхідне точне синхронне обертання двох або декількох валів. Воно може бути забезпечене з допомогою різного роду механічних передач і привода механізму від одного двигуна. Але для спрощення кінематики слід ставити окремі двигуни для кожного робочого органу і використовувати схему синхронного обертання, яку називають також “електричним валом”. В окремих випадках синхронність обертання валів може бути досягнена тільки з допомогою синхронного вала. Системи синхронного обертання використовують в транспортних засобах механізмах гідротехнічних споруд (затвори, ворота шлюзів, розвідні мости), в металургійній промисловості (летючі ножиці, привід візків для транспортування великих листів в піч для відпалювання ), в металорізальних верстатах (замість ходових гвинтів та валів) та інших.

Існує дві основні групи систем синхронного обертання:

1. системи з допоміжними синхронізуючими (вирівнюючими) машинами;

1. системи в яких зворотний зв'язок здійснюється між основними привідними двигунами.

Незважаючи на те, що системи другої групи простіші у виконанні, вони отримали менше розповсюдження, ніж системи першої групи, тому що мають ряд істотних недоліків.

Рис.3.1.

Принципова схема системи синхронного обертання двох валів з допоміжними асинхронними машинами зображена на рис.1. Головними привідними двигунами М1 і М4 можуть бути як двигуни змінного так і постійного струму. В ролі допоміжних синхронізуючих машин М2 і М3 в більшості використовуються асинхронні машини з фазним ротором. Обмотки статорів головних і допоміжних машин приєднуються до однієї мережі змінного струму. Відповідні фази роторів з’єднані між собою таким чином, щоб їх е.р.с. були направлені зустрічно. Якщо навантаження на обох валах робочих машин 1 і 2 рівні, а механічні характеристики головних привідних двигунів М1 і М4 ідентичні, то ротори цих двигунів будуть обертатися синхронно. При цьому е.р.с. роторів допоміжних машин М2 і М3 рівні за величиною і знаходяться в протифазі. В результаті струм в колі роторів допоміжних машин не протікає, а в їх статорні обмотки надходить з мережі лише намагнічуючий струм. На рис. 2 зображено миттєве взаємне розташування роторів, умовно показаних в вигляді витків, а також векторні діаграми вторинних е.р.с. і зрівноважувальних струмів для цього розподілу навантажень і при обертанні роторів допоміжних машин в напрямі поля. Магнітні поля обох машин збігаються, отже зображені умовно одним полюсом, який рухається з синхронною швидкістю .

Рис.2.

Якщо статичні моменти на валах 1 і 2 не рівні, наприклад, якщо , то ротор більше завантаженого привідного двигуна М1 відстане від ротора двигуна М3 на деякий кут . При цьому е.р.с. відстаючої машини буде випереджувати е.р.с. на той же кут (рис.2.б). Отже виникне результуюча е.р.с. , яка викличе зрівнюючий струм . Активна складова струму знаходиться в фазі з е.р.с. , тобто допоміжна машина того вала, який навантажений більшим статичним моментом, працює в режимі двигуна, споживаючи енергію з мережі. Таким чином робочий двигун M1 розвантажується. Момент, який розвиває машина M2, при знехтуванні активним опором обмотки статора визначається за формулою

, (1)

де - кут непогодження в електричних градусах; s - ковзання допоміжної машини; - критичне ковзання допоміжної машини.

Активна складова роторного струму у відношенні до е.р.с. другої допоміжної машини знаходиться в протифазі і викликає від’ємний момент. Допоміжна машина, навантажена меншим статичним моментом, працює як генератор по відношенні до мережі, а це значить, що вона підвантажує зв’язаний з нею робочий двигун. Таким чином, навантаження привідних двигунів буде вирівнюватись.

Момент, який розвиває машина M4, визначається за формулою

. (2)

Допоміжні машини можуть обертатись не тільки за полем, але й проти поля. Умови роботи системи при цьому не міняються. Але в цьому випадку ротор допоміжної машини M2, з’єднаний з валом двигуна, який навантажений більшим статичним моментом, при відставанні буде зміщуватися в напрямку обертання поля. Відповідно вектор е.р.с. ротора M2 буде відставати від вектора е.р.с. ротора М4 на кут , а не випереджувати, як це було при обертанні за полем. Це викличе зміну напрямку результуючої е.р.с. і вирівнювального струму в колі роторів. Як видно з векторної діаграми рис. 2.в, побудованій для цього випадку, активна складова струму ротора знаходиться в протифазі у відношенні до е.р.с. , тобто перша допоміжна машина у відношенні до мережі працює в генераторному режимі, споживаючи енергію з боку ротора. Тому що ковзання, при якому працюють допоміжні машини, , то частина енергії, яка споживається машиною М4 з боку ротора, передається на вал системи, розвантажуючи робочий двигун, вал якого навантажений більшим статичним моментом.

Моменти, які розвивають допоміжні машини при обертанні їх роторів проти поля, визначаються за формулами

, (3)

. (4)

Формули для і начебто помінялися місцями у відношенні до випадку обертання роторів допоміжних машин за полем. Але машина М2 буде й далі працювати в режимі двигуна, а машина М4 в режимі генератора. Зміна знаків моментів допоміжних машин вказує лише на те, що ці моменти інакше будуть орієнтовані відносно напрямку обертання магнітного поля.

В результаті аналізу формул (1)-(4) випливає, що при малих ковзаннях допоміжні машини можуть розвивати дуже малі моменти. Тому, звичайно, стараються обертати допоміжні машини проти поля і працювати при ковзаннях, близьких до двох. На рис. 1 це умовно показано перехрещенням провідників, які підходять до статорів допоміжних машин. Для роботи електричного вала найбільш істотним є не абсолютне значення моментів допоміжних машин, а їх різниця, тому що тільки вона вирівнює навантаження основних приводних двигунів. Згідно з рівняннями(1) і (2)

. (5)

Звідси виходить, що кут =90 є граничним; при дальшому збільшенні нерівномірності навантажень на валах механізмів, коли кут стає більшим від 90 , робота установки порушиться - машини випадуть з синхронного режиму.

Перед ввімкненням системи синхронного обертання в мережу необхідно спочатку її синхронізувати. Для цього можна застосувати одну з однофазних схем вмикання допоміжних машин, зображену на рис. 3. Застосування трифазної схеми вмикання для попередньої синхронізації недопустиме, тому що при цьому в кривій моментів при s=1 виникає постійна складова, направлена в сторону обертання поля машин, що може викликати небажані явища. Якщо після вмикання привода є невеликий кут непогодження між роторами, то вони, зробивши декілька коливань, займуть узгоджене положення. Якщо є деякий кут непогодження, а момент статичного опору невеликий, то двигуни можуть навіть декілька разів обернутись і тільки через деякий час зупиняться в узгодженому положенні. Якщо ж статичний момент на валі першої машини малий, а на валі другої великий, тобто, практично, її ротор загальмований, то перша машина почне обертатись і працюватиме в режимі подвійного живлення.

Рис.3. Схеми вмикання допоміжних машин.

Рис.4. Залежність узгоджую чого моменту від кута непогодження роторів допоміжних машин .

В однофазних схемах постійної складової в кривій моментів немає. Для однофазних схем вмикання, зображених на рис. 3, криві моментів наведені на рис. 4. Як видно з рис. 4, характеристика моментів ”в”, яка відповідає схемі рис. 3.в, хоч і має максимум моменту вищий, ніж у характеристик “а” і ”б”, але є менш сприятлива, тому що при невеликих кутах непогодження має дуже малий момент. Тому на практиці для попередньої синхронізації частіше використовують схему рис. 3.а або 3.б. В більшості випадків перевагу віддають схемі рис. 3.а, тому що, хоч вона має менший синхронізуючий момент, але не потребує складних перемикань при переході від попередньої синхронізації до робочої.

Метою роботи є вивчення впливу величини ковзання допоміжних машин на роботу системи синхронного обертання, вивчення способів попередньої синхронізації таких систем і набуття навиків налагодження подібних схем.