уч. пособие Электротехника. Часть 2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4.3.3. Регулирование частоты вращения двигателя

Регулирование частоты вращения двигателя может осуществляться тремя способами:

изменением подводимого к двигателю напряжения

U;

изменением сопротивления rя цепи якоря;

изменением магнитного потока Ф(введение дополнительного реостата в цепь обмотки

возбуждения).

Наиболее экономичный способ - это регулирование напряжения на зажимах якоря (рисунок 4.17). Регулирование частоты вращения двигателя изменением питающего напряжения применяется лишь при IB = const, т. е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуждении. Для осуществления этого способа регулирования необходимо цепь якоря двигателя подключить к источнику питания с регулируемым напряжением. Для управления двигателями малой и средней мощности в качестве такого источника можно применить регулируемый выпрямитель, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором, включенным на входе выпрямителя. Для управления двигателями большой мощности целесообразно применять генератор постоянного тока независимого возбуждения.

Рис.4.17. Механическая характеристика при регулировании напряжения на зажимах якоря

81

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Второй способ – это регулирование изменением добавочного сопротивления в цепи якоря rя(в этом случае добавочное сопротивление называется регулировочным). Для того чтобы изменить напряжение на якоре, не меняя параметры обмотки возбуждения, параллельно обмотке якоря включается добавочное сопротивлениеrд. За счет падения напряжения на этом сопротивлении, напряжение на якоре уменьшается.

Изменяя сопротивление реостата в цепи якоря можно получить при номинальной нагрузке различные угловые скорости электродвигателя на искусственных характеристиках (рисунок 4.18).

Рис.4.18. Механическая характеристика при регулировании частоты изменением добавочного сопротивления в цепи якоря

Недостатком рассматриваемого способа является наличие значительных потерь мощности при регулировании, которые пропорциональны относительному изменению угловой скорости. Достоинством рассмотренного способа регулирования угловой скорости являются простота и надежность схемы управления.

Третий способ – это регулирование сопротивления в цепи возбуждения. При этом способе регулирование угловой скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения осуществляется изменением величины магнитного потока за счет введения в цепь обмотки возбуждения дополнительного реостата (рисунок 4.19). При ослаблении потока угловая скорость двигателя как при нагрузке, так и при холостом ходе возрастает, а при усилении потока – уменьшается. Практически возможно изменение

82

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

скорости только в сторону увеличения ввиду насыщения двигателя.При увеличении скорости ослаблением потока допустимый момент двигателя постоянного тока изменяется по закону гиперболы, а мощность остается постоянной.

Рис.4.19. Механическая характеристика при регулировании частоты изменением магнитного потока

Вдвигателях смешанного возбуждения используется согласное включение последовательной и параллельной обмоток. Основной считается та, которая создает до 70% МДС.

4.3.4.Пуск двигателей постоянного тока

Вмомент пуска ЭДС якоря равна0 и Iп = Uя / Rя в 10 30 раз больше номинального тока.

Это может вызвать значительныеэлектродинамические усилияв обмотке якоря и чрезмерный ее перегрев. Поэтому для ограничения тока на время пуска в цепь якоря включают добавочное сопротивление называемое пусковым. Так как с ростом скорости ток снижается, то в качестве пускового сопротивления используется регулировочный реостат, имеющий ряд ступеней (рисунок 4.20). Реостат выполняют ступенчатым для улучшения плавности пуска электродвигателя.Постепенно выводя ступень за ступенью сопротивление реостата из цепи якоря, увеличивают подводимое к якорю напряжение.Величина сопротивления пускового реостата выбирается по допустимому пусковому току двигателя.

83

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Двигатели мощностью до 1 кВт допускают прямой пуск.

Рис. 4.20. Пуск двигателя постоянного тока

Направление вращения двигателя можно поменять переключением полярности якоря или обмотки возбуждения.

Повысить обороты двигателя выше номинальных можно ослаблением магнитного потока, зона регулирования ограничивается возрастанием тока возбуждения.

Совместное регулирование частоты вращения двигателя напряжением на якоре и током возбуждения позволяет получить режим работы при постоянной мощности.

4.3.5. Способы торможения двигателя постоянного тока

В электроприводах с электродвигателями постоянного тока применяют три способа торможения:

динамическое;

рекуперативное;

торможение противовключением.

Динамическое торможение электродвигателя постоянного токаосуществляется путем замыкания обмотки якоря двигателя накоротко или черезрезистор. При этом электродвигатель постоянного токаначинает работать как генератор, преобразуя запасенную им механическую энергию в электрическую энергию. Эта энергия выделяется в виде тепла в сопротивлении, на которое

84

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

замкнута обмотка якоря. Динамическое торможение обеспечивает точный останов электродвигателя.

Рекуперативное торможение электродвигателя постоянного токаосуществляется в том случае, когда включенный в сеть электродвигатель вращается исполнительным механизмом со скоростью, превышающей скорость идеального холостого хода. Тогда э. д. с, наведенная в обмотке двигателя, превысит значение напряжения сети, ток в обмотке двигателя изменяет направление на противоположное. Электродвигатель переходит на работу в генераторном режиме, отдавая энергию в сеть. Одновременно на его валу возникает тормозной момент. Такой режим может быть получен в приводах подъемных механизмов при опускании груза, а также при регулировании скорости двигателя и во время тормозных процессов в электроприводах постоянного тока.

Рекуперативное торможение двигателя постоянного тока является наиболее экономичным способом, так как в этом случае происходит возврат в сеть электроэнергии.

Торможение противовключением электродвигателя постоянного токаосуществляется путем изменения полярности напряжения и тока в обмотке якоря. При взаимодействии тока якоря с магнитным полем обмотки возбуждения создается тормозной момент, который уменьшается по мере уменьшения частоты вращения электродвигателя. При уменьшении частоты вращения электродвигателя до нуля электродвигатель должен быть отключен от сети, иначе он начнет разворачиваться в обратную сторону.

85

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4.3.6.Вопросы для самопроверки к разделу 4.3

Какую роль выполняет якорь в электродвигателях и в генераторах?

Для чего нужен коллектор в машине постоянного тока?

Объясните принцип действия машины постоянного тока?

Где создается основное магнитное поле в машине постоянного тока?

От чего зависят поток Ф и соответствующая ему ЭДС в генераторе постоянного тока, работающего в режиме холостого хода?

Какое явление называют реакцией якоря?

В каком случае реакция якоря называется поперечной?

Какая характеристика генератора постоянного тока называется внешней?

Каким образом получает питание обмотка возбуждения в режиме независимого возбуждения?

Каким образом получает питание обмотка возбуждения в режиме самовозбуждения?

Какие условия необходимо соблюдать, чтобы был возможен режим самовозбуждения?

Какие существуют способы регулирования частоты вращения двигателя?

Какой способ регулирования частоты вращения является наиболее экономичным?

Каким образом можно поменять направление вращения двигателя?

Какие существуют способы торможения двигателя постоянного тока?

86

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4.4. Электрические машины переменного тока. Асинхронные электрические машины

В настоящее время асинхронные машины используются в основном в режиме двигателя. Машины мощностью больше 0.5 кВт обычно выполняются трѐхфазными, а при меньшей мощности – однофазными.

Асинхронный двигатель (АД) является самым распространенным двигателем в качестве электропривода различных механизмов благодаря своей простоте и надежности. Более 60% всей вырабатываемой в мире энергии преобразуется в механическую, в основном, с помощью асинхронных двигателей. Созданы они были в 1889 году русским ученым М.О. ДоливоДобровольским. В настоящее время по международному стандарту разработана единая унифицированная серия асинхронных двигателей АИ и 5А.

4.4.1. Конструкция и принцип работы асинхронного двигателя

АД состоит их двух основных частей – ротора и статора. Ротором называет подвижная часть электрической машины, статором – неподвижная часть электрической машины.

Сердечник статор выполняется из листов электротехнической стали и запрессовывается в станину. Станина отливают из немагнитных материалов, таких как чугун или алюминий. На внутренней части сердечника статора в пазы укладывается трех фазная обмотка, которая может быть соединена в звезду или треугольник. Концы фаз выведены на клеммник. Обмотка статора служит для создания кругового вращающегося магнитного поля.

Сердечник ротора выполняется также из листов электротехнической стали, в пазы которого укладывается обмотка ротора. Ротор у АД может быть двух типов – короткозамкнутый (беличья клетка) и фазный (с контактными кольцами).

Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. Поэтому такие двигатели обладают высокой надѐжностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов.

87

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Уфазного ротора обмотка выполняется трѐхфазной, аналогично обмотке статора, с тем же числом пар полюсов. Витки обмотки закладываются в пазы сердечника ротора и соединяются по схеме звезда. Концы каждой фазы соединяются с контактными кольцами, закреплѐнными на валу ротора, и через щѐтки выводятся во внешнюю цепь. Контактные кольца изготавливают из латуни или стали, они должны быть изолированы друг от друга и от вала. В качестве щѐток используют металлографитовые щѐтки, которые прижимаются к контактным кольцам с помощью пружин щѐткодержателей, закреплѐнных неподвижно в корпусе машины.

Удвигателя с фазным ротором к цепи ротора посредством коллекторно-щеточного механизма подключается сопротивление. В начальный момент пуска сопротивление уменьшает пусковой ток и ротор находится в заторможенном состоянии. Затем сопротивление уменьшают и двигатель плавно запускается. Короткозамкнутый ротор изготавливается из металлической болванки и магнтопрововода, в пазы которого укладываются алюминевыестержни и накоротко замыкаются.

На рисунке 4.21 приведено условное графическое изображение АД с короткозамкнутым и фазным ротором.

Рис. 4.21: (а) – АД с короткозамкнутым ротором, (б) – АД с фазным ротором

88

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4.4.2. Получениекругового вращающегося магнитного поля

Рассмотрим вращающееся поле переменного тока 3-х фазной цепи асинхронного короткозамкнутого двигателя с тремя обмотками, сдвинутыми по окружности на 1200 и соединенными звездой. Обмотка статора питается трехфазным симметричным напряжением. Начальную фазу тока в обмотке А-х принимаем равной 0.

Рис. 4.22. Магнитное поле, создаваемое с помощью трѐхфазной обмотки

Тогда токи будут равны:

В момент времени t1iA 0, а iB, iiC 0. Если ток фазы С положителен, то есть течет от начала к концу, то пользуясь

правилом правоходового винта можно найти картину распределения магнитного поля для времени t1 (рисунок 4.22).

В момент времени t2вектор результирующей магнитной индукции Bmразвернется на угол 1 и так далее по часовой стрелке с периодом обращения 3600. Угол 1 = 600.

Таким образом, магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудой:

89

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

За период поле делает один оборот и Т= Т = 2 , = 60 , где =50 Гц и является промышленной частотой питающего переменного напряжения и тока.

При синусоидальном характере вращающегося поля его скорость n0 равна отношению / р, где р число пар полюсов. В рассматриваемом примере р = 1 и частота вращения равна соответственно 3000 оборотов в минуту. Если число катушек в каждой фазе увеличить в 2 раза, а сдвиг фаз между токами сохранить в 1200, то частота вращения уменьшится в 2 раза за счет увеличения числа пар полюсов. Особенностью асинхронного короткозамкнутого двигателя является наличие постоянной частоты вращения, определяемой числом пар полюсов. Если поменять местами питание фаз, то возникнет поле обратной последовательности и ротор будет вращаться в другую сторону. Еще одной особенностью асинхронных двигателей является разность частоты вращения полей статора-n0 и ротора - n, что делает возможным их электомагнитное взаимодействие.

Частота вращения магнитного поля n0 зависит от частоты питающей сети :

Для сравнения частоты вращения магнитного поля n0 и ротора n ввели коэффициент, который назвали скольжением и обозначили буквой S. Скольжение может измеряться в относительных единицах и в процентах:

4.4.3. Режимы работы трехфазной асинхронной машины

АД может работать в трех режимах – двигателя, генератора и электромагнитного тормоза.

Режим двигателя служит для преобразования потребляемой из сети электрической энергии в механическую. В режиме двигателя

90