Введение
Электрические машины не
только вырабатывают электрическую энергию и осуществляют высокоэкономичное
преобразование ее в механическую, но и играют весьма большую роль в системах
автоматического регулирования и управления.
Особенно
широко применяются машины малой мощности, так называемые микромашины, которые
выполняют очень важные функции в системах автоматики, обеспечивая
быстродействующий привод, согласование вращения нескольких осей, усиление
сигналов малой мощности, преобразование угловых перемещений в электрические сигналы,
и осуществляют другие электромеханические преобразования.
Поэтому
специалисты, занимающиеся проектированием, изготовлением и эксплуатацией
указанных систем, должны хорошо знать конструкцию, принцип действия,
особенности работы и характеристики основных типов электрических микромашин для
того, чтобы уметь правильно выбрать требуемый тип машины и установить для нее
наиболее подходящий эксплуатационный режим.
В
данном учебном пособии рассмотрены вопросы теории работы и устройство
электрических машин, наиболее часто используемых в качестве основных элементов
системы автоматики.
1 Электрические машины
1.1 Физические принципы
электромеханического преобразования
энергии
В состав любого
электропривода [1,2], сколь бы прост или сложен он ни был, обязательно входит
электромеханический преобразователь энергии - электрическая машина. Другие
компоненты могут отсутствовать или, наоборот, быть очень развиты - это зависит
от функций электропривода, но электромеханический преобразователь присутствует
всегда, он неотъемлемая часть системы, называемой электроприводом.
Ограниченный объем учебного
пособия позволяет рассматривать в деталях лишь один вид электромеханического
преобразователя - электромагнитный, вместе с тем существуют, развиваются и
приобретают все большее значение и другие виды, о которых читатель должен
иметь хотя бы самые общие представления.
В отличие от курса
электрических машин, где основное внимание должно уделяться «анатомии»
электромеханических преобразователей, мы будем главное внимание обращать на
их «физиологию», т.е. на функционирование в системе. Рассмотрим здесь кратко
основные физические явления и физические принципы электромеханического
преобразования энергии.
В основе работы любого из
громадного числа электромеханических преобразователей энергии лежит одно из
пяти фундаментальных физических явлений. Назовем эти явления, хотя они
известны еще из школьной физики и с них начинается любой учебник по
электрическим машинам.
1.1.1 На проводник с током в
магнитном поле действует сила. При этом не существенно, какова природа поля -
создано ли оно постоянным магнитом, специальной катушкой или соседним
проводником с током. При перемещении проводника в магнитном поле в нем
наводится ЭДС.
1.1.2 На ферромагнитный
материал в магнитном поле действует сила, стремящаяся переместить его в зону,
где интенсивность поля максимальна. Если поле создано катушкой с током, то при
перемещении изменяется магнитный поток и, следовательно, в витках наводится
ЭДС.
1.1.3 На обкладки
заряженного конденсатора и на диэлектрик в электрическом поле действует сила.
При взаимном перемещении изменяется или заряд, или напряжение на обкладках, или
и то и другое.
1.1.4 Некоторые кристаллы
слегка деформируются при приложении напряжения в определенном направлении.
Если такие кристаллы деформировать, возникает электрический заряд. Это явление
известно как пьезоэффект.
1.1.5 Многие ферромагнитные
материалы слегка деформируются под влиянием магнитного поля. Будучи деформированы,
эти материалы изменяют свои магнитные свойства. Это явление называют
магнитострикцией.
Названные пять физических
явлений, относящихся к электромеханическому преобразованию энергии, совсем не в
равной мере используются в современной технике. Больше всего «повезло» первому
явлению - абсолютное большинство электрических машин выполнялись и выполняются
на основе принципа «проводник в магнитном поле» и являются по существу его
различными реализациями.
Второе явление широко
используется в различных электрических аппаратах (электромагнитные реле,
контакторы, пускатели и т. п.), поскольку позволяет получить очень простые
технические решения, но существенно меньше - в электрических машинах, главным
образом из-за низких энергетических показателей по сравнению с конкурентами из
первой группы. Лишь некоторые типы микромашин, где энергетические показатели
уступают простоте, невысокой стоимости и т. п., выполнены как варианты
синхронных реактивных машин, в которых профилированный ферромагнитный ротор
вращается синхронно с магнитным полем. Иногда, как, например, в явнополюсных
синхронных машинах, это явление сопутствует первому, выступающему как основное.
Третье явление до недавнего
времени служило лишь иллюстрацией небезынтересных возможностей построить электрическую
машину, но практического применения не находило из-за отсутствия необходимых
материалов: по энергоемкости (энергия в единице массы или объема) емкостные
преобразователи сильно уступали электромагнитным, требовались нерационально
высокие напряжения и т.д. Емкостные устройства использовались лишь в качестве
различных датчиков, информационных преобразователей и т.п.
Положение начало существенно
меняться в последние годы в связи с успехами в технологии тонких пленок. Пленки
из различных материалов толщиной в несколько микрометров позволили совсем
по-новому взглянуть на классические емкостные преобразователи. Возникло
интереснейшее новое научное направление - пленочная электромеханика. По
отношению к классическим электростатическим двигателям пленочные, созданные в
лаборатории, имеют на два порядка большую энергоемкость - 10 Дж/кг против 0,1
Дж/кг. Энергоемкость магнитных двигателей 1 Дж/кг, гидравлических и внутреннего
сгорания - 10 Дж/кг, мышц животных и человека - 500 Дж/кг (кстати, толщина
стенок клеток, из которых природа «сделала» мышцы, 0,01 мкм). Пленочные
двигатели, догнав и обогнав по этому показателю всех искусственно созданных
конкурентов, уступают лишь двигателям, созданных живой природой, и не исключено,
что очень скоро наряду с привычными массовыми электромагнитными двигателями
появятся совершенно новые - емкостные двигатели, двигатели-мышцы. Кстати, живая
природа в своем развитии пошла именно по этому пути...
Четвертое и пятое явления
также пока практически не нашли применения в массовом промышленном электроприводе.
Их уделом оставались акустические устройства, различные датчики и т. п.
Причина этого в очень малых перемещениях (хотя и при весьма значительных
усилиях), в которых просто не возникало потребности в технологии недавнего
прошлого. И здесь положение изменилось, или точнее, начало интенсивно
изменяться современное машиностроение, ряд новых технологий (волоконная
оптика, микроэлектроника и др.) потребовали субмикронных точностей, и в ответ
на эту потребность стали развиваться пока экзотические сверхточные
электроприводы с нетрадиционными пьезоэлектрическими и магнитострикционными
двигателями
Теперь, когда мы
познакомились с общими понятиями, относящимися к электроприводу, и получили
представление о возможных реализациях его «сердца» - электромеханического
преобразователя энергии, перейдем к детальному рассмотрению.
1.2 Назначение и
классификация электрических машин
Машины, использующие явления
электромагнитной индукции и предназначенные для преобразования электрической
энергии в механическую или наоборот, называются электрическими [3,4,5,6].
По назначению электрические
машины подразделяются на следующие виды:
-электрические
генераторы,
преобразующие механическую энергию в электрическую. Генераторы устанавливаются
на электрических станциях, где приводятся во вращение с помощью паровых и
гидравлических турбин. Кроме того, они широко применяются в различных
транспортных устройствах: на автомобилях, самолетах, тепловозах, кораблях,
передвижных электростанциях и др., где приводятся во вращение главным образом
от двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин, В ряде случаев генераторы
используются в качестве источников питания в установках связи, устройствах автоматики,
измерительной техники и пр.;
-электрические
двигатели,
преобразующие электрическую энергию в механическую. Электродвигатели приводят
во вращение самые различные машины, механизмы и устройства, применяемые в
промышленности, сельском хозяйстве, связи, на транспорте, в военном деле и
быту. В современных системах автоматического управления они используются в
качестве исполнительных, регулирующих и программирующих органов;
-электромашинные
преобразователи,
преобразующие переменный ток в постоянный и, наоборот, изменяющие величину
напряжения переменного и постоянного тока, частоту, число фаз и др.
Преобразователи широко используются в системе передачи и распределения
электрической энергии, в промышленности, авиации, на транспорте и в военном
деле;
-электромеханические
преобразователи сигналов, генерирующие, преобразующие и усиливающие различные сигналы. Эти
преобразователи, выполняемые обычно в виде электрических микромашин, широко
используются в системах автоматического регулирования, а также в измерительных
и счетно-решающих устройствах в качестве различных датчиков, приборов для функциональных
преобразований, дифференцирующих и интегрирующих элементов, сравнивающих и
регулирующих органов и др.
По характеру выполнения функций электрические
микромашины подразделяются на следующие основные группы:
-исполнительные
двигатели,
преобразующие подводимый к ним электрический сигнал в механическое перемещение
вала, т. е. отрабатывающие определенные команды;
-тахогенераторы, преобразующие механическое
вращение в электрический сигнал -
напряжение, пропорциональное скорости вращения;
-поворотные
трансформаторы,
дающие на выходе напряжение, пропорциональное той или другой функции угла
поворота ротора, например, синусу или косинусу этого угла или же самому углу;
-машины
синхронной связи,
осуществляющие синхронный и синфазный поворот или вращение двух механически не
связанных между собой осей;
-микродвигатели
общего применения,
служащие для привода различных маломощных механизмов: самопишущих приборов,
вентиляторов, магнитофонов, насосов и др.
Электрические машины
обладают свойством обратимости. Вращающиеся электрические машины могут
работать как в генераторном, так и в двигательном режимах и переходить из
одного режима в другой; каждый преобразователь может изменять направление
преобразуемой им энергии. Однако выпускаемые электромашиностроительными заводами
машины обычно предназначаются для какого-либо одного режима работы, например
генераторного или двигательного. При этом оказывается возможным наилучшим
образом приспособить электрическую машину к требуемым условиям работы, добиться
наиболее рационального использования материалов, уменьшить ее вес, габариты и
повысить к. п. д. В ряде случаев, однако, необходимо предусматривать работу
электрических машин как в двигательном, так и в генераторном режимах. Такие
условия имеют место, например, в электрических приводах, где генераторный режим
используется в целях торможения.
Электрические машины широко
применяются во многих отраслях промышленности. Они осуществляют преобразование
энергии, а также различных электрических и других сигналов. Достоинствами их
являются высокий к.п.д., достигающий в мощных электрических машинах 95¸99%, сравнительно малый вес
и габаритные размеры, а также хорошее использование материалов.
Электрические машины могут быть выполнены на различные
мощности (от долей ватта до сотен мегаватт) и скорости вращения, на различный
род тока, а также различные величины напряжения и
частоты. Они характеризуются высокой надежностью и долговечностью, простотой
управления и обслуживания, удобством подвода и отвода энергии, а также небольшой
стоимостью при массовом и
крупносерийном производстве.
По роду тока электрические машины делятся
на машины переменного и постоянного тока.
Машины переменного тока в
зависимости от особенностей своей электромагнитной системы подразделяются на
асинхронные, синхронные и коллекторные. К ним относят также трансформаторы -
статические электромагнитные
аппараты, у которых процесс
преобразования энергии во многом подобен вращающимся электрическим машинам.
Трансформаторы широко
применяются для преобразования напряжения в системах передачи и распределения
электрической энергии, в выпрямительных установках, а также в устройствах
автоматики, связи, радиоаппаратуре, вычислительной технике, для измерений и
функциональных преобразований (поворотные трансформаторы) и др.
Асинхронные машины
используются главным образом в качестве электрических двигателей трехфазного
тока. Они широко применяются в различных отраслях техники благодаря простоте
устройства и высокой надежности. В системах автоматического регулирования
широко используются одно- и двухфазные асинхронные двигатели, асинхронные
тахогенераторы, а также сельсины, осуществляющие синхронный поворот или
вращение нескольких, не связанных друг с другом механически осей.
Синхронные машины
применяются в качестве генераторов переменного тока и электрических двигателей.
В устройствах автоматики широко используются различные типы синхронных машин
малой мощности (реактивные, с постоянными магнитами, гистерезисные, шаговые,
индукторные и пр.).
Коллекторные машины переменного
тока применяются сравнительно редко и главным образом в качестве двигателей.
Они имеют сложную конструкцию и требуют тщательного ухода. В устройствах
автоматики, а также в различного рода электробытовых приборах широко
используются универсальные коллекторные двигатели, работающие как на
постоянном, так и на переменном токе.
Машины постоянного тока
используются в качестве генераторов, двигателей, электромашинных усилителей,
преобразователей скорости вращения в электрические сигналы (тахогенераторов) и
преобразователей напряжения. В последние годы в связи с развитием управляемых
полупроводниковых преобразователей все более широко применяются электроприводы
с двигателями постоянного тока.
Вращающиеся электромашинные
преобразователи, выполненные в виде одной или двух отдельных электрических
машин (двигателя и генератора), механически связанных друг с другом, широко
используются в системах электрического привода для питания устройств связи,
различных радиотехнических установок и др. В последнее время они вытесняются
статическими полупроводниковыми преобразователями, которые обладают рядом
преимуществ перед вращающимися машинами.
По мощности электрические
машины условно подразделяются на следующие группы:
микромашины, имеющие
мощность от долей ватта до »500 вт. Эти машины работают
как на постоянном, так и на переменном токе нормальной и повышенной (400¸500 гц) частоты;
машины малой мощности - от 0,5 до 10 квт. Они
работают как на постоянном, так и на переменном токе нормальной или повышенной
частоты;
машины средней мощности – от 10 до нескольких сотен
киловатт;
машины большой мощности – свыше нескольких сотен киловатт.
Машины большой и средней мощности обычно предназначаются для
работы на постоянном или переменном токе нормальной частоты. Кроме некоторых
специальных случаев (авиация, морской флот и др.), где иногда используются довольно мощные
машины повышенной частоты.
В
зависимости от скорости вращения машины условно подразделяются на:
тихоходные со скоростями вращения до
300 об/мин;
средней быстроходности - 300¸1500
об/мин;
быстроходные - 1500¸6000
об/мин;
сверхбыстроходные – свыше 6000 об/мин.
Микромашины строятся для скоростей
вращения от нескольких до 30000 об/мин; машины большой и средней мощности –
обычно до 3000 об/мин.
1.3 Конструктивное
выполнение электрических машин
Вращающиеся электрические
машины имеют следующие основные конструктивные элементы: магнитную систему;
обмотки статора и ротора;
коллектор (только в машинах
постоянного тока и в коллекторных машинах
переменного тока); устройство
для охлаждения, а также механические элементы, служащие для обеспечения
прочности и жесткости конструкции машины, возможности ее перемещения и
передачи вращающего момента к ротору (в генераторах) или от него (в двигателях).
Рисунок 1 - Конструктивная
схема
вращающейся электрической машины
|
Магнитная система машины состоит из статора 1 (рисунок 1) и
ротора 4, между которыми имеется воздушный зазор 3. На статоре и роторе размещены обмотки 2 и 5. В некоторых машинах
одна из обмоток (возбуждения) может отсутствовать и вместо нее могут использоваться постоянные магниты.
Охлаждение машины в большинстве случаев
осуществляется с помощью системы вентиляционных каналов в роторе, статоре и
коллекторе, через которые проходит охлаждающий воздух. Этот воздух подается
вентилятором 9, установленным на валу ротора, или внешним вентилятором.
В некоторых случаях может
быть применено охлаждение посредством какого-либо другого охлаждающего агента (воды,
керосина, водорода).
Механические элементы конструкции
включают в себя корпус (станину) 10, подшипники 6, подшипниковые щиты 7 или
другие детали для их крепления и вал ротора 8
В машинах переменного тока
корпус является только механическим элементом конструкции. Поэтому он может выполняться
как из ферромагнитных материалов (чугун, литая сталь, сварная конструкция), так
и из легких алюминиевых сплавов. В машинах же постоянного тока корпус служит
частью магнитопровода и должен выполняться обязательно из ферромагнитного
материала. Подшипниковые щиты в электрических машинах большой и средней
1-корпус; 2-пакет статора;
3-сердечник ротора; 4-вал; 5-воздушный зазор; 6- обмотка возбуждения; 7-полюс
Рисунок 2 - Статор и ротор
машины переменного (а и б) и постоянного (в) тока
мощности изготовляются из
чугуна, а в машинах малой мощности и микромашинах - из алюминиевых сплавов.
В большинстве электрических
машин переменного тока статор и ротор (рисунок 2, а и б) выполняют из
изолированных друг от друга листов электротехнической стали, собранных в общий
пакет. Пакет ротора удерживается в сжатом состоянии двумя нажимными шайбами и
под прессом насаживается на вал. Пакет статора также скрепляется двумя
нажимными шайбами и запрессовывается в корпус машины. Для предотвращения
осевого сдвига и углового перемещения пакет статора укрепляется в корпусе
шпонками, стопорными шпильками и др.
В машинах постоянного тока
(рисунок 2, в) ротор выполняют так же,
как и в машинах переменного тока. На статоре же расположены полюса с катушками,
создающими магнитный поток возбуждения. Полюса собраны из отдельных листов,
изолированных друг от друга. Часть полюса со стороны, обращенной к ротору,
выполняется более широкой и называется полюсным наконечником. Она служит для
поддержания катушки, а также для лучшего
распределения магнитного потока по поверхности ротора.
В некоторых типах синхронных
машин (в машинах с явновыраженными полюсами) на роторе расположены полюса с
цилиндрическими катушками, т. е. его конструкция подобна конструкции статора в
машинах постоянного тока.
Листы статора и ротора
изготовляют из электротехнической стали толщиной от 0,35 до 1 мм. Для
изготовления роторов машин всех типов и статоров машин переменного тока применяют
листы толщиной 0,35 и 0,5 мм; для изготовления полюсов машин постоянного тока и
синхронных машин - листы 0,5 и 1 мм. Листы изолируют относительно друг друга
специальным лаком; при изготовлении асинхронных машин малой и средней мощности
листы часто не покрывают изолирующим лаком, так как имеющаяся на их поверхности
окалина (образующаяся при прокатке листов) является достаточной изоляцией.
Листы штампуются с помощью штампов соответствующей конфигурации.
При изготовлении листов
ротора и статора одновременно с вырубкой наружного контура листа в них
штампуются пазы (рисунок 3, а и
б), в которые укладываются проводники обмотки ротора и статора, а также
вентиляционные каналы для прохода охлаждающего воздуха (в листах ротора). В
листах полюсов (рисунок 3, в) вырубаются отверстия под шпильки или же под
установочный стержень; с помощью этих деталей листы скрепляются в общий пакет.
При изготовлении микромашин в ряде
случаев корпус и полюса выполняются в виде одного общего пакета,
собранного из отдельных штампованных
листов требуемой конфигурации (рисунок 3, г).
1-лист ротора; 2-зубец;
3-паз; 4-вентиляционный канал; 5-отверстие под вал; 6-лист статора; 7-лист
полюса; 8-отверстие под шпильку; 9-отверстие под установочный стержень; 10-полюсный
наконечник;
11-лист корпуса вместе с
полюсами
Рисунок 3 - Листы ротора (а), статора (б), полюсов (в) и
корпуса
с полюсами (г)
1.4
Электрические машины постоянного тока
1.4.1 Общие положения
Электрические машины при всем их разнообразии подразделяются
на две группы:
а) генераторы -
электрические машины, с помощью которых вырабатывается электрическая энергия;
б) двигатели - электрические
машины, с помощью которых электрическая энергия преобразуется в механическую.
Принцип действия электрического
генератора основан на законе электромагнитной индукции, который формулируется
так: «При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего проводящий
контур, в этом контуре наводится электродвижущая сила (ЭДС)». Использование
этой ЭДС позволяет преобразовывать механическую энергию в электрическую.
Если магнитный поток
пересекает проводник, по которому течет электрический ток, то на этот
проводник будет действовать механическая сила, это позволяет преобразовывать
электрическую энергию в механическую. Электрическая машина, работающая на этом
принципе, является двигателем.
По виду потребляемой или
вырабатываемой электрической энергии электрические машины подразделяются на
машины постоянного и переменного тока.
1.4.2
Устройство машин постоянного
тока
Машина постоянного тока
состоит из неподвижной и вращающейся частей, называемых статором и якорем.
Статор представляет собой
станину, изготовленную из стали, поскольку помимо механического остова она
служит также сердечником. С двух сторон к станине крепятся боковые щиты с подшипниками
для опоры вала.
Главные полюса служат для создания
рабочего магнитного поля и представляют собой электромагниты, содержащие
сердечник,
катушку возбуждения и полюсный наконечник. Полюсный наконечник предназначен для удержания катушки возбуждения,
создания равномерного магнитного поля под полюсом. Сердечники полюсов могут
быть литыми или наборными в зависимости от мощности машин. Катушки всех полюсов соединяют последовательно.
Дополнительные полюса служат для улучшения
коммутации
тока и располагаются между главными полюсами. Дополнительные
полюса имеют сердечник, полюсный наконечник и катушку. Все полюса крепятся к
станине болтами. Якорь имеет цилиндрическую форму и набирается из пластин
электротехнической стали толщиной 0,35...0,5 мм. С целью снижения потерь
на вихревые токи пластины изолируются
друг от друга лаком или специальной бумагой.
Обмотка якоря состоит из секций, которые
укладываются в пазы сердечника и закрепляются специальными деревянными клиньями.
Коллектор якоря, к которому
припаиваются концы обмоток, имеет форму цилиндра, собираемого
из отдельных изолированных пластин. В генераторе коллектор выполняет роль
механического выпрямителя переменного тока. В двигателе с помощью коллектора
подводится ток к обмоткам якоря. К коллекторным пластинам прижимаются
неподвижные щетки, укрепляемые на щеточной траверсе. Траверса может
прикрепляться либо к станине, либо к боковому щиту. Применяются
угольно-графитные, графитные и меднографитные щетки, характеристики и тип их
указываются в заводской документации на машины.
Для вентиляции машин
применяются лопастные крыльчатки, укрепленные на валу машины.
1.4.3 Принцип действия
генератора и двигателя постоянного тока
Принцип действия генератора
постоянного тока рассмотрим с помощью рисунка 4. При вращении рамки 1 в
магнитном поле с потоком ФВ
в ней будет наводиться ЭДС, которая в зависимости от времени t будет
изменяться по синусоидальному закону (рисунок 5). Подсоединим к концам
рамки коллекторные пластины 2, которые при вращении рамки будут касаться двух
неподвижных щеток 3. С помощью щеток коллекторные пластины окажутся соединенными
с нагрузкой RП.
1-рамка; 2-коллекторные пластины; 3-щетки
Рисунок 4 – Простейшая модель генератора постоянного
тока
При этом возникающая в цепи
нагрузки ЭДС будет постоянной по направлению, но изменяющейся по величине
(пульсирующей) (рисунок 5, б). С помощью коллекторных пластин происходит преобразование
переменного тока в постоянный.
Для уменьшения пульсации
ЭДС (рисунок 5, в) необходимо увеличивать число рамок и коллекторных пластин.
Так, 16 пар коллекторных пластин уменьшают пульсацию до 1%.
Величина ЭДС генератора
равна
Е = Вlv, (1)
где: В - магнитная индукция;
l - длина активной части
рамки;
v - скорость перемещения
активной части рамки.
Направление ЭДС определяют
по правилу правой руки: ладонь руки нужно расположить так, чтобы линии магнитной
индукции входили в нее, а большой палец показывал направление движения
проводника. Тогда вытянутые четыре пальца покажут направление ЭДС.
Рисунок 5 - Изменение ЭДС в
рамке генератора (а), на щетках двухколлекторного генератора (б), на щетках
многоколлекторного генератора постоянного тока (в)
Чтобы перевести генератор в
режим двигателя, необходимо к обмоткам возбуждения статора и якоря подвести
электрический ток от внешнего источника. В этом случае электрическая энергия
внешнего источника будет преобразовываться в механическую энергию вращения
якоря. Протекание тока в обмотке возбуждения - IВ создает магнитный поток
полюсов, который, взаимодействуя с током рабочей обмотки якоря, создает
вращающий момент, под действием которого якорь начинает вращаться.
При работе электрической
машины в качестве двигателя силу, действующую на проводник с током I, помещенный в магнитное
поле, можно определить из выражения
F=BlI . (2)
Направление силы F
определяют по правилу левой руки: ладонь руки нужно расположить так, чтобы
магнитные силовые линии входили в нее,
четыре вытянутых пальца
показывали направление тока, тогда отогнутый
большой палец покажет
направление силы, а следовательно, и направление вращения якоря.
1.4.4 Понятие об
электромагнитном моменте и обратимости машин постоянного тока
Взаимодействие магнитного
поля полюсов и тока якоря приводит к появлению электромагнитного момента.
Электромагнитный момент генератора является тормозящим по отношению к
вращающему моменту первичного двигателя. Условием постоянства скорости
вращения якоря генератора является равенство указанных выше моментов. При
уменьшении вращающего момента первичного двигателя уменьшается частота вращения
якоря, а следовательно, будет уменьшаться э.д.с. генератора. Процесс этот
продолжается до установления равенства тормозящего момента генератора
вращающему моменту двигателя. При изменении нагрузки генератора и
необходимости сохранения частоты вращения его якоря .потребуется также
изменение вращающего момента -первичного двигателя.
В двигателях постоянного
тока, где электрическая энергия преобразуется в механическую, взаимодействие
тока в обмотке якоря с магнитным полем полюсов создает вращающий момент,
который приводит якорь во вращение. Значение вращающего момента определяется,
как и в случае генератора, конструктивными данными машины, магнитным потоком Ф
и током в обмотке якоря. Развиваемый двигателем вращающий момент уравновешивается
суммой моментов холостого хода, тормозного и динамического. Динамический
момент возникает при всяком изменении скорости вращения и зависит от инерции
вращающихся частей машины и угловой скорости вращения. В двигателях постоянного
тока может создаться такая ситуация, при которой вращающий момент остается
больше тормозного момента. В этом случае частота вращения начинает
увеличиваться, что может привести к разрушению машины. В литературе подобный
режим называют «разносом» двигателя.
Машина постоянного тока
может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Рассмотрим
пример работы генератора постоянного тока с сетью постоянного тока. В нормальных условиях генератор выдает в
сеть энергию постоянного тока. Изменяя ток обмотки возбуждения, можно получить
э.д.с. генератора, равную напряжению сети, при этом ток в обмотке якоря будет
равен нулю. Если дальше уменьшать величину тока возбуждения, то э.д.с. обмотки
якоря будет меньше напряжения сети питания и направление тока в якоре
изменится. Изменение направления тока в якоре в свою очередь изменит
направление электромагнитного момента, и он из тормозного станет вращающим.
Машина из режима генератора перейдет в режим двигателя.
1.4.5 Реакция якоря
При вращении ротора
генератора и наличии магнитного потока возбуждения в роторной обмотке
наводится ЭДС. Под воздействием этой ЭДС через коллекторные пластины, щетки и
внешнюю цепь нагрузки будет протекать электрический ток. Протекание этого тока
через обмотку ротора вызывает появление дополнительного магнитного поля с
магнитным потоком Фр, который будет взаимодействовать с основным потоком Фв
обмотки возбуждения 0В и изменять его (рисунок 6, а). Взаимодействие основного
магнитного поля с возникающим магнитным полем обмотки ротора называют реакцией
якоря (ротора). Реакция ротора искажает основное магнитное поле: на сбегающих
краях магнитных полюсов оно усиливается, а на набегающих - ослабляется
(рисунок 6, б). В результате магнитный поток ФВ будет уменьшаться,
что вызовет уменьшение наводимой в обмотке ротора ЭДС.
При изменении сопротивления
нагрузки генератора будут изменяться ток, протекающий по обмотке ротора, и создаваемый
им магнитный поток Фр. Следовательно, изменится и реакция якоря. Величина
выходного напряжения генератора
U = E - I å r, (3)
где E - ЭДС, наводимая в обмотке
ротора;
I - ток обмотки ротора;.
år –
сопротивление потерь или внутреннее сопротивление
генератора.
Рисунок 6 – К понятию реакция якоря
Внутреннее сопротивление
генератора включает в себя сопротивления щеток, обмотки ротора и переходное
сопротивление коллектор-щетки.
При изменении сопротивления
нагрузки происходит также искажение основного магнитного поля: изменяется
положение линии физической нейтрали ФН (оси симметрии магнитного поля)
относительно линии геометрической нейтрали (ГН) (рисунок 6, в). Это приводит к
ухудшению коммутации и к усилению искрения щеток. Для улучшения коммутации
вводятся дополнительные полюса, а щетки помещаются относительно геометрической
нейтрали по направлению вращения.
1.4.6 Виды машин постоянного
тока
В машинах постоянного тока
магнитное поле возбуждения может быть получено либо с помощью постоянных
магнитов, либо с помощью электромагнитов, которыми являются главные полюса.
Различают три основных типа
машин постоянного тока, отличающиеся способом подключения обмотки возбуждения к
обмотке якоря:
-двигатели и генераторы с
независимым и с параллельным возбуждением, у которых обмотка возбуждения
подключена независимо или параллельно обмотке якоря (рисунок 7, а и б);
-двигатели и генераторы последовательного возбуждения, обмотка
возбуждения которых включена последовательно с обмоткой якоря (рисунок 7, в);
-двигатели и генераторы смешанного возбуждения, у которых имеются
две обмотки возбуждения – параллельная и последовательная (рисунок 7, г).
Рисунок 7 - Схемы машин постоянного тока с независимым (а), параллельным (б), последовательным
(в) и смешанным возбуждением (г)
1.4.7 Основные характеристики машин
постоянного тока
Генераторы постоянного тока
по способу питания обмотки возбуждения разделяются на генераторы с
самовозбуждением, когда обмотка питается от обмотки якоря того же генератора, и
с независимым возбуждением. В последнем случае ее питание осуществляется от
независимого источника. В генераторах с самовозбуждением обмотки возбуждения
могут включаться параллельно или последовательно с обмоткой якоря, а также
последовательно – параллельно, т.е. смешанным образом.
Характеристика холостого
хода генератора показывает зависимость э.д.с. якоря от тока возбуждения,
снятую при постоянном числе оборотов. Для генераторов с независимым возбуждением
при постоянстве частоты вращения э.д.с. обмотки якоря прямо пропорциональна
магнитному потоку, т.е. она определяется магнитной характеристикой машины.
Примерный вид этой характеристики приведен на рисунке 8.
Учитывая, что для
генераторов параллельного и смешанного
возбуждении при холостом ходе ток якоря составляет несколько
процентов номинального тока генератора, практически их характеристика холостого
хода не будет отличаться от аналогичной характеристики генераторов с
независимым возбуждением.
Рисунок 8 -
Характеристика холостого хода генератора постоянного тока
|
Для
генератора последовательного
возбуждения
характеристика холостого
хода не
имеет смысла, так
как ток
возбуждения не отличается
от тока якоря,
а последний равен нулю.
Внешняя характеристика
показывает зависимость изменения
напряжения на
зажимах генератора от
изменения тока нагрузки
при неизменных
значениях частоты вращения
якоря и тока
возбуждения.
Рисунок 9 – Внешние
характеристики генератора постоянного тока:
а - с независимым возбуждением; б -
с параллельным возбуждением и в - с последовательным возбуждением
В генераторах независимого
возбуждения с увеличением тока нагрузки напряжение на его зажимах падает
(рисунок 9, а), что объясняется снижением э.д.с. за счет реакции якоря и
увеличением падения напряжения в его обмотке.
Внешняя характеристика
генератора с параллельным возбуждением показана на рисунке 9, б. В начальной
части она близка к характеристике, приведенной на рисунке 9, а. При дальнейшем
увеличении тока нагрузки и уменьшении напряжения снижается также ток
возбуждения. В области малых величин тока возбуждения изменения его оказывают
существенное влияние на величину выходного напряжения. Таким образом, дальнейшее
уменьшение величины сопротивления нагрузки приводит к уменьшению тока
возбуждения и выходного напряжения генератора, вследствие чего ток нагрузки
начинает падать, и в случае короткого замыкания зажимов генератора величина
тока нагрузки существенно меньше, чем при номинальном режиме.
Внешняя характеристика
генератора последовательного возбуждения приведена на рисунок 9, в.
В режиме холостого хода
э.д.с. генератора создается за счет остаточного магнитного потока. По мере
увеличения тока нагрузки увеличиваются также ток возбуждения и магнитный
поток, что приводит к росту напряжения на зажимах генератора. При достижении
насыщения стали и дальнейшем увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах
начинает уменьшаться, поскольку магнитный поток постоянен, а падение напряжения
в якоре и его реакция увеличиваются.
Внешняя характеристика
генератора смешанного возбуждения зависит от величины токов в параллельной и
последовательной обмотках возбуждения. Предельные значения величин изменения
выходного напряжения определяются графиками, показанными на рисунок 9, б и в.
Если отсутствуют специальные требования, то относительные отклонения выходного
напряжения генераторов параллельного возбуждения не превышают 20%, а
генераторов смешанного возбуждения - 5%.
Свойства
двигателей определяются в основном пусковыми, рабочими и регулировочными характеристиками.
В пусковом режиме поведение
двигателя характеризуется пусковыми токами и вращающим моментом, которые
обычно не должны превышать двукратных величин номинальных значений.
Рабочие характеристики
показывают зависимость частоты вращения п,
вращающего момента М, потребляемого
от сети тока I, и к.п.д h от внешней нагрузки P2 при номинальном значении напряжения сети.
Регулировочные характеристики определяют пределы изменения частоты вращения
якоря. Последняя прямо пропорциональна напряжению, подводимому к двигателю,
сопротивлению в цепи якоря и обратно пропорциональна магнитному потоку главных
полюсов.
Рабочие характеристики
двигателя параллельного возбуждения приведены на рисунке
10. С
увеличением полезной мощности вращающий момент увеличивается. Ход кривой
изменения вращающего момента несколько отличается от прямой линии из-за
уменьшения магнитного потока за счет реакции якоря.
К.п.д. двигателя в момент
пуска равен нулю. При увеличении нагрузки двигателя примерно до 0,3
номинальной величины к.п.д. возрастает почти прямолинейно, а затем при нагрузке
от 0,5 и более изменяется незначительно. При больших нагрузках к.п.д. несколько
уменьшается.
Ход кривой частоты вращения якоря
показывает, что при увеличении нагрузки значение п на 5...8% уменьшается от установленного значения. Указанное
снижение обусловливается увеличением падения напряжения в якоре.
Противоположное воздействие оказывает уменьшение магнитного потока главных
полюсов за счет реакции якоря.
Рабочие характеристики
двигателя последовательного возбуждения приведены на рисунке 11.
Вращающий момент двигателя
пропорционален квадрату тока нагрузки, и зависимость его изменения изображается
параболой. При больших токах нагрузки из-за насыщения стали увеличение
вращающего момента происходит практически по линейному закону.
Изменения к.п.д. описываются
кривой, которая в начальной части резко поднимается. Затем подъем кривой
к.п.д замедляется, а при больших
нагрузках кривая незначительно падает.
Данный тип двигателя нельзя
пускать при снятой нагрузке, так как в этом случае ток возбуждения весьма мал и
резко возрастает частота вращения якоря. Принимают, что минимальная нагрузка
двигателя составляет 25... 30% от номинального значения.
Рисунок 10 – Рабочие
характеристики двигателя параллельного возбуждения
|
Рисунок 11 – Рабочие
характеристики двигателя последовательного возбуждения
|
По мере роста тока нагрузки
увеличивается магнитный поток, частота
вращения
заметно снижается.
Рабочие характеристики двигателей
смешанного возбуждения зависят
от способа
включения обмотки возбуждения и занимают среднее положение
между
характеристиками двигателей параллельного
и последовательного
возбуждений.
1.5
Электрические машины переменного тока
1.5.1 Общие
положения
Электрические
машины переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. У
синхронных машин частота вращения ротора определяется выражением
, (4)
т.е. число
оборотов в минуту п и частота f в герцах
наводимой ЭДС связаны между собой прямо пропорциональной зависимостью (частота
вращения ротора и частота наводимой ЭДС синхронны); р - число пар полюсов машины. Синхронные машины наиболее часто
используются в качестве генераторов. Синхронные двигатели менее распространены,
и их используют там, где требуется постоянство частоты вращения при изменении
нагрузки, а также в качестве компенсаторов для повышения коэффициента мощности
электрических систем.
У асинхронных машин нет
синхронности между частотой вращения ротора и частотой вращения магнитного
поля. Асинхронные машины чаще используют в качестве двигателей.
1.5.2 Устройство,
принцип действия и основные характеристики
трехфазного асинхронного двигателя
1.5.2.1 Устройство.
Трехфазные асинхронные двигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым и фазным роторами. Последний иногда называют
двигателем с контактными кольцами или коллекторным.
Наибольшее
распространение получили бесколлекторные двигатели с короткозамкнутым ротором,
которые обладают лучшими эксплуатационными характеристиками и меньшей
стоимостью по сравнению с коллекторными. Основное эксплуатационное
преимущество их заключается в том, что они не имеют трущихся колец и щеток.
Двигатель состоит из
станины, к которой крепятся статор и две боковины с подшипниками для опоры вала
ротора. Статор содержит магнитопровод и обмотки, к которым подводится
напряжение питающей сети. Магнитопровод представляет собой набор кольцеобразных
пластин, изготовленных из электротехнической стали толщиной 0,35... 0,5 мм. С
целью снижения потерь от вихревых токов пластины изолируются друг от друга
окалиной, лаком или тонкой бумагой. На внутренней стороне пластины при
штамповке вырубаются пазы, в которые после сборки пластин укладываются три
обмотки, образующие трехфазную систему.
Концы обмоток выводятся
на щиток, располагаемый на станине. В зависимости от схемы переключения
обмоток можно получить соединение их либо звездой, либо треугольником. В первом
случае двигатель включают на напряжение питания 380/220 В, во втором -220/127
В.
Для лучшего
охлаждения двигателя пластины набираются в пакеты, между которыми
прокладываются пластины с радиальными ребрами. Такие же пластины
устанавливаются по обеим сторонам статора.
Ротор размещают
внутри статора и с обеих сторон закрепляют в подшипниках. Сердечник ротора
собирается из изолированных друг от друга пластин, изготовленных из
электротехнической стали. В пластинах делаются пазы, в которые после сборки
сердечника укладывается обмотка. В коллекторных двигателях обмотка может быть
выполнена по схеме трехфазной звезды с выводами ее на изолированные
коллекторные кольца, устанавливаемые на роторе. К коллекторным кольцам
прижимаются угольные или медные щетки, с помощью которых обмотку можно
нагрузить на сопротивление или замкнуть накоротко. Коллекторные двигатели
обладают лучшими пусковыми и регулировочными характеристиками и выполняются на
повышенные мощности. В бесколлекторных двигателях короткозамкнутый ротор имеет
обмотку, в виде так называемой "беличьей клетки", которая выполняется, как правило, из алюминия, залитого в пазы сердечника. При такой
обмотке все составляющие ее проводники замыкаются между собой на торцах ротора
кольцами. Для вентиляции двигателя кольца могут отливаться с лопастями.
С целью уменьшения потерь
зазор между статором и ротором двигателя должен быть минимальным. Обычно зазор
составляет 0,3... 1,5 мм. В больших двигателях величина зазора может быть
больше.
1.5.2.2 Принцип действия. В
основе принципа действия трехфазного асинхронного двигателя лежит
взаимодействие вращающегося магнитного
поля с короткозамкнутым проводником. Если по трехфазной обмотке пропустить ток,
то создается вращающееся магнитное
поле, частота вращения которого
, (5)
где f1 - частота
питающей сети;
p - число пар полюсов обмотки статора.
Вращающееся
магнитное поле статорной обмотки будет пронизывать ротор. Если на нем уложена
замкнутая обмотка, то в ней будет наводиться ЭДС и потечет ток. Направление
ЭДС можно определить по правилу правой руки. В свою очередь ток роторной
обмотки создает магнитное поле, которое будет взаимодействовать с полем
статора. В результате этого взаимодействия появляется электромагнитная сила F (рисунок 12), направление
которой определяется по правилу левой руки. Под действием силы F возникает электромагнитный момент, приводящий ротор во
вращение, направление которого совпадает с направлением вращения магнитного поля статора.
На рисунке 12
схематично показано устройство асинхронного двигателя. Частота вращения ротора
п2 во всех случаях будет
меньше частоты вращения магнитного поля статора п1. Если
предположить, что эти частоты вращения будут равны, то роторная обмотка будет
неподвижной относительно магнитного поля статора, следовательно, в ней не
будет наводиться ЭДС и не возникнет механическая сила, которая привела бы ротор
во вращение.
В то же время,
чем больше разность этих частот, тем больше наводимая ЭДС и тем больше ток в
обмотке ротора. Это приводит к увеличению электромагнитной силы F и развиваемого
двигателем момента.
Отставание частоты
вращения ротора от частоты вращения магнитного поля характеризуется так
называемой величиной скольжения S. Под
скольжением понимают разность между частотой вращения поля статора п1 и частотой вращения
ротора п2 , выраженную в
процентах от частоты вращения поля статора,
S=(n1 - n2) 100% /n1. (6)
Рисунок 12 - Простейшая модель
асинхронного двигателя
|
Рисунок 13 - Характеристики
асинхронного двигателя
|
Величина
скольжения асинхронного двигателя в зависимости от режима его работы может
изменяться от 0 до 1. Случай S
= 1 соответствует тому моменту, когда частота вращения ротора п2 равна нулю, а это имеет
место при пуске двигателя, а также в том случае, когда тормозящий момент
нагрузки больше вращающего момента. Для асинхронных двигателей всегда
указывается величина скольжения при номинальной нагрузке. Для двигателя с
мощностью от I до 1000 кВт номинальное
скольжение лежит в пределах 0,06 - 0,01. Из (6) нетрудно определить частоту
вращения асинхронного двигателя
n2 = n1 (1-s). (7)
Ввиду того что
обмотка ротора обладает индуктивностью, протекающий по ней ток имеет активную и
реактивную составляющие. Механическую силу в двигателе создает только
активная составляющая тока ротора, величина которой зависит от соотношения
между активным и индуктивным сопротивлением обмотки ротора. Индуктивное
сопротивление обмотки ротора равно ХL = 2лf2L, где L - индуктивность обмотки ротора; f2 - частота изменения наводимой в нем ЭДС.
Выше говорилось
о том, что ЭДС ротора наводится за счет наличия разности частот п1 - п2.
Подставляя эту разность в общую формулу f=pn/60, получаем частоту ЭДС ротора
. (8)
Так как частота f2 меняется с
изменением нагрузки, то с изменением нагрузки меняется и индуктивное
сопротивление XL ротора.
1.5.2.3 Основные
характеристики. Изменение частоты вращения ротора при изменений нагрузки от
режима холостого хода до номинальной величины, хотя и незначительно, но имеет
место. По этой причине этот вид двигателей называют асинхронными, в отличие
от синхронных, в которых частота вращения ротора не зависит от нагрузки и
синхронна частоте вращения поля статора. У асинхронных двигателей довольно
жесткая скоростная характеристика - зависимость числа оборотов от величины
нагрузки или полезной мощности двигателя Р, отдаваемой в нагрузку n2=f(P). Так, если
нагрузка увеличивается от нуля до номинальной, то частота вращения ротора меняется всего на 1—6%.
На рисунке 13
показаны зависимости вращающего момента М, коэффициента мощности соз j, КПД двигателя
от мощности Р. Зависимость коэффициента мощности от нагрузки довольно резко
выражена. Значение созj резко уменьшается
(до 0,2) при сбросе нагрузки. Это объясняется тем, что в режиме холостого хода
активная составляющая тока в роторе близка к нулю и ток в роторе имеет чисто
реактивный характер. По мере увеличения нагрузки начинает возрастать активная
составляющая тока, что влечет за собой увеличение коэффициента мощности. При
нагрузке, близкой к номинальному значению РН, коэффициент мощности
достигает своей максимальной величины (0,8-0,9), а при дальнейшем увеличении
нагрузки - падает. Уменьшение коэффициента мощности при увеличении нагрузки
вызвано возрастанием разности частот п1
- п2, увеличением индуктивного сопротивления ротора и,
следовательно, возрастанием индуктивной составляющей тока.
Для повышения
коэффициента мощности необходимо, чтобы нагрузка асинхронного двигателя была
номинальной или близкой к ней. Если нагрузка не превышает 50% номинальной, для
повышения коэффициента мощности целесообразно уменьшить подводимое к двигателю
напряжение. Для этой цели статорную обмотку переключают с треугольника на
звезду.
Двигатель имеет
максимальное значение КПД (рисунок 13) при мощности, несколько меньшей
номинальной.
1.5.3 Однофазный
асинхронный двигатель
Однофазный
асинхронный двигатель получил наибольшее распространение при мощностях менее
0,5 кВт. Схема включения его
Рисунок 14 –
Схема однофазного асинхронного двигателя
Рисунок 15 - Диаграмма компенсации обратновращающейся м.д.с.
|
показана
на рисунке 14, а. Он имеет однофазную (рабочую) обмотку статора 1, подобную
двум фазам трехфазной обмотки, соединенной в звезду, и короткозамкнутый ротор3.
Переменный ток I1 обмотки статора вызывает пульсирующее магнитное поле, которое не создает
пускового момента. Для создания этого момента на статоре помещена вторая
обмотка 2, вспомогательная располагаемая со сдвигом на 900
относительно рабочей. Эта обмотка присоединяется последовательно с
конденсатором к общей с рабочей обмоткой питающей сети. Ток I2 вспомогательной обмотки сдвинут по фазе на 1/4 периода
относительно тока I1.
Два тока, смещенные на 1/4 периода друг
относительно друга и протекающие в двух обмотках, сдвинутых между собой в
пространстве на электрический угол на 900, создают двухфазное
вращающее поле. Этим полем в короткозамкнутой обмотке ротора наводятся Э.Д.С. и
токи, взаимодействием которых с полем создается вращающий момент. Ротор
начинает вращаться, и пусковая (вспомогательная) обмотка 2 отключается, а ротор
продолжает вращаться в пульсирующем магнитном поле рабочей обмотки 1 как однофазный.
Объяснить это явление можно следующим
образом. Пусть две м.д.с F1 и F2, неизменные и равные
между собой (рисунок 15, а), вращаются с частотой вращения n1 в
разные стороны и за один период тока делают один оборот. В положении векторов F1
и F2 (рисунок 15, а) сумма их равна F1+ F2=2F1.
Ось суммарной м.д.с совпадает с осью этих м.д.с.
Через 1/6 периода (рисунок 15, б) м.д.с. повернутся в разные стороны на 600,
суммируются и дадут результирующую м.д.с. F=F1+F2. Через 1/4 периода (рисунок 15, в) сумма
их равна нулю и т.д. Однако ось пульсирующей м.д.с. остается неподвижной.
Отсюда следует, что две м.д.с. равной амплитуды, вращающиеся в разные стороны с
равной частотой вращения, дают суммарную м.д.с., пульсирующую с частотой тока
по неподвижной оси и достигающую положительного и отрицательного максимумов,
равных арифметической сумме двух вращающихся м.д.с.
Таким образом, если однофазный двигатель пускать, разомкнув пусковую
обмотку 2 (рисунок 14, а), то пульсирующее магнитное поле, созданное
пульсирующей м.д.с. Fп статора, можно считать состоящим из двух
разных полей, вращающихся в разные стороны с равными частотами и созданных
каждое своей м.д.с. Эти поля наводят в неподвижной обмотке ротора две э.д.с. и
два разных тока, которые создают со своими полями два разных вращающих момента,
действующих в разные стороны. Естественно, что ротор вращаться не может.
Если пусковая обмотка включена, то двухфазное
вращающееся поле создает вращающий момент, и ротор начинает вращаться, как в
трехфазном двигателе, в сторону поля с
частотой вращения п2»п1, т.е.
почти синхронно. То поле, в сторону которого вращается ротор, называют прямым
полем, а поток, сцепленный с рабочей обмоткой, - прямым потоком ФПР.
Если пусковую обмотку вращающегося двигателя отключить,
то, как уже говорилось, ротор двигателя будет продолжать вращаться. Это
происходит по следующей причине.
Прямой поток ФПР создает в роторе,
вращающемся с частотой вращения п2, э.д.с. Е2ПР
и ток I2ПР, а в результате - вращающий
момент МПР, как в трехфазном двигателе. При этом скольжение SПР=
, так как п2»п1.
Вторая м.д.с.,
вращающаяся встречно ротору, и созданный ею поток называются обратными (FОБР и ФОБР). Они вращаются по отношению к ротору с частотой вращения
, т.е при скольжении S=
. Частота Е2ОБР и IОБР, наведенных обратным потоком статора в роторе, приблизительно
равна 2f1. Поэтому реактивное сопротивление обмотки
ротора х2ОБР=2pf2L2 так
велико, что ток I2ОБР отстает от э.д.с.
Е2ОБР почти на 90°. Следовательно,
ток I2ОБР почти целиком реактивный и создает с ФОБР очень малый вращающий момент МОБР
противоположного направления. Таким образом, результирующий вращающий момент
двигателя
М = МПР - МОБР
» МПР, (9)
и двигатель
может работать.
Такое же явление наблюдается и в
трехфазном двигателе. При отключении на ходу одной фазы ротор двигателя
продолжает вращаться при нагрузке, не большей 50-55% номинальной, но пустить
неподвижный трехфазный двигатель при обрыве одной фазы нельзя.
Приведенные выше соображения дают
возможность использования трехфазного асинхронного двигателя при питании от
однофазной цепи (рисунок 14, б, в). Здесь, так же как и в случае трехфазного
двигателя, напряжение на зажимах фазы обмотки статора UФ должно оставаться неизменным при всех
схемах включения, т.е. UФ= UФ.Н. Конденсатор двигателя Ср обеспечивает это условие,
остается постоянно включенным и представляет собою рабочую емкость Ср.н. Она
может быть приближенно подсчитана по соотношениям:
Схема
рисунка 14, б – Ср » 2800IН/U;
Схема
рисунка 14, в – Ср » 4800IН/
U,
где ток - фазный, а напряжение -
линейное по паспорту.
При необходимости получить большой
пусковой момент на время пуска подключается пусковая емкость СП. Двигатель
с постоянно включенной емкостью СР.Н называется конденсаторным.
Предельной мощностью конденсаторного
двигателя следует считать мощность 1,7 кВт, так как стоимость конденсатора
уже при номинальной мощности 1 кВт примерно равна стоимости
двигателя.
Однофазный двигатель по сравнению с
трехфазным имеет худшие эксплуатационные качества, меньшие к. п. д. и cosj.
1.5.4 Однофазные
двигатели с короткозамкнутым витком на статоре.
1 – статор; 2 – обмотка статора; 3 – короткозамкнутый виток;
4 – полюсный наконечник; 5 - ротор
Рисунок 16 – Схематический разрез однофазного двигателя с
короткозамкнутым витком на
статоре (а) и векторная диаграмма его магнитных потоков (б)
|
В этом двигателе обмотка статора, присоединяемая к сети, выполняется обычно
сосредоточенной и укрепляется на явно выраженных полюсах (рисунок 16, а), листы которых штампуются
совместно со статором.
Один из
наконечников охватывается короткозамкнутым витком, который является вспомогательной
обмоткой. В двухполюсной машине
короткозамкнутые витки расположены
по диаметру, в четырехполюсной – под углом 90°. Ротор
двигателя короткозамкнутый обычного типа.
Магнитный поток
машины, создаваемый обмоткой статора, можно представить в виде суммы двух
составляющих
, (10)
где
- поток замыкающийся
через полюс, не охваченный
короткозамкнутым витком;
- поток, сцепленный
короткозамкнутым витком.
Эти составляющие потока замыкаются в разных частях
полюсного наконечника, т.е. смещены в пространстве. Кроме того, они сдвинуты по
фазе относительно намагничивающей силы F
обмотки статора на различные углы g1
и g2
(рисунок 16, б). Это объясняется тем, что каждый полюс такого двигателя можно
рассматривать в первом приближении как трансформатор, первичной обмоткой которого
является обмотка статора, а вторичной - короткозамкнутый виток. Так как поток ФП
не охватывает короткозамкнутый виток, то угол g1 будет сравнительно
небольшим (4¸9°) - примерно таким же, как угол сдвига фаз
между потоком трансформатора и намагничивающей силой первичной обмотки в
режиме холостого хода. Угол же g2 будет значительно большим
(около 45°), так как потери мощности, от которых зависит этот угол, будут
определяться не только потерями мощности в стали, но и электрическими потерями
в короткозамкнутом витке.
Ввиду того что
потоки ФП и ФК смещены в пространстве и сдвинуты по фазе
во времени на угол g2 - g1, они образуют
вращающееся магнитное поле, которое создает вращающий момент, действующий на
ротор двигателя в направлении от полюсного наконечника, охватываемого
короткозамкнутым витком, ко второму наконечнику.
Для увеличения
пускового момента рассматриваемого двигателя путем приближения его вращающегося
поля к круговому применяют различные способы:
-устанавливают
между полюсными наконечниками смежных полюсов магнитные шунты;
-увеличивают
воздушный зазор под наконечником, не охватываемым короткозамкнутым витком;
-используют два
короткозамкнутых витка на одном наконечнике с разным углом охвата и др.
Имеются также
двигатели с распределенной обмоткой, уложенной в пазах статора, и
короткозамкнутой обмоткой, смещенной относительно главной обмотки на угол 90°.
Двигатель с
короткозамкнутым витком на статоре имеет ряд существенных недостатков: низкий
соsj, низкий к.п.д. из-за больших потерь в
короткозамкнутом витке, небольшой пусковой момент и т. д. Достоинствами
двигателя являются простота конструкции и вследствие этого высокая надежность в
эксплуатации. Благодаря отсутствию зубцов на статоре шум двигателя
незначителен, и поэтому он часто употребляется в устройствах по воспроизводству
музыки и речи.
1.5.5
Устройство, принцип действия и основные характеристики трехфазных синхронных машин
1.5.5.1 Устройство.
Синхронные машины выполняются с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой
мощности выполняются с неподвижным якорем (рисунок 17, а) для удобства отвода электрической
энергии со статора. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с
мощностью, снимаемой с якоря (0,3 –
2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец
не вызывает особых затруднений. Синхронные машины небольшой мощности
выполняются как с неподвижным, так и с вращающимся якорем. Синхронная машина с
вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рисунок 17, б) называется
обращенной.
1 – якорь; 2 – обмотка якоря; 3 – полюса индуктора;
4 – обмотка возбуждения; 5 – кольца и щетки
Рисунок 17 – Конструкция синхронной машины с неподвижным (а)
и вращающимся (б) якорем
|
1
– сердечник ротора; 2 – обмотка возбуждения
Рисунок 18
- Ротор синхронной явнополюсной (а)
и
неявнополюсной (б) машины
|
В машине с
неподвижным якорем применяются две различные конструкции ротора: явнополюсная (с явновыраженными полюсами) (рисунок 18, а)
и неявнополюсная (с неявновыраженными полюсами) (рисунок 18, б). Явнополюсный
ротор обычно используется в машинах с четырьмя и большим числом полюсов.
Обмотка возбуждения выполняется в этом случае в виде цилиндрических катушек
прямоугольного сечения, которые размещаются на сердечниках полюсов и
укрепляются при помощи полюсных
наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготавливаются
из листовой стали. Двухполюсные и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при скорости вращения ротора
1500 и 3000 об/мин, изготовляются, как правило, с неявнополюсным ротором.
Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой
механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотка
возбуждения в такой машине размещается в пазах сердечника ротора, наполненного
из массивной стальной поковки, и укрепляется в них немагнитными металлическими
клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные
центробежные силы, крепятся при помощи стальных массивных бандажей. Примерно
1/3 каждого полюсного деления ротора не имеет пазов; эти части образуют так
называемые «большие зубцы», через которые входит и выходит поток возбуждения. В
синхронных двигателях с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках
размещаются стержни беличьей клетки
(рисунок 19), выполненной из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь и др.). Эта клетка служит в
качестве пусковой обмотки. Такая же беличья клетка,
состоящая из медных стержней, применяется в некоторых синхронных
генераторах; она называется успокоительной обмоткой,
или демпферной, так как
обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при некоторых режимах работы синхронной машины. В последнее время синхронные двигатели
часто выполняются без пусковой
обмотки, но с
массивными полюсами. В этих
полюсах при пуске возникают вихревые токи, которые, взаимодействуя с
вращающимся магнитным полем, создают пусковой момент. Неявнополюсные машины
также выполняются без успокоительной обмотки, роль которой выполняют вихревые
токи, замыкающиеся в массивном роторе.
1 – полюса
ротора; 2 – короткозамыкающие кольца; 3 – стержень
беличьей
клетки; 4 – полюсные наконечники
Рисунок 19 –
Размещение пусковой обмотки в синхронных двигателях
|
1.5.5.2 Принцип действия синхронного
генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Если в обмотку
возбуждения ротора подать постоянный ток и ротор вращать, то в обмотке статора
будет наводиться э.д.с., действующее значение которой равно
Е=4,44 kfWФ,
(11)
где k - обмоточный коэффициент;
f - частота получаемого тока;
W - число
последовательно соединенных витков фазы обмотки генератора;
Ф - основной магнитный поток полюсов.
Для получения
трехфазного напряжения в якоре делается три обмотки, которые по окружности
сдвинуты относительно друг друга на 120°. .Эти обмотки
соединяются между собой в звезду или треугольник. При вращении ротора в
обмотках наводятся э.д.с., сдвинутые на 120°.
Рисунок 20 - Простейшая
модель синхронной машины
|
Если
к генератору подключить внешнюю
нагрузку, то протекание переменного тока в обмотках якоря вызывает появление
вращающегося магнитного поля, частота вращения которого равна частоте вращения
ротора (4), т.е. частоты вращения магнитных полей якоря и полюсов равны между
собой. В этом случае говорят, что они вращаются синхронно, и такие генераторы
получили названия синхронных.
Частота э.д.с.
генератора равна f=np/60, где п - частота вращения ротора, мин-1,
р - число пар полюсов.
Синхронные генераторы, как и генераторы
постоянного тока, обладают свойством обратимости, поэтому каждый синхронный
генератор можно использовать как двигатель без изменения конструкции.
Представим
себе, что ротор вращается механическим двигателем и совершает строго синхронное
число оборотов (рисунок 20). Если при этом в статор включить трехфазный ток от
постороннего источника, а первичный двигатель отсоединить от генератора, то
ротор будет продолжать вращаться с неизменным числом оборотов (4). Происходить
это потому, что в момент
включения трехфазного тока в статор в нем создается вращающееся магнитное поле,
которое взаимодействует с полюсами ротора (одноименные полюсы отталкиваются, а
разноименные притягиваются) и таким
образом поддерживает неизменным
его вращение. Направление вращения поля всегда можно получить такое же, как и у ротора, если соблюдать
определенное чередование фаз в статоре
при подведении к нему
трехфазного тока. Число оборотов
поля зависит от частоты тока, а
также от количества пар полюсов, на которое выполнены ротор и обмотка статора
Рисунок
21 – Схема пуска синхронного двигателя
|
.
(12)
Эти обороты для ротора двигателя называются синхронными.
Синхронная
машина в режиме двигателя успешно заменяет асинхронные двигатели для привода
механизмов работающих при постоянной скорости, например насосов, воздуховодок и
т.д. При способности к перегрузке ММ/МН=1,8¸2,5 синхронный
двигатель обладает ценным свойством работать с cosj, равным единице.
На рисунке 21
показана схема пуска синхронного двигателя. Кроме обмотки возбуждения 1, в
полюсных наконечниках ротора
заложена короткозамкнутая обмотка 4,
как у асинхронного двигателя. Перед пуском обмотка возбуждения 1 замыкается
переключателем 2 на резистор 3. Статор 5 подключается рубильником 6 к питающей
сети, и вращающееся магнитное поле статора, наводя токи в короткозамкнутой обмотке
ротора 4, разгоняет ротор, как у асинхронного двигателя, до частоты вращения п2 » п1. Для того чтобы ротор начал вращаться с
частотой п1, т.е.
синхронно, нужно установить в обмотке 1 постоянный ток. С этой целью перекидывают
ножи переключателя 2 вниз на зажимы
возбудителя 7, и ротор автоматически входит в синхронизм, после чего двигатель
можно нагружать.
1.5.5.3 Основные
характеристики. Внешняя характеристика генератора показывает
зависимость изменения напряжения на зажимах генератора от тока его
нагрузки при постоянном токе возбуждения и постоянной частоте вращения
ротора. Внешнюю характеристику снимают путем изменения тока и характера
нагрузки, когда генератор работает в номинальных условиях. На рисунке 22
показаны усредненные зависимости напряжения от тока нагрузки при активной (1), индуктивной (2) и
емкостной (3) нагрузках.
Некоторое снижение кривой 1 в области
больших нагрузок объясняется увеличением падения напряжения в
обмотке якоря.
1 – активная нагрузка;
2 – индуктивная нагрузка; 3 – емкостная нагрузка
Рисунок 22 –
Усредненные внешние характеристики синхронного генератора
|
Рисунок 23 –
Регулировочные характеристики синхронного генератора
|
Регулировочная
характеристика определяет зависимость между током нагрузки и током возбуждения,
который следует поддерживать для получения неизменной величины выходного
напряжения генератора при постоянной частоте вращения ротора. Вид регулировочных
характеристик показан на рисунке 23. Из анализа хода кривых 1 и 2 следует, что
при активной и индуктивной нагрузках для поддержания постоянным выходного
напряжения ток возбуждения должен быть увеличен, а при емкостной (3) -
уменьшен.
Рисунок 24 – Характеристика
холостого хода
|
Характеристика холостого хода (рисунок 24) определяет
зависимость выходного напряжения генератора от тока возбуждения при снятой
нагрузке.
Начало
характеристики при отсутствии тока возбуждения зависит от величины остаточного
магнетизма генератора.
Рабочие характеристики
(рисунок 25) представляют собой зависимости тока Ia, электрической мощности P1, поступающей в обмотку
якоря, к.п.д. h и созj от отдаваемой механической
мощности Р2 при UC=const, fC=const и неизменном токе
возбуждения. Поскольку скорость вращения двигателя постоянна, зависимость n=f(P2) обычно не приводится; не
приводится также и зависимость М=f(P2), так как вращающий момент М
пропорционален P. Зависимости Ia=f(P2) и P1=f(P2 )
Рисунок 25 – Рабочие характеристики синхронного двигателя
|
имеют
характер, близкий к линейному. Ток холостого хода Ia0 определяется реактивной
составляющей и активным током, компенсирующим потери в стали и механические
потери. Мощность холостого хода P0 равна сумме возникающих при
этом режиме потерь. Кривая h=f(P2) имеет характер, общий для
всех электрических машин. Синхронные двигатели могут работать соsj=1, но обычно они рассчитываются
на работу при номинальной нагрузке с опережающим током, при этом cosj=0,9¸0,8. В этом случае
улучшается суммарный cosj сети, от которой питаются синхронные
двигатели, так как создаваемая ими опережающая реактивная составляющая тока Ia компенсирует отстающую реактивную составляющую тока асинхронных
двигателей. Зависимость cosj=f(P2) при работе машин с
перевозбуждением имеет максимум в области Р2>РНОМ. При уменьшении Р2 величина cosj уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная
мощность возрастает.
1.5.6 Однофазная синхронная машина
Однофазная
синхронная машина может работать в качестве генератора и двигателя. На статоре
машины укладывается обмотка якоря, (рисунок 26, а), занимающая примерно 2/3 его
окружности. Располагать обмотку якоря по всей окружности статора
нецелесообразно, так как при этом расход меди увеличится в 1,5 раза, а мощность
поднимается незначительно – примерно на 15%. Это объясняется тем, что по мере
увеличения числа пазов уменьшается обмоточный коэффициент, который для машины с
равномерно распределенной обмоткой якоря составляет около 0,64. Однако из-за
того что не вся окружность статора заполнена проводниками, мощность однофазной
машины примерно в 1,42% меньше мощности трехфазной машины с одинаковым
диаметром статора и при одинаковых потерях мощности в его обмотке. При
протекании однофазного тока по обмотке якоря возникают как прямое Фпр, так и
обратное Фобр магнитные
поля. Прямое поле относительно ротора неподвижно; обратное же
вращается с угловой скоростью 2w и индуктирует в обмотке
возбуждения э.д.с., частота которой в два раза больше частоты э.д.с. в обмотке
якоря.
1 – статор; 2 – ротор;
3 – обмотка статора; 4 – обмотка возбуждения
Рисунок 26 – Схематический
разрез однофазной машины (а) и векторная диаграмма н.с. и э.д.с,
создаваемых обратным полем (б)
|
Протекающий при этом
ток двойной частоты может вызвать искрение на щетках возбудителя и ряд других
нежелательных последствий. Для устранения этого явления на роторе однофазной машины обязательно размещают короткозамкнутую демпферную обмотку типа беличьей
клетки. В стержнях демпферной обмотки обратное поле индуктирует э.д.с. двойной
частоты, вследствие чего создаваемая этой обмоткой н.с. FД (намагничивающая сила) будет вращаться с той же
скоростью и в том же направлении, что и обратное поле, созданное н.с. FОБР обмотки статора. Векторная диаграмма,
иллюстрирующая взаимодействие этих н.с., приведена на рисунке 26, б. При
этом н.с. FОБР,
результирующая н.с. FРЕЗ и
создаваемый ею поток ФРЕЗ, а также э.д.с. ЕД в демпферной
обмотке и ЕВ в обмотке возбуждения
резко
уменьшаются. Таким образом, благодаря наличию демпферной обмотки обратное поле
почти полностью гасится и через обмотку возбуждения переменный ток практически
не проходит.
1.5.7 Универсальный коллекторный
двигатель
На рисунке 27
показана схема включения универсального коллекторного двигателя. Если
присоединить этот двигатель к сети постоянного тока зажимами “+”
и “-“, то он будет работать как обычный двигатель последовательного
возбуждения, о характеристиках и свойствах которого было сказано в п.1.4.
Известно, что при одновременном изменении направления тока в якоре и в
обмотке возбуждения направление вращающего момента не изменяется.
Следовательно, двигатель будет вращаться, если его подключать и к сети
переменного тока.
Рисунок 27 – Схема
универсального двигателя
|
Однако в массивных
частях магнитной цепи машины постоянного тока при питании ее переменным током
возникнут большие тепловые потери, а обмотка возбуждения для переменного тока
будет обладать большим индуктивным сопротивлением. Поэтому универсальные
двигатели выполняются со станиной и полюсами, шихтованными из листовой
электротехнической стали, как и якорь. Дополнительных полюсов они не имеют. Для
уменьшения индуктивного сопротивления при работе на переменном токе под
напряжение включается только часть обмотки возбуждения (рисунок 27).
Показатели
двигателя при работе на переменном токе несколько хуже, чем на постоянном.
1.5.8 Шаговые
двигатели
Известны электромеханические
преобразователи с ограниченным вращательным движением, например шаговые
распределители. Электрические импульсы
в таких устройствах превращаются в ограниченные углы поворота. При
прекращении импульсов эти устройства возвращаются в исходное положение. Выше были приведены примеры двигателей постоянного и переменного
тока с неограниченным вращательным движением. При подаче питания такие
двигатели вращаются до тех пор, пока их не отключат.
Рисунок 28 – Конструкция шагового двигателя
|
В практике встречаются случаи, когда желательно иметь такие
электромеханические устройства, которые совмещали бы в себе как те, так и
другие качества, т. е. при подаче одиночного импульса питания поворачивались
бы на определенный угол (шаг), а при его прекращении останавливались. При
подаче каждого последующего импульса эти устройства должны делать такой же шаг
дальше, не возвращаясь в исходное положение. Похожим образом работают шаговые
распределители с электромагнитным приводом, но, как правило, они используются
только для поворота переключателей.
В ряде
устройств, особенно в таких, где требуется превращать импульсные электрические
сигналы в неограниченные углы поворота (счетчики, цифровые следящие системы и
т.п.), с успехом применяются шаговые двигатели. Наиболее удобны шаговые
двигатели с ротором в виде постоянного магнита, так как такой ротор четко
фиксируется в любом из своих устойчивых состояний даже при выключении питания,
т. е. обладает свойством запоминания.
Схематическое
изображение такого двигателя показано на рисунке 28. Статор состоит из трех
явно выраженных полюсов с обмотками, соединенными в звезду. Питание двигателей
осуществляется по трем проводам, причем так, что к одному проводу подводится напряжение одной полярности, а к двум
другим – напряжение противоположной полярности. Порядок коммутации при вращении
ротора по часовой стрелке приведен в таблице 1
Таблица №1 – Порядок
коммутации обмоток статора
Полярность
полюса №1
|
S
|
S
|
N
|
N
|
N
|
S
|
То же №2
|
N
|
S
|
S
|
S
|
N
|
N
|
То же №3
|
N
|
N
|
N
|
S
|
S
|
S
|
Угол поворота ротора
|
0°
|
60°
|
120°
|
180°
|
240°
|
270°
|
Нетрудно заметить, что при
каждом шаге двигателя требуется изменение полярности только одного из полюсов.
Такую коммутацию нетрудно осуществить как контактным (с
помощью реле или переключателя),
так и бесконтактным способом.
При изменении порядка коммутации ротор
двигателя будет вращаться в противоположную сторону. Шаг двигателя составляет 60°. Если
сделать статор шестиполюсным, то
шаг двигателя может быть сделан
равным 30°.
При отключении питания
ротор фиксируется в своем последнем положении, так как полосы его магнита
притягиваются к явновыраженным полюсам статора. Практически используемые
шаговые двигатели развивают на валу мощность до нескольких ватт и могут делать
до 50 шагов в секунду.
1.6 Электромашинные датчики
1.6.1 Тахогенераторы
Среди электромашинных
датчиков наиболее распространенными являются тахогенераторы. Тахогенераторы
служат для получения напряжения, пропорционального скорости вращения, и
используются как электрические датчики угловой скорости. В зависимости от вида
выходного напряжения они разделяются на тахогенераторы постоянного и
переменного тока [6,7].
1.6.1.1 Тахогенераторы постоянного тока. Конструктивно
они подобны электродвигателям постоянного тока и выполняются как с
возбуждением от постоянных магнитов, так и от электромагнитов. Электродвижущая
сила тахогенератора определяется выражением
,
(13)
где
- коэффициент, зависящий от конструкции и схемы якоря;
Ф - поток возбуждения;
w - угловая скорость.
Если поток Ф создается
постоянным магнитом, т.е. является величиной постоянной, то э.д.с. Е зависит
только от скорости вращения. Если же поток создается током возбуждения, то его
можно менять, и тогда э.д.с. будет зависеть и от скорости вращения, и от тока
возбуждения. При ненасыщенной магнитной цепи поток Ф можно считать прямо
пропорциональным току возбуждения IВ, т. е.
, (14)
а - коэффициент пропорциональности.
Это позволяет
использовать тахогенератор с внешним электрическим возбуждением для умножения
двух величин, из которых одна выражена током возбуждения, а другая - скоростью
вращения.
Одним из
основных требований, предъявляемых к тахогенераторам, является требование
обеспечения точности.
Причинами погрешностей тахогенераторов
постоянного тока могут явиться:
а) в
тахогенераторе с постоянным магнитом изменение потока магнита в результате
старения магнита или влияния температуры; для обычно применяемых магнитных
сплавов увеличение температуры на +10°С вызывает уменьшение потока на 0,2-0,3%;
б) в тахогенераторе с
электромагнитами изменение сопротивления обмотки возбуждения при изменении температуры
(для уменьшения этого влияния приходится последовательно с обмоткой
возбуждения, выполненной из медного провода, включать сопротивление, не зависящее
от температуры);
в) в
тахогенераторах обоих типов при работе на нагрузку с небольшим сопротивлением
влияние тока нагрузки, вызывающее изменение напряжения на выходе
тахогенератора как вследствие падения напряжения в обмотке его якоря и щеточных
контактах, так и вследствие реакции якоря.
1.6.1.2 Тахогенераторы
переменного тока. Данные электрические микромашины разделяются на синхронные и
асинхронные.
Тахогенераторы синхронного
типа представляет собой небольшую синхронную машину с ротором в виде
постоянного магнита (рисунок 29). Выходное напряжение такого тахогенератора
имеет амплитуду и частоту,
а – схема; б –
амплитуда и частота выходного напряжения при различных скоростях вращения
(0,w1 и 2 w1)
Рисунок 29 – Тахогенератор синхронного типа
|
пропорциональные
скорости вращения. Выходное напряжение тахогенератора обычно выпрямляется
полупроводниковым выпрямителем.
Этот тахогенератор имеет два основных недостатка:
а) выходное напряжение имеет переменную частоту, что затрудняет
использование
его в обычных схемах переменного тока;
б) тахогенератор нечувствителен к изменению
направления вращения.
а – схема; б – выходное напряжение тахогенератора при различных
значениях скорости вращения; частота выходного напряжения не меняется
Рисунок 30 – Тахогенератор асинхронного типа
|
От этих недостатков свободен асинхронный тахогенератор
(рисунок 30). Конструкция асинхронного тахогенератора подобна конструкции
двухфазного двигателя с тонкостенным ротором. Обмотка возбуждения тахогенератора
питается от сети переменного тока, а в выходной обмотке наводится э.д.с.
переменного тока, имеющая частоту сети и амплитуду, пропорциональную величине
скорости. При изменении направления вращения фаза выходного напряжения меняется
на обратную.
1.6.2 Поворотные
трансформаторы
Поворотными
трансформаторами называют электрические микромашины переменного тока,
преобразующие угол поворота ротора a в напряжение, пропорциональное некоторым функциям этого угла или
самому углу. В зависимости от закона изменения напряжения на выходе машины они
подразделяются на следующие типы:
а)
синусно-косинусный трансформатор, позволяющий получать на выходе два
напряжения, одно из которых пропорционально sina, а другое - соsa;
б) линейный
поворотный трансформатор, выходное напряжение которого пропорционально
углу a;
в)
трансформатор-построитель, выходное напряжение которого связано с подаваемыми
первичными напряжениями U1 и U 2 формулой
, (15)
где С - постоянная.
Рисунок 31 -
Принципиальная схема четырехобмоточного поворотного трансформатора
|
Для получения поворотных трансформаторов различных типов может
быть использована одна и та же машина с двумя обмотками на статоре и двумя на
роторе при различных способах включения обмоток.
Поворотные
трансформаторы широко применяются в автоматических и вычислительных
устройствах, предназначенных для решения геометрических и тригонометрических
задач, связанных с выполнением различных математических операций, построением
треугольников, преобразованием координат, разложением и построением векторов
и пр. В системах автоматического регулирования они используются в качестве
измерителей рассогласования, фиксирующих отклонение системы от некоторого
заданного положения.
Поворотный
трансформатор может работать в режиме поворота ротора или в режиме вращения. В
первом случае положение ротора относительно статора задается поворотным
механизмом (исполнительным двигателем с редуктором).При работе в этом режиме
одна из обмоток статора - обмотка возбуждения В (рисунок 31) - присоединяется
к сети переменного тока, а другая - компенсационная или квадратурная обмотка К
- подключается к некоторому сопротивлению или замыкается накоротко. В
некоторых случаях обе статорные обмотки получают независимое питание переменным
током. Обмотки статора В и К могут выполняться разделенными или включаться по
мостовой схеме. Обмотки ротора S (синусная) и С
(косинусная) присоединяются к контактным кольцам.
Для уменьшения
числа контактных колец концы двух обмоток ротора присоединяются к одному общему
кольцу и через медную щетку подводятся к общему зажиму. Начала этих обмоток
выводятся через соответствующие кольца и щетки к двум другим зажимам. Применяется
также токосъем с помощью спиральных пружин, но в этом случае угол поворота
ротора ограничен в пределах 1,8¸2 оборота.
При работе
поворотного трансформатора в режиме непрерывного вращения обмотку возбуждения и
компенсационную обмотку с целью уменьшения числа скользящих контактов обычно
размещают на роторе, а синусную и косинусную - на статоре. При этом компенсационную
обмотку замыкают накоротко, а выводы обмотки возбуждения подключают к двум
контактным кольцам.
При подключении
обмотки возбуждения В к сети переменного тока в машине возникает продольный
магнитный поток Фd, пульсирующий во времени с частотой сети. При
холостом ходе в обмотках ротора S и С этот поток
будет индуктировать э.д.с. ЕS0 и ЕC0, частота которых будет равна
частоте сети f1, а действующее значение будет зависеть от положения
ротора относительно статора. При этом выходное напряжение косинусной обмотки
при холостом ходе будет определяться выражением
, (16)
где
и
- число витков и
обмоточный коэффициент обмотки ротора;
- максимальное
значение потока.
Обмотка ротора S сдвинута относительно обмотки С на угол
, следовательно, выходное напряжение в этой обмотке
. (17)
В
выражениях (16) и (17) величина ЕВ
представляет собой э.д.с., которую индуктирует поток Фd в обмотке статора "В" при коэффициенте трансформаторной связи -
между обмотками
статора и ротора. Обмотка статора К с потоком Фd
не связана, и он не индуктирует в ней э.д.с. Она используется для компенсации
поперечных потоков, создаваемых обмотками ротора при нагрузке поворотного
трансформатора. Если вместо обмотки В присоединить к сети переменного тока обмотку
К, то она создаст поперечный поток, по отношению к которому обмотка S будет
косинусной, а обмотка С - синусной. Таким образом, в обмотках ротора при
холостом ходе индуктируются э.д.с., пропорциональные синусу или косинусу угла
поворота ротора относительно соответствующего потока. Применяя различные схемы
включения обмоток статора и ротора, можно получить и другие функциональные
зависимости, а также уменьшить погрешности, вызываемые током нагрузки.
1.6.3 Индукционные машины синхронной связи (сельсины)
1.6.3.1 Назначение и принцип действия
сельсинов. Электрические машины синхронной связи служат для синхронного и
синфазного поворота или вращения двух или нескольких осей, механически не
связанных между собой. В простейшем случае синхронная передача угла (синхронная
связь) осуществляется с помощью двух одинаковых электрически соединенных между
собой индукционных машин, называемых сельсинами (от слов self sinchroniring - самосинхронизирующийся). Одна из этих машин механически
соединяется с ведущей осью и называется датчиком, а другая - с ведомой осью
(непосредственно или с помощью промежуточного исполнительного двигателя) и
называется приемником [6,7].
Сельсины имеют
две обмотки: первичную, или обмотку возбуждения, и вторичную, или обмотку
синхронизации. В зависимости от числа фаз обмотки возбуждения различают
однофазные и трехфазные сельсины; обмотка синхронизации в обоих типах сельсинов
обычно выполняется по типу трехфазной. В системах автоматики преимущественно
применяются однофазные сельсины.
Однофазные
сельсины могут быть выполнены контактными и бесконтактными. В контактных
сельсинах одна из обмоток расположена на статоре, а другая - на роторе. Принцип
действия сельсина не зависит от места расположения каждой из обмоток. Однако
чаще всего применяют сельсины, у которых обмотка возбуждения расположена на
роторе, а обмотка синхронизации - на статоре. Такие сельсины более надежды в
работе и имеют большую точность.
Однофазный
сельсин представляет собой синхронную машину, в которой обмотка возбуждения
создает пульсирующий магнитный поток. Этот поток индуктирует в трех фазах
обмотки синхронизации э.д.с., величина которых зависит от угла поворота ротора
. При повороте ротора взаимоиндуктивность между обмоткой
возбуждения и каждой из фаз обмотки синхронизации плавно изменяется по закону
косинуса, вследствие чего э.д.с., индуктируемая в этих фазах, пропорциональна
соз
. Следует отметить, что э.д.с., индуктированные во всех трех
фазах обмотки синхронизации, имеют одну и ту же временную фазу, поэтому более
правильно было бы назвать их не фазами, а лучами. Однако более распространенный термин «фаза».
Различают два
основных режима работы сельсинов; индикаторный и трансформаторный.
1.6.3.2 Индикаторный режим
работы. Применяют его в том случае, когда к ведомой оси приложен весьма малый
момент сопротивления (когда ось нагружена стрелкой или шкалой). При работе
системы поворот ротора сельсина-датчика на некоторый угол приводит к появлению
в обмотках синхронизации обоих сельсинов электрического тока и к возникновению
в сельсине-приемнике синхронизирующего момента, под действием которого его
ротор стремится повернуться на такой же угол
П. Синхронизирующий момент создается при наличии
между роторами обоих сельсинов некоторого пространственного угла
=
Д -
П, называемого углом рассогласования. В идеальном
случае синхронизирующий момент стремится повернуть ротор приемника в точно
такое же (синхронное) положение, какое занимает ротор датчика, т.е. точно отработать
заданный угол
Д. Но практически из-за наличия трения и механической
нагрузки на валу приемника между осями датчика и приемника всегда имеет место
некоторый угол рассогласования, характеризующий степень точности синхронной
передачи угла. Как уже выше отмечалось, в индикаторном режиме на валу сельсина-приемника имеется незначительный момент сопротивления,
поэтому для поворота ротора приемника вслед за поворотом ротора датчика
требуется небольшой вращающий момент, который может быть получен от
самого сельсина-приемника без дополнительных усилительных устройств.
При работе сельсинов в рассматриваемом режиме обмотки возбуждения В
сельсина-датчика СД и сельсина-приемника СП включены в общую сеть
переменного тока (рисунок 32), а
обмотки синхронизации соединены между собой линией связи ЛС. Пульсирующие
магнитные потоки, создаваемые обмотками возбуждения датчика и приемника,
индуктируют в трех фазах обмоток синхронизации э.д.с. Если между ротором
датчика и приемника имеется некоторый угол рассогласования Ф, то по обмоткам
синхронизации будут
Рисунок 32 - Схема включения сельсинов при работе их в
индикаторном режиме
|
протекать токи, которые, взаимодействуя с потоком возбуждения,
создают в датчике и приемнике синхронизирующие моменты. Эти моменты имеют
противоположные направления и стремятся свести к нулю угол рассогласования.
Обычно ротор датчика
заторможен, поэтому его синхронизирующий момент воспринимается механизмом,
поворачивающим ведущую ось 01; синхронизирующий же момент приемника
поворачивает его ротор в ту же сторону и на тот же угол, на который
поворачивается ротор датчика.
1.6.3.3 Трансформаторный режим работы. Применяется тогда, когда к
ведомой оси приложен значительный момент сопротивления, т.е. когда приходится
поворачивать какой-либо механизм. В этом случае сельсин-приемник отрабатывает
заданный угол не самостоятельно, а с помощью электрически и механически
связанного с ним исполнительного двигателя. При работе системы синхронной
передачи угла рассогласование положений роторов датчика и приемника приводит к
появлению на зажимах обмотки возбуждения приемника выходного напряжения,
которое подается на обмотку управления исполнительного двигателя. В результате
двигатель поворачивает ведомую
ось; в идеальном случае он
поворачивает ее до ликвидации рассогласования.
При работе
сельсинов в трансформаторном режиме обмотка возбуждения сельсина-датчика СД
(рисунок 33), механически связанного с ведущей осью О1, подключается
к сети однофазного тока, а обмотка возбуждения сельсина-приемника СП - к
усилителю У, подающему питание на обмотку управления исполнительного двигателя
ИД. Обмотки синхронизации обоих сельсинов соединяются между собой линией связи
ЛС.
Рисунок 33 - Схема
включения сельсинов при работе их в трансформаторном режиме
|
Переменный ток, проходящий по обмотке возбуждения
сельсина-датчика, создает в нем пульсирующий магнитный поток, который индуктирует
э.д.с. в трех фазах обмотки синхронизации. Так как обмотки синхронизации
датчика и приемника соединены между собой линией связи, то по ним будет
протекать ток, вследствие чего в сельсине-приемнике создается свой
пульсирующий магнитный поток. Направление оси этого потока зависит от углового
положения ротора.
Если при этом в
сельсине-приемнике возникает продольная составляющая потока, то она
индуктирует в его обмотке возбуждения некоторую э.д.с., т.е. на зажимах этой
обмотки возникает некоторое выходное напряжение. Это напряжение подается через
усилитель на обмотку управления исполнительного двигателя, который
поворачивает ведомую ось 02 совместно с ротором сельсина-приемника.
Когда ось магнитного потока, создаваемого ротором сельсина-приемника, будет
перпендикулярна к оси обмотки возбуждения, выходное напряжение станет равным
нулю и вращение ведомой оси
прекратится.
Таким образом,
для работы рассмотренной системы необходимо, чтобы ток в роторе
сельсина-приемника создавал продольную составляющую магнитного потока. В
согласованном положении роторов продольная составляющая потока должна
отсутствовать.
Сельсины могут
работать в режиме поворота и в режиме вращения. В первом случае угол
рассогласования между осями датчика и приемника после отработки заданного угла
поворота характеризует статическую ошибку системы синхронной связи. Во втором
случае ротор приемника вращается с той же скоростью, что и ротор датчика, а возникающий
между ними в процессе вращения угол рассогласования характеризует динамическую
точность системы.
1.6.3.4
Устройство сельсинов. Это электрическая машина небольших
размеров, схожая по конструкции и схеме с трехфазным синхронным генератором.
1 - статор; 2 -- ротор; 3 - обмотка ротора; контактные кольца;
Рисунок 34 - Конструкция сельсина
|
Типовая конструкция
сельсина показана на рисунке 34. Статор и ротор для уменьшения потерь набраны
из тонкой листовой электротехнической стали. Статор имеет равномерно
распределенные пазы, в которые укладывается трехфазная обмотка. Ротор имеет
явновыраженные полюсы, на которые наложена обмотка возбуждения и контактные
кольца, через которые подводится питание. Встречаются также конструкции, в
которых ротор выполнен с неявно выраженными полюсами.
1 -
обмотка возбуждения; 2 - обмотка синхронизации; 3 - пакет ротора;
4 -
немагнитный промежуток; 5 - тороиды; 6 - пакет статора; 7 - внешний
магнитопровод; 8 - корпус; 9 -
пазы статора
Рисунок 35 -
Устройство бесконтактного сельсина
|
Один
сельсин-датчик может работать на несколько сельсин - приемников, статорные
обмотки которых соединены по группам в параллель, а роторные обмотки подключены
к сети. Вследствие обратимости сельсинной передачи может наблюдаться влияние
приемников друг на друга. Так, например, если ротор одного из приемников
вследствие механического повреждения не сможет вращаться («заклинит»), то
показания других приемников будут искажены. При работе на несколько приемников
датчик иногда делают более мощным и больших габаритов, чем сельсин-приемники. Большим недостатком
контактных сельсинов является наличие в них скользящих контактов, переходное
сопротивление которых может изменяться. Это снижает надежность работы систем
синхронной связи и приводит к увеличению их погрешностей. В настоящее время
широко применяются бесконтактные сельсины с однофазной обмоткой возбуждения и
трехфазной обмоткой синхронизации, расположенными на статоре, вследствие чего
отпадает необходимость в скользящих контактах. Ротор бесконтактного сельсина
(рисунок 35) имеет два стальных пакета, разделенных косым промежутком из
немагнитного материала. Пакеты ротора собраны из стальных листов, размещенных в
плоскости, параллельной оси вала. На статоре расположены стальной пакет с распределенной
обмоткой синхронизации, два боковых кольца (тороиды), две тороидальных катушки
обмотки возбуждения и внешний магнитопровод. Стальной пакет, в котором
размещается обмотка синхронизации, и тороиды собраны из листов, расположенных
перпендикулярно оси вала, а внешний
магнитопровод - из листов,
расположенных параллельно оси вала.
Следовательно, во всех элементах магнитной системы сельсина плоскость листов
параллельна направлению силовых магнитных линий. Тороидальные катушки обмотки
возбуждения должны быть включены так, чтобы направление тока в них в любой
момент времени было согласованным.
Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения,
замыкается в каждом элементе магнитной системы сельсина по пути, показанному на
рисунке 35 пунктирными стрелками. Из
одного пакета ротора он проходит через небольшой воздушный зазор в статор, а
затем по статору переходит во второй пакет ротора, охватывая проводники
обмотки синхронизации. Непосредственному переходу потока из одного пакета ротора
в другой препятствует широкая немагнитная щель. Из второго пакета ротора поток
через тороиды и внешний магнитопровод переходит в первый пакет. При повороте
ротора изменяется расположение оси потока относительно обмоток синхронизации,
поэтому э.д.с., индуктируемая в фазах обмотки
синхронизации, будет зависеть от угла поворота ротора, так же как и в
контактных сельсинах, вследствие чего принцип действия этих видов сельсинов
будет одинаковым.
Недостатком бесконтактных сельсинов является худшее использование
материалов, чем в контактных сельсинах, из-за больших потоков рассеяния и
увеличенного тока холостого хода. При одинаковом удельном синхронизирующем
моменте вес бесконтактного сельсина примерно в 1,5 раза больше, чем
контактного.
2 Механические
характеристики электродвигателей
2.1 Основные положения
Любой механизм, приводимый в движение электрическим двигателем, может
работать производительно и экономично только в том случае, если свойства
двигателя удовлетворяют требованиям
механизма. Одним из критериев для оценки свойств двигателя служит его
механическая характеристика, которая представляет зависимость между скоростью вращения
w и моментом М, развиваемым
на валу двигателя.
Кроме
механической характеристики, часто используется электромеханическая или иначе
скоростная характеристика - зависимость
между скоростью вращения w и током двигателя I [1,3].
Все
характеристики разделяются на естественные и искусственные. Естественной называют характеристику двигателя при номинальных
параметрах питающей сети, нормальной схеме включения и отсутствии добавочных
сопротивлений в цепях двигателя. Все прочие характеристики двигателя,
полученные при несоблюдении хотя бы одного
из этих условий, называют искусственными.
Характеристики
выражают аналитически в виде формул или графически. Одним из критериев для
сравнения механических характеристик является их жесткость, оцениваемая коэффициентом жесткости
. (18)
В соответствии с
этим критерием характеристики электрических двигателей делятся на абсолютно
жесткие (b=¥), жесткие (b»40-10%) и мягкие
(b»10% и менее).
Абсолютно жесткую характеристику имеет синхронный двигатель, скорость
которого при изменении нагрузки остается постоянной.
Жесткие
характеристики имеют двигатели постоянного тока параллельного возбуждения и двигатели смешанного возбуждения при
больших нагрузках на валу, а также асинхронные двигатели (линейная часть
характеристики).
Мягкой характеристикой
обладают двигатели постоянного тока последовательного возбуждения и двигатели
смешанного возбуждения при малых нагрузках на валу.
Характерными точками большинства механических характеристик являются: точка идеального
холостого хода, точка номинального
режима работы, точка короткого замыкания (рисунок 36).
При идеальном холостом ходе отсутствует момент на валу двигателя (М=0).
Скорость вращения двигателя в этом случае называется скоростью идеального
холостого хода (w0). Точка
номинального режима характеризует номинальные значения момента (МН)
и скорости (wН).
Рисунок 36 -
Механическая характеристика асинхронного двигателя и ее характерные точки
|
Разность
между скоростью w0 и текущим значением
скорости, соответствующим определенной нагрузке, называется падением скорости (Dw). Для М=МН, DwН=w0-wН. Отношение Dw к скорости w0 называется "скольжением"
(s)
. (19)
Величина скольжения при номинальном моменте sН также может
служить критерием для оценки жесткости характеристик.
В точке
короткого замыкания скорость двигателя равна нулю. Момент на валу двигателя,
соответствующий этой скорости, называется моментом короткого замыкания (МКЗ).
Иногда момент МКЗ называют также пусковым моментом.
Часто параметры
двигателя выражают в относительных единицах, именуемых долевыми единицами.
Для получения какой-либо
величины в относительных единицах необходимо ее абсолютное значение разделить на
величину, принятую условно за базисную. В качестве базисных
величин обычно принимают: UH - номинальное
напряжение; IH - номинальный
ток; МH - номинальный
момент; RH - номинальное
сопротивление, равное частному от деления номинального напряжения на номинальный ток двигателя; wH - номинальную скорость вращения.
Для синхронных и
асинхронных двигателей, а также для двигателей постоянного тока параллельного
возбуждения за базисную скорость принимают скорость идеального холостого хода w0.
Параметры
двигателя, выраженные в относительных единицах, обозначают следующим образом:
и т.д.
Использование
относительных единиц во многих случаях значительно упрощает расчеты.
2.2 Механические
характеристики электродвигателей постоянного тока параллельного возбуждения
2.2.1 Уравнения
характеристик
В большинстве
случаев двигатель постоянного тока параллельного возбуждения включается по
схеме, приведенной на рисунке 37. Для этой схемы можно составить следующее
уравнение равновесия напряжений якорной
цепи в установившемся режиме
U=E+IR, (20)
где U - напряжение сети;
Е -
электродвижущая сила (э.д.с) двигателя;
I - ток якорной цепи;
R =RЯ+RР - суммарное
сопротивление якорной цепи;
RЯ - сопротивление обмоток якоря и щеточного контакта;
RP
- добавочное
внешнее сопротивление в цепи якоря.
Э.д.с. двигателя определяется выражением
, (21)
где
- конструктивная
постоянная двигателя;
Ф - магнитный поток одного полюса;
w - скорость вращения, 1/с;
р - число пар полюсов;
N - число активных проводников якоря;
а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря.
Подставляя значения Е из (21) в (20), получим выражение скоростной
характеристики двигателя
(22)
При постоянстве магнитного потока Ф уравнение (22) может быть приведено к
виду
, (23)
где
- скорость идеального
холостого хода (при I=0), равная
, (24)
- падение скорости при данном токе и сопротивлении якорной
цепи.
Как видно из уравнения
(23), скоростная характеристика двигателя представляет собой прямую линию,
наклон которой к оси абсцисс определяется коэффициентом
.
Чтобы получить
уравнение механической характеристики, воспользуемся известной зависимостью
между электромагнитным моментом и током якоря двигателя
Рисунок 37 - Схема
включения двигателя параллельного возбуждения
|
I, (25)
где М - электромагнитный
момент двигателя.
Момент
на валу двигателя отличается от электромагнитного момента из-за потерь в стали
и механических потерь. В расчетах механических характеристик электродвигателей
эти потери не учитываются, и электромагнитный момент принимается равным моменту
на валу электродвигателя.
Подставляя
значения тока из (25) в (22), будем иметь
. (26)
Рисунок 38 –
Механическая и скоростная характеристика двигателя параллельного
возбуждения
|
В другой форме записи
, (27)
где
- падение скорости
при данном моменте нагрузки и сопротивлении якорной цепи.
Согласно
выражению (27) механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения
представляет собой прямую линию. При выборе соответствующих масштабов
для тока и момента можно совместить в одной системе координат
как скоростную, так и механическую характеристики (рисунок 38).
2.2.2 Влияние напряжения
сети, сопротивления якорной цепи и магнитного потока на характеристики
двигателя.
Из выражений (22), (24) и
(26) следует, что при изменении напряжения,
приложенного к якорной цепи
двигателя, пропорционально меняется скорость идеального холостого хода. Наклон
характеристик остается постоянным, следовательно, характеристики двигателя при
различных напряжениях параллельны. Семейство таких характеристик показано на
рисунке 39.
Рисунок 39 – Характеристики двигателя
параллельного возбуждения при различных напряжениях якорной цепи.
|
Изменение
магнитного потока двигателя осуществляется введением сопротивления в цепь
обмотки возбуждения (рисунок 37). При
уменьшении магнитного потока Ф скорость идеального холостого хода
увеличивается
. Ток короткого замыкания двигателя IК.З, под которым
подразумевается ток якоря при w= 0, согласно выражению (22)
равен
, (28)
т.е. величина IК.З не зависит от величины
магнитного потока. Таким образом линейные скоростные характеристики двигателя
при различных потоках пересекаются в одной точке на оси абсцисс (w=0, I=IК.З) и имеют вид,
представленный на рисунке 40.
Момент короткого замыкания двигателя в соответствии с (25) равен
IК.З (29)
Рисунок 40 -
Скоростные характеристики двигателя
параллельного возбуждения при
различных значениях магнитного
потока
|
Рисунок 41 –
Механические характеристики двигателя
параллельного возбуждения при
различных значениях магнитного
потока
|
При уменьшении потока
момент короткого замыкания МК.З уменьшается. Семейство механических
характеристик при разных потоках показано на рисунке 41.
Из механических
характеристик (рисунок 41) видно, что ослабление магнитного потока двигателя
приводит к увеличению скорости вращения
только в области малых нагрузок. При чрезмерном ослаблении магнитного потока
или при обрыве цепи обмотки возбуждения
скорость вращения двигателя
увеличивается до недопустимых значений ("разнос двигателя"), что
может привести к серьезной аварии. В то же время ослабление магнитного потока при большой нагрузке двигателя
вызывает не увеличение, а уменьшение скорости вращения (рисунок 41). Это явление
объясняется следующим образом.
Ослабление потока при неизменной
нагрузке в соответствии с
формулой (25) вызывает
рост тока якоря. В связи со
сказанным величина
в правой части
равенства (27) при ослаблении потока растет быстрее величины
. При малых нагрузках (токах) абсолютный прирост Dw остается меньше абсолютного
прироста w0 и скорость двигателя w=w0 - Dw возрастает. При больших
нагрузках картина обратная.
Падение скорости Dw при постоянном значении
тока или момента и при неизменном магнитном потоке Ф пропорционально
сопротивлению якорной цепи. В то же время скорость w0 не зависит от величины
этого сопротивления. Таким образом, все характеристики, полученные при
изменении величины
Рисунок 42 – Скоростные
и механические характеристики двигателя параллельного возбуждения при
различных сопротивлениях в цепи якоря
|
внешнего
добавочного сопротивления в цепи якоря (реостатные характеристики),
пересекаются с осью ординат в одной точке
(w=w0, М=0,). Жесткость их
уменьшается пропорционально увеличению сопротивления. Семейство реостатных
характеристик показано на рисунке 42. Введение добавочного сопротивления в
якорную цепь используется для регулирования скорости вращения двигателя и
ограничения пусковых токов и моментов.
2.2.3 Генераторные режимы
работы
В приводах, работающих с
частыми пусками и остановками, высокая производительность может быть достигнута
не только за счет интенсивного пуска, но также и за счет быстрого торможения.
Весьма целесообразным является осуществление
электрического торможения с помощью двигателя. Это упрощает и удешевляет
электропривод в целом.
Как и всякая электрическая
машина, двигатель параллельного возбуждения обладает свойством обратимости,
т.е. может работать в генераторных режимах, создавая тормозной момент на своем
валу. Различают следующие
генераторные тормозные режимы двигателя параллельного возбуждения:
а) рекуперативное торможение
с отдачей энергии в сеть;
б) динамическое торможение;
в) торможение
противовключением.
2.2.3.1 Рекуперативное
торможение. Этот режим возникает во всех случаях, когда скорость вращения
двигателя w выше скорости идеального
холостого хода w0.
При этом Е-kФw>U=kФw0, т.е. э.д.с. двигателя становится
больше приложенного напряжения, а ток меняет свое направление. Последнее
очевидно из выражения
. (30)
Отрицательное значение токов
свидетельствует о том, что двигатель работает генератором параллельно с
питающей сетью, создавая при этом тормозной момент на своем валу.
Поскольку режим рекуперации
возникает без изменения схемы включения двигателя, остаются справедливыми
уравнения скоростной и механической характеристик (22) и (26), то есть характеристики
в режиме рекуперации являются продолжением характеристик двигательного режима в
область второго квадранта (рисунок 43).
Рекуперативное торможение
очень экономично, поскольку энергия, поступающая на вал двигателя, за вычетом
потерь отдается в сеть. Возможна регулировка величины тормозного момента при w=const (рисунок
43) или скорости вращения при МТ=const путем изменения сопротивления в цепи якоря. Вместе с тем
применение этого режима работы ограничено из-за необходимости выполнения
условия w>w0.
Рисунок 43 - Характеристики двигателя параллельного возбуждения при
генераторном режиме работы с рекуперацией энергии в сеть
|
Рисунок 44 - Схема включения двигателя параллельного возбуждения при
динамическом торможении
|
Практически
режим рекуперативного торможения может иметь место при спуске тяжелого груза,
если двигатель включить в направлении спуска. В
этом случае до скорости w>w0 система разгоняется под действием суммарного момента, создаваемого
двигателем и грузом. В дальнейшем знак момента двигателя меняется, и разгон
осуществляется под действием момента, создаваемого грузом, за вычетом момента
двигателя. При некоторой скорости w>w0 наступит равновесие
моментов, и груз будет опускаться уже с постоянной скоростью.
Режим рекуперации
кратковременно может возникнуть также
и при резком уменьшении напряжения на якоре или усилении магнитного потока
двигателя. При этом в силу инерции скорость двигателя в первый момент останется
прежней. Для новой характеристики, соответствующей меньшему значению Uя или
большей величине Ф, эта скорость может оказаться больше, чем скорость
идеального холостого хода, т.е. будет иметь место выполнение условия получения
режима рекуперации (w>w0).
2.2.3.2
Динамическое торможение. Этот режим будет в том случае, когда якорь
вращающегося двигателя отключается от сети и замыкается на сопротивление
(рисунок 44). Обмотка возбуждения при этом остается включенной в сеть.
При
динамическом торможении двигатель преобразует кинетическую энергию
электрифицированного агрегата, т.е. механическую энергию, поступающую на вал, в
электрическую. Однако это энергия не отдается в сеть, как в режиме рекуперации,
а выделяется в виде тепла в сопротивлениях якорной цепи.
Так
как после включения двигателя по схеме динамического торможения направление
вращения и направление магнитного потока не меняются, то э.д.с. машины в этом
режиме сохраняет тот же знак, что и в двигательном режиме. Следовательно, на
основании (22) при U=0
можно записать
.
(31)
Отсюда
. (32)
Подставляя
в (31) значение тока из (25), найдем
. (33)
Рисунок 45 -
Характеристики двигателя
параллельного возбуждения при
динамическом торможении
|
Рисунок 46 –
Характеристики двигателя
параллельного возбуж-
дения в режиме противовключения
|
Полученные
равенства (31) и (33) представляют собой уравнения скоростной и механической
характеристик двигателя в режиме динамического торможения. При Ф = сonst эти
характеристики прямолинейны и проходят через начало координат во втором и
четвертом квадрантах (рисунок 45). Наклон характеристик определяется
сопротивлением R.
Динамическое торможение применяется для
быстрой остановки привода или для создания тормозного момента при определенной
скорости вращения (например, при спуске груза). В обоих случаях изменением
величины сопротивления R можно регулировать либо
величину момента при одной и той же
скорости, либо величину скорости при постоянном тормозном моменте (рисунок 45).
2.2.3.3 Торможение
противовключением. Это такой режим работы, когда двигатель включен для вращения
в одном направлении, а сила инерции или внешний момент вращают его якорь в
противоположном направлении.
Получение режима
противовключения можно представить следующим образом. Пусть двигатель подъемной
установки, работая на реостатной характеристике в двигательном режиме,
поднимает груз, создающий момент сопротивления МС1. Согласно характеристике
(рисунок 46) этому моменту сопротивления соответствует скорость w1. Ток якоря в этом случае
определяется по обычному для двигательного режима выражению
. (34)
При увеличении нагрузки
скорость двигателя в соответствии с характеристикой будет уменьшаться. Когда
момент сопротивления достигнет величины Мк.з, двигатель остановится. Дальнейшее
увеличение нагрузки приведет к изменению направления вращения. Груз будет
опускаться, хотя двигатель включен для его подъема. Это и будет режим
противовключения. Скорость опускания груза зависит от нагрузки и величины
сопротивления якорной цепи. Для показанной на рисунке 46 реостатной характеристики
моменту, равному МС2, соответствует установившаяся скорость - w2.
В реальных условиях режим
противовключения двигателя для подъемной установки получают не увеличением
груза, а увеличением сопротивления якорной цепи.
Изменение знака скорости в
режиме противовключения приводит к изменению знака э.д.с. двигателя, так как
направление магнитного потока осталось неизменным. В этом случае формула (34)
запишется следующим образом
.
(35)
Ее можно преобразовать к
виду
, (36)
или
, (37)
где DР - потери в якорной цепи;
РЭ - электрическая мощность, подводимая из сети;
РМ -
механическая мощность, подводимая с
вала двигателя и преобразуемая в
электрическую.
Таким образом, в режиме
противовключения двигатель работает генератором последовательно с сетью. Энергия, забираемая из сети, и
энергия, подводимая со стороны механизма, рассеиваются в виде тепла в
сопротивлениях якорной цепи. С
энергетической точки зрения этот режим крайне неэкономичен.
Режим противовключения можно получить и при быстром
переключении вращающегося двигателя
на противоположное направление вращения с одновременным
увеличением сопротивления якорной цепи.
При этом двигатель, работавший до переключения с нагрузкой и
скоростью, соответствующими точке А (рисунок 46), в первый момент из-за
механической инерции не изменит направления и величины скорости. Однако
направление тока якоря, а значит и момента двигателя, меняет знак. Следовательно, будет иметь место тормозной
режим противовключения. На рисунке 46 ему соответствует точка В на
характеристике, проходящей через второй и третий квадранты. Под действием тормозного
момента скорость двигателя уменьшается до нулевого значения. При скорости,
равной нулю (точка С), двигатель в случае торможения должен быть отключен от
сети. В противном случае начнется разгон его в обратном направлении до
скорости, определяемой нагрузкой и жесткостью характеристики.
На участке характеристики от
точки В до точки С, соответствующем режиму противовключения, величина тока
определяется выражением
, (38)
т.е. суммой приложенного
напряжения и э.д.с. двигателя. В связи с этим для уменьшения броска тока до
допустимой величины в якорную цепь двигателя должно быть введено достаточно
большое сопротивление.
Рассмотренный режим
целесообразно применять для реверсивных приводов, где быстрое торможение и
пуск двигателя в обратном направлении необходимы по технологическим условиям.
2.3 Механические
характеристики электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения
2.3.1 Уравнения характеристик
Рисунок 47 - Схема включения двигателя последовательного возбуждения.
|
Схема включени
двигателя последовательного возбуждения
показана на рисунке 47. На
основании справедливых и в
этом случае соотношений (20),
(21), (25) получаются следующие выражения для скоростной и механической
характеристик двигателя, аналогичные уравнениям (22) и (26)
; (39)
, (40)
где R=RЯ+Rв+RР - суммарное сопротивление
якорной цепи;
RВ - сопротивление обмотки
возбуждения двигателя.
Рисунок 48 - Кривая намагничивания двигателя последовательного
возбуждения
|
Однако сами
характеристики будут отличны от характеристик двигателя параллельного
возбуждения, так как у двигателя последовательного возбуждения магнитный поток
Ф является переменной, определяемой
током якоря I.
Зависимость Ф = f(I), приведенная на рисунке
48, является
нелинейной и не имеет простого и точного аналитического выражения. В связи с
этим равенства (39) и (40) неудобны для расчета и построения характеристик двигателя.
Чтобы выяснить вид
характеристик, будем считать, что поток двигателя пропорционален току якоря,
т.е. Ф = КI, где К - коэффициент
пропорциональности. Это допущение справедливо при малых токах, когда магнитная
цепь машины не насыщена. При данном условии равенство (39) запишется так
. (41)
Согласно уравнению (41)
зависимость w=f(I) при
малых токах выражается
уравнением гиперболы. При больших значениях тока, когда наступает насыщение
магнитной цепи машины, поток можно принять постоянным. В этом случае
зависимость w=f(I) является линейной. С
учетом полученных выводов скоростную характеристику двигателя
последовательного возбуждения можно представить в виде кривой, показанной на
рисунке 49.
Рисунок 49 - Зависимость момента и скорости вращения от тока якоря
двигателя последовательного возбуждения
|
Рисунок 50 - Механические характеристики двигателя последовательного
возбуждения при различных сопротивлениях в цепи якоря
|
Зависимость момента
двигателя от тока якоря также не имеет точного аналитического выражения. Если
принять, что при малых токах Ф = KI, то момент и ток связаны соотношением
.
(42)
При больших токах, когда
машина насыщена и можно считать поток постоянным,
. Зависимость M=f1(I) также показана на рисунке
49.
Имея зависимости w=f(I) и M=f1(I), нетрудно
получить зависимость w=f2(I),
т.е. механическую характеристику
двигателя. Она имеет вид, подобный скоростной
характеристике.
Особенностью механических
характеристик двигателей последовательного возбуждения является резкое
увеличение скорости при нагрузках, близких к нулю, что объясняется сильным
уменьшением магнитного потока. Поэтому двигатели последовательного возбуждения
нельзя применять в тех случаях, когда, нагрузка их может быть ниже 15-20% от
номинальной.
Двигатели последовательного
возбуждения имеют такую же кратность допустимого тока, что и двигатели
параллельного возбуждения, т.е. Iдоп=(2 -2,5)IH. Кратность допустимого момента, очевидно, будет выше, чем у двигателей
параллельного возбуждения, поскольку при I>IH, Ф>ФH
Максимально допустимый момент двигателей последовательного возбуждения весьма
высок и составляет примерно МДОП=(3,5-4,5)МН.
Этим объясняется широкое применение
двигателей последовательного возбуждения для привода механизмов, работающих со
значительными кратковременными перегрузками (например, транспортные и
грузоподъемные устройства).
Рисунок 51 - Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения
при различных напряжениях
|
Увеличение
сопротивления в цепи якоря смягчает скоростную и механическую характеристики,
так как при постоянной нагрузке пропорционально повышается падение напряжения
в цепи якоря, что вызывает увеличение падения скорости. Семейство механических
характеристик двигателя последовательного возбуждения при различных сопротивлениях
цепи якоря приведено на рисунке 50.
При
уменьшении напряжения на зажимах двигателя скорость его снижается
при постоянной нагрузке и сопротивлении якорной цепи. Этот вывод следует из анализа уравнений характеристик. На рисунке 51 приведены механические
характеристики машины при различных напряжениях питающей сети.
2.3.2 Генераторные режимы
работы
Двигатель последовательного
возбуждения может работать только в двух генераторных режимах: режиме
динамического торможения и режиме
Рисунок 52 - Схема
динамического торможения с независимым возбуждением двигателя
|
Рисунок 53 - Схема
динамического торможения с самовозбуждением
|
противовключения.
Рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть у этих двигателей
невозможно, поскольку э.д.с. двигателя не может быть больше приложенного
напряжения Действительно, если в выражении (39) не учитывать
падение напряжения IR, то
увеличение скорости w при
снижении нагрузки сопровождается пропорциональным уменьшением потока Ф. В таком
случае Е=kФw=U с учетом падения напряжения
всегда E<U.
Для
динамического торможения двигателя последовательного возбуждения якорь его замыкается на сопротивление
(рисунок 52), а обмотка возбуждения включается в сеть через добавочное сопротивление, ограничивающее
ток до номинальной величины. Работая генератором с независимым возбуждением, двигатель в этом
режиме имеет такие же характеристики, как и
двигатель параллельного возбуждения в режиме динамического торможения.
Рисунок 54 - Механические
характеристики двигателя при динамическом торможении с самовозбуждением
|
Иногда
применяют динамическое торможение с самовозбуждением, включая двигатель по
схеме, приведенной на рисунке 53. Самовозбуждение происходит за счет
остаточного магнитного потока. Во избежание размагничивания машины схему
собирают таким образом, чтобы направление тока в обмотке возбуждения совпадало
с направлением тока в ней при двигательном режиме. Торможение с
самовозбуждением экономичнее, чем с независимым возбуждением, так как энергия
сети не потребляется. Однако при малых скоростях условие самовозбуждения Е >
IR не выполняется и тормозной момент отсутствует (рисунок 54), что
ограничивает применение данной схемы.
Режим противовключения у
двигателей последовательного возбуждения может быть получен теми же способами,
что и у двигателя параллельного возбуждения. Все соображения, высказанные об
этом режиме для двигателя параллельного возбуждения, справедливы и для
двигателя с последовательным возбуждением.
2.4 Механические
характеристики электродвигателей постоянного
тока смешанного возбуждения
Особенностью двигателей
смешанного возбуждения является наличие двух обмоток возбуждения: параллельной
и последовательной (рисунок 55). Обмотки включаются согласно, т.е. намагничивающие
силы их складываются
F=wПiB+wH IЯ, (43)
где F –
суммарная намагничивающая сила;
wH, wП - соответственно число
витков параллельной и последовательной обмоток;
IB, IЯ - ток параллельной обмотки и ток якоря.
При IЯ=0 намагничивающая сила F=wH IB¹0. Следовательно, двигатель
смешанного возбуждения имеет конечную скорость идеального холостого хода.
Величина ее
, (44)
где Ф0 - поток,
создаваемый параллельной обмоткой возбуждения.
При увеличении нагрузки
поток машины увеличивается за счет последовательной обмотки, что вызывает
уменьшение скорости двигателя, т.е. смягчение характеристик.
Характеристики двигателя
вследствие изменения магнитного потока при изменении нагрузки весьма сложно
рассчитывать аналитически. Поэтому расчет их ведется так же, как и для
двигателя последовательного возбуждения, т.е. с использованием универсальных
характеристик, которые даются в каталоге. Аналогично рассчитываются и пусковые
сопротивления.
На рисунке 56 приведены
скоростные характеристики двигателя смешанного возбуждения. Как видно, они
занимают промежуточное положение между характеристиками двигателей параллельного
и последовательного возбуждения.
В возможном для двигателя
смешанного возбуждения режиме рекуперации направление тока в последовательной
обмотке меняется на обратное. Магнитный поток ее при этом направлен навстречу
магнитному потоку параллельной обмотки, что приводит к размагничиванию машины
и к резкому увеличению скорости. Предельное значение тока якоря в режиме
рекуперации IЯП, когда машина будет
полностью размагничена, может быть найдено из равенства (43), если положить в
нем F=0,
. (45)
Рисунок 55 - Схема
включения двигателя смешанного возбуждения
|
Рисунок 56 - Скоростные
характеристики двигателя смешанного возбуждения для различных режимов
работы
|
Поэтому все скоростные реостатные
характеристики во втором квадранте имеют асимптотой вертикальную прямую,
отстоящую от начала координат на величину IЯП (рисунок 56). Разумеется,
что ток якоря в режиме рекуперации не может достигнуть указанного предела,
поскольку при полностью размагниченной машине рекуперация стала бы
невозможной.
Момент двигателя (тормозной)
при переходе в режим рекуперации с ростом скорости сначала растет, достигает
определенного максимума, а затем уменьшается, имея пределом нулевое значение.
Этот вывод следует из анализа равенства (25), в котором один сомножитель I в
рассматриваемом случае с ростом скорости увеличивается, а другой сомножитель Ф
уменьшается.
Чтобы улучшить механические
характеристики, последовательную обмотку двигателя при переходе в режим
рекуперативного торможения обычно отключают. Тогда Ф = Ф0 = сопst и
характеристики становятся прямолинейными (рисунок 56 пунктир).
По тем же соображениям
отключают последовательную обмотку в режиме динамического торможения, получая
при этом прямолинейные характеристики.
В режиме противовключения
последовательная обмотка возбуждения должна быть включена согласно с
параллельной обмоткой.
2.5 Механические
характеристики асинхронных двигателей
2.5.1 Уравнения характеристик
Для вывода уравнений
характеристик асинхронных двигателей можно использовать упрощенную схему
замещения, представленную на рисунке 57. В этой схеме и в дальнейшем тексте
приняты следующие обозначения:
-UФ - фазовое напряжение
статора двигателя;
-I1 - фазовый ток статора;
-E2K
- линейное напряжение на разомкнутых кольцах неподвижного ротора;
-I'2 - приведенный
фазовый ток обмотки ротора;
-I0 - намагничивающий ток;
-x1, R1 - реактивное и активное сопротивления
фазы статора;
-х'2, R'2 - приведенные реактивное и активное
сопротивления фазы ротора;
-хm, Rm - реактивное и
активное сопротивления контура намагничивания;
-
- скольжение двигателя;
-
- синхронная угловая
скорость вращения;
-w - угловая скорость вращения ротора;
-f - частота
сети;
Рисунок 57 - Схема замещения асинхронного двигателя
|
-р
- число пар полюсов статора двигателя.
Приведенная схема
замещения позволяет найти
выражение для тока ротора
, (46)
где xK=x1+x'2,
и
выражение для электромагнитной мощности
. (47)
Вращающий момент двигателя
выражается через электромагнитную мощность и скорость вращения поля статора
известной формулой
. (48)
С учетом (46) и (47) равенство (48) дает зависимость момента
двигателя М от скольжения s
. (49)
Рисунок
58 - Механическая характеристика асинхронного двигателя
Откладывая, как и раньше,
значения скоростей (или скольжений) по оси ординат, а значения моментов по оси
абсцисс, получим (рисунок 58) графическое изображение зависимости (49), т.е.
механическую характеристику асинхронного двигателя.
При скольжениях s<0 (w>w0) характеристика проходит во
втором квадранте и соответствует работе двигателя в режиме рекуперативного
(генераторного) торможения. Скольжениям 0 £ S £ 1 соответствует двигательный режим работы. При S > 1
имеет место режим противовключения.
В двигательном и
генераторном режимах работы момент двигателя достигает своего максимального
(критического) значения. Величина критического момента МК и
соответствующее ему значение скольжения SК находятся при исследовании
максимума функции М=f(s)
, (50)
. (51)
Знак
плюс в полученных равенствах относится к двигательному режиму, знак
минус - к генераторному. Из
выражений (50) и (51) следует, что критический момент в генераторном
режиме (МКГ) имеет большую величину, чем критический момент для
двигательного режима (МК.Д), значения скольжений sК в обоих режимах по абсолютной величине равны.
Рисунок 59 - Зависимость
токов ротора (J'2) и
статора (J1)
асинхронного двигателя от скольжения
Отношение
характеризует
перегрузочную способность двигателя по моменту. Для машин нормального исполнения
коэффициент lМ=1,7-2,5 (для двигательного
режима).
Важным показателем, определяющим
свойства двигателя, является величина пускового момента МП (при w = 0). Для двигателей
нормального исполнения МП=(1-2)МН.
Зависимость тока ротора от
скольжения, построенная по уравнению (46), показана на рисунке 59. При скольжении
s= 0 (w = w0) ток ротора, согласно
равенству (46), также равен нулю. По мере увеличения скольжения при
положительных его значениях ток ротора растет, стремясь к своему предельному
значению
. (52)
В генераторном режиме предельное
значение тока ротора будет таким же. В этом нетрудно убедиться, подставляя в
равенство (46) значение скольжения s= - ¥.
Максимального значения ток
ротора достигает при скольжении
, причем
. (53)
Ток статора I1, согласно схеме замещения,
можно получить геометрическим сложением векторов, токов I'2
и I0.
Примерная зависимость I1=f(s) показана на рисунке
59. Из этой
зависимости следует, что в процессе пуска асинхронный двигатель потребляет из
сети весьма большой ток. Кратность пускового тока для нормальных
короткозамкнутых двигателей составляет величину, равную
.
2.5.2 Влияние некоторых
параметров на характеристики асинхронных
двигателей
Из уравнений (46), (49),
(51) следует, что введение активного сопротивления в цепь ротора, не изменяя
максимального момента, приводит к увеличению критического скольжения и к
уменьшению тока двигателя. На рисунке 60 показано семейство механических
характеристик асинхронного двигателя для различных сопротивлений роторной цепи.
Сравнение характеристик свидетельствует, что пусковой момент двигателя с фазным
ротором можно увеличить вплоть до значения МК.Д. Введение
сопротивления в роторную цепь двигателя с целью изменения величины пускового
момента и ограничения пускового тока нашло широкое применение в практике.
Механические характеристики
асинхронного двигателя для различных напряжений питающей сети при прочих равных
условиях показаны на рисунке 61. Из анализа характеристик и равенства (49)
выходит, что с уменьшением напряжения момент двигателя уменьшается
пропорционально квадрату напряжения. Этот вывод позволяет записать простое
соотношение для пересчета характеристик на напряжение, отличное от
номинального
, (54)
где Ме, Ми - моменты на
естественной и
искусственной характеристиках для
одних и тех же значений скольжения.
Согласно равенству (50) ток
двигателя пропорционален первой
степени напряжения на статоре. Поэтому одним из способов ограничения пускового
двигателя является пуск его при пониженном напряжении. Разумеется,
предварительно необходимо убедится в том, что пусковой момент при сниженном
напряжении удовлетворяет требованиям механизма.
Чтобы
выяснить влияние частоты сети на характеристики асинхронного двигателя,
равенство (50) запишем в следующем виде
. (55)
Рисунок 60 - Механические характеристики асинхронного двигателя при
различных сопротивлениях цепи ротора
|
Рисунок 61 - Механические характеристики асинхронного двигателя при
различных напряжениях питающей сети
|
Поскольку хКºf, то, пренебрегая активным сопротивлением статора R1, можно записать
.
Синхронная скорость
двигателя
изменяется пропорционально частоте. Критическое
скольжение при R1»0, согласно (51), изменяется обратно
пропорционально частоте. В таком случае падение скорости при
критическом скольжении, равное
DwK=w0-wK=sKw0, от частоты не зависит.
Установленные положения
позволяют сделать следующие выводы. Если при изменении частоты пропорционально
меняется напряжение, то МK= соnst, а
характеристики в пределах рабочей части параллельны (рисунок
62).
Уменьшение частоты при U=const
сопровождается увеличением магнитного потока двигателя Ф. Последнее следует из
выражения для напряжения на
зажимах двигателя без
учета падения напряжения в
статоре
U»KФf. (56)
Рост потока приводит к
увеличению критического момента двигателя. Характеристики для этого случая
показаны на рисунке 63.
Так как двигатели
выполняются с насыщенной магнитной системой, то увеличение потока приведет к
значительному увеличению намагничивающего тока и, следовательно, к ухудшению
энергетических показателей двигателя.
Рисунок 62 -
Механические характеристики асинхронного двигателя при различной частоте
питающей сети и
|
Рисунок 63 -
Механические характеристики асинхронного двигателя при различной частоте
питающей сети и
|
2.5.3 Генераторные режимы работы
Для асинхронного двигателя
возможны три генераторных режима работы: рекуперативное торможение, торможение
противовключением и динамическое торможение.
Режим рекуперативного
торможения, как уже отмечалось ранее, возникает при отрицательных скольжениях,
когда скорость вращения ротора w превосходит скорость вращения
поля статора w0. Механические
характеристики двигателя в этом режиме являются продолжением характеристик
двигательного режима в область второго квадранта (рисунок 58).
В режиме рекуперативного
торможения двигатель работает как асинхронный генератор, отдавая в сеть
электрическую энергию и потребляя из сети реактивную мощность для создания
вращающегося магнитного поля. Следует заметить, что рекуперация энергии в сеть
возможна при скольжениях
. Чтобы подтвердить это положение, найдем
выражение для активной составляющей тока ротора I'2АКТ
(57)
Из равенства (57) следует,
что только при скольжениях
активная
составляющая тока ротора отрицательна,
т.е. энергия отдается в сеть. При
двигатель потребляет
энергию из сети, превращая ее вместе с энергией, подводимой с вала двигателя, в
тепло. Момент двигателя в этом случае по-прежнему тормозной.
Технико-экономические
показатели при рекуперативном торможении асинхронного двигателя аналогичны
показателям для двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.
Режим противовключения асинхронного двигателя
возникает при тех же условиях, что и
для двигателя с параллельным возбуждением.
Он сопровождается протеканием по
обмоткам двигателя значительных токов,
превышающих величину пусковых
токов. Для ограничения их в роторную цепь двигателя с фазным ротором вводят
значительное сопротивление. С позиций энергетики режим
противовключения
асинхронного двигателя является
неэкономичным. Мощность потерь роторной цепи
DР=РЭМ - Р2 = Мw0 - Мw = Мw0s = PЭМ s º
s,
где Р2 - мощность
на валу двигателя.
Так как s > 1, то DР > PЭМ.
Режим динамического торможения можно
получить, если статор вращающегося асинхронного двигателя отключить
контактами К1 от сети переменного тока и подключить его контактами К2
к сети постоянного тока (рисунок 64, а). Наиболее употребительные схемы
включения обмоток статора при режиме этом показаны на рисунке 64, б. Постоянный
ток, протекая по обмоткам статора, создает неподвижное магнитное поле, в
котором вращается ротор. В обмотке ротора наводится э.д.с., вызывающая протекание
тока. Взаимодействие
тока ротора с неподвижным полем статора создает тормозной момент. По существу,
в этом режиме двигатель работает как синхронный генератор.
Рисунок 64 - Схема
включения асинхронного двигателя при динамическом торможении (а) и схемы
включения обмоток статора (б)
|
Рисунок 65 -
Характеристики тока I2, момента М и потока Ф для асинхронного двигателя при динамическом
торможении
|
Характеристики двигателя в
режиме динамического торможения приведены на рисунке 65. При высоких скоростях,
когда токи ротора велики, сильно сказывается размагничивающее действие
магнитодвижущей силы ротора. Вследствие этого поток двигателя уменьшается. По
мере снижения скорости ток ротора падает, размагничивающее действие его
сказывается слабее, и поток машины растет.
Рисунок 66 - Влияние
сопротивления роторной цепи и величины постоянного тока в статоре на
механические характеристики асинхронного двигателя при динамическом
торможении
|
Момент
асинхронного двигателя, как известно, определяется следующей формулой
М=КФI2cosj2 . (58)
Произведение двух величин,
одна из которых (Ф) при снижении скорости растет, а другая (I2)
уменьшается, всегда имеем максимум. Этим и объясняется характер показанной
зависимости М=¦(w).
Влияние величины постоянного тока IP,
протекающего по обмоткам статора, и величины сопротивления роторной цепи на
механические характеристики асинхронного двигателя в режиме динамического торможения
иллюстрирует рисунок 66. Величина постоянного тока IP,
обеспечивающая достаточно эффективное торможение, должна быть примерно в 3-4
раза больше величины тока холостого хода двигателя с короткозамкнутым ротором и
несколько меньше для двигателей с фазным ротором.
Рассмотренный
режим широко используется в практике для быстрой остановки приводов, для спуска
грузов в подъемных установках и т.д.
2.6 Механические и угловые характеристики синхронных
электродвигателей.
Синхронный двигатель в отличие от других типов машин имеет абсолютно
жесткую механическую характеристику (рисунок 67), т.е. вращается с постоянной,
не зависящей от нагрузки, скоростью
.
Если
нагрузка превысит определенную величину (МК), то двигатель выпадает
из синхронизма.
Для
определения перегрузочной способности синхронного двигателя воспользуемся
известным выражением его угловой характеристики (для неявнополюсной машины)
, (59)
где U1 -
напряжение на зажимах статора;
Е1 - э.д.с., наводимая в
обмотке статора полем ротора;
х1- синхронное
реактивное сопротивление двигателя;
J - угол сдвига фаз между
напряжением сети и э.д.с. двигателя.
Угловая характеристика М=¦(J)синхронного
двигателя приведена на рисунке 68. При возрастании нагрузки на валу двигателя
угол J
увеличивается, что приводит к увеличению момента двигателя до значения момента
нагрузки, после чего двигатель снова работает с синхронной скоростью. При J=90°
момент двигателя достигает максимального значения МК. Дальнейшее увеличение угла J при
нагрузках, превышающих МК,
приводит уже к уменьшению момента двигателя и, следовательно, к последующему
увеличению угла J.
Двигатель выпадает из синхронизма. Таким образом, рабочим участком угловой характеристики
синхронного двигателя является участок, где 0°< J
< 90°.
Обычно номинальному моменту двигателя соответствует угол JH= 20
- 30°. В
таком случае перегрузочная способность
(60)
Рисунок 67 -
Механическая характеристика синхронного двигателя
|
Рисунок 68 -
Угловая характеристика
синхронного двигателя
|
Перегрузочная способность двигателя может быть повышена увеличением э.д.с.
двигателя Е1, т.е.
форсировкой возбуждения.
Рисунок 69 - Пусковые
характеристики синхронного двигателя
|
Для запуска синхронного двигателя на роторе помимо обмотки возбуждения
имеется пусковая короткозамкнутая обмотка. Поэтому в пусковом режиме двигатель
имеет такую же характеристику, как и асинхронный двигатель (рисунок 69). При
так называемой подсинхронной скорости, равной (0,95-0,98)w0, в
обмотку возбуждения подается постоянный ток и двигатель втягивается в
синхронизм. Момент на пусковой характеристике, соответствующий указанной
скорости, называется «входным моментом» (МВХ).
При большем входном моменте двигатель легче втягивается в синхронизм.
Если
короткозамкнутую обмотку сделать с малым сопротивлением, то можно получить
большую величину входного момента. Однако пусковой момент МП при этом уменьшится (кривая I,
рисунок 69). Увеличение сопротивления пусковой обмотки приведет к уменьшению
момента МВХ и к увеличению
момента МП (кривая 2,
рисунок 69). Выбор двигателя с той или иной пусковой характеристикой
определяется характером моментов сопротивления рабочей машины
Обмотку
возбуждения двигателя для избежания перенапряжений в ней на период пуска
замыкают на разрядное сопротивление. В этом случае она создает дополнительный
пусковой момент.
Ток статора синхронного двигателя при асинхронном пуске в 3-5 раз
превосходит величину номинального тока. Если указанная величина пускового тока
недопустима для двигателя или питающей сети, то в цепь статора на период пуска
включают реактор или автотрансформатор, с помощью которых понижают напряжение
на зажимах статора. Величина пускового тока двигателя при этом снижается
пропорционально напряжению, а моменты уменьшаются пропорционально квадрату
напряжения.
Сопротивление реактора при заданном пусковом токе IП
определяется следующим образом. Если пренебречь активным сопротивлением
двигателя ввиду его относительно малой величины, то реактивное сопротивление
его хД можно найти из выражения
, (61)
где IП.Н -
пусковой ток при номинальном напряжении на зажимах статора.
Полное индуктивное сопротивление двигателя и реактора находится по формуле
. (62)
Тогда
сопротивление реактора
. (63)
Вторичное напряжение автотрансформатора U2 при
заданной величине пускового тока двигателя Iп
находится из соотношения
.
(64)
Ток в сети Iс при
автотрансформаторном пуске будет меньше тока двигателя Iп в
соответствии с коэффициентом трансформации a
, (65)
где
.
Поэтому автотрансформаторный пуск предпочтительнее реакторного в тех
случаях, когда необходимо иметь повышенные моменты двигателя в период пуска при
минимальном токе, потребляемом из сети.
В
настоящее время все большее распространение получает пуск синхронных двигателей
непосредственно от сети.
Синхронный
двигатель может работать в генераторном режиме с отдачей энергии в сеть.
Угол J при этом меняет свой знак,
а скорость остается прежней. Для динамического торможения обмотку статора
отключают от сети переменного тока и замыкают на сопротивление. В этом случае
при питании обмотки возбуждения от независимого источника постоянного тока
машина работает как асинхронный двигатель в таком же режиме и с аналогичными
характеристиками. Противовключение синхронного двигателя
осуществляется в асинхронном режиме. Оно не применяется из-за больших токов при
малых моментах двигателя.
Синхронные
двигатели широко применяются для привода нерегулируемых нереверсивных
механизмов большой мощности (поршневые компрессоры, генераторы постоянного тока
в системах Г-Д, мощные вентиляторы, насосы и т.д.).
3 Электрические преобразователи и способы
регулирования скорости электрических машин
3.1
Назначение электрических преобразователей.
Между источником электрической энергии и электромеханическим
преобразователем во многих случаях находится важный элемент - электрический
преобразователь [1].
Каждый источник электрической энергии характеризуется вполне определенными
свойствами - видом функции еист(t) или, если это источник
тока, iист(t),
числом фаз mист и
т.п. Каждый конкретный электромеханический преобразователь в свою очередь
требует для нормального функционирования также определенных зависимостей е(t)
или i(t) при числе фаз m и
т.п. В простейших случаях эти характеристики совпадают. Например, массовые
асинхронные двигатели выпускаются трехфазными на стандартные для промышленных
электрических сетей напряжения и частоту. Казалось бы, здесь электрический
преобразователь не требуется, и, действительно, миллионы трехфазных короткозамкнутых
асинхронных двигателей работают непосредственно от промышленной трехфазной
сети, будучи связаны с ней через единственный коммутационный аппарат -
пускатель, выполняющий функцию «включить – выключить». Но этот простейший до
примитивности массовый нерегулируемый самый дешевый асинхронный электропривод в
последнее время все чаще стал обнаруживать свое несовершенство: низкую
надежность, главным образом, за счет очень тяжелых пусков (очень большие броски
пускового тока, длительные при больших моментах инерции, приводимых в движение
механизмов), низкие энергетические показатели, особенно при работе с
недогрузкой. Стал очевидным и путь исправления этих недостатков – включение
между двигателем и сетью некоторого электрического преобразователя.
Приведенный пример относился к традиционно нерегулируемому массовому
приводу. Что же касается регулируемых приводов, то там необходимость в
электрических преобразователях очевидна, причем очевидно также, что эти
преобразователи часто должны быть управляемыми.
Итак, электрический преобразователь преобразует основные признаки
электрического источника еист(t) или iист(t) и
число фаз в соответствующие признаки, требуемые электромеханическим
преобразователем.
3.2 Источники питания.
В большинстве случаев источником питания служит промышленная трехфазная
электрическая сеть частотой ¦ном=50 Гц
и линейным напряжением (действующее значение) Uном;
стандартные значения 220, 380, 440, 660 В, 3, 6, 10 кВ. Конечно, промышленная
сеть – не единственный электрический источник. Так, на магистральном
электрическом транспорте распространена сеть постоянного тока напряжением 3000
В, на городском – напряжением 600 В. В атомных установках используются
аккумуляторы и сети постоянного тока с напряжением 12, 24, 48 В, а также
однофазные и трехфазные сети переменного тока повышенной частоты (400-1000 Гц).
Приборный привод часто получает питание от электрической батарейки. Имея это в
виду, рассмотрим детальнее, какие функции выполняют электрические
преобразователи, включенные между промышленной сетью и различными
электромеханическими преобразователями.
3.3 Основные функции электрических преобразователей.
Во-первых,
отметим, что электрические преобразователи независимо от функциональных
возможностей могут обладать свойствами как источника напряжения, так и
источника тока (рисунок 70), т.е. иметь в идеальном исполнении либо
горизонтальную, либо вертикальную внешнюю характеристику U=f(I). Источники напряжения
получили преобладающее распространение, источники тока менее известны, однако в
ряде применений могут быть весьма полезными.
Электрический преобразователь, следовательно, работая от источника
напряжения – промышленной сети, может либо сохранить на выходе это свойство,
либо осуществить преобразование источника напряжения в источник тока.
Рисунок 70 - Электрические
преобразователи в электроприводе
|
Во-вторых, имея на входе переменное напряжение неизменных амплитуды и
частоты, электрический преобразователь может преобразовать его как в переменное
напряжение той же частоты, но другой амплитуды, так и в переменное напряжение с
другими амплитудой и частотой. В первом случае электрический преобразователь
называют преобразователем напряжения (ПН), во втором – преобразователем частоты
(ПЧ).
В-третьих, электрический преобразователь может выполнять функцию
выпрямителя, т.е. преобразовывать переменное напряжение в постоянное, либо
инвертора – преобразовывать постоянное напряжение в переменное, если источник энергии находится на стороне
постоянного напряжения.
И, наконец, в-четвертых, электрический преобразователь может быть
импульсным, т.е. преобразовывать стандартное переменное напряжение сети в
последовательность импульсов, амплитуда, длительность, скважность, форма и
другие признаки которых определяются специфическими особенностями работы
электромеханического преобразователя.
Мы перечислили лишь основные функциональные свойства преобразователей.
Вместе с тем не надо забывать, что при реализации какой-либо функции иногда
нужно использовать промежуточные преобразования. Например, чтобы превратить
сетевое напряжение в напряжение с глубоко регулируемыми амплитудой и частотой,
часто используют управляемый выпрямитель и инвертор; преобразователь источника
напряжения в источник тока используется в сочетании с выпрямителем и т.п.
Многообразие таких сочетаний возрастает, если в качестве электрического
источника используются не стандартная промышленная сеть, а какие-либо другие
нестандартные источники.
3.4 Неуправляемые и управляемые преобразователи
Электрические преобразователи по их функциональным возможностям
целесообразно разделить на неуправляемые и управляемые. К неуправляемым
относятся, например, обычные трансформаторы, выпрямители, некоторые виды
простейших электромашинных агрегатов, параметрические источники тока, к
управляемым – некоторые машинные устройства, и главным образом различные
статические устройства, действие которых основано на использовании управляемых
полупроводниковых ключей – элементов, могущих находиться либо во включенном
(R≈0),либо в выключенном (R→∞) состоянии.
Любой управляемый преобразователь должен по возможности точно
воспроизводить на выходе все измерения управляющего сигнала. Поскольку эти
изменения могут быть быстрыми, от хорошего преобразователя требуется
соответствующее быстродействие. Иногда говорят о предельном быстродействии,
т.е. о минимально возможном времени реакции преобразователя на скачкообразное
изменение управляющего сигнала.
В управляемых преобразователях, имеющих на выходе переменное напряжение
(ток), существенную роль играет форма кривой этого напряжения (тока), и
приходится затрачивать немалые усилия для достижения нужных результатов,
особенно при широких диапазонах регулирования.
3.5 Нереверсивные и реверсивные преобразователи.
Поскольку электромеханический преобразователь принципиально обратим, т.е.
поток энергии может иметь любое направление, а многим электрическим
преобразователям (не электромашинным) это свойство органически не присуще и
должно обеспечиваться специальными и не всегда простыми и дешевыми средствами,
важным функциональным признаком электрического преобразователя является его
способность проводить энергию в одну (нереверсивный) или в обе (реверсивный)
стороны.
3.6 Способы регулирования
скорости электродвигателей постоянного
тока параллельного
возбуждения
Из уравнения скоростной характеристики двигателя параллельного возбуждения
следует,
что скорость двигателя можно регулировать изменением сопротивления якорной
цепи, изменением магнитного потока и изменением приложенного к двигателю
напряжения.
3.6.1 Изменение
сопротивления якорной цепи
В этом случае можно регулировать скорость только вниз от основной. Из-за
смягчения характеристик при увеличении сопротивления (рисунок 42) ухудшается
стабильность работы, что ставит диапазон регулирования в зависимость от
величины нагрузки. Получение большого числа скоростей при данном способе
регулирования затруднительно.
Рисунок 71 - Механические характеристики
двигателя параллельного возбуждения при регулировании скорости вращения
изменением
магнитного потока
|
Полное использование
двигателя с независимым возбуждением на всех регулировочных характеристиках
обеспечивается при постоянном моменте на его валу, так как при этом условии ток
двигателя, согласно выражению
, также будет оставаться постоянным и равным номинальному.
При постоянном моменте регулируется скорость таких производственных механизмов,
как краны, лебедки и др.
Регулирование скорости введением сопротивления в якорную цепь
сопровождается потерями энергии в этой цепи.
В связи с большими потерями в
сопротивлениях такое регулирование нецелесообразно применять в тех случаях,
когда требуется длительная работа двигателя с пониженной скоростью вращения.
3.6.2 Изменение магнитного потока
В этом случае можно регулировать скорость вращения двигателя с высокой
плавностью и экономичностью, так как регулировочные сопротивления включаются в
цепь возбуждения, потребляющую незначительную мощность (1-5% от РН),
и выполнение их с большим числом ступеней не представляет затруднений. На
рисунке 71 приведены механические характеристики двигателя при различных
магнитных потоках. Из их анализа следует, что ослабление потока вызывает
увеличение скорости, т.е. регулирование осуществляется "вверх".
Верхний предел скорости ограничивается в основном условиями коммутации и
механической прочностью якоря. Поэтому диапазон регулирования обычных
двигателей, как правило, не превышает 3:1. Специальные двигатели имеют диапазон
регулирования потоком (6-8):1. По условиям нагрева ток якоря при регулировании
не должен превышать номинальной величины. В этом случае мощность двигателя РН»UHIH
должна оставаться постоянной, а допустимый момент согласно выражению
с ростом скорости должен
уменьшаться по закону гиперболы. Зона допустимой нагрузки при регулировании
потоком показана на рисунке 71 пунктирной линией.
Примером производственного
механизма, требующего регулирования с постоянной мощностью, является токарной
станок, у которого при обработке необходимо поддерживать постоянство скорости
резания и усилия резания. В этом случае мощность резания будет оставаться
неизменной.
3.6.3 Изменение подводимого напряжения
В этом случае можно регулировать скорость вращения
двигателя в специальных системах электроприводов. При этом изменять подводимое
напряжение можно как в цепи якоря (рисунок 49), так и в цепи возбуждения
двигателя (рисунок 70).
Ниже
будут рассматриваться некоторые из этих систем, получившие
наиболее
широкое распространение.
3.7 Способы регулирования скорости
электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения
Для двигателей последовательного возбуждения возможны такие же способы
регулирования скорости, что и для двигателей параллельного возбуждения, т.е. регулирование
сопротивлением в цепи якоря, регулирование изменением магнитного потока и
регулирование изменением подводимого напряжения.
3.7.1 Регулирование изменением сопротивления якорной цепи обеспечивает
показатели регулирования, аналогичные таким показателям для двигателя с
параллельным возбуждением. Наибольшее применение этот способ регулирования
получил в подъемно-транспортных установках (рисунок 50).
3.7.2 Изменением магнитного потока
двигателя регулируют скорость вверх от основной при постоянной мощности. Чтобы
выполнить такое регулирование, обмотку возбуждения шунтируют сопротивлением.
Регулирование экономично, так как потери в шунтирующем сопротивлении составляют
лишь часть потерь в обмотке возбуждения, которые сами по себе невелики. Число
ступеней скорости ограничено. Диапазон регулирования обычно не превышает 1,5:1.
3.7.3 Регулирование изменением подводимого напряжения производится или с
помощью отдельного управляемого выпрямителя (преобразователя), или
последовательно-параллельным включением двигателей (рисунок 72). Последний
способ применяется тогда, когда одна рабочая машина приводится несколькими
двигателями (например, электровоз). При последовательном соединении на каждый
двигатель приходится напряжение, равное напряжению сети, деленному на число
двигателей. Примерно в таком же отношении уменьшается скорость. Регулирование
осуществляется при постоянном моменте, вниз от основной
Рисунок 72 - Схема последовательно-параллельного
включения двигателей
|
скорости (рисунок 51).
В заключение необходимо отметить, что
все выше перечисленные способы регулирования скорости электродвигателей с
параллельным и последовательным возбуждением также приемлемы для
электродвигателей смешанного возбуждения.
3.8 Способы регулирования скорости асинхронных
электродвигателей
Из существующих способов регулирования скорости асинхронных
двигателей наибольшее распространение получили следующие:
а) введением сопротивления в цепь ротора;
б) переключением числа полюсов;
в) изменением частоты питающей сети;
г) изменением подводимого напряжения.
3.8.1 Регулирование введением активного сопротивления в цепь
ротора
Введение
активного сопротивления в цепь ротора применимо только для двигателей с фазным
ротором. Показатели регулирования в данном случае аналогичны показателям такого
же регулирования двигателей постоянного тока (рисунок 60).
Рисунок 74 - Схема переключения обмотки статора со
звезды на двойную звезду
|
Рисунок 73 - Схема переключения обмотки асинхронного
двигателя для изменения числа полюсов
|
3.8.2
Регулирование переключением числа полюсов, как это следует из формулы
, позволяет изменить скорость вращения поля статора, а
значит, и скорость вращения ротора. Наиболее просто изменять число полюсов для
короткозамкнутых двигателей в отношении 1:2. В этом случае обмотка каждой фазы
статора выполняется в виде двух одинаковых секций. При последовательном
соединении секций (рисунок 73) число пар полюсов р=2. Параллельное соединение
секций дает р=1. Такой двигатель называется двухскоростным. Практически
изменение числа полюсов статора производится переключением со звезды на двойную
звезду (рисунок 74) или с треугольника на двойную звезду (рисунок 75). При этом в первом случае по условиям полного
использования двигателя по нагреву регулирование должно производиться при
постоянном моменте нагрузки, а во втором - при постоянной мощности.
Если на статоре двигателя уложить две отдельные обмотки
(каждую с переключением числа пар полюсов), то получим четырехскоростной
двигатель. В трехскоростном двигателе одна из обмоток не имеет переключения
числа пар полюсов.
Рисунок 75 - Схема переключения обмотки статора с
треугольника на двойную звезду
|
Многоскоростные
двигатели наиболее целесообразно применять в механизмах, не требующих плавного
регулирования скорости (некоторые металлорежущие станки, вентиляторы и насосы,
работающие с разными режимами и т.д.)
3.8.3
Регулирование изменением частоты
Как
было показано в разделе 2, при анализе механических характеристик асинхронного
двигателя (рисунки 62, 63), плавно изменяя частоту, можно получить примерно
такие же показатели регулирования, как и в системе УВ - Д.
3.8.4
Регулирование изменением подводимого напряжения
Подводимым
напряжением к трем фазам статора асинхронного двигателя можно изменять
максимальный момент, не изменяя критического скольжения. Устройством для
регулирования напряжения может быть, например, тиристорный регулятор; при этом
в каждой фазе статора двигателя находится два встречно-параллельно включенных
тиристора. Управляя углом включения тиристоров (фазовое управление), можно
плавно менять действующее значение напряжения.
Максимальный момент при пониженном напряжении снижается
пропорционально квадрату напряжения
МК,И = МК (UИ/UНОМ)2,
(66)
где МК,И, МК - соответственно
максимальные моменты, развиваемые двигателем при сниженном и номинальном
напряжениях;
UИ,
UНОМ - соответственно пониженное и номинальное напряжения.
Критическое
скольжение, не зависящее от напряжения, остается неизменным. Не изменяется
также и синхронная угловая скорость, которая зависит только от частоты
питающего напряжения и числа пар полюсов двигателя.
Регулирование угловой скорости двигателя при этом способе
происходит за счет уменьшения модуля жесткости механических характеристик и
осуществляется вниз от номинальной угловой скорости. Плавность регулирования
определяется плавностью изменения напряжения; при применении тиристорного
регулятора напряжения угловая скорость регулируется бесступенчато.
Механические
характеристики двигателя при регулировании напряжения на статоре приведены в
разделе 2 на рисунке 61. Из этих характеристик следует, что пределы
регулирования весьма ограничены даже при использовании вентиляторной нагрузки,
но они могут быть существенно расширены в замкнутых системах электропривода.
Изменение подводимого напряжения можно также осуществлять с
помощью дросселей насыщения за счет плавного изменения индуктивного
сопротивления цепи статора в широких пределах. При включении дросселей в цепь
статора асинхронного двигателя величина падения напряжения в обмотках
переменного тока дросселей, а значит, и величина напряжения на зажимах статора
двигателя определяются степенью подмагничивания дросселей. Чем больше ток
управляющей обмотки iУ,
тем меньше падение напряжения на дросселе и больше напряжение на зажимах
статора.
В двигателях с фазным ротором дроссели насыщения можно
включить и в цепь ротора.
Дроссельное регулирование скорости отличается простотой,
надежностью. Однако из-за неэкономичности работы двигателя на низких скоростях
и громоздкости самих дросселей этот метод регулирования применяется в основном для
маломощных приводов.
Список литературы
1.
Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода. –М.: Энергоатомиздат,
1992. – 543с.
2. Зеленов А.Б., Карочкин
А.В. Автоматизированный электропривод и следящие системы. – Харьков: ХГУ, 1965.
– 363с.
3. Копылов И.П.
Электромеханика планеты земля. – М.: МАИ, 1998. - 260с.
4.
Копылов И.П. Электрические машины. – М.: Логос, 2000. – 606с.
5.
Пиотровский Л.М. Электрические машины. – Л-д.: Энергия, 1972. – 497с.
6.Брускин
Д.Е., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины и микромашины – М.:
Высшая школа, 1972. – 430с.
7.
Гинзбург С.А., Лехтман И.Я., Малов В.С. Основы автоматики и телемеханики. – М.:
Энергия, 1968. – 512с.
Сагитов Пулат Исмаилович
Цыба Юрий Александрович
Электрические
машины систем автоматики
Учебное пособие
Редактор Ж.М. Сыздыкова
Доп. план 2004., поз. 43.
Сдано в набор
Формат 64х84 1/16
Бумага типографская №2
Уч.- изд. лист.- 5,6. Тираж 100
экз. Заказ Цена 180 тг
Подписано в печать “ “ ….2004г.
Копировально-множительное
бюро
Алматинского института
энергетики и связи
480013 Алматы, ул.
Байтурсынова, 126