МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Некоммерческое акционерное общество

Алматинский университет энергетики и связи

  

 

Цыба Ю.А.

Алмуратова Н.К.

 

 

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

Учебное пособие

 

 

Алматы 2012

 

УДК :621.313(075-8)

ББК 32.96-04Я73

Ц 93 Специальные электрические машины систем автоматики: Учебное пособие для вузов.

Цыба Ю.А., Алмуратова Н.К

Алматы: АУЭС, 2011 - 87 с.

 

 

 

ISBN 978-601-7307-09-7

 

Учебное пособие по курсу «Специальные электрические машины систем автоматики» разработано в соответствии с рабочей программой для специальности 5В071800 – Электроэнергетика. Рассмотрены вопросы теории работы и устройство электрических машин наиболее часто используемых в качестве основных элементов систем автоматики.

         Ил. 75, Библиогр. – 7 назв.

 

 

ББК 32.96-04Я73

 

        

Рецензент: доцент КазНТУ, канд.техн.наук Қ. Тергемес.

   д-р.техн.наук, проф.  П.И.Сагитов.

 

          Печатается по плану издания Министерства Образования и Науки республики Казахстан на 2011 г.

  

ISBN 978-601-7307-09-7

 

Ó   НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2012 г.

  

Содержание

1	Электрические машины…………………………………………........	5
1.1	Физические принципы электромеханического преобразования	5
1.2	Назначение и классификация электрических машин……………….	7
1.3	Конструктивное выполнение электрических машин……………….	10
1.4	Электрические машины постоянного тока…………………………..	12
1.4.1	Общие положения……………………………………………………..	12
1.4.2	Устройство машин постоянного тока………………………………..	12
1.4.3	Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока……..	13
1.4.4	Понятие об электромагнитном моменте и обратимости машин постоянного тока………	15
1.4.5	Реакция якоря………………………………………………………….	16
1.4.6	Виды машин постоянного тока………………………………………	18
1.4.7	Основные характеристики машин постоянного тока……………….	17
1.5	Электрические машины переменного тока………………………….	21
1.5.1	Общие положения……………………………………………………..	21
1.5.2	Устройство, принцип действия и основные характеристики трехфазного асинхронного двигателя………………………………..	21
1.5.2.1	Устройство……………………………………………………………..	21
1.5.2.2	Принцип действия…………………………………………………….	23
1.5.2.3	Основные характеристики……………………………………………	24
1.5.3	Однофазный асинхронный двигатель………………………………..	24
1.5.4	Однофазные двигатели с короткозамкнутым витком на статоре….	30
1.5.5	Устройство, принцип действия и основные характеристики трехфазных синхронных машин……………………………………..	31
1.5.5.1	Устройство……………………………………………………………..	31
1.5.5.2	Принцип действия…………………………………………………….	33
1.5.5.3	Основные характеристики……………………………………………	35
1.5.6	Однофазная синхронная машина…………………………………….	37
1.5.7	Универсальный коллекторный двигатель…………………………...	37
1.5.8	Шаговые двигатели…………………………………………………...	38
1.6	Электромашинные датчики…………………………………………..	39
1.6.1	Тахогенераторы………………………………………………………..	39
1.6.1.1	Тахогенераторы постоянного тока…………………………………...	40
1.6.1.2	Тахогенераторы переменного тока…………………………………..	40
1.6.2	Поворотные трансформаторы………………………………………...	42
1.6.3	Индукционные машины синхронной связи (сельсины)…………….	44
1.6.3.1	Назначение  и принцип действия сельсинов………………………...	44
1.6.3.2	Индикаторный режим работы………………………………………..	45
1.6.3.3	Трансформаторный режим работы…………………………………..	46
1.6.3.4	Устройство…………………………………………………………….	47
2	Механические характеристики электродвигателей…………………	49
2.1	Основные положения…………………………………………………	49
2.2	Механические характеристики электродвигателей постоянного тока параллельного возбуждения…………………………………….	51
2.2.1	Уравнения характеристик…………………………………………….	51
2.2.2	Влияние напряжения сети, сопротивления якорной цепи и магнитного потока на характеристики двигателя…………………..	53
2.2.3	Генераторные режимы работы……………………………………….	55
2.2.3.1	Рекуперативное торможение…………………………………………	55
2.2.3.2	Динамическое торможение…………………………………………...	57
2.2.3.3	Торможение противовключением……………………………………	58
2.3	Механические характеристики электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения……………………………….	60
2.3.1	Уравнения характеристик…………………………………………….	60
2.3.2	Генераторные режимы работы……………………………………….	63
2.4	Механические характеристики электродвигателей постоянного тока смешанного возбуждения……………………………………….	64
2.5	Механические характеристики асинхронных двигателей………….	66
2.5.1	Уравнения характеристик…………………………………………….	66
2.5.2	Влияние некоторых параметров на характеристики асинхронных двигателей……………………………………………………………...	69
2.5.3	Генераторные режимы работы……………………………………….	71
2.6	Механические и угловые характеристики синхронных электродвигателей…………………………………………………….	74
3	Электрические преобразователи и способы регулирования скорости электрических машин………………………………….......	77
3.1	Назначение электрических преобразователей………………………	77
3.2	Источники питания……………………………………………………	78
3.3	Основные функции электрических преобразователей……………...	78
3.4	Неуправляемые и управляемые преобразователи…………………..	78
3.5	Нереверсивные и реверсивные преобразователи…………………...	80
3.6	Способы регулирования скорости электродвигателей …………….	80
3.6.1	Изменение сопротивления  якорной цепи…………………………	81
3.6.2	Изменение магнитного потока……………………………………...	81
3.6.3	Изменение подводимого напряжения……………………………...	82
3.7	Способы регулирования скорости электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения……………………………….	82
3.7.1	Регулирование изменением сопротивления якорной цепи…………	82
3.7.2	Регулирование изменением магнитного потока…………………….	82
3.7.3	Регулирование изменением подводимого напряжения…………….	82
3.8	Способы регулирования скорости АД….	83
3.8.1	Регулирование введением активного сопротивления в цепь ротора	84
3.8.2	Регулирование переключением числа полюсов…………………….	84
3.8.3	Регулирование изменением частоты…………………………………	85
3.8.4	Регулирование изменением подводимого напряжения…………….	85

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, созданным 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).

Магнитная система ма­шины состоит из статора 1 (см.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).      

 

 

Рисунок 1 - Конструктивная схема вращающейся электрической машины

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 мощности изготовляются из чугуна, а в машинах малой мощности и микромашинах - из алюминиевых сплавов.

 

 

            

 

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

 

В большинстве электрических машин переменного тока статор и ротор (см.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 (см.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 (см.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 (см.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 (см.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 Ф_В  в ней будет наводиться ЭДС, которая в зависимости от времени t будет изменяться по синусоидальному закону (см.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 R_П.

 

 

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) (см.рисунок 5, б). С помощью коллекторных пластин происходит пре­образование переменного тока в постоянный.

Для уменьшения пуль­сации ЭДС (см.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.

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 - I_В создает магнитный поток полюсов, который, взаимодействуя с током рабочей обмотки якоря, создает вращающий момент, под действием которого якорь начинает вращаться.

  

 

 

Рисунок 5 - Изменение ЭДС в рамке генератора   (а), на щетках   двухколлекторного генератора (б), на щетках многоколлекторного генератора постоянного тока (в)

 

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 (см.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 (см.рисунок 6, б). В результате магнитный поток Ф_В бу­дет уменьшаться, что вызовет уменьшение наводимой в об­мотке ротора ЭДС.

         При изменении сопротивления нагрузки генератора бу­дет 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) (см.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  (см.рисунок 7, а и б);

 -двигатели и генераторы последовательного возбуждения, обмотка возбуждения которых включена последовательно с обмоткой якоря (см.рисунок 7,  в);

 -двигатели и генераторы смешанного возбуждения, у которых имеются две обмотки возбуждения – параллельная и последовательная (см.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.

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   показы-

вает   зависимость  изменения напряжения

на    зажимах   генератора  от   изменения

тока нагрузки при  неизменных значениях

частоты вращения якоря  и  тока возбуждения.

 

 

а - с   независимым   возбуждением;   б - с  параллельным  возбуждением   и   в - с   последовательным возбуждением.

Рисунок 9 – Внешние характеристики генератора постоянного тока

 

В генераторах независимого возбуждения с увеличением тока нагрузки напряжение на его зажимах падает (см.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.

 

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 (см.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)

 

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 Х_L = 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  X_L 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 Р_Н, 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 (см.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

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 (см.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 (см.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 (см.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 (см.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 (см.рисунок 14, а), то пульсирующее магнитное поле, созданное пульсирующей м.д.с. F_п 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 Ф_ПР.

Если пусковую обмотку вращающегося двигателя отключить, то, как уже говорилось, ротор двигателя будет продолжать вращаться. Это происходит по следующей причине.

Прямой поток Ф_ПР создает в роторе, вращающемся с частотой вращения п₂, э.д.с. Е_2ПР и ток I_2ПР, а в резуль­тате - вращающий момент М_ПР, как в трехфазном двига­теле. При этом скольжение S_ПР=, так как п₂»п₁.  

Вторая м.д.с., вращающаяся встречно ротору, и соз­данный ею поток называются обратными (F_ОБР и Ф_ОБР). Они вращаются по отношению к ротору с частотой вращения , т.е при скольжении S=. Частота Е_2ОБР и I_ОБР, наведенных обратным по­током статора в роторе, приблизительно равна 2f₁. Поэтому реактивное сопротивление обмотки ротора х_2ОБР=2pf₂L₂  так велико, что ток  I_2ОБР отстает от э.д.с. Е_2ОБР почти на 90°. Следовательно, ток I_2ОБР  почти целиком реактивный и соз­дает с Ф_ОБР очень малый вращающий момент М_ОБР противоположного направления. Таким образом, результирую­щий вращающий момент двигателя

 

                                           М = М_ПР - М_ОБР  » М_ПР,                                  (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 (см.рисунок 14, б, в). Здесь, так же как и в случае трехфазного двигателя, напряжение на зажимах фазы обмотки статора U_Ф должно оставаться неизменным при всех схемах включения, т.е. U_Ф= U_Ф.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 » 2800I_Н/U;

схема рисунка 14, в – Ср » 4800I_Н/ U,

 

где ток - фазный, а напряжение - линейное по паспорту.

         При необходимости получить большой пусковой момент на время пуска подключается пусковая емкость С_П. Дви­гатель с постоянно включенной емкостью С_Р.Н называется конденсаторным.

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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)

 

         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.

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 (см.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 Ф_П 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 Ф_П и Ф_К 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 (см.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 (см.рисунок 17, б) называется обращенной.

В машине с неподвижным якорем применяются две различные конструкции ротора: явнополюсная  (с явновыраженными полюсами) (см.рисунок 18, а) и неявнополюсная (с неявновыраженными полюсами) (см.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. 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  (см.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.

1.5.5.2 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°.      

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 двига-телем и совершает строго синхронное число оборотов (см.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

                                                       .                            (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 М_М/М_Н=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.

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.

Характеристика холостого хода (см.рисунок 24) определяет зависи-мость выходного напря­жения генератора от тока возбуждения при снятой нагрузке.

Начало характеристики при отсутствии тока возбуждения зависит от величины остаточного магнетизма генератора.

Рабочие характеристики  (см.

рисунок 25) представляют собой зависимости тока I_a, электрической мощ­ности P₁, поступающей в обмотку якоря, к.п.д. h и созj от отда­ваемой механической мощности Р₂ при U_C=const, f_C=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 I_a=f(P₂) и P₁=f(P₂ ) имеют характер, близкий к линейному. Ток

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

холостого хода I_a0 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 I_a компенсирует отстающую реактивную составляющую тока асинхронных двигателей. Зависимость cosj=f(P₂) при работе машин с перевозбуждением имеет максимум в области Р₂>Р_НОМ. 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, (см.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.

 

 

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. F_Д (намагничивающая сила) будет вращаться с той же скоростью и в том же направлении, что и обратное поле, созданное н.с. F_ОБР обмотки статора. Векторная диаграмма, иллюстрирующая взаимодействие этих н.с., приведена на рисунке 26, б. При этом  н.с. F_ОБР, результирующая н.с. F_РЕЗ и создаваемый ею поток Ф_РЕЗ, а также э.д.с. Е_Д в демпферной обмотке и Е_В 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.

         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 (см.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.

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 одиноч-ного импульса питания поворачи-ва­лись 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

 

Т а б л и ц а 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  I_В, 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 (см.рисунок 29). Выходное напряжение такого тахогенератора имеет амплитуду и частоту, 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.

От этих недостатков свободен асинхронный тахогенератор (см.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.

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, предназна-ченных 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 рассогла-сования, 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 (см.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 Ф_d,   пульсирующий во време-ни с частотой сети. При холостом ходе в обмотках ротора S и С этот поток будет индуктировать э.д.с. Е_S0 и Е_C0, 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 Е_В представляет собой э.д.с., которую индуктирует поток Ф_d в обмотке статора  "В"  при коэффициенте трансформаторной связи -  между обмотками статора  и ротора. Обмотка статора К с потоком Ф_d 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 сопротивле-ния, 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 (см.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 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 (см.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.

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.

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.

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 (см.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 (см.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 (М_Н) и скорости (w_Н).

Разность между скоростью w₀ и текущим значением скорости, соответствующим определенной нагрузке, называется падением скорости (Dw). Для М=М_Н, Dw_Н=w₀-w_Н. Отношение Dw к скорости w₀  называется "скольжением" (s)

 

.       (19)

 

Величина скольжения при номинальном моменте s_Н 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 (М_КЗ). Иногда момент М_КЗ 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: U_H - номинальное напряжение; I_H - номинальный ток; М_H - но­минальный момент; R_H - номинальное сопротивление, равное ча­стному от деления номинального напряжения на   номинальный ток двигателя; w_H - 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 =R_Я+R_Р - суммарное сопротивление якорной цепи;

  R_Я - сопротивление обмоток якоря и щеточного контакта;

  R_P -  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

 

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 электро-двигателей эти потери не учитываются, и электромагнитный момент принимается равным моменту на валу электродвигателя.

 

Подставляя значения тока из (25) в (22), будем иметь

.                                                             (26)

 

 

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 (см.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.

Изменение магнитного потока двигателя осуществляется вве­дением сопротивления в цепь обмотки возбуждения  (см.рисунок 37). При уменьшении магнитного потока Ф скорость идеального хо­лостого хода увеличивается . Ток короткого замыкания двигателя I_К.З, под которым подразумевается ток якоря при w= 0, согласно выражению (22) равен

 

,              (28)

 

т.е. величина I_К.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=I_К.З) и имеют вид, представленный на рисунке 40.

         Момент короткого замыкания двигателя  в соответствии с  (25) равен

 

I_К.З.                                          (29)

 

При уменьшении потока момент короткого замыкания М_К.З уменьшается. Семейство механических характеристик при разных потоках показано на рисунке 41.

 

 

Из механических характеристик (см.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 (см.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 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 (см.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 (см.рисунок 43) или скорости вращения при М_Т=const путем изменения сопротивления в цепи якоря. Вместе с тем применение этого режима работы ограничено из-за необхо­димости выполнения условия w>w₀.

 

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 (см.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)

 

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 (см.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  (см.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 М_С1. Согласно характе­ристике (см.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 М_С2, 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;

Р_Э -  электрическая мощность, подводимая из сети;

Р_М - 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 (см.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.

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=R_Я+Rв+R_Р - суммарное сопротивление якорной цепи;

R_В - сопротивление обмотки возбуждения двигателя.

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.

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)I_H. Кратность допустимого момента, очевидно, будет выше, чем у двигателей параллельного возбуж­дения, поскольку при I>I_H, Ф>Ф_H Максимально допустимый момент двигателей последовательного возбуждения весьма высок и составляет примерно М_ДОП=(3,5-4,5)М_Н.  Этим объясняется широкое применение двигателей последовательного возбуждения для привода механизмов, работающих со значительными кратко­временными перегрузками (например, транспортные и грузоподъем­ные устройства).

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 последо-вательного 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

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 (см.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.

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 (см.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 (см.рисунок 55). Обмотки включаются согласно, т.е. нама­гничивающие силы их складываются

F=w_Пi_B+w_H  I_Я,                                         (43)

 

где  F – суммарная намагничивающая сила;

w_H, w_П  -  соответственно число   витков параллельной   и   последо­вательной обмоток;

I_B, I_Я  - ток параллельной обмотки и ток якоря.

При I_Я=0 намагничивающая сила F=w_H I_B¹0. 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 I_ЯП, ко­гда машина будет полностью размагничена, может быть найдено из равенства (43), если положить в нем F=0,

 

.                                                           (45)

 

 Поэтому все скоростные реостатные характеристики во втором квадранте имеют асимптотой вертикальную прямую, отстоящую от начала координат на величину I_ЯП (см.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 (см.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:

-U_Ф - фазовое напряжение статора двигателя;

-I₁ - фазовый ток статора;

-E_2K - 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;

-х_m, R_m - реактивное   и    активное   сопротивления   контура намагничивания;

- - скольжение двигателя;

- - синхронная угловая  скорость вращения;

-w - угловая скорость вращения ротора;

-f -  частота сети;

-р - число пар полюсов статора двигателя.

Приведенная  схема   замещения  позволяет   найти  выражение для тока ротора

,                                  (46)

 

где x_K=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 (см.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 М_К и соответствующее ему зна­чение скольжения S_К 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 (М_КГ) имеет большую ве­личину, чем критический момент для двигательного режима (М_К.Д), значения скольжений s_К 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 l_М=1,7-2,5 (для двигательного режима).

Важным показателем, опреде­ляющим свойства двигателя, явля­ется величина пускового момента М_П  (при w = 0). Для двигателей нормального исполнения М_П=(1-2)М_Н.

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 М_К.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)

Поскольку х_Кºf, 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  Dw_K=w₀-w_K=s_Kw₀, от частоты не зависит.

Установленные положения позволяют сделать следующие вы­воды. Если при изменении частоты пропорционально меняется напряжение, то М_K= соnst, а характеристики в пределах рабо­чей части параллельны (см.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.

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 (см.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=Р_ЭМ - Р₂ = Мw₀ - Мw = Мw₀s = P_ЭМ  s º s,  

 

где Р₂ - мощность на валу двигателя.

Так как s > 1, то DР > P_ЭМ.

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 (см.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.

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.

         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 I_P, протекающего по обмоткам статора, и величины сопротивления роторной цепи на механические характеристики асинхронного двигателя в режиме динамического торможения иллюстрирует рисунок 66. Величина постоянного тока I_P, 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 (М_К), 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 М_К. Дальнейшее увеличение угла J при нагрузках, превышающих М_К, 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 J_H= 20 - 30°. В таком случае перегрузочная способность

 

                                       (60)

 

Перегрузочная способность двигателя может быть повышена увеличением э.д.с. двигателя Е₁, т.е. форсировкой возбуждения.

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 (см.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» (М_ВХ). 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 М_П при этом уменьшится (кривая I, см.рисунок 69). Увеличение сопротивления пусковой обмотки приведет к уменьшению момента М_ВХ и к увеличению момента М_П (кривая 2, см.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 I_П определяется следующим образом. Если пренебречь активным сопротивлением двигателя ввиду его относительно малой величины, то реактивное сопротивление его х_Д можно найти из выражения

 ,                                                        (61)

 

где I_П.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 I_п находится из соотношения

 

.                                                  (64)

 

Ток в сети I_с при автотрансформаторном пуске будет меньше тока двигателя I_п 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 е_ист(t) или, если это источник тока, i_ист(t), числом фаз  m_ист 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 е_ист(t) или i_ист(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) U_ном; 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 (см.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.

 

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 (см.рисунок 42) ухудшается стабильность работы, что ставит диапазон регулирования в зависимость от величины нагрузки. Получение большого числа скоростей при данном способе регулирования затруднительно.

         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 Р_Н), 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 Р_Н»U_HI_H 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 (см.рисунок 49), так и в цепи возбуждения двигателя (см.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 (см.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 (см.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

скорости (см.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.

 

 

         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 (см.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 (см.рисунок 74) или с треугольника на двойную звезду (см.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.

         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, 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

 

М_К,И = М_К (U_И/U_НОМ)²,                                                (66)

 

где М_К,И, М_К - соответственно максимальные моменты, развиваемые двигателем при сниженном и номинальном напряжениях;

U_И, U_НОМ - 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.  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 i_У, 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.