Способы регулирования скорости трехфазных асинхронных электродвигателей. Достоинства и недостатки каждого способа.

Регулирование скорости вращения асинхронных электро­двигателей можно осуществить: изменением частоты питающего тока; изменением числа пар полюсов обмотки статора; введением дополнительных сопротивлений в цепь обмотки ротора. Первые два способа используются для регулирования скоро­сти вращения электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а последний — электродвигателей с фазным ротором (с кон­тактными кольцами).

Регулирование скорости вращения изменением частоты пи­тающего тока используется очень редко, так как этот способ применим лишь в случае, когда электродвигатель питается от отдельного генератора. В этом случае для регулирования скоро­сти необходимо менять скорость вращения питающего генератора в такой же пропорции, е какой должна меняться скорость регулируемого электродвигателя. Бели же электродвигатель пи­тается от сети трехфазного тока, то осуществить регулирование его скорости изменением частоты невозможно. На практике ре­гулирование скорости изменением частоты применяется лишь в. гребных электрических установках переменного тока, в кото­рых мощные гребные электродвигатели получают питание от отдельных генераторов и поэтому частоту питающего тока мож­но регулировать произвольно.

Наиболее часто на практике применяется второй способ, позволяющий достаточно просто осуществлять ступенчатое ре­гулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Если имеется возможность из­менять число пар полюсов обмотки статора то, следовательно, имеется возможность ступенчатого регулиро­вания скорости вращения электродвигателя, так как число пар полюсов может быть равно 1, 2, 3 и т. д. Электродвигатели, до­пускающие переключение числа пар полюсов, должны иметь в пазах статора либо несколько независимых обмоток, либо од­ну обмотку со специальным переключающим устройством. Оте­чественная промышленность выпускает двух-, трех- и четырех- скоростные электродвигатели, используемые в основном на морском транспорте и на некоторых кранах. Когда числа полю­сов значительно отличаются друг от друга, двух скоростные электродвигатели изготовляются с двумя независимыми об­мотками. Одна, например, может быть выполнена на 2 р = 2, а вторая на 2 р = 8 полюсов. Тогда при подключении к сети пер­вой обмотки магнитное поле статора будет вращаться со скоростью n ₁ = 60·50 / 1 = 3000 об / мин, а при подключении к сети второй обмотки — со скоростью n ₁ = 60·50 / 4 = 750 об / мин. Соответствую­щим образом будет изменяться при этом и скорость вращения ротора n ₂ = n ₁ (1— s).

Часто в пазы статора двухскоростного электродвигателя закладывают одну обмотку, но выполняют ее так, чтобы мож­но было включать ее при необходимости треугольником и двойной. При включении такой обмотки треугольником число полюсов равно 2 р = 2 а, а при вклю­чении двойной звездой 2 р = а (где а — любое целое число), т. е. при переходе от треугольника к двойной звезде число пар по­люсов статорной обмотки уменьшается вдвое, а скорость элек­тродвигателя возрастает вдвое.

Регулирование переключением числа пар полюсов применя­ется только для электродвигателя с короткозамкнутым рото­ром, потому что у электродвигателей с фазным ротором одновременно с переключением обмотки статора требуется переклю­чать и обмотку ротора, что усложняет конструкцию электродви­гателя и переключающего устройства. Данный способ регули­рования скорости отличается высокой экономичностью, но он не лишен и недостатков. В частности, регулирование скорости происходит не плавно, а скачками, требуется довольно сложное переключающее устройство, в особенности при числе скоростей большем двух; при переходе с одной скорости на другую раз­рывается цепь статора, при этом неизбежны толчки тока и мо­мента, коэффициент мощности при низших скоростях ниже, чем при высших из-за увеличения рассеяния магнитного потока.

Регулирование скорости введением дополнительных сопро­тивлений в цепь ротора возможно только у электродвигателей с фазным ротором.При введении раз­личных активных сопротивлений в цепь ротора жесткость ха­рактеристик изменяется,т. е. при одной и той же на­грузке скорость электродвигателя будет различной. Очевидно, чем выше величина дополнительного сопротивления, тем мягче искусственная характеристика и тем ниже скорость электродви­гателя. Последний способ позволяет получить широкий диапазон скоростей, но является крайне неэкономичным, так как при увеличении активного сопротивления цепи ротора растут потери энергии в электродвигателе, а значит уменьшается его к. п. д. Сами регулировочные реостаты, особенно для мощных электро­двигателей, получаются громоздкими и выделяют много тепла.

Необходимо также иметь в виду, что большинство электро­двигателей в настоящее время выполняется с самовентиляцией. Вследствие этого при понижении скорости вращения охлаж­дение ухудшается и электродвигатель не может развивать но­минальный вращающий момент.

7.Многоскоростные трехфазные асинхр.электродвиг. Особенности конструкции двигателей и мех. характеристики многоскоростных асинх. двиг. Асинхронные двигатели с переключением числа полюсов называют многоскоростными. Многоскоростные электродвигатели - асинхронные двигатели с несколькими ступенями частоты вращения, предназначены для привода механизмов, требующих ступенчатого регулирования частоты вращения.

Многоскоростные электродвигатели - электродвигатели специальной конструкции. Они имеют особую обмотку статора и нормальный короткозамкнутый ротор.

Наиболее простым способом получения двух разных чисел пар полюсов является устройство на статоре асинхронного двигателя двух независимых обмоток. Электротехнической промышленностью выпускаются такие двигатели с синхронными скоростями вращения 1000/1500 об/мин.

Существует, однако, ряд схем переключения проводников обмотки статора, при которых одна и та же обмотка может создать различные числа полюсов. Простое и широко распространенное переключение такого рода показано на рис. 1, а и б. Катушки статора, включенные последовательно, образуют две пары полюсов (рис. 1, а). Те же катушки, включенные в две параллельные цепи, как это показано на рис. 1, б, образуют одну пару полюсов.

Промышленность выпускает многоскоростные однообмоточные электродвигатели с последовательно-параллельным переключением и с отношением скоростей 1:2 с синхронными скоростями вращения 500/1000, 750/1500, 1500/3000 об/мин.

Описанный выше способ переключения не является единственным. На рис. 1, в приведена схема, образующая такое же число полюсов, как и схема, представленная на рис. 1, б.

Наибольшее распространение в промышленности получил, однако, первый способ последовательно-параллельного переключения, так как при таком переключении от обмотки статора может быть выведено меньше проводов, а следовательно, и переключатель может быть проще.

Три фазовые обмотки могут быть включены в трехфазную сеть звездой или треугольником. На рис. 2, а и б показано широко распространенное переключение, при котором электродвигатель для получения меньшей скорости включается треугольником с последовательным соединением катушек, а для получения большей скорости — звездой с параллельным соединением катушек (так называемой двойной звездой).

Наряду с двухскоростными электропромышленность выпускает также трехскоростные асинхронные двигатели. В этом случае статор электродвигателя имеет две отдельные обмотки, одна из которых обеспечивает две скорости путем описанного выше переключения. Вторая обмотка, включаемая обычно в звезду, обеспечивает третью скорость. При наличии на статоре электродвигателя двух независимых обмоток, каждая из которых допускает переключение полюсов, можно получить четырехскоростной электродвигатель. Числа полюсов подбирают при этом так, чтобы скорости вращения составили нужный ряд. Схема такого электродвигателя представлена на рис. 2, в. Следует заметить, что вращающееся магнитное поле будет наводить в трех фазах неработающей обмотки три э. д. с, одинаковые по величине и сдвинутые по фазе на 120°. Геометрическая сумма этих электродвижущих сил, как известно из электротехники, равна нулю. Однако, вследствие неточной синусоидальности фазовых э. д. с. тока сети, сумма этих э. д. с. может быть отличной от нуля. В этом случае в замкнутой неработающей обмотке возникает ток, нагревающий эту обмотку. В целях предотвращения этого явления схему переключения полюсов составляют таким образом, чтобы неработающая обмотка была разомкнута (рис. 12, в). Вследствие небольшой величины указанного выше тока у некоторых электродвигателей, разрыва замкнутого контура неработающей обмотки иногда не делают.

Выпускаются двухобмоточные трехскоростные двигатели, имеющие синхронные скорости вращения 1000/1500/3000 и 750/1500/3000 об/мин, и четырехскоростные двигатели, имеющие 500/750/1000/1500 об/мин. Двухскоростные двигатели имеют шесть, трехскоростные — девять и четырехскоростные — 12 выводов к переключателю полюсов.

Следует заметить, что существуют схемы двухскоростных двигателей, которые при одной обмотке позволяют получить скорости вращения, отношение которых не равно 1:2. Такие электродвигатели обеспечивают синхронные скорости вращения 750/3000, 1000/1500, 1000/3000 об/мин.

Путем использования специальных схем одной обмотки можно получить также три и четыре различных числа пар полюсов. Такие однообмоточные многоскоростные электродвигатели отличаются значительно меньшими габаритными размерами, чем двухобмоточные двигатели с теми же параметрами, что весьма важно для станкостроения.

Кроме того, у однообмоточных электродвигателей несколько выше энергетические показатели и меньше трудоемкость изготовления. Недостатком однообмоточных многоскоростных электродвигателей является наличие большего числа проводов, вводимых к переключателю.

Сложность переключателя определяется, однако, не столько числом выведенных наружу проводов, сколько числом одновременно осуществляемых переключений. В связи с этим были разработаны схемы, позволяющие при наличии одной обмотки получить три и четыре скорости при относительно простых переключателях.

Рис. 2. Схемы переключения полюсов асинхронного двигателя.

Такие электродвигатели выпускаются станкостроительной промышленностью при синхронных скоростях 1000/1500/3000, 750/1500/3000, 150/1000/1500, 750/1000/1500/3000, 500/750/1000/1500 об/мин.

Вращающий момент асинхронного двигателя может быть выражен известной формулой

где Iг — ток в цепи ротора; Ф — магнитный поток двигателя; φ2— угол сдвига фаз между векторами тока и э. д. с. ротора.

Новые однообмоточные многоскоростные электродвигатели в зависимости от схемы переключения допускают регулирование скорости с постоянной мощностью и с постоянным моментом.

Небольшое число ступеней регулирования, которое может быть получено у асинхронных двигателей с переключением полюсов, обычно позволяет использовать такие двигатели на станках только при наличии специально сконструированных коробок скоростей

механические характеристики многоскоростных асинхронных электродвигателей отличаются хорошей жесткостью и достаточной перегрузочной способностью.

11.Торможение противовключением трехфазных асинхронных электродвигателей. Режим противовключения имеет место тогда, когда во вращающемся двигателе переключают две фазы статорной обмотки, что приводит к изменению направления вращения поля статора: ротор и поле статора вращаются в противоположных направлениях. В режиме противовключения скольжение s >l. Двигатель потребляет из сети активную мощность, в то же время потребляется механическая мощность вращающегося ротора. Обе эти мощности преобразуются в потери, так как полезная мощность равна нулю. Ротор энергично тормозится. Если в момент, когда s =1, фазы обмотки статора не будут отключены от сети, то ротор будет разгоняться в противоположном исходному направлению вращения и произойдет реверс двигателя. Данный режим позволяет получать большие моменты, благодаря чему время торможения существенно уменьшается. Если при переключении чередования фаз двигатель включить при скорости близкой к нулю, то двигатель перейдет в двигательный режим работы другого направления вращения. При таком способе торможения в двигателе возникают большие токи, поэтому данный режим применяется для двигателей с ФР и введением дополнительного сопротивления в цепь ротора для ограничения максимального тока двигателя.
В асинхронном двигателе с ФР момент и ток двигателя можно регулировать введением в цепь ротора дополнительного сопротивления. При торможении вся энергия выделяется на сопротивлении ротора и дополнительном сопротивлении, поэтому этот режим является неэкономичным.

8. Устройство синхронных генераторов с неявнополюсными и явнополюсными роторами.Конструктивная схема машины. В зависимости от расположения якоря синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой и средней мощности выполняют с неподвижным якорем для удобства отвода электрической энергии от обмотки якоря или ее подвода к ней. Поскольку мощность возбуждения невелика, подвод постоянного тока к расположенной на роторе обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. В синхронных машинах с неподвижным якорем якорь выполнен так же, как и статор асинхронной машины. На нем имеются пазы, в которых уложена трехфазная обмотка. Сердечник якоря запрессован в остов, для крепления машины на остове имеются лапы.Возможно также крепление с помощью фланца или другими способами. На валу ротора установлен вентилятор, обеспечивающий охлаждение машины.Возбуждение синхронной машины осуществляется в данном случае от возбудителя. Конструкция ротора. В машинах с неподвижным якорем применяют две различные конструкции ротора: явнополюсную (рис. 286, а) и неявнополюсную (рис. 286,б). Явнополюсный (с явновыраженными полюсами) ротор обычно используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек 2 прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках 3 полюсов и укрепляют полюсными наконечниками 1.Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой

Рис. 286. Расположение обмотки возбуждения на роторе синхронной явнополюсной (а) и неявнополюсной (б) машины

стали. Двухполюсные и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, выполняют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно, так как не обеспечивается необходимая механическая прочность крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения 2 в такой машине размещается в пазах сердечника 5 ротора, изготовленного из массивной стальной поковки, и укрепляется в них немагнитными металлическими клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят стальными массивными бандажами. Примерно 1/3 каждого полюсного деления ротора не имеет пазов; эти части образуют так называемые «большие зубцы» 4, через которые входит и выходит поток возбуждения. По своему назначению синхронные машины подразделяют на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы и синхронные двигатели. Назначение машины в значительной степени определяет и ее конструкцию. Турбогенераторы, приводимые во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами, выполняют неявнополюсными. Для получения стандартной частоты 50 Гц они должны иметь при двух полюсах частоту вращения 3000 об/мин, а при четырех полюсах—1500 об/мин. Гидрогенераторы приводятся во вращение тихоходными турбинами, частота вращения которых составляет несколько десятков или сотен оборотов в минуту, поэтому они выполняются с большим числом полюсов (16—96) и имеют явнополюсные роторы. Дизель-генераторы, работающие от двигателей внутреннего сгорания, и синхронные двигатели небольшой и средней мощности выполняют обычно явнополюсными, мощные же двигатели — неявнополюсными. Дизель-генераторы и синхронные двигатели выполняют, как правило, с горизонтальным расположением вала (рис. 287, а). В дизель-генераторе обычно имеется один подшипник; в качестве второй опоры ротора используется подшипник самого дизеля, вал которого жестко соединяется с валом ротора генератора. В синхронных машинах с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках (рис. 287, 6) размещаются стержни беличьей клетки, выполненной из меди или латуни. С торцовых сторон ротора стержни соединяются с короткозамыкающими кольцами. В генераторах эту клетку называют демпферной обмоткой; она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при резких изменениях режима работы машины. В синхронных двигателях беличья клетка служит в качестве пусковой обмотки.

Рис.Электромагнитная схема синхронной машины и схема ее включения

9.Принцип действия синхронного генератора. Системы возбуждения синхронного генератора. Синхронный генератор – это машина переменного тока, преобразовывающая какой-либо вид энергии в электрическую энергию. Генератором называется электрическая машина, преобразовывающая механическую энергию в электрическую. Синхронной называется бесколлекторная машина переменного тока, скорость вращения которой постоянна и определяется (при заданной частоте) числом пар полюсов: n = 60*f/p;(f = 50Гц), где р – количество пар полюсов. Например: двадцатиполюсный генератор должен иметь скорость п = 60*50/10 = 300 об/мин. Принцип действия. Статор 1 синхронной машины (рис. 6.1, а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4,питаемую от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством

контактных колец 5 и щеток 6 (рис. 6.1, б). При вращении ротора 2 с некоторой частотой n ₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную ЭДС Е, изменяющуюся с частотой (6.1) f₁ = рп₂ /60.

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то проходящий по этой обмотке многофазный ток I _а создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (6.2) n₁ = 60f₁ /р.

Из (6.1) и (6.2) следует, что n₁ = n₂, т. е. что ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Поэтому рассматриваемую машину называют синхронной. Результирующий магнитный поток Ф_рез синхронной машины создается совместным действием МДС обмотки возбуждения и обмотки статора, и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор. В синхронной машине обмотку, в которой индуцируется ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения,— индуктором. Следовательно, в приведенной машине (рис. 6.1) статор является якорем, а ротор — индуктором. Для принципа действия и теории работы машины не имеет значения — вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотку якоря, к которой подключают нагрузку, располагают на роторе, а обмотку возбуждения, питаемую постоянным током, — на статоре. Такую машину называют обращенной. Обращенные машины имеют сравнительно небольшую мощность, так как у них затруднен отбор мощности от обмотки ротора. Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т. е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением U и частотой f₁ проходящий по обмотке ток создает, так же как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (6.2). В результате взаимодействия этого поля с током I _в, проходящим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме — тормозным. В рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, раположенной обычно на роторе. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой вращения п ₁ = п ₂ независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.Таким образом, для установившихся режимов работы синхронной машины характерны следующие особенности:а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т. е. п ₂ = п ₁;б)частота изменения ЭДС Е, индуцируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;в)в установившемся режиме ЭДС в обмотке возбуждения не индуцируется; МДС этой обмотки определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы машины. СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН: Большинство синхронных машин имеет электромагнит­ное возбуждение.Источниками постоянного тока для обмо­ток возбуждения являются специальные системы возбуж­дения, к которым предъявляется ряд важных требований:1)надежное и устойчивое регулирование тока возбуж­дения в любых режимах работы машины;2)достаточное быстродействие, для чего применяется форсировка возбуждения, т. е. быстрое увеличение напря­жения возбуждения до предельного значения, называемого потолочным. Форсировка возбуждения применяется для поддержания устойчивой работы машины во время аварий и в процессе ликвидации их последствий. Потолочное напряжение возбуждения выбирают не менее 1,8-2 номи­нального напряжения возбуждения. Скорость нарастания напряжения при форсировке возбуждения должна быть не менее 1,5-2 номинальных напряжений на контактных кольцах ротора в секунду;3) быстрое гашение магнитного поля, т. е. уменьшение тока возбуждения машины до нуля без значительного по­вышения напряжения на ее обхмотках. Необходимость в гашении поля возникает при отключении генератора или по­вреждении в нем.

---

Дата добавления: 2015-07-14