Электромеханические системы

Министерство образования и науки РФ

Пермский Государственный Технический Университет

Кафедра микропроцессорных средств автоматизации

Электромеханические системы

Конспект лекций для студентов АТП, КСК

Пермь, 2010

Содержание

Введение. 5

Глава 1. Трансформаторы.. 8

1.1. Назначение и принцип действия трансформатора. 8

1.2 Устройство трансформатора. 10

1.2.1 Устройство магнитопровода трансформаторов. 10

1.2.2 Устройство обмоток трансформаторов. 11

1.3. Магнитные потоки и ЭДС обмоток трансформатора. 13

1.4 Холостой ход трансформатора. 15

1.4.1 Ток холостого хода. 15

1.4.2 Векторная диаграмма трансформатора при холостом ходе. 16

1.4.3 Опыт холостого хода трансформатора. 17

1.4.4 Схема замещения трансформатора при холостом ходе и определение параметров цепи намагничивания z_m, r_m, x_m. 18

1.4.5 Потери при холостом ходе трансформатора. 18

1.5 Работа однофазного трансформатора под нагрузкой. 19

1.5.1 Приведение параметров вторичной обмотки к первичной. 19

1.5.2 Физические процессы в трансформаторе при нагрузке. 19

1.5.3 Векторная диаграмма трансформатора при нагрузке. 20

1.5.4 Схема замещения трансформатора при нагрузке. 22

1.6 Режим короткого замыкания трансформатора. 23

1.6.1 Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании. 23

1.6.2 Схема замещения трансформатора при коротком замыкании и определение параметров короткого замыкания z_к, r_к, x_к 24

1.6.3 Треугольник короткого замыкания. 25

1.7 Совмещение режимов холостого хода и короткого замыкания. 26

1.8 Относительное изменение вторичного напряжения трансформатора при нагрузке. 26

1.9 Потери и коэффициент полезного действия трансформатора. 28

1.10. Трехфазные трансформаторы.. 30

1.10.1 Устройство трехфазных трансформаторов и их особенности. 30

1.10.2 Группы соединения трансформаторов. 32

1.10.3 Параллельная работа трансформаторов. 34

1.10.4 Холостой ход трехфазного трансформатора. 34

Глава 2. Асинхронные машины.. 36

2.1 Устройство и принцип действия асинхронного двигателя. 36

2.2 Обмотки машин переменного тока. 38

2.3 Электродвижущая сила (ЭДС) обмотки машин переменного тока. 39

2.4. Режимы работы асинхронной машины.. 41

2.4.1 Двигательный режим работы.. 41

2.4.2 Генераторный режим работы.. 43

2.4.3 Режим противовключения. 43

2.5 Привидение параметров роторной обмотки к статорной. 44

2.6 Явления связанные с вращением ротора асинхронного двигателя. 45

2.7 Приведение асинхронного двигателя к эквивалентному трансформатору. 46

2.8 Векторная диаграмма асинхронного двигателя. 47

2.9 Схемы замещения асинхронной машины.. 48

2.10 Вращающий (электромагнитный) момент асинхронной машины.. 50

2.10.1 Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя. 50

2.10.2 Вращающий электромагнитный момент асинхронного двигателя. 51

2.10.2 Максимальный (критический) момент асинхронной машины.. 53

2.10.3 Расчетная формула момента асинхронного двигателя. 54

2.11 Рабочие характеристики асинхронного двигателя. 55

2.12 Пуск трехфазных асинхронных двигателей. 56

2.12.1 Пуск под номинальным напряжением (прямой пуск). 56

2.12.2 Пуск при пониженном напряжении. 56

2.12.3 Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором.. 58

2.13 Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей. Естественные и искусственные механические характеристики. 59

2.13.1 Изменение напряжения подводимого к статору. 59

2.13.2 Изменение частоты питающей сети. 60

2.13.3 Введение добавочного активного сопротивления в цепь статора. 61

2.13.4 Введение добавочного активного сопротивления в цепь ротора. 61

2.14 Тормозные режимы асинхронного двигателя. 62

2.14.1 Торможение с рекуперацией энергии в сеть. 62

2.14.2 Торможение противовключением.. 62

2.14.3 Динамическое торможение. 63

Глава 3. Машины постоянного тока. 66

3.1 Устройство и принцип действия машин постоянного тока. 66

3.2 Обмотки якоря машин постоянного тока. 68

3.3 Электродвижущая сила (ЭДС) обмотки якоря. 70

3.4 Реакция якоря в машинах постоянного тока. 70

3.5 Генераторы постоянного тока. 73

3.5.1 Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения. 73

3.5.2 Электромагнитный момент генератора постоянного тока. 74

3.5.3 Генератор независимого возбуждения. 75

3.5.4 Генератор параллельного возбуждения. 77

3.5.5 Генератор последовательного возбуждения. 80

3.6 Двигатели постоянного тока. 80

3.6.1 Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока. 81

3.6.2 Пуск двигателей постоянного тока. 82

3.6.3 Реверсирование двигателя постоянного тока. 82

3.6.4 Классификация двигателей постоянного тока. 83

3.6.4.1 Двигатель параллельного (независимого) возбуждения. 83

3.6.4.2 Двигатель последовательного возбуждения. 85

3.6.5 Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока. 86

3.6.5.1 Регулирование сопротивлением в цепи якоря. 86

3.6.5.2 Регулирование за счет изменения магнитного потока. 87

3.6.5.3 Регулирование изменением подводимого напряжения. 87

3.6.6 Тормозные режимы двигателя постоянного тока. 89

3.6.6.1 Генераторное торможение с рекуперацией (отдачей) энергии в сеть. 89

3.6.6.2 Торможение противовключением.. 90

3.6.6.3 Электродинамическое торможение. 91

Введение

Почти вся электроэнергия на Земле вырабатывается электрическими машинами (генераторами), а затем большая ее часть, электрическими двигателями преобразуется в механическую энергию. Электрические машины во многом определяют технический уровень промышленного производства. Без электрической энергии нельзя представить современное промышленное и сельскохозяйственное производство и жизнь цивилизованного общества.

Широкое применение электрической энергии имеет место благодаря возможности удобного ее распределения, передача на большие расстояния и высокому КПД при преобразовании в другие виды энергии. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях электрическими машинами – генераторами, преобразующими механическую энергию в электрическую. Основная часть электроэнергии (до 80%) вырабатывается на тепловых электростанциях, где при сжигании химического топлива (уголь, торф, газ) нагревается вода и переводится в пар высокого давления. Последний попадает в турбину, где, расширяясь, приводит ротор турбины во вращение (тепловая энергия в турбине преобразуется в механическую). Вращение ротора турбины передается на вал генератора (турбогенератора). В результате электромагнитных процессов, происходящих в генераторе, механическая энергия преобразуется в электрическую.

Процесс выработки электроэнергии на гидравлических электростанциях состоит в следующем: вода, поднятая плотиной на определенный уровень, сбрасывается на рабочее колесо турбины. Турбина вращается и вращает вал электрического генератора, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую. В процессе потребления электрической энергии происходит ее преобразование в другие виды энергии. Около 70% электроэнергии используется для приведения в движение станков, механизмов, транспортных средств, т. е., для преобразования ее в механическую энергию. Это преобразование осуществляется электрическими машинами – электродвигателями.

Электродвигатели – основной элемент электропривода рабочих машин. Хорошая управляемость электрической энергией, простота ее распределения позволили широко применить в промышленности многодвигательный электропривод рабочих машин. Электродвигатели широко применяются на транспорте в качестве тяговых двигателей электровозов, электропоездов, троллейбусов, трамваев и др.

За последнее время значительно возросло применение электрических машин малой мощности – микромашин мощностью от долей до нескольких сот Ватт. Такие электрические машины используются в устройствах автоматики и вычислительной технике.

Особый класс электрических машин составляют двигатели для бытовых электроустройств – пылесосы, холодильники, вентиляторы и др. Мощность этих двигателей невелика (от единиц до сотен Ватт), конструкция проста и надежна, и изготовляют их в больших количествах.

Электрическую энергию, вырабатываемую на электростанциях, необходимо передать в места ее потребления, прежде всего в крупные промышленные центры страны, которые удалены от мощных электростанций на многие сотни, а иногда и на тысячи километров. Передачу электроэнергии на большие расстояния осуществляют при высоком напряжении (до 500 кВ и более), чем обеспечиваются минимальные электрические потери в линиях электропередачи.

Поэтому в процессе передачи и распределения электрической энергии приходится неоднократно понижать и повышать напряжение. Этот процесс выполняется посредством электромагнитного устройства, называемого трансформатором.

Трансформатор не является электрической машиной, он преобразует лишь напряжение электрической энергии. Кроме того, трансформатор – это статическое устройство, и в нем нет никаких движущихся частей. Однако электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторах, аналогичны процессам, происходящим при работе электрических машин. Более того, электрическим машинам и трансформаторам свойственна единая природа электромагнитных и энергетических процессов, возникающих при взаимодействии магнитного поля и проводника с током.

Электрические машины – Электромеханические преобразователи энергии

Подавляющее большинство электромеханических преобразователей имеют вращательное движение. Обычно в электрических машинах имеет место взаимное перемещение проводников, в которых проходит электрический ток.

В электромеханических преобразователях энергии, взаимно перемещающиеся части разделены воздушным зазором. В воздушном зазоре сосредоточена энергия электромагнитного поля, связывающего вращающуюся и неподвижную обмотки. Именно в воздушном зазоре происходит преобразование энергии из электрической в механическую и обратно.

История развития электромеханики свидетельствует о существовании двух крайних подходов к теории электромеханического преобразования энергии: на базе теории поля и теории цепей. Теория поля развивается на основе уравнений Максвелла, а теория цепей – на основе уравнений Кирхгофа.

Третий, наиболее прогрессивный подход к анализу процессов электромеханического преобразования энергии – комбинированный подход, сочетающий теорию поля и теорию цепей. Магнитное поле не отделимо от токов, его создающих, а токи не могут существовать без магнитного поля. Третий метод, объединяющий два фундаментальных метода, и составляет теоретическую основу, когда исходя, из картины поля в воздушном зазоре записывают уравнения напряжений, а через токи или потокосцепления выражаются уравнения электромагнитного момента.

Электромеханическое преобразование энергии в индуктивных электрических машин происходит в воздушном зазоре – пространстве, где сосредоточена энергия магнитного поля. Зная картину поля, можно определить напряжение, токи, моменты, потери, электрические параметры и другие величины в установившемся и переходных процессах.

Однако определить магнитное поле в любом электромеханическом преобразователе – трудная задача, решить которую сложно даже с помощью вычислительной техники.

Преобразование энергии из электрической в механическую и обратно невозможно без участия электромагнитного поля. В машине должен быть воздушный немагнитный зазор, в котором создается поле, обеспечивающее накопление магнитной энергии, численно равной преобразуемой энергии.

Законы Электромеханики

Первый Закон

Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться с коэффициентом полезного действия 100%.

Электромеханические преобразователи – сложные преобразователи, в которых преобразование электрической энергии (Р_эл) в механическую (Р_мех) и обратно происходит с обязательным выделением тепловой энергии (Р_т). В каждой машине имеются потери в стали, обмотках, механические потери. Поэтому КПД всегда меньше 100%. Для электрической машины КПД можно определить как отношение полезной мощности к мощности, подводимой к электрической машине.

Для генератора .

Для двигателя .

Второй закон

Все электрические машины обратимы, т.е. одна и та же машина может работать в режимах двигателя и генератора. Обратимость электрической машины –… Работа в режимах двигателя и генератора – важнейшее преимущество ЭП,… В режиме генератора активная мощность забирается с вала машины и преобразуется в электрическую, в режиме двигателя –…

Третий закон

Электромеханическое преобразование энергии осуществляется полями, неподвижными относительно друг друга. Результирующее поле в машине создается полями статора и ротора.

Ротор может вращаться с той же скоростью, что и поле, или с другой скоростью, однако поля ротора и статора в установившемся режиме неподвижны относительно друг друга.

Глава 1. Трансформаторы

Назначение и принцип действия трансформатора

Трансформатор – это электромагнитный статический преобразователь с двумя или более неподвижными обмотками, который преобразует параметры переменного… Преимущественное применение в электрических установках получили силовые… Силовые трансформаторы широко применяются в энергосистемах при передаче электроэнергии от электростанции к…

Устройство трансформатора

Основные части трансформаторов – обмотки и магнитопровод. Магнитопровод состоит из стержней и ярм. На стержнях располагают обмотки, а ярма служат для соединения магнитопровода в замкнутую систему. Для изготовления магнитопроводов трансформаторов применяют тонколистовую электротехническую сталь. При частоте переменного тока 50 Гц применяют листы (полосы) толщиной 0,5 или 0,35 мм. При частотах 400 Гц и более применяют листы (полосы) толщиной 0,2–0,08 мм. При частотах 1000 Гц и выше магнитопроводы изготавливают из железоникелевых сплавов типа пермаллой, характеризующихся улучшенными по сравнению с электротехническими сталями свойствами: более высокой магнитной проницаемостью и меньшей коэрцитивной силой.

Устройство магнитопровода трансформаторов

Рис. 1.2. Магнитопроводы трансформаторов

Устройство обмоток трансформаторов

Для изоляции обмоток и других токоведущих частей трансформатора применяют изоляционные материалы, которые должны обеспечивать надежную работу… Конструкция обмоток должна обеспечивать хорошее их охлаждение, так чтобы…

Магнитные потоки и ЭДС обмоток трансформатора

Рис. 1.4 Схема работы трансформатора

Холостой ход трансформатора

Ток холостого хода

За счет потерь в стали ток холостого хода опережает по фазе создаваемый им магнитный поток и на векторной диаграмме (рис. 1.6) изображается вектором… Рис. 1.6. Векторная диаграмма напряжения, магнитного потока и тока холостого хода

Векторная диаграмма трансформатора при холостом ходе

Поток рассеяния, замыкающийся через магнитную среду и встречающий на своем пути большое немагнитное сопротивление, очень мал но сравнению с основным… (1.12) Записав, что (x1 – индуктивное сопротивление первичной обмотки), уравнению напряжений первичной обмотки…

Опыт холостого хода трансформатора

Для измерения тока холостого хода приложенного к первичной обмотке напряжения и потребляемой мощности в цепь первичной обмотки трансформатора,… Для большей точности измерения при опыте холостого хода первичной обмоткой…

Потери при холостом ходе трансформатора

∆P0 = ∆Pэл1 + ∆Pмагн (1.18) Так как ∆Pэл1 составляет 1 ¸ 2% от ∆P0 то ей пренебрегают,…

Работа однофазного трансформатора под нагрузкой

Приведение параметров вторичной обмотки к первичной

1) E2 ® E¢2, , (1.19) 2) I2 ® I¢2, E¢2∙I¢2 = E2∙I2 , ,

Физические процессы в трансформаторе при нагрузке

(1.24) где Rм – магнитное сопротивление магнитол повода потоку Фmax. Если же трансформатор работает с подключенной нагрузкой zн и основной магнитный поток создается совместным действием…

Векторная диаграмма трансформатора при нагрузке

Для построения векторных диаграмм запишем основные уравнения ЭДС и токов. Уравнение для первичной обмотки: (1.29)

Схема замещения трансформатора при нагрузке

Трансформатор представляет собой две независимые электрические цепи, связь между ними электромагнитная. Для упрощения расчета трансформатора применяют схемы замещения – эти схемы эквивалентны реальным трансформаторам. Т.к. вторичная обмотка приводится к первичной, то обе обмотки можно совместить в одну по которой протекает ток I₀. В этом случае объединенная обмотка играет роль намагничивающего контура, который создает основной магнитный поток, рис. 1.11.

Рис. 1.11. Схема замещения трансформатора при нагрузке

Схема замещения должна отвечать основным уравнениям ЭДС и МДС реального трансформатора. Схема позволяет анализировать работу реального трансформатора, т.е. по заданному току определяем

Режим короткого замыкания трансформатора.

Необходимо различать два режима короткого замыкания: 1) Аварийный режим – это режим в котором вторичная обмотка трансформатора… 2) Опытный режим короткого замыкания – это режим, когда вторичная обмотка накоротко замкнута, а к первичной обмотке…

Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании

Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании представлена на рис. 1.13. Для построения векторной диаграммы запишем основные уравнения ЭДС и токов: 1) (1.33)

Треугольник короткого замыкания

Используя схему замещения трансформатора при коротком замыкании, получим треугольник короткого замыкания.

Рис. 1.16. Треугольник короткого замыкания

Из треугольника следует

Обычно треугольник короткого замыкания строится для номинального тока и стороны его выражены в процентах от номинального напряжения.

U_к – представляет собой полное падение напряжения в обеих обмотках трансформатора.

Совмещение режимов холостого хода и короткого замыкания

Характеристики трансформатора при нагрузке определяют его рабочие свойства. Эти характеристики непосредственно можно получить только для… 1) Путем наложения треугольника короткого замыкания на режим холостого хода получим режим нагрузки т.е. получим…

Относительное изменение вторичного напряжения трансформатора при нагрузке

Изменением напряжения трансформатора называется (выраженная в % от номинального вторичного напряжения) арифметическая разность между номинальным… (1.38)

Потери и коэффициент полезного действия трансформатора

В процессе работы трансформатора под нагрузкой часть активной мощности Р1, поступающей в первичную обмотку из сети, рассеивается в трансформаторе на… Р1= Р2+∆Р∑ (1.42) В трансформаторе есть два вида потерь – магнитные и электрические.

Трехфазные трансформаторы

Устройство трехфазных трансформаторов и их особенности

По конструкции трехфазные трансформаторы бывают в двух основных видов: 1) Трансформаторы с независимой магнитной системой (групповые), где каждая…

Группы соединения трансформаторов

Группа соединения зависит от: 1) от направления намотки; 2) маркировки концов обмотки;

Параллельная работа трансформаторов

1) Напряжения первичных и вторичных обмоток трансформаторов должны быть одинаковыми, т.е. KI = KII = KIII = …. 2) Напряжения короткого замыкания параллельно работающих трансформаторов должны быть одинаковыми, т.е.

Холостой ход трехфазного трансформатора

При изучении режима холостого хода однофазного трансформатора мы видим, что при подведенном синусоидальном напряжении, кривые первичной ЭДС и… Холостой ход при соединении обмоток l/l

Глава 2. Асинхронные машины

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Асинхронная машина была изобретена М.О. Доливо-Добровольским и она была настолько совершенной, что до сих пор существенного изменения не получила. … Асинхронная машина имеет две основные части: 1) Статор – неподвижная часть машины, представляет собой магнитопровод, выполненный из листов электротехнической стали…

Обмотки машин переменного тока

В статоре расположены три фазы, сдвинутые на 120° электрических градусов каждая фаза на полюсном делении занимает часть.

Обозначим:

Z₁ – число пазов статора

2p – число полюсов

p – число пар полюсов

m₁ – число фаз

Число пазов на полюс и фазу (лежит в пределах 1 ¸ 9):

(2.3)

Число пазов равно:

(2.4)

Элементы обмоток переменного тока

Шагом обмотки называется расстояние от начала одной катушки до конца той же катушки. При однослойной обмотке – число катушечных групп в фазе = p При двухслойной обмотке – число катушечных групп в фазе = 2p

Электродвижущая сила (ЭДС) обмотки машин переменного тока

ЭДС фазы проследим по следующей структуре: проводник – виток – катушка – катушечная группа – фаза. Определим ЭДС проводника и витка с полным шагом y = t. При этом, так как проводники находятся в одинаковых магнитных условиях, то ЭДС витка будет равна арифметической сумме…

Режимы работы асинхронной машины

Разберемся, в каких пределах будет изменяться скольжение асинхронной машины и рассмотрим три её режима работы.

Двигательный режим работы

Пусть в начале ротор не вращается. Магнитное поле, пересекая проводники ротора индуктируют в них ЭДС. При замкнутой цепи ротора по обмотке его… Взаимодействие потока статора и тока ротора вызовет усилие, действующее на…

Генераторный режим работы

Если, например, под действием спускаемого груза раскрутить ротор до скорости больше синхронной, то машина перейдет в генераторный режим.

n₂ > n₁, S < 0 – скольжение отрицательное.

В этом режиме механическая мощность (P₂) будет преобразована в электрическую (P₁), которая будет отдаваться в сеть, а реактивная мощность (Q) будет потребляться для создания магнитного потока Ф (см. рис 2.7).

Режим противовключения

Если, например, в приводе имеется большой маховик, то если отключить двигатель, маховик будет вращаться длительное время до остановки, но если же мы переключим две фазы асинхронного двигателя, то его момент будет направлен против вращения маховика и время останова его резко сократится.

В этом режиме будет потребляться электрическая мощность (P₁, Q) из сети и механическая мощность (P₂) с вала и вся эта мощность будет теряться в роторе (см. рис 2.7).

Режим противовключения – тяжелый режим для асинхронной машины. Поэтому, если используется двигатель с фазным ротором, то на период работы в цепь ротора включают значительное сопротивление для ограничения тока. Если же используется короткозамкнутый двигатель, то пускают его при пониженном напряжении.

Ниже на рисунке представлены все три режима работы асинхронной машины.

Рис 2.7. Режимы работы асинхронной машины

Привидение параметров роторной обмотки к статорной

Под приведенной роторной обмоткой понимается такая эквивалентная роторная обмотка, которая имеет такое же число фаз, такое же число витков, как и… Приведение параметров делают для того, что наглядно можно было представить все…

Явления связанные с вращением ротора асинхронного двигателя

Запишем выражение ЭДС неподвижного ротора. (2.25) ЭДС для вращающегося ротора

Приведение асинхронного двигателя к эквивалентному трансформатору

Между обмотками статора и ротора двигателя, как и между первичной и вторичной обмотками трансформатора, существует только магнитная связь. Как и в… Такая аналогия между асинхронными двигателями и трансформаторами хорошо видна… Так как по физическому смыслу работа асинхронного двигателя аналогична трансформатору, то его работу приводят к режиму…

Векторная диаграмма асинхронного двигателя

Запишем основные уравнения ЭДС и токов для асинхронного двигателя и на основании этих уравнений построим векторную диаграмму, рис. 2.10. Из построения векторной диаграммы видно, что она во многом аналогична векторной диаграмме трансформатора при нагрузке.

1) (2.32)

2) (2.33)

3) (2.34)

Рис. 2.10 Векторная диаграмма асинхронного двигателя

Схемы замещения асинхронной машины

Для исследования работы асинхронной машины часто используются схемы замещения, которые должны отвечать основным уравнениям ЭДС и токов реальной… Реально обмотки статора и ротора связаны электромагнитно. Схемы, где… В Т-образной схеме замещения (рис. 2.11) сопротивления находятся в разных цепях, а из опыта короткого замыкания…

Вращающий (электромагнитный) момент асинхронной машины

Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя.

Для вывода формулы этого момента предварительно рассмотрим энергетическую диаграмму асинхронного двигателя (рис. 2.13). 1) Активная мощность, потребляемая из сети:

Вращающий электромагнитный момент асинхронного двигателя

М – электромагнитный момент, создаваемый в результате взаимодействия вращающего магнитного поля с током в роторе (предварительное определение).… Выразим электромагнитную и полную механическую мощность через электромагнитный… Pэм = M×w1, (2.46)

Максимальный (критический) момент асинхронной машины

Определим из полученного выражения критическое скольжение – Sкр соответствующего максимальному моменту: . (2.54) Обычно , то , поэтому критическое скольжение определяется соотношением активного сопротивления ротора к…

Расчетная формула момента асинхронного двигателя

Расчетная формула момента показывает, что момент асинхронного двигателя пропорционален потоку и активной составляющей тока ротора.

Запишем известное выражение момента:

Для вывода расчетной формулы используем нижнюю часть векторной диаграммы асинхронного двигателя, рис. 2.18.

Рис 2.18 Нижняя часть векторной диаграммы асинхронного двигателя

; ; ; тогда: , где тогда:

, (2.56)

т.е. момент зависит от потока и активной составляющей тока ротора.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рис. 2.19. Рабочие характеристики трехфазного асинхронного двигателя

Пуск трехфазных асинхронных двигателей

Основные величины, которые определяют режим пуска, являются пусковой ток I_п и пусковой момент М_п. При пуске возникают большие токи, которые снижают напряжение в сети, а у асинхронных двигателей . В короткозамкнутых асинхронных двигателях пусковой ток , а пусковой момент М_п мал. У двигателей с фазным ротором пусковой ток , пусковой момент М_п – большой. Поэтому при тяжелых условиях пуска применяют двигатель с фазным ротором.

Способы пуска асинхронных двигателей .

1. Пуск под номинальным напряжением.

2. Пуск при пониженном напряжении:

а) Реакторный

б) Автотрансформаторный

в) Пуск посредством переключения обмотки статора со звезды на треугольник.

3. Пуск двигателя с фазным ротором.

Пуск под номинальным напряжением (прямой пуск)

Прямой пуск асинхронных двигателей простой и нет необходимости в дополнительной аппаратуре.

Недостатки:

а) большие пусковые токи, что снижает напряжение в сети, а

б) большие ударные электромагнитные моменты

в) большие динамические усилия возникают в обмотках статора.

Поэтому асинхронные двигатели большой мощности пускаются при пониженном напряжении.

Пуск при пониженном напряжении

а) Реакторный способ пуска (рис. 2.20). При пуске для ограничения пускового тока в фазы двигателя включается… .

Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором

Пуск этого двигателя происходит при полном напряжении. Но за счёт введения активного сопротивления в роторную цепь увеличиваем пусковой момент и уменьшаем пусковой ток (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Пусковая диаграмма АДФР

Пуск производится в несколько ступеней. Это делается для того, чтобы уменьшить время пуска.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей. Естественные и искусственные механические характеристики

, или , откуда видно, что скорость вращения ротора можно регулировать: 1. f = var – изменять частоту подводимого напряжения.

Изменение напряжения подводимого к статору

Рис. 2.24. Механические характеристики АД при изменении напряжения на статоре Синхронная скорость w0 и критическое…

Изменение частоты питающей сети

Изменяется и магнитный поток, при чём он уменьшается с ростом частоты и увеличивается при её уменьшении. Это видно из уравнения равновесия ЭДС для… . Отсюда видно, что при росте f1 поток уменьшается, а при уменьшении f1 он растет. Этим объясняется и изменение…

Введение добавочного активного сопротивления в цепь статора.

Для ограничения величины пускового тока АД с короткозамкнутым ротором иногда в цепь статора вводят добавочное активное или индуктивное сопротивления.

При этом уменьшаются критический момент и критическое скольжение в двигательном режиме. Скорость, соответствующая критическому скольжению, несколько возрастает. Семейства механических характеристик для этих случаев изображены на рисунках.

Рис. 2.27. Механические характеристики АД при введении добавочного активного сопротивления в цепь статора

Введение в цепь статора добавочных сопротивлений вызывает понижение напряжения на его зажимах и уменьшает броски тока и пускового момента, что важно для смягчения ударов в передачах. Правда, в добавочном активном сопротивлении теряется часть энергии, а введение добавочного индуктивного сопротивления уменьшает коэффициент мощности двигателя.

Введение добавочного активного сопротивления в цепь ротора

Рис. 2.28. Механические характеристики АД при введении добавочного активного сопротивления в цепь статора

При введении в цепь ротора АДФР добавочного активного сопротивления увеличивается критическое скольжение, , максимум критического момента смещается в сторону больших скольжений, а величина его не меняется, т.к. он не зависит от активного сопротивления роторной цепи. Введение в цепь ротора добавочного активного сопротивления используется для ограничения пускового тока и увеличения пускового момента. Можно ввести такое R_доб, при котором критическое скольжение окажется равным 1 , а пусковой момент двигателя равным критическому. Физически увеличение пускового момента объясняется увеличением активной составляющей тока ротора (увеличением числа проводников обмотки ротора, на которые электромагнитные силы действуют по направлению вращения и уменьшением числа проводников, на которые электромагнитные силы действуют против направления вращения). Семейство механических характеристик двигателя, соответствующих разным по величине R_доб, введенным в цепь ротора, изображено на рисунке 2.28.

Тормозные режимы асинхронного двигателя.

АД может работать в трех тормозных режимах:

а) режим с рекуперацией (отдачей) энергии в сеть;

б) режим противовключения;

в) режим динамического торможения.

Торможение с рекуперацией энергии в сеть.

Это значит, что асинхронная машина как в двигательном, так и в генераторном режиме потребляет реактивную мощность, необходимую для создания… Торможение с отдачей энергии в сеть используется в подъемно-транспортных…

Торможение противовключением

Рис. 2.29. Механические характеристики АД с режимом противовключения a) при активном моменте сопротивления, б) при реактивом моменте сопротивления

Динамическое торможение

При отключении обмотки статора АД от сети, сохраняется лишь незначительный магнитный поток от остаточного намагничивания стали статора. ЭДС наводимая во вращающемся роторе и ток в роторе будут весьма малыми. Взаимодействие тока ротора с потоком от остаточного намагничивания не может создать сколько-нибудь значительного электромагнитного момента. Поэтому для получения должного тормозного момента необходимо искусственно создать надлежащий магнитный поток статора. Это может быть достигнуто подачей в обмотки статора постоянного тока или подключением к ним конденсаторов или тиристорного преобразователя частоты, обеспечивающего протекание по обмоткам статора емкостного тока, т.е. опережающего тока, создающего эффект емкости. В 1-м случае будет иметь место режим динамического торможения с независимым возбуждением, во 2-м – с самовозбуждением.

А) торможение с независимым возбуждением постоянным током

При динамическом торможении с независимым возбуждением обмотки статора отключаются от сети трехфазного тока и подключаются к источнику постоянного тока. Этот ток создает неподвижный в пространстве магнитный поток, который при вращении ротора наведет в последнем ЭДС. Под действием ЭДС в обмотках ротора потечет ток, от взаимодействия которого с неподвижным потоком возникает тормозной момент. Двигатель превращается в синхронный генератор с неявновыраженными полюсами, работающий при переменной скорости.

Симметричное включение 3-х обмоток статора в сеть постоянного тока невозможно без их переключений. Обычно используется одна из схем, приведенных на рис.

Рис. 2.30. Схемы подключения обмоток статора к источнику постоянного тока

Поскольку при питании постоянным током обмотки обладают только омическим сопротивлением, для получения нужного значения тока достаточно небольшого по величине напряжения. В качестве источника постоянного тока для двигателей небольшой и средней мощности используются полупроводниковые выпрямители, а для крупных двигателей могут использоваться специальные генераторы постоянного тока низкого напряжения.

Механические характеристики при различном значении постоянного тока и различном сопротивлении роторной цепи изображены на рисунке. Кривые 1 и 2 соответствуют одинаковому значению сопротивления цепи ротора и различным значениям постоянного тока в статоре, а кривые 3 и 4 – тем же значениям постоянного тока, но большему сопротивлению цепи ротора.

Рис. 2.31. Механические характеристики АД в режиме динамического торможения с независимым возбуждением

Из выражения для М_К следует, что критический момент двигателя в режиме динамического торможения не зависит от активного сопротивления цепи ротора.

Б) торможение с самовозбуждением

Этот способ торможения иногда применяется в установках с АДКЗР. Суть его заключается в том, что статор двигателя отключается от сети и к его обмоткам подключается батарея конденсаторов.

Машина будет работать самовозбужденным асинхронным генератором с отрицательным скольжением по отношению к магнитному полю, созданному в статоре свободными токами низкой частоты. Поэтому на валу двигателя возникает тормозной момент, величина которого тем больше, чем больше начальное значение отрицательного скольжения.

Рис. 2.32. Схема подключения АД в режиме динамического торможения с самовозбуждением

Толчок для самовозбуждения создает ЭДС, индуктируемая в обмотках статора потоком остаточного намагничивания вращающегося ротора. При вращении ротора со скоростью (50-100%) от w₀ поток остаточной индукции наводит в обмотках статора ЭДС порядка 0,5-1,5 В. Время переключения АД с момента отключения от сети и до присоединения емкости составляет 0,05-0,1 с. За это время поток ротора не успевает затухнуть окончательно. Поэтому самовозбуждение АД после присоединения емкости развивается за сотые доли секунды. Поскольку конденсаторы в данном случае находятся под напряжением весьма короткое время, оказывается возможным использование конденсаторов с номинальным напряжением, меньшим, чем если бы конденсаторы были подключены «наглухо», т.е. всегда. Да и срок службы их значительно больше, чем при глухоподключенной емкости.

Механические характеристики асинхронной машины в режиме торможения с самовозбуждением для различных значений емкости приведены на рисунке. Максимум тормозного момента при уменьшении емкости перемещается в область более высоких скоростей, причем он может в 5-8 раз превышать номинальный момент двигателя.

Рис. 2.33. Механические характеристики АД в режиме динамического торможения с самовозбуждением

Недостатком является возникновение тормозного момента только при ω > 30-50% от w₀, срыв тормозного момента при ω> ω_к, необходимость большой емкости для обеспечения тормозного эффекта при малых скоростях, ограниченность зоны торможения при каждой данной емкости. Эти недостатки могут быть существенно уменьшены при вентильном возбуждении АД, когда он будет работать в режиме автономного самовозбужденного генератора.

Глава 3. Машины постоянного тока

Устройство и принцип действия машин постоянного тока

Работа машин постоянного тока основана на двух законах: 1. Закон электромагнитной индукции , (3.1)

Обмотки якоря машин постоянного тока

Элементом обмотки якоря является секция (катушка), присоединенная к двум коллекторным пластинам. Расстояние между пазовыми частями секции должно… , (3.4) где Da, – диаметр сердечника якоря, мм.

Электродвижущая сила (ЭДС) обмотки якоря

При вращении якоря секции проходят под полюсами, при этом в них наводится ЭДС . Но индукция по всей площади полюсного деления не одинакова, к краям она уменьшается из-за большого сопротивления воздуха. Поэтому в расчетах берется средняя индукция. Обмотка якоря имеет проводников. Если обмотка якоря имеет параллельных ветвей, то на одну параллельную ветвь будет приходиться проводников. Поэтому для определения ЭДС обмотки якоря достаточно определить ЭДС одной параллельной ветви. Общая ЭДС ветви будет определяться суммой ЭДС в отдельных проводниках.

, (3.5)

где , – число оборотов в минуту.

Выразим величину ( ) через число полюсов ( ) и полюсное деление ( ), тогда:

, (3.6)

где – поток одного полюса, , – коэффициент зависящий от конструкции двигателя.

Окончательно получаем следующее выражение для ЭДС якоря:

. (3.7)

Реакция якоря в машинах постоянного тока

оси двигателя. На рис. рис. 3.4, б показан также график распределения магнитной индукции поля якоря в зазоре. Сердечник якоря намагничивается, и его… Рис. 3.4 Картины магнитных полей и графики магнитной индукции машины постоянного тока

Генераторы постоянного тока

Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию в электрическую. В зависимости от способов соединения обмоток возбуждения с якорем генераторы классифицируются:

1. Генератор независимого возбуждения (рис. 3.6, a).

2. Генераторы с самовозбуждением:

а) генератор параллельного возбуждения (рис. 3.6, б).

б) генератор последовательного возбуждения (рис. 3.6, в).

в) генератор смешанного возбуждения (рис. 3.6, г).

Рис. 3.6. Классификация генераторов постоянного тока

Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения

– механическая мощность на валу

– электромагнитная мощность

– отдаваемая электрическая мощность

– потери магнитные, механические, электрические, потери в щеточном контакте.

Рис. 3.7 Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения

Рис. 192

(3.8)

(3.9)

Разделив уравнение на ток якоря , получим:

или (3.10)

Электромагнитный момент генератора постоянного тока

Сила, воздействующая на проводник с током равна , (рис. 3.8). Для расчета принимаем, что ток во всех проводниках одинаков, индукция на полюсном… , (3.11) где – число проводников обмотки якоря.

Генератор независимого возбуждения

Рис. 3.9 Схема включения генератора независимого возбуждения. Свойства генератора определяются его характеристиками (рис 3.10).

Генератор параллельного возбуждения

Рис. 3.11 Схема включения генератора параллельного возбуждения.

Генератор последовательного возбуждения

Рис. 3.15 Схема включения и внешняя характеристика генератора…

Двигатели постоянного тока

Для генератора , откуда ток генератора .

Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока параллельного возбуждения представлена на рис. 3.17.

Рис. 3.17 Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

– электрическая потребляемая мощность двигателем;

– электромагнитная мощность;

– механическая мощность;

– потери в обмотке возбуждения;

– общий ток потребляемый из сети;

– разделив уравнение на ток , получим

, откуда

Пуск двигателей постоянного тока

Схема пуска, скоростные характеристики и временная диаграмма переходного процесса пуска двигателя постоянного тока представлены на рис. 3.18.

Рис. 3.18 Схема пуска, скоростные характеристики и временная диаграмма переходного процесса пуска двигателя постоянного тока

Уравнение равновесного состояния ЭДС двигателя , откуда ток равен: . При пуске двигателя ,следовательно и пусковой ток может быть больше номинального в 8÷10 раз. Это может привести к круговому огню на коллекторе и механической поломке двигателя. Поэтому, для ограничения пускового тока до используют пусковые реостаты, либо пусковые станции и ток при этом равен .

По мере разгона якоря в нем наводится, ЭДС и ток якоря уменьшается. Поэтому, после разгона якоря пусковые сопротивления в цепи якоря выводятся.

Реверсирование двигателя постоянного тока

Рис. 3.19 Реверсирование двигателя постоянного тока Электромагнитный момент . Если изменить направление тока в… Если на входе двигателя параллельного или последовательного возбуждения… Обычно это осуществляется изменением направления , т.к. изменение направления Ф сильно затянуло бы процесс реверса…

Классификация двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока классифицируются в зависимости от способа соединения обмотки возбуждения с якорем:

1. Двигатель параллельного (независимого) возбуждения (если обмотка возбуждения запитана от отдельного источника напряжения, то такой двигатель называется двигателем независимого возбуждения).

2. Двигатель последовательного возбуждения.

3. Двигатель смешанного возбуждения.

Двигатель параллельного (независимого) возбуждения

Рис. 3.21 Схема включения двигателя параллельного возбуждения

Двигатель последовательного возбуждения

Рис. 3.24 Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения: а –…

Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

С точки зрения регулирования частоты вращения, двигатель постоянного тока является универсальным. Можно регулировать скорость за счет изменения сопротивления в цепи якоря, магнитного потока и подводимого напряжения. Это видно из формулы: .

Регулирование сопротивлением в цепи якоря

Уравнения токов до и после введения сопротивления

, , откуда , т. е. ток и момент уменьшается ( ) .

При этом и скорость уменьшается. С уменьшением скорости ток якоря возрастает, и он достигнет исходного тока якоря, но при меньшей скорости .

Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря осуществляется в сторону уменьшения скорости, рис. 3.25.

Рис. 3.25 Скоростные характеристики при изменении сопротивления в цепи якоря.

Но так как ток якоря протекает по R_р, то увеличиваются общие потери, и снижается КПД. При постоянном токе, за счет увеличения падения напряжения , скорость двигателя уменьшается.

Регулирование за счет изменения магнитного потока

Ток якоря до и после изменения потока , , их отношение . Уравнение моментов . Уменьшим поток на , т. е. , ЭДС якоря . Напряжение примем за единицу, тогда .

Ток якоря возрос в 3,3 раза, тогда , то и (возрастает).

С увеличением скорости вращения, ток якоря будет уменьшаться, но он будет больше исходного , т. к. уменьшен поток. При уменьшении потока частота вращения возрастает, рис. 3.26.

Рис. 3.26 Скоростные характеристики при ослаблении магнитного потока.

Как правило, регулирование частоты вращения изменением потока производят в сторону увеличения. В сторону уменьшения регулирования малоэффективно из-за насыщения магнитной цепи.

Регулирование изменением подводимого напряжения

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения производится следующими способами:

1) Система генератор-двигатель (Г-Д).

2) Тиристорный преобразователь – двигатель (ТП-Д).

3) Широтно-импульсное регулирование.

Система генератор-двигатель (Г-Д)

В системе Г-Д в качестве управляемого преобразователя используется генератор постоянного тока (ГПТ) независимого возбуждения, приводимый во вращение асинхронным или синхронным двигателем. Принципиальная схема системы изображена на рис. 3.27. В качестве приводного двигателя рабочей машины используется двигатель постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения.

Пуск системы осуществляется включением сетевого (гонного) двигателя, вращающего генератор. Приводной двигатель перед этим должен быть полностью возбужден, т.е. его магнитный поток должен быть номинальным. Напряжение на обмотке возбуждения генератора постоянного тока должно быть равно 0. При подаче напряжения на обмотку возбуждения генератора и его увеличении, он будет развивать ЭДС, появится напряжение на якоре ДПТ и последний будет разгоняться. При номинальном возбуждении генератора, напряжение на якоре ДПТ номинальное.

Рис. 3.27 Схема и механические характеристики системы Г-Д

Питание обмотки возбуждения ГПТ в современных системах Г-Д, осуществляется от тиристорного или транзисторного возбудителя (ТВ). Семейство механических характеристик двигателя в системе Г-Д, соответствующее различным значениям ЭДС генератора изображено на рис.

Система тиристорный преобразователь-двигатель (ТП-Д)

В системе Г-Д используется большое число машин, что увеличивает стоимость установки и снижает надежность.

Поэтому в последнее время для регулируемого напряжения все чаще используются статические преобразователи на базе тиристоров, рис.3.28

Рис. 3.28 Система тиристорный преобразователь – двигатель.

Увеличивая угол управления α – площадь полупериода уменьшается, уменьшается среднее значение напряжения – U_ср, а следовательно уменьшается скорость вращения.

Широтно-импульсное регулирование

Идея регулирования напряжения подводимого к двигателю заключается в том, что, изменяя длительность подключения двигателя ключом (К) к сети, изменяется среднее значение напряжения, рис. 3.29. В качестве ключа используются схемы на базе тиристоров или транзисторов.

Рис. 3.28 Широтно-импульсное регулирование скорости ДПТ

Изменяя время импульса t_и изменяется скважность ,где t_и – время импульса; t_п – время паузы.

Рис. 236

Среднее значение U_ср=U₀e, а .

Как видим, изменяя среднее значение напряжения, можно регулировать частоту вращения двигателя. Эта система широко используется вместо контактарно-резисторных систем.

Тормозные режимы двигателя постоянного тока

Процессы торможения для значительного числа электроприводов являются очень ответственными, т.к. нечеткая работа, а тем более отказ в работе тормозного устройства, могут привести к серьезным авариям. Почти во всех рабочих механизмах с электроприводом используется электрическое торможение. Возможны следующие тормозные режимы электродвигателей:

1. Генераторное с рекуперацией энергии в сеть;

2. Торможение противовключением;

3. Электродинамическое, называемое обычно просто динамическим, торможение.

Все тормозные режимы являются генераторными.