Учебное пособие 800664

искусственными. С помощью искусственных характеристик регулируют скорость двигателя в соответствии с требованиями технологического процесса. В настоящее время практически используют следующие способы регулирования асинхронных двигателей:

изменением величины питающего напряжения;

изменением частоты питающего напряжения;

изменением активного сопротивления в цепи обмотки ротора асинхронного двигателя с фазным ротором. Эти способы регулирования непосредственно связаны с пусковыми свойствами асинхронных двигателей.

При пуске асинхронного двигателя ротор двигателя преодолевает момент сопротивления от рабочей нагрузки и момент инерции всех вращающихся частей приводимого механизма. При пуске должны выполняться два основных требования: вращающий момент ротора двигателя должен быть больше рабочего момента сопротивления, а пусковой ток должен быть небольшим. В практике используются следующие способы пуска.

Прямой пуск. Пуск двигателя непосредственной подачей напряжения сети на статор двигателя называют прямым пуском. При этом в начальный момент скольжение равно 100 %, а пусковой ток в роторе и статоре в 5-7 раз превышает номинальный. Пусковой момент при этом близок к номинальному моменту, а при действии случайных дополнительных нагрузок ротор не тронется с места. Большой пусковой ток может вызвать перегрев статорной обмотки и выход двигателя из строя.

По правилам Ростехнадзора прямое включение асинхронного двигателя в

сеть допускается при условии Nдв ≤ 0,25 Qсети,

где Qсети – мощность питающего трансформатора.

Пуск двигателей с улучшенными пусковыми свойствами. Улучшение пусковых свойств асинхронных двигателей достигается за счет специальной конструкции проводников ротора (двойная беличья клетка) или ротора с глубокими пазами для обмотки (глубина пазов в 9÷ 10 раз больше ширины).

Улучшение пусковых свойств таких двигателей достигается использованием эффекта вытеснения тока ротора на периферийный слой проводников за счет того, что индуктивное сопротивление проводников в глубине паза при частоте тока 50 гц выше. В результате ток в момент пуска протекает в основном по наружному слою проводников гораздо меньшего сечения и активное сопротивление обмотки получается выше. За счет этого уменьшается пусковой ток и увеличивается пусковой момент. По мере разгона скольжение и частота тока уменьшаются, выравнивается индуктивное сопротивление обмотки и ток ротора распределяется равномерно по сечению проводников. При сильно выраженном эффекте вытеснения тока становится возможным прямой пуск при меньших бросках тока и больших пусковых моментах.

Пуск переключением обмоток статора. При работе двигателя с номинальной нагрузкой его обмотки соединены в треугольник (рис. 2.23).

60

Рис. 2.23. Схема соединения обмоток двигателя "звездой" и "треугольником"

Для уменьшения броска тока при пуске их можно соединить в звезду. При этом напряжение на фазе будет в 1,73 раза меньше линейного, а, следовательно будет меньше и пусковой ток. При этом будет меньше и пусковой момент. Электрическая схема такого пуска показана на рис. 2.24. После включения пускателя Q переключателем S концы обмоток Х,У,Z присоединяют к линиям П1,П2, П3, а после завершения разгона двигателя переключатель переводят для соединения с линиями Р1, Р2, Р3. Такой способ пуска применим при небольшом нагрузочном моменте и для двигателей, нормально работающих при соединении обмоток в треугольник.

Рис. 2.24. Схема пуска асинхронного двигателя переключением обмоток статора со звезды на треугольник

61

Механические характеристики асинхронного короткозамкнутого двигателя при соединении обмоток статора звездой и треугольником показаны на рис. 2.25. Как видно из характеристик пуск двигателя указанным способом предпочтительно осуществлять без рабочей нагрузки. При этом пусковые токи получаются удовлетворительными.

Рис. 2.25. Механические характеристики асинхронного двигателя при соединении обмоток статора звездой и треугольником

Пуск двигателя изменением напряжения в цепи статора. Такая схема пуска изображена на рис. 2.26, а. При включении пускателя П статор питается через резисторы Rd пониженным напряжением. После разгона двигателя замыкается выключатель К и на обмотку статора подается номинальное напряжение.

а б Рис. 2.26. Схемы запуска двигателя (а – с помощью резисторов;

б – с помощью трехфазного трансформатора)

Подбором величины сопротивлений резисторов можно понизить напряжение на обмотках статора и ограничить пусковой ток до допустимой величины. При этом снижается и пусковой момент, и возникают значительные потери на сопротивлениях.

Понизить напряжение на статоре можно также с помощью трехфазного трансформатора, как на рис. 2.26, б.

62

Пусковая характеристика двигателя при пониженном напряжении на статоре двигателя показана на рис 2.27.

Рис. 2.27. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения, подводимого к статору

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения на статоре уменьшает максимальный момент двигателя

номинального момента сопротивления на рабочем органе машины, то двигатель не будет вращаться. Поэтому необходимо подобрать пусковое напряжение трансформатором (рис. 2.26, б) или резисторами (рис. 2.26, а), или производить запуск двигателя без нагрузки.

Частотное регулирование асинхронного двигателя. Изменяя частоту ν

при неизменном числе пар полюсов 2р можно изменять частоту вращения вала двигателя. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне (30 : 1). Механические характеристики при частотном регулировании (рис. 2.28) обладают высокой жесткостью. С уменьшением частоты ν критический момент несколько уменьшается в области малых частот вращения. Потери мощности при таком способе регулирования незначительны. Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей при постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.

63

Рис. 2.28. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании питающей сети

Регулирование частоты вращения вала асинхронного двигателя переключением пар полюсов в соответствии с формулой (2.23),

определяющей частоту вращения вала асинхронного двигателя, следует, что изменением числа пар полюсов 2р можно изменять частоту вращения магнитного поля и получать естественные механические характеристики с различной номинальной частотой вращения вала. Регулирование таким способом экономично, а механические характеристики сохраняют жесткость

Недостатком такого способа регулирования является ступенчатое регулирование скорости и только для короткозамкнутых специальных многополюсных асинхронных двигателей. Выпускаются двухскоростные двигатели с числом полюсов 4/2, 8/4, 12/6. Четырехскоростной двигатель имеет две переключаемые обмотки с полюсами 12/8/6/4. Такие двигатели более дорогие.

Существую два способа изменения действующих пар полюсов. В первом случае в пазы статора укладываются две обмотки с разным числом полюсов. Для разных скоростей используют разные обмотки. Во втором случае обмотку каждой фазы статора составляют из двух частей, которые соединяют параллельно или последовательно (рис. 2.29). При этом число пар полюсов изменяется в два раза.

Рис. 2.29. Схема переключения обмоток для изменения частоты вращения вала: а – с одинарной звезды на двойную; б – с треугольника на двойную звезду

64

2.6.3. Двигатели переменного тока с фазным ротором

Регулировать частоту вращения двигателя с фазным ротором можно путем введения в цепь питания ротора резисторов, а затем их ступенчатого выведения (рис. 2.30). Это приводит к увеличению потерь мощности и снижению частоты вращения вала двигателя за счет увеличения скольжения s.

Рис. 2.30. Схема подключения резисторов к роторной обмотке электродвигателя с фазным ротором

Последовательное ступенчатое уменьшение величины сопротивления резисторов в цепи питания роторных обмоток позволяет перейти через искусственные промежуточные механические характеристики двигателя на естественную характеристику. Из пусковой характеристики двигателя на рис. 2.31 видно, что при большом добавочном сопротивлении в цепи ротора механическая характеристика становится более мягкой.

Частота вращения вала двигателя значительно может быть уменьшена в том же диапазоне изменения пускового момента.

Рис. 2.31. Пусковая характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором

65

2.7. Общая характеристика гидравлических двигателей

Гидравлические двигателя предназначены для преобразования потенциальной или кинетической энергии жидкости в механическую энергию. В первом случае такими преобразователями являются гидродвигатели с вращательным движением выходного звена и гидроцилиндры с линейным перемещением выходного звена. Гидродвигатели используются в объемном гидроприводе.

Для преобразования кинетической энергии потока жидкости в механическую энергию вращательного движения используют турбины. Гидропривод с такими гидромашинами получил название гидродинамического привода.

Существует достаточно большое количество разнообразных конструкций гидродвигателей для объемного гидропривода.

Принципиальные технические решения современных гидродвигателей реализованы в следующих конструкциях:

шестеренные гидродвигатели;

героторные;

пластинчатые;

радиально-поршневые;

аксиально-поршневые с наклонным блоком;

аксиально-поршневые с наклонным диском;

многотактные аксиально-поршневые

линейные гидродвигатели;

поворотные гидродвигатели.

Основными параметрами гидродвигателей являются:

рабочий объем (см3/об) – объем жидкости, который необходимо пропустить через гидродвигатель для поворота его вала на 360° (один оборот);

рабочее давление (МПа);

крутящий момент (Н·м);

частота вращения (об/мин).

2.7.1. Конструкция и параметры гидравлических двигателей

Гидравлические двигатели вращательного движения сравнительно недавно получили применение в строительных машинах в отличие от ДВС и электрических двигателей. В настоящее время в строительных машинах применяют следующие конструкции гидродвигателей вращательного движения.

Шестеренные гидродвигатели (рис. 2.32) применяют в гидроприводах навесного оборудования мобильной техники, в приводах вспомогательных механизмов различных машин.

66

Рис. 2.32. Схема шестеренного гидродвигателя: А – вход высокого давления; Б – выход на слив; 1 – шестерня выходного вала; 2 – холостая шестерня; 3 – корпус гидромотора

Шестеренные гидродвигатели просты по конструкции, имеют низкую стоимость и высокую частоту вращения. Недостатком считается низкий КПД. Крутящий момент шестеренного гидродвигателя определяют по формуле

где р – перепад давлений на гидромоторе; b – ширина шестерен;

т – модуль зацепления;

z – количество зубьев шестерни.

Героторный гидродвигатель является разновидностью шестеренного гидромотора с внутренним зацеплением зубьев специального кругового

круговым зубом. Шестерня имеет от 4 до 8 зубьев, но всегда на один зуб меньше, чем внешняя. При плотном контакте вершины зуба шестерни с впадиной колеса ось шестерни смещена относительно оси колеса. При обкатывании шестерни по колесу ось шестерни перемещается по круговой орбите. Поэтому их называют орбитальными или планетарными гидромоторами (рис. 2.33).

В центре шестерни выполняют шлицевое отверстие, в котором размещается карданная передача для связи с выходным валом гидродвигателя. Рабочая жидкость в нагнетаемой полости действует на зубья ротора и создает крутящий момент. На выходном валу героторного двигателя выполнен вращающийся распределительный узел. Он направляет рабочую жидкость от насоса в нагнетательную полость героторной пары по осевым каналам в корпусе мотора, а отработанную жидкость в сливную магистраль.

67

Рис. 2.33. Чертеж героторного гидродвигателя

Героторные двигатели просты по конструкции, имеют большие крутящие моменты, малые габариты. Героторные двигатели имеют рабочий объем от 10 до 1000 см3 , частоту вращения от 5 до 1000 об/мин, максимальный крутящий момент до 2000 Н·м, давление до 20 МПа, мощность до 50 кВт. Героторные двигатели широко применяются в безредукторных приводах рабочих органов различных строительных машин. Крутящий момент двигателя определяется по специальным диаграммам, прилагающимся к документации на гидродвигатель.

Пластинчатые гидромоторы (рис. 2.34) представляют собой вал с продольными пазами, в которые вставлены пластины. Вал размещен в корпусе так, что пластины свободными торцами прижимаются к внутренним поверхностям корпуса. В радиальном направлении пластины прижимаются к корпусу пружинами, размещенными в пазах вала. В однотактных гидромоторах вал размещен эксцентрично относительно корпуса, в двутактных – симметрично. В последнем случае внутренняя поверхность корпуса выполнена овальной.

Достоинства пластинчатых гидромоторов заключаются в низком уровне шума, невысокой требовательности к чистоте рабочей жидкости, невысокой стоимости. Недостатком является сложность уплотнения торцов пластин, низкая ремонтопригодность, невысокий КПД.

Такие моторы работают на давлениях до 20 МПа, частотах вращения до 1500 об/мин. КПД моторов не превышает 0,8. Крутящий момент определяют по формуле

где р – перепад давлений на гидромоторе; q – рабочий объем гидромотора.

Рис. 2.34. Конструкция пластинчатого двухтактного гидромотора

68

Радиально-поршневые гидромоторы имеют вал с радиально расположенными камерами с поршнями. Поршни при высоком давлении на них жидкости воздействуют на эксцентриковый вал, приводя его во вращение в конструкциях с внутренней опорой поршней (рис. 2.35). Такие моторы являются моторами однократного действия, так как за один оборот эксцентрикового вала каждый поршень совершает один рабочий ход.

Рис. 2.35. Однотактный радиально-поршневой гидромотор с внутренним действием поршней

На валу имеется механизм распределения, который соединяет рабочие камеры поршней в определенном порядке с линиями высокого давления и слива. Крутящий момент гидромотора можно вычислить по формуле (2.25).

В конструкциях гидромоторов многократного действия поршни под давлением рабочей жидкости взаимодействуют с внешней опорой специального периодического профиля (рис. 2.36).

Рис. 2.36. Многотактный радиально-поршневой гидромотор с внешним действием поршней

69