книги из ГПНТБ / Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие

относительно своих обмоток направление потока энер­ гии машины двойного питания будет зависеть от харак­ тера нагрузки на ее валу. Так, в случае работы машины, когда она преодолевает определенное статическое сопро­ тивление, баланс мощности имеет вид:

Л - Ры = kMU - кМ (А - /,) = kMf, = Р2.

Следовательно, если при согласном вращении полей машина работает в двигательном режиме, то мощность Рг статорной цепи, имеющей большую частоту (/1 > / 2), частично преобразуется в механическую Ры и частично (Р2) передается через роторную цепь в сеть меньшей ча­ стоты (А). Если же будет иметь место обратное соотноше­ ние частот /2 > А, то мощность будет поступать со сто­ роны ротора (Р2), преобразовываться в механическую Рм п направляться на вал, а второй ее поток Рг будет через статорную цепь передаваться в сеть меньшей частоты А-

В тормозных режимах работы машины двойного пи­ тания ее энергетический баланс будет носить несколько

ность между Рх и Рм должна быть покрыта за счет энер­ гии частоты А- Так как машина получает энергию со стороны вала и из сети низшей частоты, то отдает она ее

всеть высшей частоты А-

Впроведенном анализе не учитывались потерн энер­ гии в цепях машины двойного питания. Они в какой-то мере влияют на энергетические соотношения, но не из­ меняют общий принцип определения направления пото­ ков энергии.

Вторым характерным режимом работы машины двой­ ного питания является такой, при котором поля обмоток статора и ротора движутся в противоположных направле­ ниях относительно соответствующих обмоток. Скорость

вала машины в этом случае определяется выражением

При любом характере нагрузки скорость вала будет больше скорости полей статора или ротора.

В случае двигательного режима работы машины энер­ гия будет подводиться от обоих источников питания с ча­ стотами А и А и передаваться в виде механической энер­ гии на вал двигателя. В геператорпом режиме работы энергия с вала будет передаваться обоим источникам

120

при частотах jx и /2. Нетрудпо заметить, что в соответ­ ствии с (2-96)—(2-98) количество потребляемой или от­ даваемой источниками энергии определяется в' данных режимах соотношением их частот.

2-5. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Синхропные двигатели занимают в промышленных автоматизи­ рованных электроприводах значительное место и применяются главным образом для привода механизмов, скорость которых не требуется регулировать. Они используются в качестве двигателей

для его возбуждения в нормальном рабочем режиме. Процессу пуска двигателя и рабочему режиму соответствуют различные ме­ ханические характеристики.

При пуске синхронного двигателя его обмотка статора подклю­ чается к сети, при этом ротор приводится в движение благодаря наличию пусковой обмотки. Обмотка возбуждения двигателя при пуске замыкается на ограничивающий резистор /?р, показанный на рнс. 2-58. Сопротивление последнего выбирается равным 8—10- кратному значению сопротивления обмотки возбуждения двигателя. При большем значении сопротивления в начальный момент пуска излишне повышается напряжение на кольцах, к которым подклю­ чена ОВ. Меньшая величина сопротивления недостаточно ограничи­ вает ток в ОВ п вызванную этим током дополнительную составляю­

121

щую момента, что приводит к заметному уменьшению момента при скорости, близкой к половине синхронной.

Синхронные двигатели выполняются с пусковыми клетками двух типов, что позволяет получить различные механические харак­ теристики, аналогичные характеристикам 1 и 2 на рис. 2-59, а. Второй из них соответствует относительно большой пусковой мо­ мент вследствие повышенного активного сопротивления, тогда как для первой пусковой момент значительно меньше. Однако характе­ ристике 2 соответствует большее, чем характеристике 1 , значение скольжения при номинальном статическом моменте на валу двига­ теля sB2 > «он что затрудняет процесс вхождения двигателя в син­ хронизм (см. гл. 9). Двигатели, у которых пусковая клетка выполня­ ется с повышенным активным сопротивлением, применяются обычно

Рпс. 2-59. Механические характеристики син­ хронного двигателя.

а — при пуске; б — п установившемся режиме ра­ боты.

для механизмов с большим значением статического момента прп пуске. К таким механизмам могут быть отнесены нерегулируемые прокатпые станы, где значительны силы трения при низких скоро­ стях ц требуется повышенное значение пускового момента. Обычно

= 0,02-г-0,05, вследствие чего двигатель легко входит в синхронизм. Для механизмов с увеличивающимся по мере разбега привода ста­ тическим моментом, например, при вентиляторпом характере ста­ тического момента, более приемлемы двигатели с механической ха­ рактеристикой 1.

Обратим внимание на то обстоятельство, что пусковые клетки синхронных двигателей рассчитываются на кратковременный ре­ жим их работы продолжительностью 20—30 с. Увеличение времени пуска выше допустимого может привести к перегреву клетки и ее повреждению. Связь между скольжением и моментом сипхронного двигателя прп работе на пусковой клетке приблизительно вы­ ражается формулой (2-55), как у обычного асинхронного дви­ гателя.

122

После процесса синхронизации угловая скорость синхронного двигателя определяется выражением

ша = 2n f j p ,

где fx — частота сети, Гц;

р — число пар полюсов.

Механическая характеристика синхронного двигателя пред­ ставляет собой прямую, параллельную осп абсцисс, как показано на рис. 2-59, б, т. е. при изменении нагрузки на валу двигателя его скорость остается постоянной. В сплу этого модуль жееткостп мехаппческой характеристики синхронного двигателя во всех точках равен бесконечности. Однако мгновеипые значения скорости ротора синхронного двигателя в процессе работы могут несколько отли­ чаться от синхронной скорости со0, например, вследствие отставания

Рис. 2-60. Упрощенная векторпая диаграмма (я) и угловая характеристика (б) синхронного дви­ гателя.

ротора от поля статора при увеличении нагрузки на валу, так как при этом происходит увеличение угла между векторами напряжения сети и э. д. с. статора, определяемой потоком возбуждения.

В связи с указанным весьма важной для анализа работы син­

характеристикой синхронного двигателя.

Для установления указанной зависимости обратимся к упро­ щенной векторной диаграмме синхронного двигателя, цриведенной на рис. 2-60, а. На этой диаграмме приняты следующие обозначе­ ния:

7 — вектор фазного тока статора;

Е, Uc — векторы фазных э. д. с. обмотки статора п напряжения ■ сети;

хс — индуктивное сопротивление фазы статора; ср — фазовый угол сдвига между током статора и напряжепием

сети; 0 — внутренний угол сдвига между э. д. с. статора и напря­

жением сети.

При построении диаграммы принято, что активное сопротивле­ ние обмотки статора пренебрежимо мало {Rc « 0). В этом случае

123

вся активная мощность, потребляемая из сети, передается на ротор, т. е.

Зависимость момента синхронного двигателя от угла внутрен­ него сдвига фаз приведена па рис. 2-60, б. Наибольшего значения момент двигателя достигает при угле 0 = л/2. Эта величина харак­ теризует собой перегрузочную способность синхронного двигателя. Увеличение угла 0 более значения я/2 может привести к неустой­

чивой работе двигателя и выпадению ого из снпхроннзма. При меньших значениях 0 его работа устойчива. Важной величиной,

отмеченной на рис. 2-60, б, является номинальный угол сдвига фаз 0 н, который характеризует возможный длительный режим работы

двигателя по условиям нагревания, а следовательно, и его номи­ нальный момент М ц. Отношение максимального момента к номи­ нальному так же, как и для асинхронного двигателя, называется перегрузочной способностью и обозначается

Х= М м/Л1ц.

Номинальный угол сдвига фаз обычно составляет 30—25°, а перегрузочная способность синхронных двигателей лежит в пре­ делах 2—3.

Для механизмов с переменной пагрузкой, особенно при вероят­ ности возникновения ее пиков, применяются двигатели с высокой перегрузочной способностью. В некоторых случаях осуществляется автоматическое увеличение э. д. с. двигателя за счет кратковре­ менного его перевозбуждения, что приводит к увеличению Е, а зна­ чит, к повышению М ы и соответственно X. Следует также отметить, что синхронный двигатель менее чувствителен к снижению напря­ жения питающей сети, чем асинхронный двигатель, так как его мо­ мент согласно (2 -1 0 0 ) пропорционален первой степени напряжения.

Векторная диаграмма рис. 2-60, а и полученные на основании ее анализа выводы справедливы для иеявнополюснон синхронной машины, положение ротора которой относительно поля статора

124

иллюстрируется на рис. 2-61, а. Вращающий момент в такой машине может возникнуть только при наличии тока в распределенной об­ мотке возбуждения.

Для трехфазных синхронных машин с явно выраженными полю­ сами зависимость момента от угла внутреннего сдвига фаз имеет вид:

где ха, xq — реактивные сопротивления по продольной п поперечной осям.

Второй член в приведенном выражении представляет собой значение реактивного момента синхронной машины с явпо выражен­ ными полюсами. Из анализа (2-101) следует, что явнополюсный син­ хронный двигатель может развивать некоторый момент п без воз-

Рис. 2-61. К иллюстрации работы синхронного двига­ теля с неявнополюсным (а) и явнополюсным (б, в) ро­ торам .

бужденпя. Это объясняется тем, что магнитное поле статора стре­ мится удержать вращающийся ротор в таком положении, когда магнитное сопротивление потоку минимально. Показанному, на рис. 2-61, б положению ротора соответствует синхронное вращение его при идеальном холостом ходе н совпадении осп полюсов с осью потока вращающегося поля. Еслп на валу двигателя возникает ста­ тический момент, то ось полюсов начинает отставать от поля ста­ тора. В двигателе создается реактивный момент, стремящийся сохранить минимальным магнитное сопротивление по продольной оси. Этот момент уравновешивает статический момент иа валу. Мак­ симум реактивного момента соответствует повороту осп ротора иа 45 эл. град., как показано на рис. 2-61, в.

В промышленных установках малой мощности некоторое приме­ нение находят реактивные синхронные двигатели. Конструкция их такова, что ппдуктпвпые сопротивления по продольной и попереч­ ной осям существенно отличаются друг от друга, в связи с чем воз­ растает п вел1 гчпна реактивного момепта двигателя.

Следует отмстить, что с погрешностью порядка 10—20% для крупных явнополюсных двигателей можно пренебречь составляющей

125

реактивного момента п пользоваться выражением (2-100), выведен­ ным для пеявпополюсной синхронной машины.

Синхронный двигатель с пусковой обмоткой в принципе может работать в тех же тормозных режимах, что н асинхронный. В режи­ ме рекуперативного генераторного торможения он вращается с син­ хронной скоростью и преобразует механическую энергию, поступаю­ щую с вала, в электрическую с последующей передачей ее в сеть переменного тока. Механическая характеристика в этом случае является продолжением характеристики в двигательном режиме, что показано па рис. 2-59, б.

Обычно для торможения синхронных двигателей применяется режим динамического торможения, прп котором обмотка статора замыкается па дополнительное сопротивление. Возбуждение осуще­ ствляется от собственного возбудителя пли отдельного возбуди­ тельного агрегата, что не равноценно, так как в первом случае напряжение па обмотке возбуждения снижается по мере уменьшения скорости машины прп торможении. Механические характеристики синхронной машины в режиме динамического торможения аналогич­ ны характеристикам асинхронной машины.

Синхронный двигатель отличается от других машин том свой­ ством, что с его помощью можно регулировать потребление реактив­ ной мощности из сети. Пояснить это положение можно следующим образом. Если пренебречь падением напряжения в обмотке статора двигателя, обусловленным активным и индуктивным сопротивле­ ниями, то в. д. с., возникающая в обмотке статора при работе двига­ теля без нагрузки, равна напряжению сети. Она определяется ре­ зультирующим магнитным потоком в воздушном зазоре. Последний определяется и. с. обмотки статора п обмотки возбуждения. В том случае, когда ток возбуждения отсутствует, весь поток создается только током статора. Синхронный двигатель при этом, так же как и асинхронный двигатель, работающий без нагрузки, потребляет из сети реактивный ток, отстающий от напряжения па 90°. Если ма­ шину возбудить, то часть результирующей н. с. будет создана током возбуждения ротора н намагничивающий ток статора уменьшится. Дальнейшее увеличение тока возбуждения приведет к тому, что ток обмотки статора может стать размагничивающим. В противном слу­ чае поток машины оказался бы больше результирующего, соответ­ ствующего заданной э. д. с. Таким образом, при перевозбуждении синхронный двигатель будет потреблять размагничивающий ток, опережающий по фазе напряжение на угол 90°, т. е. машина будет работать генератором реактивной энергии.

На рис. 2-62 приведены векторные диаграммы синхронного дви­ гателя прп постоянной нагрузке на палу, неизменном напряжении

сети и разных по величине токая возбуждения. Векторы н I q на этом рисунке представляют собой составляющие тока статора по продольной и поперечной осям. В том случае, когда синхронный двигатель недовозбужден (рнс. 2-62, я), недостаток реактивной энер­ гии покрывается сетью, т. е. двигатель, кроме активного тока, уча­ ствующего в создании момента па валу, потребляет реактивный — намагничивающий — ток. Ток возбуждения может быть выбран таким образом (рис. 2-62, б), что из сети потребляется только актив­ ный ток. Если двигатель перевозбужден (рнс. 2-62, в), то избыток реактивной энергии отдается в сеть. Полный ток двигателя характе­ ризуется при этом двумя составляющими: активной п реактивной, последняя для двигателя является размагничивающей.

126

Векторные диаграммы, соответствующие приведенным режимам работы синхронного двигателя, позволяют судить о том, что нрн

Рис. 2-62. Векторные диаграммы синхронного двигателя при оди­ наковой нагрузке на валу и разных токах возбуждения.

возбуждения по условиям допустимого нагрева обмоток возбуж­ дения и самораскачпваппя двигателя.

127

2-6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОСТРОЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ МЕХАНИЧЕСКИХ II СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК* ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В ряде случаев возникает необходимость построения меха­ нических или скоростных характеристик двигателей па основании экспериментальных данных. Определяется это отсутствием каталож­ ных данных н расчетных параметров машин, необходимостью полу­ чить истинную характеристику машины, а не типовую, которая при­ водится заводами для серии двигателей, и рядом других причин.

Рис. 2-64. К принципу работы нагрузочных уст­ ройств, предназначенных для эксперименталь­ ного построения статических механических ха­ рактеристик.

Механические характеристики любого двигателя эксперимен­ тальным методом могут быть получены с помощью различных нагру­ зочных устройств. Простейшие из них применительно к асинхрон­ ному двигателю приведены на рис. 2-64.

При снятии механической характеристики двигатель включа­ ется в сеть, при этом пзмеряется его угловая скорость, а тормозной момент на валу создается, например, посредством колодочного тор­ моза (рпс. 2-64, а) пли нагрузочной машины И М постоянного тока, работающей в режиме динамического торможения (рис. 2-64, б). На тех же рпсунках приведены характеристики, которые могут быть получены от соответствующих тормозных устройств. Для установки с колодочными тормозами различные тормозные моменты М п , М Т2, М та могут быть получены за счет изменения усилия давлеипя на тор­

128

мозной диск, а для установки с тормозной машиной — за счет изме­ нения сопротивления якорной цени. Зависимости Мт (со) пока­ заны на рис. 2-64, а сплошными линиями. Установившийся режим работы рассматриваемой установки характеризуется равенством моментов тормоза и испытуемого двигателя, т. е. М и,л — М т— О, в связи с чем для удобства определения рабочей точки двигателя на том же рисунке пунктирными линиями показаны зависимости

— М т(со).

Изменяя тормозной момент на валу асинхронного двигателя в схеме рнс. 2-64, я, можно получить ряд точек его механической характеристики (1, 2, 3). Однако при увеличении скольжения выше sis, снять характеристику в зоне аб не удается, так 7сак режим работы двигателя становится статически неустойчивым. Обратимся, на­ пример, к точке 4. При случайном увеличении скорости двигателя момент его возрастает и двигатель стремится перейти в устойчивый режим работы, соответствующий точке 3. В то же время при слу­ чайном еппжешш скорости вследствие статической неустойчивости системы двигатель из режима работы, соответствующего точке 4, затормозится до скорости, раиной нулю.

Несколько большие возможности имеет установка с тормозным генератором, работающим в режиме динамического торможения но схеме рнс. 2-64, б. Зависимости момента нагрузочной машины М и.м (<в) показаны на рнс. 2-64, б тонкими сплошными прямыми, а зависимости —М и-м (со) — пунктирными. С помощью этой уста­ новки может быть снята часть характеристики аснихронпого двига­ теля н в зоне между точками а и б. Примером тому служит статически устойчивая работа системы в точке 4'. При случайном возрастании скорости нагрузка на валу здесь увеличивается в большей степени, чем момент двигателя, п система возвращается в точку устойчивой работы 4'.

Обратим внимание На то обстоятельство, что поток энергии в рассматриваемых системах может быть направлен, как это пока­ зано па рис. 2-64 стрелками, только пз сети на вал двигателя. Энер­ гия, полученная нз сети, теряется в тормозных устройствах. Вслед­ ствие указанного положения является естественным, что характе­ ристики исследуемой машины могут быть сняты только для двига­ тельного режима, ибо для генераторного режима машина должна была бы получить энергию с вала. Отметим также, что аналогичные установки для экспериментального снятия мехапическнх характе­ ристик двигателей могут быть созданы, если в качестве нагрузочных устройств применить электромагнитные индукционные тормоза.

Более совершенную экспериментальную установку, правда с бо­ лее сложным оборудованием, можно получить, если в качестве тор­ мозного устройства попользовать нагрузочную машину постоян­ ного тока независимого возбуждения НМ, соединенную с агрегатом, состоящим пз машины постоянного тока МП п асинхронного илп синхронного двигателя Д, как показано на рис. 2-65, а. Такая уста­ новка позволяет сиять механические характеристики испытуемого двигателя МД во всех рабочих режимах.

На рис. 2-65, б приведены характеристики нагрузочной машины НМ, соединенной по спстеме генератор—двигатель с машппой МП. Зависимости момента нагрузочной машины MILM (со) при разных зна­ чениях э. д. с. М П показаны на рис. 2-65, б сплошными линиями, а зависимости—ЛГц.м (со) — пунктирными. Если пспытуемая машина П Д работает в двигательном режиме, то Н М работает в качестве