Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

При одинаковом фазном напряжении магнитный поток при парал­ лельном соединении будет в 2,5 раза больше, чем при последователь­ ном (в два раза за счет половинного числа последовательно соединен­ ных витков и в 1,25 раза за счет меньшего обмоточного коэффициента). При переходе от удвоенного числа полюсов к меньшему полюсное деление увеличивается в два раза. Таким образом, индукция в зазоре Въ и, следовательно, вращающий момент при переходе к большей скорости вращения возрастает в 1,25 раза. Соединение фазных обмоток при высшей скорости вращения в этом случае выполняется звездой с двумя параллельными ветвями (YY), а при низшей —

Рис. 29-3. Регулирование скорости вращения изменением числа пар полюсов двигателя

звездой (Y). Эта схема переключения обмоток пригодна для двига­ телей привода вентиляторов.

Для получения приблизительно одинакового вращающего момента при обеих скоростях вращения, например, у двигателя для привода компрессора, применяется схема соединения обмоток ѵу/А. В этом случае фазное напряжение при переходе к высшей скорости вращения

уменьшается в |/3 ; следовательно, магнитный поток увеличивается только в 1,45 раза. Вследствие увеличения полюсного деления в два раза индукция в зазоре и вращающий момент при высшей скорости вращения составляют 0,7 индукции и момента при низшей скорости. Увеличение вращающего момента может быть достигнуто за счет соответствующего выбора шага обмотки и повышения плотности тока при высшей скорости вращения.

При необходимости сохранения одинаковой' мощности на обеих ступенях скорости вращения (для привода металлорежущих станков) применяется схема переключения обмотки Д /у Y.

29-4. Изменение частоты питающей сети

Этот способ применяется в тех случаях, когда требуется регули­ ровать скорость вращения одного или нескольких двигателей одно­ временно или получить скорость вращения более 3000 об/мин.

347

В качестве примера можно привести привод гребных винтов на судах, привод двигателей в деревообделочной промышленности со скоростью вращения 12 000 об/мин, привод электрошшшделей для шлифовки со скоростью вращения до 150 000 об/мин.

При питании двигателей от синхронного генератора изменение частоты достигается изменением скорости приводного двигателя. Это возможно только в сравнительно узких пределах. Существуют специальные схемы, которые позволяют регулировать частоту тока без изменения скорости приводного двигателя.

С изменением частоты тока будут изменяться в общем случае все величины, характеризующие работу двигателя: напряжение на за­ жимах, поток, ток холостого хода, вращающий момент, мощность, перегрузочная способность, скорость вращения. Анализ этого спо­ соба регулирования скорости отличается значительной сложностью. Поэтому приводятся только конечные результаты без вывода их.

Пусть поставлено условие, чтобы двигатель работал при перемен­ ной частоте, но с практически постоянными значениями к. п. д., cos ср, перегрузочной способности М т^ и постоянным абсолютным скольжением s. Если двигатель не насыщен, то поставленные условия соблюдаются при следующем соотношении между напряжением, частотой и вращающим моментом:

где !7і и М т — напряжение и вращающий момент при частоте / І; Uh и М и — те же величины при частоте fn .

димое к двигателю, должно изменяться пропорционально частоте. При использовании в качестве источника электроэнергии син­ хронного генератора изменение частоты и напряжения получается при постоянном возбуждении и изменяющейся скорости вращения. Если двигатель работает на центробежный вентилятор или на

f l \а

-т— , т. е. напряжение

'п /

на зажимах должно изменяться пропорционально частоте во второй

Иногда подобное регулирование частоты применяется для пуска крупных асинхронных двигателей.

29-5. Каскадные соединения асинхронных двигателей

При каскадном соединении двух асинхронных двигателей I и II (рис. 29-4) с числом пар полюсов р г и ри их роторы соединяются муф­ той или через редуктор. Обмотки обоих роторов соединяются между собой таким образом, чтобы вращающие моменты были направлены

348

в одну сторону. Обмотка статора одного из двигателей присоединя­ ется к сети, а второго двигателя — к пусковому реостату 1.

Скорость вращения поля первого двигателя пхі = 60/,/рі. Частота э. д. с. и тока в цепи ротора зависит от скорости вра-

Рі

щения общего вала каскада, т. е. /2 = -6() (ни — н е ­

магнитное поле второго двигателя вращается относительно ро­ тора со скоростью

Так как при выведенном пусковом реостате 1 второй двигатель может устойчиво работать только при малом скольжении, то скорость вращения пк будет близкой к п2ц, т. е.

цели служит пусковой реостат 2. При использовании в каскаде двухскоростных электродвигателей могут

быть получены еще четыре дополнительные ступени скорости враще­ ния.

Мощность Рэм, передаваемая через зазор ротору первой машины, частично преобразуется в механическую мощность первого ротора Р2і = Рэшпк/пи и частично передается второму ротору. Эта вторая часть Р2п = Рэм (пи — Пк)/пц в основном преобразуется в механичес­ кую мощность в результате взаимодействия вращающегося поля рото­ ра и тока статора. Если пренебречь потерями, то отношение мощностей и вращающих моментов, передаваемых каждым двигателем общему валу, будет:

Намагничивающая мощность, потребляемая из сети, расходуется на создание магнитных полей двух машин, поэтому ток холостого хода каскада значительно превышает ток холостого хода одного дви­ гателя. Это приводит к тому, что коэффициент мощности и перегру­ зочная способность каскада имеют пониженные значения.

349

Для получения скоростей вращения свыше 3000 об/мин и до 6000 об/мин при частоте сети 50 гц применяются двигатели с двумя роторами. Скорость вращения промежуточного ротора пп опреде­ ляется частотой сети f1 и числом пар полюсов обмотки статора рѵ Если на этом роторе поместить обмотку трехфазиого тока и включить ее в сеть, то скорость вращения поля относительно ротора будет п2 — Wf1/p2, а относительно неподвижного статора пп -f п2 (при оди­ наковом направлении вращения поля и ротора). Второй ротор будет вращаться в результате взаимодействия тока в проводниках его об­ мотки с вращающимся полем промежуточного ротора, и скорость его будет близкой к скорости

пп+ пг 60/t , 60/1

Pi Pi

Кроме описанных, имеется большое число каскадов разных типов с применением коллекторных машин переменного и постоянного тока, характеристики которых рассматриваются в соответствующих учебных пособиях.

Г л а в а т р и д ц а т а я

ОСОБЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ

30-1. Поворотный трансформатор и автотрансформатор

Асинхронная машина может быть использована при заторможенном роторе как поворотный трансформатор (фазорегулятор). Для этой цели машина должна иметь ротор с фазной обмоткой. Одна пз обмоток (рнс. 30-1, а) предназначена для создания вращающегося магнитного потока и включается в трехфазную сеть. При постоянстве напряжения сети U1и частоты fx будут также постоянными величины Егф, Фе и Е2ф (предполагается отсутствие нагрузки). Величина вто­ ричной э. д. с. Е2ф будет определяться коэффициентом трансформации э. д. с. [формула (23-6)]. Если оси рассматриваемых фаз обмоток статора и ротора совпадают в пространстве, то наводимые магнитным потоком э. д. с. в обмотке статора ЕХф н в обмотке ротора £'2ф достигают амплитудного значения одновре­ менно, т. е. совпадают по фазе (рнс. 30-1, б). Если повернуть ротор но вращению магнитного потока на геометрический угол ß (рис. 30-1, в), то величина э. д. с.

Ехф и Е2ф в пределах от нуля до 360°, т. е. получить трансформатор' с плавно изменяющейся группой соединения обмоток (§ 12-2). Геометрическим местом концов вектора э. д. с. Егф будет окружность с центром, совпадающим с началом вектора £^ф (рис. 30-1, г).

При включении нагрузки в цепь статора ток нагрузки создает активные и индуктивные падения напряжения в первичной и во вторичной цепях, которые будут -изменять величину и фазу вторичного напряжения, как указано в § 23-5.

Поворотный трансформатор применяется для регулирования фазы сеточ­ ного напряжения ртутных выпрямителей и тиратронов, в измерительной технике главным образом для проверки ваттметров и счетчиков.

350

одного ротора по вращению магнитного потока п второго ротора против вращения этого потока. Для сохранения порядка следования фая должно быті. произ­ ведено также переключение фая соответствующей обмотки статора. Векторная диаграмма э. д. с. сдвоенного поворотного автотрансформатора приведена на рис. 30-3, б.

Рис. 30-2. Поворотный автотрансформатор: а — схема соединений обмоток; б — поворот ротора на угол ß, а — геометрическое место концов вектора Е2ф н и гф

Поворотные автотрансформаторы применяются для регулирования напря­ жения в отдельных линиях станций, для широкого регулирования напряжения отдельных приемников, например электродвигателей, электропечей, в лабора­ торной практике.

Рис. 30-3. Сдвоенный поворотный автотрансфор­ матор: а — схема включения обмоток, б — диа­ грамма э. д. с.

Так как поворотный автотрансформатор работает при неподвижном состоя­ нии, то для него, так же как и для трансформатора, большое значение имеет охлаждение. При малой мощности и небольшом напряжении они выполняются с воздушным охлаждением, а при средней и большой мощности чаще всего имеют масляное охлаждение и вертикальное расположение вала.

352

30-2. Асинхронный генератор

Понятие о работе асинхронной машины в режиме генератора было дано в § 22-3, Б.

Пусть статор асинхронной машины включен в сеть с постоянным напряже­ нием U1и постоянной частотой /. Чтобы перевести машину в генераторный режим, необходимо увеличить скорость вращения ротора. При п = пг ротор и поле статора (первая гармоника этого поля) неподвижны относительно друг друга.

скольжение s становится отрицательным. В цени ротора асинхронного генера­

влиянием пересечения проводников ротора вращающимся магнитным потоком ФбтВ них наводится э. д. с.

Eos, отстающая от потокосцепления Ф"бтЧ>2 обмотки ротора на четверть периода, и при замкнутой цепи рото­

ра протекает ток /2. Вследствие нали­ чия потока рассеяния ротора ток отстает от э. д. с. на угол

II потокосцепления Фбтші также остается неизменным, а вектор ÈM — È2s

должен быть направлен в противоположную сторону относительно вектора Ег двигательного режима, что полностью соответствует знаку скольжения для гене­ раторного режима работы. Индуктивпое сопротивление x2s и угол т|)2 становится

отрицательным, т. е. вектор тока опережает вектор È2s на угол ф2. В уравнении (24-11) после деления числителя п знаменателя на s числитель становится отри­

цательным, следовательно, п ток также будет отрицательным, т. е. вектор І'.2 должен быть направлен в противоположную сторону относительно вектора тока ротора в двигательном режиме (с учетом изменения знака угла і|)2). Выполнен­ ное преобразование (24-11) позволяет получить зависимость тока в цепи ротора

(п тока) в цепи статора п на этом основании построить совмещенную векторную диаграмму э. д. с. и напряжений цепей ротора и статора. При построении век­

тора Д по уравнению (24-10, а) должен быть учтен изменившийся знак у вектора

тока ротора, т. е. It = /0 + Г„. Совмещенная векторная диаграмма для асин­ хронного генератора с обмоткой ротора, приведенной к обмотке статора, пока­

зана на рис. 30-4, б. Напряжение сети 1\ уравновешивается напряжением на зажимах генератора ІІ1Г, которое равно э. д. с. за вычетом индуктивного j l xxx и активного Іхгх падений напряжения в обмотке статора.

потока поступает из той же сети, в которую генератор отдает активную энергию. Следовательно, должна оставаться включенной в сеть также синхронная машина в качестве источника отстающего тока. Потребность в значительной реактивной

мощности является одним из основных недостатков асинхронного генератора и ограничивает его применение.

Работа асинхронного генератора в автономной установке, т. е. без связи с другими генераторами, возможна в том случае, если будут обеспечены условия для создания магнитного потока. С этой целью может быть применено возбужде-

354

нио асинхронного генератора со стороны ротора специальной коллекторной машины или использовано явление самовозбуждения от остаточного потока ротора с помощью конденсаторов (рис. 30-7, а).

Возможность самовозбуждения вытекает из того, что при наличии в цепи индуктивности и емкости происходит обмен энергиями между магнитным и электрическим полями.

При вращении ротора приводным двигателем в цепи статора появится э. д. с.

І?10ст от остаточного потока ротора Ф0сті отстающая от потокосцепления ФостМі на л/2 (рис. 30-7, б). Протекающий через конденсаторы под влиянием этой

э. д. с. ток / с опережает э. д. с. Ег на л/2, т. е. совпадает по направлению с на­

магничивающей составляющей тока холостого хода І0 (рис. 30-4, б). Этот ток приводит к увеличению э. д. с. Еъ что в свою очередь вызывает увеличение тока І с = / 0. Процесс нарастания тока и э. д. с. ограничивается насыщением магнитной цепи генератора и емкостью конденсаторов. При постоянной скорости вращения ротора частота и напряжение генератора автономной установки при нагрузке будут уменьшаться.

30-3. Электрическое торможение асинхронных машин

Для сокращения времени вращения ротора при остановке двигателя часто производится торможение его, при котором ускоряется превращение запасенной во всех движущихся частях электропривода кинетической энергии / со2/2 в тепло­ вую пли электрическую. Торможение применяется также в случае, если нагру­ зочный момент становится движущим, например при опускании груза.

Один из возможных способов торможения заключается в том, что асинхрон­ ную машину переводят в генераторный режим при условии, что скорость вра­ щения ротора выше синхронной. При уменьшении скорости вращения ниже синхронной машина автоматически переходит в двигательный режим. Для зна­ чительного понижения скорости вращения может быть использована машина с переключением числа полюсов, и тогда перевод в генераторный режим произ­ водится при включении обмотки статора на большее число полюсов. Однако и в этом случае нельзя довести ротор машины до полной остановки.

Более распространены два других способа торможения: изменением направ­ ления вращения поля (электромагнитное торможение) или созданием неподвиж­ ного в пространстве поля (динамическое торможение).

Переключением двух фаз обмотки статора можно изменить направление вращения поля статора. В первый момепт времени после переключения фаз скольжение s « 2 (5 22-4, В).

В отличие от торможения генератором в этом случае тормозной момепт сохраняет значительную величину до полной остановки ротора, т. е. до s = 1 (см. рис. 25-2). При остановке ротора обмотка статора должна быть отключена от сети во избежание перехода машины в двигательный режим с противополож­

тельно обмотки статора и обмотки ротора совпадают. Поэтому векторная диа­ грамма электромагнитного тормоза принципиально не отличается от векторной диаграммы двигателя.

Работа асинхронной машины в режиме электромагнитного тормоза может быть теоретически исследована с помощью круговой диаграммы. На рис. 30-5 тормозному режиму соответствует участок окружности от точки К (s = 1) до точки Т (s = ± оо). Определение Ръ Af3M, cos ф и s производится так же, как и для работы в режиме двигателя. Мощность Р2 в данных условиях отрицательна вследствие изменения знака скорости вращения ротора.

Вытеснение тока, имеющее место в стержнях ротора вследствие повышенной частоты, оказывает значительное влияние на активное и индуктивное сопротив­ ления обмотки. Потерн в стали также значительно увеличиваются. Это обуслов­

ливает расхождение между величинами, полученными из круговой диаграммы и из опыта.

Работа в режиме электромагнитного тормоза широко используется в подъем­ ных устройствах для уменьшения скорости спуска груза.

Схемы включения обмотки статора для торможения постоянным током при­ ведены на рис. 30-8. Постоянный ток, протекающий но обмотке, создает непод­ вижное в пространстве ноле. Проводники обмотки ротора при вращении пересе­ кают это поле и в них наводится э. д. с., которая вызывает в замкну­ той обмотке ток. Тормозной момент создается за счет взаимодействия то­ ка ротора и магнитного потока ста­ тора. Зависимость тормозного мо­ мента от скорости вращения для ряда значений сопротивления цепи ротора приведена на рис. 30-9. Харак-

тер этой зависимости подобен показанной на рнс. 25-3 для вращающего момента асинхронного двигателя (необходимо только учитывать относительную скорость вращения ротора и ноля статора).

В сеть постоянного тока может быть включена обмотка ротора; тогда в обмотку статора должен быть включен реостат.

Недостатком динамического торможения является резкое снижение тормоз­ ного момента при малых скоростях вращения до нуля при неподвижном роторе. Регулирование тормозного момента производится изменением величины по­ стоянного тока или изменением сопротивления цени ротора.

30-4. Включение обмоток статора и ротора в сеть

В общем случае обмотка статора и обмотка ротора асинхронной машины могут быть включены в сети с различной частотой /х и /2 (рис. 30-10). Ток І ІУ подведенный к статору, создает магнитное поле, первая гармоника которого вращается относительно статора со скоростью пх = 60 Д/р. Ток / 2, подведенный к ротору, создает магнитное поле, вращающееся относительно ротора со ско­ ростью л2 = 60 Д/р.

Для взаимодействия этих іюлей необходимо, .чтобы они были неподвижны

При включении обмоток статора н ротора в одну и ту же сеть Д = /2; в этом слу­ чае устойчивая работа машины всгзможна при скорости вращения ротора, равной нулю пли 2пх.

Описанный режим работы асинхронной машины применяется в тех случаях, когда требуется синхронное вращение нескольких электродвигателей, например в киносъемочной аппаратуре.

Если включить обмотки статора двух асинхронных двигателей в сеть, а обмотки их роторов соединить между собой, то можно получить согласованное вращение этих двигателей, так называемый «электрический вал» (рис. 30-11, а).

356