Торможение противовключением.

Электрические машины

(базовый курс)

 

 

Учебное пособие

Специальность 15.02.07

«Автоматизация технологических процессов и производств»

(для всех форм обучения)

 

Пермь, 2017

 

 

Составитель: кандидат технических наук доцент Хлыбов Александр Борисович

 

Рекомендовано предметной цикловой комиссией электротехнических дисциплин

Протокол № от 2017г.

 

Оглавление

1. Классификация и принцип действия электрических машин
2. Машины переменного тока
Асинхронные машины. Основные понятия и область применения
Устройство асинхронного двигателя
Принцип действия и режим работы асинхронного двигателя
Зависимость электромагнитного момента от скольжения
Механическая характеристика асинхронного двигателя
Пуск асинхронных двигателей
Тормозные режимы асинхронных машин
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя
Коэффициент мощности асинхронного двигателя
3. Машины переменного тока
Синхронные машины. Основные понятия и область применения
Принцип действия и устройство синхронных машин
Характеристики синхронного генератора
Параллельная работа синхронных генераторов
Синхронные двигатели. Принцип действия и устройство
Пуск синхронного двигателя
Потери и КПД синхронных машин
4. Машины постоянного тока
Основные понятия и область применения
Принцип действия и устройство генератора постоянного тока
Электродвижущая сила машины постоянного тока
Работа генератора постоянного тока
Способы возбуждения генераторов постоянного тока
Двигатели постоянного тока
Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока
Пуск в ход электродвигателей постоянного тока
Механическая характеристика двигателя постоянного тока
Торможение двигателей постоянного тока
5. Приложения
Приложение 1. Асинхронный двигатель. Пример расчета
Приложение 2. Синхронный генератор. Пример расчета
Приложение 3. Машина постоянного тока. Пример расчета
Приложение 4. Краткая сравнительная характеристика основных типов электрических машин

 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

 

Электрические машины широко используют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, системах автоматического регулирования и управления. Такие машины пре­образуют механическую энергию в электрическую, и наоборот.

Машина, преобразующая механическую энергию в электри­ческую, называется генератором, а машина, преобразующая электрическую энергию в механическую, называется двига­телем.

Электрическая машина также может служить для преобра­зования электрической энергии одного рода тока (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения постоянного тока) в энергию другого рода тока. Такие электрические машины называются преобразователями.

Электрические машины делятся на машины постоянного и пе­ременного тока. Машины переменного тока могут быть как одно-, так и многофазными. Наибольшее применение нашли трехфазные синхронные и асинхронные машины.

Принцип действия электрических машин основан на физиче­ских законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Согласно этим законам, а также законам Ома, Джоуля—Ленца можно получить основные соотношения между величинами, харак­теризующими рабочий процесс в электрических машинах.

Два полюса электромагнита, создающего магнитное поле, показа­ны на рис. 1. В магнитном поле между полюсами помещен провод­ник, сечение которого изображено кружком. Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов поместить про­водник и под действием какой-либо силы F перемещать его, то в нем возникает ЭДС, значение которой определяется формулой

 

е = Blv,

 

где В — магнитная индукция в месте, где находится проводник;

l — активная длина проводника, т. е. та часть, которая находится в магнитном поле;

v — ско­рость перемещения проводника в маг­нитном поле.

Это соотношение предполагает, что проводник перемещается перпендикулярно направлению магнитных сил линий поля.

Направление ЭДС определяется правилом

правой руки.

Если этот проводник замкнуть на какое-либо

сопротивление приемника электрической энергии, то в

замкнутой цепи под дей­ствием ЭДС будет протекать

электрический ток, совпадающий по направлению с ЭДС

в проводнике.

В результате взаимодействия тока I в проводнике с

магнитным полем создается электромагнитная сила F_ЭM, направление которой определяется по правилу левой руки, т, е. эта сила будет направлена навстречу силе, перемещающей проводник в магнитном поле.

При равенстве сил F = F _ЭM проводник будет перемещаться с по­стоянной скоростью.

В такой простейшей электрической машине механическая энер­гия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в электрическую энергию, т. е. такая машина работает генератором.

Если от постороннего источника электрической энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромаг­нитная сила F_ЭМ под действием которой проводник начнет пере­мещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого- либо механического приемника энергии. В таком режиме машина будет работать двигателем.

В режиме генератора (рис. 2) электромагнитный момент М_ЭМ противодействует вращению, уравновешиваясь моментом М_ДВ пер­вичного приводного двигателя (турбина, дизель и т.п.). В режиме двигателя электромагнитный момент М _ЭМ действует по направле­нию вращения (рис. 3). При равномерном вращении ему проти­водействует момент сопротивления М_С приводимого в движение механического устройства (станок, насос, вентилятор и т.п.).

 

 

Любая электрическая машина может быть использована в качестве как генератора, так и двигателя. Это свойство электрической машины изменять направление преобразуе­мой ею энергии называется обратимостью машины.

 

Принцип обратимости электрических машин был установлен русским академиком Э. Ленцем в 1833 г.

Конструктивно электрическая машина состоит из двух основ­ных частей: вращающейся — ротора (от лат. rotor — вращающий­ся) и неподвижной — статора (от лат. stator — стоящий).

 

Запомните

· Наличие магнитного поля и проводников с током является не­обходимым условием для работы электрической машины как преобразователя энергии, а постоянное взаимодействие между ними достигается вращательным движением.

· Электрическая машина обладает принципом обратимости, т. е. может работать и как генератор, и как двигатель.

 

.

 

 

2. МАШИНЫПЕРЕМЕННОГО ТОКА

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

 

Наибольшее распространение среди электрических двигате­лей получил трехфазный асинхронный двигатель, впервые скон­струированный известным русским электриком М.О.Доливо – Добровольским в 1889 г. Этот двигатель практически не подвергал­ся серьезным изменениям до наших дней.

Асинхронный двигатель отличается простотой конструкцией и несложностью обслуживания. Так же как и любая машина пере­менного тока, асинхронный двигатель состоит из ротора 1 и стато­ра 2 (рис. 4). Асинхронная машина может работать в режиме как двигателя, так и генератора. Однако из-за ряда существенных не­достатков асинхронные генераторы практически не применяются. Различают несколько типов асинхронных двигателей: трех-, двух-, однофазные и линейные. Промышленностью выпускаются асин­хронные двигатели с широким диапазоном мощностей: от несколь­ких ватт до нескольких мегаватт. За прошедшие годы асинхронные двигатели нашли очень широкое применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их используют в электро­приводе металлорежущих станков, подъемно-транспортных ма­шин, транспортеров, насосов, вентиляторов. Маломощные двига­тели используются в устройствах автоматики.

Принципиальным недостатком асинхронных двигателей явля­ются трудности, связанные с регулированием частоты вращения. Кроме того, эти двигатели имеют относительно низкий коэффи­циент мощности cosφ (0,85—0,90 при полной нагрузке и 0,2—0,3 на холостом ходу).

Асинхронные двигатели — самые распространенные двигатели на производстве и в быту.

Рис. 4. Асинхронная машина: 1 – ротор; 2 – статор.

 

 

УСТРОЙСТВО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

Асинхронный двигатель состоит из неподвижной части — стато­ра и вращающейся части — ротора. Частями статора являются магнитопровод и корпус. Сердечник собран из изолированных листов электротехнической стали, С внутренней стороны полый цилиндр сердечника статора снабжен пазами, в которые закладывается статорная обмотка (рис. 5, а). Число индуктивных катушек, образую­щих обмотку, должно быть кратно трем (3, 6, 9, 12 и т. д.).

В зависимости от конструкции обмотки ротора различают си­ловые асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ро­торами. Ротор представляет собой укрепленный на валу цилиндр, собранный, так же как и сердечник статора, из листов электротех­нической стали (рис. 5, б). В большинстве случаев ротор снабжа­ется короткозамкнутой обмоткой, состоящей из медных или алю­миниевых стержней, уложенных без изоляции в пазы на внешней поверхности магнитопровода ротора. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же материала.

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым рото­ром наиболее прост, надежен в работе и дешев.

Реже ротор снабжается фазной (катушечной) обмоткой (обычно для двигателей большой мощности), выполняемой изолированным проводом. В этом случае на валу ротора укрепляются три металли­ческих контактных кольца, изолированных от вала (рис. 5, в). Об­мотка ротора изготовляется трехфазной, изолированным прово­дом, с тем же числом индуктивных катушек, что и обмотка статора. Фазные обмотки ротора на самом роторе соединяются в «звезду», а их свободные концы подводятся к контактным кольцам. На коль­ца наложены щетки, установленные в неподвижных щеткодержа­телях. Через кольца и щетки фазная обмотка замыкается на пуско­вой реостат

 

.

 

Двигатели с фазным ротором сложнее, дороже и менее надеж­ны в эксплуатации, чем с короткозамкнутым, но обладают луч­шими пусковыми и регулировочными свойствами.

 

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И РЕЖИМ РАБОТЫ

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

Принцип действия асинхронного двигателя рассмотрим на мо­дели, представленной на рис. 6.

Сердечники статора и ротора образуют магнитную цепь асин­хронной машины. Обмотка статора подключается к трехфазной сети, и токи, обтекая обмотку статора, возбуждают магнитное поле машины. Оно замыкается через сталь ротора и таким путем сцеп­ляется с обмоткой ротора. Магнитное поле, возбужденное трех­фазной системой токов, вращается в плоскости осей индуктивных катушек статора.

Вращение поля создается поочередным изменением трех обра­зующих его полей фазных обмоток статора, поэтому скорость вра­щения поля пропорциональна частоте переменного тока I и опреде­ляется по следующей формуле:

 

Если на статоре размещены три индуктив­ные катушки, то вращающееся поле, возбужда­емое их токами, делает один оборот в секунду. При стандартной частоте 50 Гц число оборотов такого поля в минуту n₁ = f ·60 = 3000 об/мин. (Чем больше катушек на статоре, тем больше полюсов имеет вращающееся поле и тем мед­леннее оно вращается).

Вращающееся магнитное поле статора, пересекая обмотку ротора,

индуктирует в ее проводниках ЭДС, а так как обмотка ротора замкнута,

то индуктируемые в ней ЭДС создают в этой обмотке

пропорциональные им токи ротора. Последние, взаимодействуя с

вращающимся магнитным полем машины, заставляют ротор вра­щаться

вслед за полем. Ротор двигателя вращается с асинхронной скоростью n ₂,

меньшей, чем синхронная скорость вращения поля n₁. Разность скоростей

вращения поля и ротора характеризуется скольжением

 

 

Скольжение асинхронной машины, работающей в режиме дви­гателя, изменяется от нуля до единицы.

В момент пуска двигателя, когда скорость ротора п₂ = 0, скольже­ние S= 1, или 100%.

При холостом ходе n ₂≈ n ₁, скольжение S≈0. Скольжение асин­хронного двигателя в зависимости от нагрузки меняется незначи­тельно (1—6%). Чем больше мощность двигателя, тем меньше его скольжение.

 

Пример 1. Определить скольжение в процентах для шестиполюсного асинхронного двигателя, если ротор делает 960 об/мин, частота тока f = 50 Гц.

Решение

Скорость вращения поля

 

 

Тогда скольжение

 

 

Скольжение S характеризует скорость пересечения обмоток ро­тора вращающимся магнитным полем.

Для изменения направления вращения ротора, т.е. для реверси­рования двигателя, необходимо изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Это достигается переключением двух фаз, т. е. двух из трех проводов, соединяющих обмотку статора с сетью.

 

 

Запомните

· Если ротор вращается с частотой вращения n ₂, равной частоте вращения магнитного поля (n ₂ = n₁), т.е. синхронно с полем, то такая частота вращения называется синхронной.

· Если частота вращения ротора не равна частоте вращения маг­нитного поля (n₂≠n₁), то такая частота вращения называется асинхронной.

· Асинхронный двигатель развивает вращающий момент только при асинхронной частоте. Частота вращения ротора может мало отличаться от частоты вращения магнитного поля, но принципи­ально важно, что при работе двигателя она будет всегда меньше (n ₂ < n₁) частоты вращения поля.

· Для реверсирования двигателя, т. е. для изменения направле­ния вращения ротора, необходимо изменить направление вра­щения магнитного поля, созданного обмоткой статора. Это можно сделать изменением последовательности фаз обмоток статора. Реверсивные двигатели снабжаются переключателя­ми, с помощью которых можно изменять чередование фаз об­моток статора, а следовательно, и направление вращение ро­тора.

 

 

ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

МОМЕНТА ОТ СКОЛЬЖЕНИЯ

 

Электромагнитный момент возникает при наличии магнитно­го поля, создаваемого обмоткой статора, и тока в обмотке ротора. Электромагнитный момент определяется соотношением

М=С_мФI₂cosψ₂

где С_м — конструктивный коэффициент асинхронной машины; Ф — результирующее магнитное поле в машине; ψ₂ — сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора; I ₂ cosψ₂ — активная составляющая тока ротора.

Для анализа работы асинхронного двигателя также используют следующую формулу зависимости электромагнитного момента М двигателя от скольжения 5, напряжения, подводимого к обмотке статора, U₁ активного сопротивления обмотки ротора, связанного с потерями на нагрев обмотки, R₂, и индуктивного сопротивления обмотки неподвижного ротора, связанного с потоком рассеяния, Х₂:

Из полученного выражения для электромагнитного момента М следует, что он сильно зависит от подведенного напряжения U₁.

При снижении, например, напряжения на 10% электромагнит­ный момент снизится на 19%. Это является одним из недостатков асинхронных двигателей.

Выражение для электромагнитного момента [см. формулу (1)] справедливо для любого режима работы и может быть использо­вано для построения зависимости электромагнитного момента от скольжения при изменении последнего от +∞ до -∞ (рис. 7).

 

Двигатель при пуске в ход (S=1) развивает момент М_пуск. Сколь­жение, при котором момент достигает наибольшего значения, на­зывают критическим скольжением S_кр, а наибольшее значение момента — критическим моментом М_кр. Отношение критическо­го момента к номинальному называют перегрузочной способно­стью двигателя:

 

 

Участок характеристики (см. рис. 7), на котором скольжение изменяется от 0 до S_кp, соответствует устойчивой работе двига­теля.

 

На этом участке располагается точка номинального режима (М_н, S_н). В пределах изменения скольжения от 0 до S_кp изменение нагрузки на валу двигателя будет приводить к изменению частоты вращения ротора, изменению скольжения и вращающего момента. С увеличением момента нагрузки на валу частота вращения ротора станет меньше, что приведет к увеличению скольжения и электро­магнитного (вращающего) момента. Если момент нагрузки превы­сит критический момент, то двигатель остановится.

 

Запомните

 

· Вращающийся момент двигателя пропорционален квадрату на­пряжения питающей сети.

· Участок характеристики, на котором скольжение изменяется от S_кр до 1, соответствует неустойчивой работе двигателя. Этот участок характеристики двигатель проходит при пуске в ход и торможении.

 

МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

АСИНХИРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

Механическая характеристика — это зависимость, показы­вающая, как меняется частота вращения ротора при измене­нии момента на валу двигателя, п₂ - f(M) (рис. 8).

Участок 1 —3 соответствует устойчивой, а участок 3 — 4 — неу­стойчивой работе асинхронного двигателя (используется при пуске или вынужденной остановке двигателя).

Точка 1 соответствует идеальному хо­лостому ходу двигателя, когда n₁ = п₂; точ­ка 2 — номинальному режиму работы двигателя, ее координаты (M _н, n _н); точка 3 — критическому моменту М_кр и крити­ческой частоте вращения n _кр; точка 4 — пусковому моменту двигателя М_пуск.

Механическую характеристику мож­но рассчитать и построить по паспорт­ным данным.

 

Для точки 1 , где f – частота сети, р – число пар полюсов двигателя.

 

Для точки 2 с координатами (M _н, n _н) номинальная частота вращения n _н задается в паспорте. Номинальный момент, = Н · м, рассчитывается по формуле

 

 

где Р_н – номинальная мощность (мощность на валу).

Для точки 3 с координатами М_кр= М_н

 

Перегрузочная способность задается в паспорте двигателя.

Критическая частота вращения

 

n _кр= n₁ (1 - S_кр)

 

Критическое скольжение

 

Номинальное скольжение

 

Точка 4 имеет координаты (М = М_пуск, n ₂=0). Пусковой момент вычисляют по формуле

 

М_пуск = М_{н пуск}

 

где _пуск – кратность пускового момента, задается в паспорте.

 

Асинхронные двигатели имеют жесткую механическую ха­рактеристику, так как частота вращения ротора (участок 1 —3) на рис. 8 мало зависит от нагрузки на валу. Это одно из досто­инств этих двигателей.

 

 

ПУСК АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

 

В момент пуска двигателя п₂ = 0, т. е. скольжение S = 1. Токи в об­мотках ротора и статора зависят от скольжения и возрастают при его увеличении. Пусковой ток двигателя будет в 5—8 раз больше его номинального тока:

I _пуск= (5-8) I _н

Из-за большой частоты ЭДС ротора асинхронные двигатели имеют ограниченный пусковой момент:

М_пуск=(0,8 – 1,8)М_н

 

Для пуска в ход асинхронного двигателя необходимо, чтобы раз­виваемый им пусковой момент превышал момент нагрузки на валу. В зависимости от мощности источников питания и условий пу­ска используют разные способы пуска, которые преследуют цели уменьшения пускового тока и увеличения пускового момента.

Различают следующие способы пуска в ход асинхронных двига­телей: прямое включение в цепь, пуск при пониженном напряже­нии, реостатный пуск, использование двигателей с улучшенными пусковыми свойствами.

Прямое включение в сеть. Это самый простой и самый дешевый способ пуска. На двигатель вручную или с помощью дистанционно­го управления подается номинальное напряжение. Прямое вклю­чение в сеть допускается, когда мощность двигателя не превышает 5 % мощности трансформатора, если от него питается и осветитель­ная сеть. Ограничение по мощности объясняется бросками тока в момент пуска, что приводит к снижению напряжения на зажи­мах вторичных обмоток трансформатора. Если от трансформатора не питается осветительная сеть, то прямое включение в сеть можно применять для двигателей, мощность которых не превышает 25 % мощности трансформатора.

Пуск при пониженном напряжении. Этот способ применяют при пуске в ход мощных двигателей, для которых недопустимо прямое включение в сеть. Для понижения подводимого к обмотке статора напряжения используют дроссели и понижающие авто­трансформаторы. После пуска в ход на обмотку статора подается напряжение сети. Понижение напряжения производят в целях уменьшения пускового тока, но одновременно происходит умень­шение пускового момента. Если напряжение при пуске понизить в раз, то пусковой момент понизится в три раза, поэтому этот способ пуска можно применять только при отсутствии нагрузки на валу, т. е. в режиме холостого хода. Если, согласно паспортным данным, двигатель должен включаться в сеть по схеме «треуголь­ник», то для снижения пускового тока на время пуска в ход обмотку статора включают по схеме «звезда».

Основные недостатки этого способа пуска: высокая стоимость пу­сковой аппаратуры и невозможность пуска с нагрузкой на валу.

Реостатный пуск. Этот способ применяют при тяжелых услови­ях пуска, т. е. при большой нагрузке на валу. Для реостатного пу­ска используют асинхронные двигатели с фазным ротором, в цепь ротора включается пусковой реостат. Реостатный пуск служит для увеличения пускового момента. Одновременно происходит умень­шение пускового тока двигателя. По мере разгона двигателя пуско­вой реостат выводится и после окончания пуска обмотка ротора оказывается замкнутой накоротко.

Схема реостатного пуска и механические характеристики при этом пуске представлены на рис. 9.

В момент пуска в ход (см. рис. 9, а) в цепь ротора введен полно­стью пусковой реостат (R_пуск3 = R_пуск1 + R_пуск2), для чего контакты реле К₁ и К₂ разомкнуты. При этом двигатель будет запускаться по харак­теристике 3 (см. рис. 9, б) под действием пускового момента М_пуск.

При заданной нагрузке на валу и введенном реостате R_пуск3 раз­гон закончится в точке А. Для дальнейшего разгона двигателя нужно замкнуть контакты К₂ при этом сопротивление пускового реостата снизится до R_пуск2 и разгон будет продолжаться по характеристике 2 до точки В. При замыкании контактов К₂ пусковой реостат будет полностью выведен (R_пуск = 0) и окончательный разгон двигателя будет продолжаться по его естественной механической характери­стике 1 и закончится в точке С.

 

 

Использование двигателей с улучшенными пусковыми свой­ствами. Стремление совместить достоинства асинхронных двигате­лей с короткозамкнутым ротором (высокая надежность) и фазным ротором (большой пусковой момент) привело к созданию двигате­лей с улучшенными пусковыми свойствами. Они имеют короткозамкнутую обмотку ротора специальной конструкции. Различают двигатели с обмоткой ротора в виде двойной «беличьей клетки» (рис. 10, а) и с глубоким пазом (рис. 10, б).

У двигателя с двойной «беличьей клеткой» (см. рис. 10, а) на роторе закладывают две короткозамкнутые обмотки. Обмотка 1 играет роль пусковой, а обмотка 2 является рабочей. Для полу­чения повышенного пускового момента пусковая обмотка должна обладать большим активным сопротивлением, чем рабочая обмот­ка, поэтому обмотка 1 выполняется из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь), чем обмотка 2 (медь). Сечение проводников, образующих пусковую обмотку, меньше, чем у рабо­чей обмотки. За счет этого повышается активное сопротивление пусковой обмотки.

Рабочая обмотка, расположенная глубже, охватывается большим магнитным потоком, чем пусковая, поэтому индуктивное сопротивление рабочей обмотки значительно больше, чем пусковой. За счет этого в момент пуска в ход, когда частота тока ротора имеет наи­большее значение, ток в рабочей обмотке, как следует из закона Ома, будет небольшим и в создании пускового момента будет уча­ствовать в основном пусковая обмотка, имеющая большое актив­ное сопротивление. По мере разгона двигателя частота тока ротора падает, уменьшается и индуктивное сопротивление обмоток рото­ра, что приводит к увеличению тока в рабочей обмотке. За счет это­го в создании вращающего момента будет участвовать в основном рабочая обмотка. Она обладает малым активным сопротивлением, поэтому естественная механическая характеристика двигателя бу­дет жесткой.

Аналогичная картина наблюдается у двигателя с глубоким пазом (см. рис. 10, б). Глубокий стержень обмотки 1 можно представить в виде нескольких проводников, расположенных по высоте паза. За счет высокой частоты тока в обмотке ротора в момент пуска в ход происходит «вытеснение тока к поверхности проводника». За счет этого в создании пускового момента участвует только верхний слой проводников обмотки ротора. Сечение верхнего слоя значительно меньше сечения всего проводника, поэтому при пуске в ход обмот­ка ротора обладает повышенным активным сопротивлением, дви­гатель развивает повышенный пусковой момент. По мере разгона двигателя плотность тока по сечению проводников обмотки ротора выравнивается, сопротивление обмотки ротора снижается.

В целом эти двигатели имеют жесткие механические характе­ристики, повышенный пусковой момент и меньшую кратность пу­скового тока, чем двигатели с короткозамкнутым ротором обычной конструкции.

 

 

ТОРМОЗНЫЕ РЕЖИМЫ

АСИНХРОННЫХ МАШИН

 

При работе многих производственных механизмов возникает необходимость в быстрой остановке (торможении) двигателя. Для этой цели широко используются механические тормоза, но асин­хронная машина может сама выполнять функции тормозного устройства, работая в одном из тормозных режимов. При этом ме­ханические тормоза используются как запасные или аварийные, а также для удержания механизма в неподвижном состоянии.

Различают три тормозных режима асинхронных машин:

1) генераторное торможение;

2) динамическое торможение;

торможение противовключением.

Генераторное торможение. Машина переходит в режим генера­тора, если ротор начнет вращаться быстрее магнитного поля. Этот режим может наступить при регулировании скорости вращения увеличением числа пар полюсов или уменьшением частоты ис­точника питания, а также в подъемно-транспортных машинах при опускании груза, когда под действием силы тяжести груза ротор на­чинает вращаться быстрее магнитного поля.

В режиме генератора изменяется направление электромагнит­ного момента, т. е. он становится тормозным, под действием чего происходит быстрое снижение скорости вращения. Одновременно изменяется фаза тока в обмотке статора, что приводит к измене­нию направления передачи электрической энергии. В режиме генератора происходит возврат энергии в сеть.

Одно из достоинств генераторного торможения у асинхрон­ных машин заключается в том, что переход в режим генератора происходит автоматически, как только ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля. Это защищает асинхронные двигатели От аварийной ситуации, которая может наступить у двигателей постоянного тока. Асинхронные двигатели не могут пойти в разнос. Максимальная частота вращения ротора ограничивается частотой вращения магнитного поля.

 

Генераторное торможение является самым экономичным режимом, так как происходит преобразование механической энергии в электрическую и возврат энергии в сеть. Одно из достоинств этого тормозного режима состоит в его самопроизвольном появлении, т. е. не требуется никакая контролирующая аппаратура.

 

Динамическое торможение. Этот тормозной режим используется для точной остановки мощных двигателей. На время торможе­ния обмотка статора отключается от сети переменного напряжения и подключается и источнику с постоянным напряжением. При этом обмотка статора будет создавать постоянное неподвижное магнит­ное поле. При вращении ротора относительно этого магнитного поля изменяется направление ЭДС и тока ротора, что приведет к из­менению направления электромагнитного момента, т.е. он станет тормозным. Под действием этого момента происходит торможение. Изменяя величину подведенного к обмотке статора напряжения, можно регулировать время торможения.

Основным достоинством этого тормозного режима является точная остановка. Постоянное напряжение можно подводить к обмотке статора только на время торможения. После останов­ ки двигатель нужно отключить от сети постоянного тока. Основные недостатки динамического торможения: необходим источник постоянного тока и неэкономичность.

Торможение противовключением. Этот тормозной режим воз­никает при реверсе двигателя, а также широко используется для быстрой остановки двигателя.

Для торможения двигателя нужно изменить порядок чередова­ния фаз, т. е. переключить две фазы.

 

Достоинством этого тормозного режима является быстрое торможение, так как тормозной момент действует на всем тормоз­ ном пути. Недостатки: большие токи и потери в обмотках при торможе­нии, необходима аппаратура, контролирующая скорость вра­щения и отключающая двигатель от сети при его остановке. Если в приводе механизма двигатель часто работает в режиме реверса, приходится завышать его мощность из-за больших по­терь мощности.

 

РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫВРАЩЕНИЯ

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

Число оборотов ротора в минуту определяется следующим вы­ражением:

 

Из выражения видно, число оборотов ротора асинхронного двига­теля можно регулировать изменением любой из трех величин: f ₁, р, S.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя с по­ мощью изменения частоты тока сети возможно на базе полупро­водниковой техники. При таком регулировании частота вращения изменяется плавно.

Изменение числа полюсов электрической машины возможно, если на статоре выполнено несколько (обычно две) обмоток с раз­ личным числом полюсов или одна обмотка, допускающая переклю­чения на различное число полюсов. При изменении числа полюсов обмотки статора изменится скорость вращения его магнитного поля, а следовательно, и частота вращения ротора двигателя. Этот способ регулирования является достаточно экономичным, но недостаток его состоит в ступенчатом изменении частоты вращения двигателя. Кро­ме того, стоимость такого двигателя возрастает вследствие усложне­ния обмотки статора и увеличения габаритных размеров машины.

Регулирование частоты вращения этим способом применяется в двигателях с короткозамкнутым ротором.

Изменение скольжения можно получить путем введения в цепь обмотки ротора регулирующего реостата. Регулирующий реостат включается в цепь обмотки фазного ротора подобно пусковому, но в отличие от пускового этот реостат рассчитывается на длитель­ную нагрузку током. Этот способ регулирования частоты вращения Синхронных двигателей имеет ряд существенных недостатков: до­полнительные потери в реостате, малый диапазон регулирования.

Асинхронные двигатели являются наиболее распространенны­ ми среди электрических двигателей и выпускаются со стандартизованными номинальными значениями синхронных частот вращения для промышленной частоты сети 50 Гц: 3 ООО; 1 500; 1 ООО; 750 375; 300; 250; 187,5; 166,6; 150; 125; 100 об/мин.

Номинальные рабочие частоты асинхронных двигателей не­ сколько меньше синхронных из-за наличия скольжения.

 

 

КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

Коэффициент мощности асинхронного двигателя определяется соотношением

 

где P₁ Q₁, S₁ активная, реактивная и полная мощность двигателя соответственно.

Активная мощность двигателя Р₁ складывается из мощности на валу Р₂ (полезной мощности) и мощности потерь Р:

 

P₁= Р₂+ Р.

 

Потери складываются из электрических потерь (потери на на­грев обмоток) Р_эл; потерь в стали (потери на нагрев сердечника) Р_ст и механических потерь Р_мех:

 

Р= Р_эл+ Р_ст+ Р_мех.

 

Электрические потери Р_эл зависят от токов в обмотках и возрас­тают при увеличении нагрузки на валу. Потери в стали не зависят от нагрузки на валу, а зависят от подведенного к обмотке статора на­пряжения. Механичес