8689
.pdf
81
∙питание обмотки статора через последовательно включенные резисторы. После завершения пуска резисторы закорачиваются;
∙при пуске обмотку статора включают на «звезду» (рис. 6.12), после разгона ротора переключают на «треугольник», при этом
I пускλ = I пуск
3
Из-за того, что пусковой момент пропорционален квадрату напряжения M n ≡ U12Φ , момент значительно снижается, поэтому этот способ пуска приме-
ним для электроприводов с легкими условиями пуска.
Для двигателя с фазным ротором при пуске включают максимальное дополнительное сопротивление RД в цепь ротора, что позволяет уменьшить пус-
ковой ток Iпуск и увеличить пусковой момент M n , который становится равным критическому M KP
M n = M KP .
По мере разгона ротора с помощью дополнительного устройства доводят сопротивление RД до нуля (RД = 0) и двигатель работает на естественной ме-
ханической характеристике.
6.2.6. Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя
Под рабочими характеристиками понимаются зависимости тока статора I1 , момента M , частоты вращения n2 , скольжения S, коэффициента полезного действия η , и коэффициента мощности cosϕ от мощности на валу двигателя
P2 .
I1, M , n2 , S, η, cosϕ = f (P2 )
Эти характеристики снимаются при следующих условиях:
U1Φ = const , f1 = const , RД = const .
Вид рабочих характеристик показан на рис. 6.17.
Проанализируем полученные зависимости, изображенные на рис. 6.17, где PH – номинальная мощность двигателя (кВт).
Ток статора I1 . Ток статора при отсутствии нагрузки (P2 = 0) равен току холостого хода (I1 = I10 ), который вследствие наличия воздушного зазора меж-
ду статором и ротором имеет существенную величину. При увеличении мощности на валу ток возрастает, по линейному закону. При мощности P2 = PH
магнитная система машины насыщена и потребляемый ток I1 почти не изменяется.
82
I,M,n2 S, η, cosφ
n2 |
= n1 |
|
I1 |
|||
M |
||||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
cos φ |
|
|
|
|
|
n2 |
||
|
|
|
|
|||
I10 |
S |
|||||
η |
||||||
|
|
|
|
|||
0 |
PН |
P (кВт) |
|
Рис. 6.17 |
|
Момент двигателя М. Зависимость момента двигателя М и мощности на валу P2 линейна (см. п. 6.2.5), поэтому с ростом нагрузки возрастает и момент
двигателя.
Частота вращения n2 . При холостом ходе, когда P2 = 0 , частота вращения ротора n2 примерно равняется частоте вращения магнитного поля n2 ≈ n1 . С ростом нагрузки P2 частота вращения ротора уменьшается, причем в рабочей
части механической характеристики эта зависимость остается линейной. Скольжение S. При холостом ходе P2 = 0 , когда n2 ≈ n1 скольжение имеет
минимальную величину. С ростом нагрузки частота вращения n2 линейно
уменьшается, соответственно линейно увеличивается скольжение (6.2).
Коэффициент полезного действия η . КПД определяется формулой:
η = |
P2 |
= |
P2 |
|
, |
P |
|
|
|||
|
|
P + P |
|||
1 |
|
2 |
Σ |
||
где P – активная мощность, потребляемая из сети;
1
PΣ = PM + PЭ1 + PЭ2 + Pмех + Pдоб (кВт) – суммарные потери мощности, равные сумме потерь мощности в магнитопроводе PM , электрических потерь в
статоре PЭ1 и роторе PЭ2 , механических потерь Pмех и добавочных потерь мощ-
ности Pдоб .
При отсутствии нагрузки P2 = 0 КПД равен нулю. С увеличением нагрузки КПД растет и принимает наибольшее значение ηmax = 0,83 ÷ 0,85 при условии, что постоянные потери мощности в электродвигателе PM + Pмех
ются равными переменным потерям мощности PЭ1 + PЭ2 в нем (при P2 ≈ PH ).
При дальнейшем росте нагрузки КПД уменьшается.
Коэффициент мощности cosϕ : Характер зависимости cosϕ определяется выражением:
cosϕ = |
|
P |
|
||
|
1 |
. |
|||
|
|
|
|||
3U1I1 |
|||||
|
|
|
|||
83
При холостом ходе, когда P2 = 0 , cosϕ достигает наименьшего значения cosϕ0 = 0,2 ÷ 0,3 . С увеличением нагрузки cosϕ увеличивается и достигает при номинальной нагрузке P2 = PH значения 0,83÷0,89. С увеличением нагрузки больше номинальной наблюдается некоторое снижение cosϕ за счет увеличения падения напряжения на индуктивном сопротивлении обмотки статора асинхронного двигателя.
6.3. Синхронный двигатель трёхфазного переменного тока
6.3.1. Устройство и принцип работы
Конструктивная схема трехфазного синхронного двигателя показана на рис. 6.18.
A(L1) B(L2) С( L3)
2 |
|
RB |
|
3 |
|
+ |
|
OB |
n1 |
||
|
|||
|
|
n2 |
|
|
|
U B |
1 |
- |
Рис. 6.18
Синхронный двигатель (СД) состоит из неподвижной части 1, именуемой статором, и подвижной 3, именуемой ротором. Статор выполнен аналогично статору асинхронного двигателя. По окружности статора в пазах размещена трехфазная статорная обмотка 2, которая может быть соединена или в «звезду» (U Л = 380 B), или в «треугольник» (U Л = 220 B). На роторе размещена обмот-
ка возбуждения (ОВ), представляющая собой электромагнит постоянного тока и получающая питание от источника постоянного напряжения.
Если частота вращения ротора n2 ≤ 1000 об/мин, то ротор выполняется в явнополюсном исполнении (рис 6.18), если же n2 > 1000 об/мин, то ротор вы-
полняется в неявнополюсном исполнении.
При подаче к трехфазной обмотке статора трехфазного напряжения в ней образуется вращающееся магнитное поле с синхронной частотой вращения
n = |
60 f1 |
(об/мин), |
(6.21) |
|
ρ |
||||
1 |
|
|
||
|
|
|
где f1 – частота питающей сети (Гц);
84 ρ – число пар магнитных полюсов, ρ = 1, 2, 3...
Вращающееся магнитное поле, взаимодействуя с однонаправленным магнитным полем обмотки возбуждения, создает электромагнитный (вращающий) момент, который разгоняет ротор до частоты вращения
n |
= n = |
60 f1 |
, |
(6.22) |
|
ρ |
|||||
2 |
1 |
|
|
||
|
|
|
Так как частоты вращения магнитного поля и ротора одинаковы, двигатель называется синхронным.
Рассмотрим, как образуется электромагнитный момент М синхронного двигателя (рис. 6.12).
2
статор 
N
F1
S
N
F2
N
F1
S
N
F2
S |
S |
а) Мс = 0 |
б) Мс > 0 |
|
Рис. 6.19 |
На рис. 6.19 показано взаимодействие магнитных полюсов статорной обмотки (N-S) и обмотки возбуждения (S-N) в двух случаях:
а) момент сопротивления M C = 0 (холостой ход); б) момент сопротивления M C > 0 .
При холостом ходе M C = 0 оси магнитных полей статора и обмотки воз-
буждения, а также силы взаимодействия F1, F 2 между полюсами направлены по одной прямой и не создают вращающего (электромагнитного) момента
M = 0 .
При нагрузке M C > 0 оси магнитных полей статора и обмотки возбуждения образуют между собой угол θ. Силы взаимодействия между полюсами F1, F 2 создают вращающий (электромагнитный) момент, который компенсирует момент нагрузки M = M C , и двигатель работает с электромагнитным мо-
ментом.
Если синхронная машина работает с отставанием магнитного поля обмотки возбуждения (угол θ), то такой режим называется двигательным, если опережает (угол θ2), то синхронная машина переходит в генераторный режим.
85
6.3.2. Схема замещения трёхфазного синхронного двигателя
Синхронный двигатель (С.Д.) состоит из трех симметричных фаз, поэтому достаточно рассмотреть схему замещения одной фазы (рис. 6.20).
I C X C
E0
U 1ф ~
Рис. 6.20
На рисунке 6.20 показано:
U1Φ , IC – напряжение и ток статора статорной обмотки;
X C – индуктивное сопротивление статорной обмотки (Ом);
E0 – ЭДС, наводимая магнитным потоком обмотки возбуждения в статорной обмотке. ЭДС E0 пропорциональна току возбуждения I B (E0 ≡ I B ).
Составим уравнение электрического состояния статорной обмотки:
∙ |
∙ |
∙ |
U 1Φ = E 0 |
+ jX C I C |
|
(6.23)
Векторная диаграмма для схемы замещения показана на рис. 6.21.
∙
|
jXC I C |
|
∙ |
|
∙ |
U1Φ |
|
|
|
|
E0 |
|
|
|
θ
∙
I C
φ
Рис. 6.21
Построение векторной диаграммы начинаем с вектора фазного напряжения
∙ |
|
∙ |
U 1Φ . Под углом сдвига фаз ϕ строим вектор тока статора I C . Далее, из конца |
||
∙ |
∙ |
|
вектора U 1Φ под углом 900 к вектору тока I C |
строим вектор падения напряже- |
|
|
∙ |
∙ |
ния на индуктивном сопротивлении |
jX C I C . |
Соединив начало вектора U 1Φ и |
|
86 |
∙ |
∙ |
начало вектора jX C I C , получаем вектор ЭДС E 0 и угол θ между векторами
∙∙
U 1Φ и E 0 .
Принимая, что синхронная машина идеальная, т.е. без потерь, мощность на
валу двигателя P будет равна потребляемой активной мощности P из сети: |
|||||
2 |
|
|
|
|
1 |
P = P = 3U |
1Φ |
I |
C |
cosϕ (кВт), |
(6.24) |
2 1 |
|
|
|
||
где ϕ – угол сдвига фаз.
6.3.3. Формула электромагнитного момента. Угловая характеристика
Электромагнитный (вращающий) момент синхронного двигателя равен:
|
|
M = |
P2 |
|
(Н·м), |
|
|
|
|
ω |
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
где ω1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
– |
угловая частота вращения магнитного поля статора, 1/с. |
|
|||||
|
|
ω = πn1 |
, |
|
|
||
|
|
1 |
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где n1 |
– |
частота вращения магнитного поля, об/мин. |
|
||||
С учетом (6.24) электромагнитный момент будет: |
|
||||||
|
|
M = |
3U1Φ IC cosϕ |
|
(6.25) |
||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
ω1 |
|
|
В таком виде (6.25) формула момента не используется. После нескольких преобразований [3] формула момента примет следующий вид:
M = |
3U1Φ IC E0 |
sinθ |
(6.26) |
|
|||
|
ω1 X C |
|
|
Проанализируем полученное выражение:
∙момент пропорционален фазному напряжению M ≡ U1Φ , поэтому снижение напряжения не оказывает существенного влияния на момент, в отличие от асинхронного двигателя;
∙момент пропорционален ЭДС E0 , соответственно току возбуждения
M ≡ U1Φ ≡ I B , поэтому, чем больше ток, тем больше момент.
Под угловой характеристикой понимается зависимость момента двигателя от угла θ:
M = f (θ ).
На рис. 6.22 приведена угловая характеристика синхронного двигателя.
|
|
|
|
87 |
|
|
M( Н × м) |
|
|
|
|||
|
|
|
|
IВ>IB1 |
|
|
Mкр |
|
IВ1 |
|
|
||
|
|
I |
|
II |
|
|
|
|
|
π |
π |
|
θ |
|
|
|
||||
|
0 |
|
|
|||
|
|
|||||
|
|
|
2 |
|
||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.22 |
|
|
|
Угловая характеристика позволяет проанализировать процессы в двигателе при изменении нагрузки на валу ротора. При появлении момента сопротивления M C на валу двигателя ротор притормаживается, угол нагрузки θ увеличи-
вается и в соответствии с угловой характеристикой увеличивается вращающий момент двигателя М. При равенстве М = МС наступает новый установившийся режим. При номинальном режиме двигателя МНОМ соответствующий угол
θ HOM = 25 − 300 . При M C > M max ротор отстаёт больше чем на максимально допустимый угол θ = π 2 , момент двигателя начнет уменьшаться, ротор будет за-
медляться вплоть до полной остановки. Этот процесс называется выпадением двигателя из синхронизма, при котором машина должна быть отключена от сети.
Существуют два способа регулирования частоты вращения n2 :
∙изменением частоты питающей сети f1 = var с помощью преобразователя частоты fC > f1 >> f '1 ;
∙изменением числа пар магнитных полюсов p = var (p = 1, 2, 3...), но практического применения этот способ не получил.
6.3.4. Пусковые режимы синхронного двигателя
Известно [2], что синхронный двигатель не обладает собственным пусковым моментом. Если его включить в сеть, то ротор будет совершать колебания около положения равновесия с частотой f = 100 Гц, и двигатель не запустится.
Чаще всего синхронный двигатель запускают в асинхронном режиме (рис. 6.23) в следующей последовательности:
88
A(L1) B(L2) С( L3)
О.В. |
RB |
К1 |
|
|
+ |
RД |
К2 |
|
UB |
|
- |
|
Рис. 6.23 |
1.С помощью контакта K1 отключают обмотку возбуждения ОВ от источника питания U B и замыкают ее с помощью контакта K 2 на дополнительное сопротивление RД .
2.Подключают трехфазную статорную обмотку к сети, в ней образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения:
n1 = 60 f1 (об/мин). p
Этот магнитный поток, пересекая витки дополнительной пусковой обмотки (типа «беличьей клетки»), расположенной на роторе, наводит в ней ЭДС, и по обмотке идет ток. Этот ток, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, образует электромагнитный момент аналогично асинхронному двигателю, который начинает разгонять ротор до частоты вращения n2 .
3. При достижении ротором частоты вращения n2 = 0.95 ÷ 098n1 с помощью контакта К1 подключают обмотку возбуждения (ОВ) к источнику питания. Ротор после нескольких колебаний входит в синхронизм:
n2 = n1 .
4. После достижения синхронизма отключают RД с помощью контакта K 2 , и на этом процесс пуска заканчивается.
6.3.5. U-образные характеристики синхронного двигателя
Под U-образными характеристиками синхронного двигателя понимается зависимость тока статора IC и коэффициента мощности от тока возбуждения
I B .
IC = f (I B ), cosϕ = f (I B ).
|
|
89 |
|
|
Зависимость тока статора |
IC от параметров синхронного |
двигателя |
||
U1Φ , E0 , X CИН описывается следующим выражением: |
|
|||
|
∙ |
∙ |
|
|
∙ |
|
|
|
|
I C = |
U 1Φ − E0 |
. |
(6.27) |
|
|
||||
jX CИН
Из анализа (6.27) в зависимости от величины тока возбуждения синхронный двигатель может работать в трёх качественно различных режимах.
I режим. Ток возбуждения изменяется в пределах 0 < I B < I BH , где I BH – номинальное значение тока возбуждения. При этом напряжение U1Φ больше, чем ЭДС E0 (U1Φ > E0 ), ток статора IC > 0, cosϕ > 0. Двигатель обладает ак-
тивно-индуктивными свойствами, т.е. потребляет отстающий ток. Двигатель недовозбуждён.
II режим. Ток возбуждения IВ = IВН. При этом напряжение U1Φ равняется ЭДС E0 U1Φ > E0 , ток статора IC = 0 и cosϕ = 1. Двигатель обладает активны-
ми свойствами и потребляет из сети активную мощность P – минимальную мощность. Двигатель имеет номинальный ток возбуждения.
III режим. Ток возбуждения IВ > IВН. При этом напряжение U1Φ меньше ЭДС E0 (U1Φ < E0 ), ток статора IC < 0 и cosϕ < 0. Двигатель обладает активно-
емкостными свойствами, т.е. потребляет из сети активную мощность P, но отдает в сеть реактивную мощность - QC. Двигатель перевозбужден и потребляет опережающий ток.
Эти режимы изображены на рис. 6.24.
Ic(A) |
cosφ |
a’ |
|
I |
|
a |
II |
a II
MC>0 1,0 MC=0
III |
I |
|
III |
|
|
||
|
Iв(A) |
IBH |
Iв(A) |
|
|
Рис. 6.24
На рис. 6.24 первый режим обозначен I, второй режим обозначен точкой «а» и соответствует номинальному току возбуждения IВН, третий режим обозначен III.
При нагрузке на валу двигателя МС > 0 точка «а» перемещается вправо и соответствует точке «а'».
Свойство синхронных электродвигателей потреблять из питающей сети опережающий ток особенно ценно для промышленных установок, так как оно позволяет одновременно с использованием синхронной машины в качестве
90
приводного двигателя использовать ее и для повышения коэффициента мощности cosϕ установки без применения статических конденсаторов.
6.3.6. Рабочие характеристики синхронного двигателя
Под рабочими характеристиками синхронного двигателя понимаются зависимости тока статора IC , момента M, частоты вращения ротора n2, коэффи-
циента мощности cosϕ и КПД η от мощности на валу двигателя Р2.
IC , M , n2 = f (P2 )
Рабочие характеристики показаны на рис. 6.25.
Ic, M, n2 ,η |
|
|
|
||
cosφ |
|
n2 |
|||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
cosφ |
|
|
|
IC |
η |
|
|
|
|
|
|
|
IC0 |
|
|
M |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
PН |
|
P2(кВт) |
|
|
|
|
Рис. 6.25 |
|
|
Рабочие характеристики снимаются при следующих условиях: U1Φ = const , f1 = const , I B = const . Ток статора IC при холостом ходе P2 = 0 имеет незначительную величину, с ростом нагрузки он линейно увеличивается. Скорость
вращения ротора n2 = |
60 f1 |
остается строго постоянной во всех режимах рабо- |
|||
|
|||||
|
p |
|
|
|
|
ты. Взаимосвязь между моментом М и мощностью на валу Р2 равна M = |
P2 |
, |
|||
ω |
|||||
|
|
|
1 |
|
|
где ω1 – величина постоянная, поэтому зависимость M = |
f (P2 ) линейна, т.е. с |
||||
ростом нагрузки момент возрастает. |
|
|
|
||
Характер изменения cosϕ = f (P2 ) зависит от того, |
какое возбуждение |
||||
установить. Если установить cosϕ = 1 при номинальной нагрузке, то при недогрузке двигатель забирает из сети реактивный опережающий ток, при перегрузке – отстающий.
Характеристика КПД η = f (P2 ) имеет обычный для всех электрических
машин характер. Она быстро растет при увеличении нагрузки от 0 до P2 , а за- 2
тем мало меняется в пределах нагрузки от P2 
2 до PH .