1.6. Двигатели постоянного тока и их классификация

Если отсоединить генератор от первичного двигателя, т.е. исключить влияние внешней силы, но оставить прежнюю поляр­ность полюсов и после этого подключить к нему источник постоянного электрического тока взамен электрической нагрузки, сохранив направле­ние тока в обмотке, то в этом случае и электромагнитный момент сохранит свое направление. Однако теперь он будет вращать якорь машины в сторону, противоположную направлению враще­ния якоря машины, работающей в качестве генератора. Иначе говоря, при вращении якоря под действием электромагнитного момента машина будет работать в качестве электрического дви­гателя, преобразуя подведенную электрическую энергию в меха­ническую.

Таким образом, одна и та же электрическая машина может работать и генератором, и двигателем. То есть, создается тормозящий электромагнитный момент или вращающий электромагнитный момент, в зависимости от того, какая энергия подводится к машине извне — механическая или электрическая.

В зависимости от способа присоединения обмоток возбужде­ния к якорю, двигатели постоянного тока (ДПТ) по аналогии с генератором, могут быть: а) незави­симого возбуждения; б) параллельного возбуждения (шунтовые); в) последовательного возбуждения (сериесные); г) сме­шанного возбуждения (компаундные).

В судовых установках наибольшее распространение получили двигатели параллельного и смешанного возбуждения.

Свойства ДПТ лучше всего определяются при рассмотрении их характеристик: пусковых, рабо­чих, механических и регулировочных.

Пусковые характеристики отражают работу машины от начала пуска до номинального режима работы. Пусковую опе­рацию характеризуют следующие параметры: пусковой ток I_n пусковой момент M_n, время пуска t_n, экономичность операции, а также надежность пусковой аппаратуры.

Рабочие характеристики определяют свойства дви­гателя в номинальном режиме работы. Это зависимости ча­стоты вращения n, момента М, тока якоря I_я и КПД η от полез­ной мощности Р₂ при условии, что напряжение U_н, приложенное к двигателю, есть величина постоянная и значение тока воз­буждения I_в не регулируется. К рабочим относится также меха­ническая характеристика, которая представляет собой зависи­мость частоты вращения от момента на валу двигателя п = f(M).

Регулировочные характеристики определяют свойства двига­теля при регулировании его частоты вращения:

• пределы регули­рования от наибольшей до наименьшей частоты вращения,

• экономичность регулирования с точки зрения затрат на оборудо­вание и эксплуатационных расходов,

• характер регулирования (сту­пенчатый или плавный),

• простоту и надежность регулировочной аппаратуры и операций по регулированию частоты вращения двигателя.

Особое значение имеют механические характеристики двига­телей.

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ Переменного ТОКА

2.1. Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Асинхронный трехфазный двигатель был изобретен в 1890 г. русским инженером М. О. Доливо-Добровольским. Им же были разработаны основные модификации двигателя, сохранившиеся до наших дней.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют надежную конструкцию без скользящих контактов, недороги в из­готовлении и несложны в эксплуатации. Благодаря этому они получили широкое распространение.

Работа асинхронного двигателя основана на принципе взаимо­действия вращающегося поля статора с токами короткозамкнутого ротора. Протекающий по обмоткам статора трехфазный ток соз­дает вращающийся магнитный поток, пересекая соответствующую обмотку ротора.

Механическую характеристику асинхронного двигателя в пре­делах рабочей части можно считать прямолинейной, проходящей через точки с координатами М = О, s = 0 (синхронная частота вращения) и М = Мн, s = s_н.

Е стественная ха­рактеристика двигателя представлена на рис. 52, где максимальному значению момента М_к соответствует определенное значении скольжения s_К, названое критическим.

При введении в цепь ротора добавочных резисторов получим искусственные характеристики, представлен­ные на рис. 53. При этом М_к остается тем же самым. Изменяться будет только критическое скольжение s_k. Критическое скольже­ние для искусственной характеристики получится больше, чем для естественной. Следовательно, точка с координатами М_К, s_К пере­местится по вертикали, и искусственная характеристика располо­жится ниже естественной.

Необходимо иметь в виду, что превышение статическим moментом критического вызовет «опрокидывание» и последующую остановку двигателя.

Из изложенного можно сделать следующие выводы:

• пусковой момент двигателя с короткозамкнутым ротором при больших пусковых токах незначителен;

• малые пусковые моменты могут оказаться недостаточными для пуска двигателя и его ускорения;

• большие токи статора и ротора ограничивают частоту пусков двигателя.

Как уже упоминалось, асинхронные двигатели, обладая ма­лыми пусковыми моментами, в то же время имеют значительные пусковые токи. Это вызывает необходимость применения специальных способов их пуска. При пуске нужно ограничить пусковой ток и увеличить пусковой момент. Это до­стигается включением резисторных элементов в фазы ротора.

При ускорении двигателя по искусственной характеристике уменьшаются ЭДС, ток и момент ротора. Для сохранения уско­рения привода добавочное сопротивление постепенно уменьшают, переводя работу с одной искусственной характеристики на дру­гую. При полностью выключенном добавочном резисторе ротора двигатель начнет работать по своей естественной характеристике. Такой пуск называют пуском с симметричными сопротивлениями резисторов в роторе.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором пускают в ход либо напрямую, либо при пониженном напряжении. Пуск напрямую — это включение статорной обмотки двигателя непос­редственно в трехфазную сеть.

Такой пуск допустим для двигателей, которые при прямом включении вызовут понижение напряжения сети не более чем на 20% U_н.

Пуск при пониженном напряжении осуществляется путем вклю­чения в цепь статора с помощью автотрансформатора AT резисторных элементов или дросселей переключением обмотки статора со звезды на треугольник. Переключение осуществляется с по­мощью, переключателей П.

На рис. 55 приведены схемы прямого пуска и пуска с пониженным напряжением; они применяются для двигателей с легкими условиями. При тяжелых условиях пуска используют асинхронные короткозамкнутые двигатели специаль­ного исполнения, такие, как двигатели с повышенным скольже­нием, д войной беличьей клеткой, глубоким пазом на роторе.

Для асинхронных двигателей применимы те же три способа электрического торможения, что и для двигателей постоянного тока.

Генераторное рекуперативное торможение при­меняется при реактивном моменте на валу— в случае перехода с большей частоты вращения на меньшую, при активном стати­ческом моменте (в грузовых электроприводах) — для спуска груза.

Электродинамическое торможение применяется для быстрой остановки нереверсивных электродвигателей. При этом отключают статор от сети и подают в его обмотки постоянный ток. В статоре устанавливается неподвижное магнитное поле, которое наводит в обмотках вращающегося ротора ЭДС, а сле­довательно, и ток. Взаимодействие поля статора с током ротора и создает тормозной момент. Двигатель, расходуя запасенную ки­нетическую энергию, тормозится до полной остановки.

Схемы режима и механические характеристики динамического торможения асинхронного двигателя АД даны на рис. 56, а—в.

Одновременное замыкание реле Р и выключателя ПТ не допу­скается. Кроме того, выключатель ПТ должен служить только разъединителем, для чего предусматривается снятие возбуждения с генератора ГПТ размыканием контакта К.ПТ, перед срабатыва­нием ПТ и возбуждение генератора ГПТ после включения ПТ. Для питания обмотки статора постоянным током применяются также полупроводниковые выпрямители В.

Т орможение противовключением может быть осу­ществлено перетягивающим грузом или переключением работающего двигателя на противоположное направление вращения. В обоих случаях двигатель принудительно вращается в направ­лении, противоположном рабочему. Если у работающего двига­теля поменять местами две фазы, то это вызовет процесс тормо­жения противовключением. Двигатель будет тормозиться, и, если при достижении частоты вращений п = 0 его не отключать от сети, произойдет реверс. При переводе двигателей с фазным ро­тором в режим противовключения для ограничения тока в ротор вводят добавочные резисторы — ступени противовключений (как у двигателей постоянного тока).

В практике для получения регулируемой частоты используются специальные синхронные генераторы или преобразователи пере­менной частоты на полупроводниковых устройствах. все большее применение находит регулирование частоты вращения асинхронных двигателей из­менением числа пар полюсов.

Выпуск многоскоростных двигателей переменного тока во многих случаях приводит к отказу от двигателей постоянного тока. В настоящее время широко применяются двух-, трех- и четырехскоростные короткозамкнутые АД, у которых регулирование частоты враще­ния осуществляется либо при помощи двух самостоятельных об­моток на статоре, либо переключением секционированных групп одной обмотки на различные числа пар полюсов.