Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Рассматриваемый способ регулирования скорости связан со

значительными потерями энергии в сопротивлении г

и поэтому

малоэкономичен. Он применяется главным образом при кратко-

временной или повторно-кратковременной работе (например, пуско-

наладочные режимы некоторых машин, крановые устройства и пр.),

а также в приводах с вентиляторным моментом. В последнем случае

мощность на валу с уменьшением скорости быстро снижается, и

поэтому мощность скольжения и потери в цепи ротора по величине

ограничены.

К недостаткам реостатного регулирования скорости относятся

также мягкость механических характеристик и зависимость диа-

пазона регулирования от величины нагрузки. В частности, регули-

рование скорости на холостом ходу практически невозможно.

Регулирование скорости вращения посредством введения доба-

вочной э. д. с. во вторичную цепь двигателя.

Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя

путем увеличения его скольжения всегда связано с выделением

во вторичной цепи двигателя значительной электрической мощ-

ности скольжения

Ps — sP

большая часть которой при реостатном регулировании теряется

в реостате. Поэтому, естественно, возникает мысль о полезном

использовании этой мощности и о повышении таким образом

к. п. д. установки.

Полезное использование мощности скольжения возможно,

если вместо реостата присоединить к контактным кольцам фаз-

ного двигателя приемник электрической энергии в виде подхо-

дящей для этой цели вспомогательной электрической машины.

Эта машина будет работать в режиме двигателя и оказывать

воздействие на регулируемый асинхронный двигатель, развивая

напряжение на его вторичных зажимах, так как при вращении

вспомогательной машины в ее якоре индуктируется э. д. с. Можно

также сказать, что задачей вспомогательной машины, как и реостата

при реостатном регулировании, является создание «подпора» на-

пряжения на контактных кольцах регулируемого асинхронного

двигателя, ибо наличие определенного напряжения на кольцах U

—

непременное условие выдачи с этих колец определенной мощности

Рsk — ЩУ2vJг

COS

во внешнюю цепь двигателя. Вместе с тем, вспомогательная машина

в отличие от реостата позволяет полезно использовать эту мощность.

Прежде всего рассмотрим вопрос о влиянии на работу фазного

асинхронного двигателя внешней добавочной э. д. с. £

, вводимой

во вторичную цепь двигателя с помощью его контактных колец,

при условии, что частота этой добавочной э. д. с. всегда равна ча-

стоте вторичного тока и э. д. с. /

s/j

самого двигателя.

На рис. 28-13, а изображена векторная диаграмма вторичной

цепи асинхронного двигателя при Е

— 0. Вторичный ток двигателя

|м

= (28

.9)

гs 'i+/«*».

имеет величину, необходимую для создания нужного электромаг-

нитного момента М в соответствии с величиной момента нагрузки

М„ на вайу.

О)

s*0-

в>0

s<0

Рис, 38-13. Векторные диаграммы вторичной цепи асинхронного двига-

теля при отсутствии добавочной э. д. с. (а) и при введении этой э. д. с.

для уменьшения (б) и увеличения (в) скорости вращения

Если теперь во вторичную цепь ввести э. д. с. Е

встречно э. д. с.

скольжения Е

ГА

в этой же цепи, то вторичный ток

= ЙФ (28-Ю)

-as

ту"(т

в первый момент времени уменьшится. Поэтому развиваемый дви-

гателем момент М также уменьшится, двигатель начнет тормозить-

ся, а скольжение s

—

увеличиваться. При этом, согласно равенству

(28-Ю), ток /

, а вместе с ним и момент М будут увеличиваться.

Это будет происходить до тех пор, пока опять не наступит равнове-

сие моментов М = Л4„ на валу. Двигатель при этом будет работать

с увеличенным скольжением s, а векторная диаграмма вторичной

цепи приобретет вид, изображенный на рис. 28-13, б. Очевидно,

что посредством регулирования величины Е

можно регулировать

величину s и, следовательно, скорость вращения двигателя.

Предположим теперь, что э. д с. имеет по сравнению с рас-

смотренным случаем противоположное направление и совпадает

по фазе с э. д. с. s£

на рис. 28-13, а. Тогда вместо выражения

(28-9) получим

/ ~Ь зйд -f - Ё

. ..

—К

(28

П)

В первый момент после введения э. д. с. Е

ток /

и момент М

возрастут, двигатель будет ускоряться н s будет уменьшаться. При

достаточной величине £

величина s уменьшится до нуля, и если

ток /

, создаваемый в этом случае только за счет действия Е

, все

еще будет велик по сравнению с током, необходимым для создания

момента М — М

ст

, то ускорение двигателя будет продолжаться

и скорость превыеит синхронную. Скольжение s и э. д. с. при

этом изменят знаки и будут расти по абсолютной величине до тех

пор, пока в соответствии с выражением (28-11) ток не упадет до

SXg

необходимой величины. Прн s < 0 угол = arctg-^

—отрица-

тельный и векторная диаграмма вторичной цепи двигателя имеет

вид, показанный на рис. 28-13, в. Ток /

при этом будет иметь Со-

ставляющую, совпадающую с Ф. Поэтому намагничивающий ток,

потребляемый из первичной цепи, уменьшится и cos ф двигателя

повысится.

Таким образом, с помощью добавочной э. д. с. Е

, путем из-

менения ее величины и направления, можно осуществить плавное

двухзонное регулирование скорости двигателя: ниже и выще

синхронной.

Если пренебречь потерями, то мощность источника добавочной

э. д. с. равна мощности скольжения sP,„, Причем при s > 0 этот

источник является приемником и потребляет энергию из вторичной

цепи двигателя, а при s < 0 — генератором и отдает мощность во

вторичную цепь двигателя. Механическая мощность, развиваемая

магнитным полем двигателя,

P*z**(ls)P„

при s > 0 будет меньше а при s < 0 в соответствии с измене-

нием знака мощности скольжения P

> Р

№

Каскад асинхронного двигатели с машиной постоянного тока.

Реализация рассмотренного способа регулирования скорости вра-

щения асинхронного двигателя посредством добавочной э. д. с.

осуществляется в каскадных соединениях двигателя со вспомога-

тельными электрическими машинами. Рассмотрим здесь каскадные

соединения асинхронного двигателя с машиной постоянного тока.

На рис. 28-14, а показана схема каскада фазного асинхрон-

ного двигателя АД, приводящего в движение некоторую рабочую

машину РМ, с машиной постоянного тока независимого возбуждения

МПТ. Цепь якоря МПТ приключена к контактным кольцам

асинхронного двигателя через ионный или полупроводниковый вы-

прямитель В, соединенный по трехфазной мостовой схеме. Выпрями-

тель преобразовывает переменный ток частоты скольжения f

= sf

во вторичной цепи АД в постоянный ток в цепи якоря МПТ. Э. д. с.

якоря МПТ в данном случае и является той рассмотренной выше

добавочной э. д. с. Е

, которая (в данном случае с помощью выпря-

мителя В) вводится во вторичную цепь двигателя АД. Регулирова-

ние величины этой э. д. с. и скорости вращения АД производится

путем регулирования тока возбуждения МПТ.

На схеме рис. 28-14, а машина постоянного тока МПТ располо-

жена на валу асинхронного двигателя АД. Она преобразовывает

мощность скольжения P

, потребляемую из вторичной цепи АД,

в механическую мощность, которая через вал двигателя АД вместе

с механической мощностью Р

мх

двигателя передается рабочей ма-

шине РМ. Такой каскад называется электромеханическим.

Если при регулировании скорости вращения обеспечить полное

использование мощности АД (Р

= P

= const) и пренебречь поте-

рями, то в этом каскаде мощность, передаваемая рабочей ма-

шине РМ,

.. = Pn + P, = (l-s)P* + sP

=*P.

также остается при всех скоростях постоянной и равной номиналь-

ной мощности. В связи с этим электромеханический каскад иногда

условно называют также каскадом постоянной мощ-

ности. Необходимая номинальная мощность вспомогательной

машины каскада (в данном случае МПТ) зависит от пределов ре-

гулирования скорости:

Л,

П. Т

®М1ItPН'

Каскад с выпрямителями допускает регулирование скорости

только вниз от синхронной (s> 0). Если заменить выпрямитель

управляемым ионным или полупроводниковым преобразователем,

способным производить также обратное преобразование — постоян-

ного тока в переменный, то можно осуществить также регулирова-

ние скорости вверх от синхронной (s < 0). Указанные на рис. 28-14

направления передачи мощности скольжения при s <. 0 изменятся

на обратные. Ввиду ^ложности системы управления таким преоб-

разователем и других причин эти каскады до сих пор применения

не получили. Ранее применялись также каскады, выполненные по

схеме рис. 28-14, а, в которой вместо выпрямителя использовался

одноякорный преобразователь переменного тока в постоянный

(см. § 41-1).

На рис. 28-14, б изображена схема каскада, которая отличается

от схемы рис. 28-14, а тем, что МПТ соединена механически со

вспомогательной асинхронной или синхронной машиной ВМ.

В этом каскаде мощность скольжения Р„ при s > 0 передается

с помощью ВМ, работающей в режиме генератора, обратно в сеть

переменного тока. При s < 0 ВМ работает в режиме двигателя.

Такой каскад называется электрическим. В этом каскаде машине

РМ передается только механическая мощность двигателя АД

=*(l-s)P„~(l-s)P

которая при P

= P

= const уменьшается пропорционально ско-

рости вращения. Момент на валу РМ при этом остается постоян-

ным, вследствие чего такой каскад иногда условно называют также

каскадом с постоянным моментом. Машины ВМ и МПТ

на схеме рис. 28-14, б можно заменить трансформатором и полу-

проводниковым преобразователем постоянного тока в переменный

и обратно.

Каскады позволяют осуществить экономичное и плавное регули-

рование скорости вращения асинхронного двигателя, однако вспо-

могательные машины и преобразователи удорожают установку.

Поэтому каскады целесообразно применять только для привода

мощных производственных механизмов, требующих регулирования

скорости в достаточно широких пределах (например, прокатные

станы, весьма мощные вентиляторы и др.). Рассмотренные выше

каскадные соединения в связи с использованием в них ионных или

полупроводниковых вентилей называют также вентильными

каскадами.

Существуют также другие системы каскадов, в частности с ис-

пользованием коллекторных машин переменного тока (см- § 42-3).

Каскадные установки выполняются на мощности в сотни и тысячи

киловатт с регулированием скорости вращения в пределах до 3 : 1

и больше.

Глава двадцать девятая

ОСОБЫЕ ВИДЫ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ МНОГОФАЗНЫХ

АСИНХРОННЫХ МАШИН

§ 29-1. Асинхронные машины с неподвижным ротором

Фазорегулятор (рис. 29-1, а) представляет собой асинхронную

машину с фазным ротором, ротор которой заторможен и может быть

вручную или с помощью вспомогательного (исполнительного)

двигателя повернут относительно статора на 360° эл. Торможение

и поворот ротора осуществляется обычно с помощью самотормозя-

щейся червячной передачи. Первичная

сторона фазорегулятора присоединяется

к сети, а вторичная — к нагрузке (со-

противления Z„

на рис. 29-1, а).

Обозначим р электрический угол по-

ворота оси фазы обмотки ротора отно-

сительно оси фазы обмотки статора

(рис. 29-1, а). Если принять для про-

стоты, что у рассматриваемой асинхрон-

ной машины г

= г

= х

а1

= дг

а2

= 0,

то и

= Ei и U

— Ё

и диаграмма на-

пряжений фазорегулятора имеет вид,,

показанный на рис. 29-1,6. Э. д. с.

и Е

индуктируются общим вращаю-

щимся полем и сдвинуты в соответствую-

щих фазах статора и ротора относитель-

но друг друга на угол р. При повороте

ротора и изменении угла р вектор

= 0

Поворачивается относительно

векторов fii и Oj_.

Фазорегулятор представляет собой

в сущности поворотный трансформатор

с регулируемой фазой вторичного напряжения относительно пер-

вичного. Фазорегуляторы находят применение главным образом

в лабораториях, в частности, при испытании счетчиков электриче-

ской энергии и других приборов и аппаратов.

Необходимо иметь в виду, что на ротор фазорегулятора, когда

ОН нагружен, действует вращающий момент. Это же относится и

к другим рассматриваемым ниже машинам с заторможенным рото-

ром.

Трехфазный индукционный регулятор служит для регулирования

напряжения трехфазной сетн переменного тока. Обмотки регуля-

Л Ц

Ф О §•

Рас. 29-1. Схейа (а) и век-

торная диаграмма напряже-

ний

(б)

фазорегулятора

Гл. 29] Особые виды и режимы, работы многофазных машин

387

тора включаются по схеме автотрансформатора, и регулятор пред-

ставляет собой в сущности поворотный автотрансформатор.

Схема соединений обмоток наиболее широко применяемого трех-

фазного индукционного регулятора представлена на рис. 29-2, а.

Одна из обмоток (а^) является первичной и включается парал-

лельно в сеть первичного напряжения U

а вторичная обмотка

(ш

) включается в эту сеть последовательно. В качестве первичной

обмотки обычно используют обмотку ротора, так как при этом необ-

ходимо вывести с помощью контактных колец и щеток или гибких

Рис. 29-2. Схема соединений обмоток (а) и векторная

диаграмма напряжений (б) трехфазного индукционного

регулятора

проводников только три конца обмотки. Первичная обмотка может

быть включена как в звезду, так и в треугольник. Ниже для яс-

ности будем иметь в виду соединение в звезду.

Первичная обмотка потребляет из первичной сети намагничи-

вающий ток, который создает вращающийся поток Ф. Если пре-

небречь падениями напряжения, то этот поток индуктирует в об-

мотках э. д. с. Е

— UI и

Вг-

Щк

б1

Щк

об1

и»

Э. д. с. Е

складывается с напряжением t/

под уг-

лом р (рнс. 29-2, б), равным электрическому углу поворота фазы

вторичной обмотки относительно первичной. При изменении р

концы векторов Ё

и U

нри •= const скользят по окружности.

Предельные значения вторичного напряжения при пренебрежении

падениями напряжения будут: при р = 180°

а при Р 5= 0

^амавс — U1 ~Ь

При равенстве чисел витков обмоток статора и ротора

E, = E

Uгмакс ^ U2мин ^ 0.

У регулятора (рис. 29-2) одновременно с изменением величины

напряжения U

меняется также его фаза, что иногда нежелательно.

В таких случаях можно применить сдвоенный индукционный ре-

гулятор (рис. 29-3), у которого первичные обмотки присоединены

к первичной сети параллельно, а вторичные — последовательно

У»

Рис 29-3 Схема соединений обмоток (а) и векторная

диаграмма напряжений (б) сдвоенного трехфазного индук-

ционного регулятора

друг с другом. Оба регулятора укреплены на общем валу, и у вто-

рого регулятора на первичной и вторичной сторонах присоединения

к двум фазам переменены местами. Вследствие этого магнитные поля

двух регуляторов вращаются в противоположные стороны, и при

повороте ротора одного регулятора по направлению вращения поля

ротор другого поворачивается против направления вращения поля.

Векторы вторичных э. д. с. регуляторов Еа и на векторной диа-

грамме (рис. 29-3, 6) поворачиваются поэтому в противоположных

направлениях, и при неучете падения напряжения фаза вторичного

напряжения

остается неизменной. Вращающий момент на валу сдвоенного ре-

гулятора равен нулю. Недостатком сдвоенного регулятора является

наличие двух машин, что приводит к удорожанию установки.

Не изменяющееся по фазе вторичное напряжение можно полу-

чить также в индукционном регуляторе с соединением фаз обмоток

статора (с) и ротора (р) в общий треугольник (рис. 29-4), если числа

витков статора и ротора одинаковы. Первичное напряжение и

= const в таком регуляторе подводится к вершинам треугольника

ABC, а вторичное {/

= var отводится от

средних точек а, Ь, с сторон этого треуголь-

ника (рис. 29-4).

Векторные диаграммы напряжений регу-

лятора, изображенного на рис. 29-4, можно

построить, учитывая, что э. д. с. фаз статора

и ротора £

одного и того же плеча тре-

угольника при wjt

a6m

равны по ве-

личине, сдвинуты по фазе на угол поворота

ротора относительно статора и в сумме равны

приложенному фазному напряжению:

-(£

+£

На рис. 29-5, а, б и в показаны вектор-

ные диаграммы регулятора, выполненного по

схеме рис. 29-4, соответственно для случаев

р = 0, р>0 и Р<0. Треугольники ABC

представляют собой при этом систему неиз-

менных первичных напряжений, векторы СЬ,

Ас, Ва — э. д. с. фаз статора £

и векторы ЬА, сВ, аС — э. д. с.

фаз ротора £

. При повороте ротора сдвиг фаз (J между э. д. с. £

и £

изменяется и одновременно изменяются также величины вра-

а) А

с « в

Рис. 29-5. Векторная диаграмма э. д. с. и напряжений индукционного

регулятора, выполненного по схеме рис. 29-4, при разных положениях

ротора

щающегося потока Ф и э. д. с. £

, £

, так что сумма э. д. с. фаз

одного и того же плеча треугольника остается неизменной:

-{-E

= — U

= const.

С Л в

Рис. 29-4. Схема трех-

фазного индукционно-

го регулятора с соеди-

нением обмоток стато-

ра и ротора в общий

треугольник

Как видно из рис. 29-5, треугольник вторичных напряжений

abc при этом меняется по величине, но при w

= w

0б

или

= Е

положение этого треугольника и, следовательно, фаза

вторичного напряжения не изменяются.

Отметим, что при отсутствии нагрузки на вторичной стороне ре-

гулятор, изображенный на рис. 29-4, по своим свойствам предста-

вляет собой регулируемую трехфазную реактивную катушку.

В индукционных регуляторах, как й в автотрансформаторах,

нужно различать внешнюю, или проходную, и внутреннюю, или га-

баритную, мощности (см. § 18-2). Соотношения между этими мощ-

ностями в индукционных регуляторах и автотрансформаторах

при одинаковых схемах соединений обмоток и одинаковых соотно-

шениях чисел витков одинаковы (для схемы рис. 29-2, а при р =

= 180° и для схемы рис. 29-4 при р 0).

§ 29-2. Асинхронный генератор с самовозбуждением

Генераторный режим работы асинхронной машины рассматривался в § 24-5.

При этом было выясиено, что асинхронный генератор потребляет реактивный

намагничивающий ток для создания магнитного потока и поэтому должен рабо-

тать параллельно с сетью переменного тока, к которой присоединены другие ма-

шины или установки (например, синхронные генераторы), способные снабжать

реактивным током асинхронные генераторы и других потребителей. Наряду

с этим асинхронный генератор может работать также л режиме самовозбуждения

на отдельную сеть, полная реактивный ток возбуждения от конденсаторов,

Приключаемых к зажимам асинхронного генератора.

-Для выяснения некоторых положений рассмотрим схему рис. 29-6, на кото-

рой изображен асинхронный генератор АГ, работающий параллельно с сетью и

потребляющий из нее реактивный (индуктивный) ток I

— /

. Этот ток создает

в генераторе магнитное поле, в то время как активный ток /

, вырабатываемый

генератором АГ, полностью потребляется местным потребителем R. Приключим

теперь к зажимам.генератора конденсаторы С такой емкости, чтобы потребляемый