Конспект лекцій з навчальної дисципліни "спеціальні електричні машини" для студентів денної форми навчання зі спеціальності



Сторінка8/8
Дата конвертації03.12.2016
Розмір2.43 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8

Каскад асинхронного двигуна з компенсованою колекторною машиною (рис. 5.10) є найпоширенішим колекторним каскадом. У цьому каскаді вторинна обмотка головного асинхронного двигуна АД через контактні кільця з'єднана з головним ланцюгом компенсованої колекторної машини КМ. В електричному каскаді КМ розташована на одному валу з допоміжною асинхронною або синхронною машиною ВМ. Головний двигун АД приводить в обертання робочу машину РМ, наприклад прокатний стан.

Обмотка збудження ОЗ колекторну машину КМ живить струмом частоти ковзання f2—sf1 від кілець АД через регульований автотрансформатор AT. Послідовно із ОЗ включений також перетворювач частоти ПЧ невеликої потужності, що живиться від мережі через трансформатор. Якщо числа полюсів АД і ПЧ однакові, то ротор ПЧ з'єднується безпосередньо з ротором АД, а в противному випадку їхнє з'єднання відбувається за допомогою редуктора з передаточним числом, рівним відношенню чисел полюсів цих машин. Завдяки цьому частота на щітках ПЧ завжди дорівнює частоті ковзання АД, внаслідок чого і можливе живлення ОЗ від зазначених двох джерел - від кілець АД і ПЧ.

Реостат Р служить для пуску АД до досягнення деякої швидкості n < n1 після чого за допомогою перемикача П вторинний ланцюг АД перемикається на КМ, ланцюг збудження якої відрегульована на максимальну напругу збудження. При цьому додаткова е.р.с. Ед, що розвиває КМ, також максимальна і спрямована назустріч е.р.с. ковзання Е2s=s2 вторинні обмотки АД. Швидкість обертання n асинхронного двигуна в цьому випадку мінімальна, і потужність ковзання Ps=sPЭМ цього двигуна передається через КМ і ВМ і мережа, причому КМ працює двигуном. Якщо тепер за допомогою AT зменшити напруга збудження КМ, то Е буде зменшуватися, а n збільшуватися.

Рис. 5.10. Електричний каскад асинхронної і компенсованої колекторної машини для двухзонного регулювання швидкості

Перетворювач частоти ПЧ служить для перекладу агрегату через синхронну швидкість n1 тому що при n=n1 вторинна е.р.с. асинхронного двигуна E2s=0, внаслідок чого при відсутності ПЧ колекторна машина КМ втрачає порушення і тому не може розвивати е.р.с. Ед, необхідну для перекладу АД через синхронну швидкість. Таким чином, при n=n1 струм вторинного ланцюга АД і її обертаючий момент створюються внаслідок порушення КМ від ПЧ. Для збільшення швидкості обертання АД і його перехід на більшсинхрону швидкість обертання поступово зменшують вторинну напругу АТ до нуля, міняють місцями початки і кінці обмотки збудження КМ і знову починають збільшувати вторинну напругу AT. Максимальна більшсинхрону швидкість досягається при максимальному порушенні КМ. При більшсинхроній швидкості обертання КМ працює в режимі генератора, а ВМ - у режимі двигуна.

Каскади розглянутого виду звичайно будуються з регулюванням швидкості в межах (25-30)% від синхронної. Якщо регулювання виробляється тільки вниз від синхронної швидкості, то перетворювач частоти ПЧ стає зайвим. Якщо з'єднати колекторну машину КМ із валом асинхронного двигуна АД, то вийде електромеханічний каскад і допоміжна машина ВМ стане зайвої.

Каскади з к.м.з.с. мають найбільше поширення в деяких європейських країнах. У зв'язку з розвитком іонних і напівпровідникових перетворювачів, а також зростаючими вимогами відносно діапазону регулювання швидкості збільшуються перспективи застосування вентильних каскадів і зменшуються перспективи використання каскадів з к.м.з.с.

Раніше застосовувалися також колекторні каскади для компенсації коефіцієнта потужності великих асинхронних двигунів. Для цієї мети до контактних кілець асинхронного двигуна можна приєднати перетворювач частоти або компенсовану колекторну машину, розглянуті вище, і відрегулювати відповідним чином фазу додаткової е.р.с. Ед. Можна також використати деякі інші види колекторних машин. До теперішнього часу такі каскади повністю втратили своє значення, тому що більше вигідними є синхронні двигуни і асинхронні двигуни разом з конденсаторними батареями.


5.4 Однофазні колекторні двигуни

Однофазні двигуни з послідовним збудженням

Принцип дії і властивості двигуна. Однофазні двигуни з послідовним збудженням мають такий же устрій і схему з'єднання обмоток (рис. 5.11), як і двигуни з послідовним збудженням постійного струму, однак щоб уникнути більших втрат на вихрові струми сердечник статора однофазного двигуна з послідовним збудженням збирається з аркушів електротехнічної сталі, ізольованих один від іншого.

У розглянутому двигуні потік полюсів Ф і струм якоря є змінними, збігаються по фазі (рис. 5.12) і міняють свій знак одночасно. Тому знак обертаючого моменту М не міняється і момент діє в незмінному напрямку, але пульсує з подвійною частотою струму. Тому що ротор двигуна має значну механічну інерцію, то швидкість його обертання практично постійна і можна сказати, що двигун реагує тільки на середнє значення обертаючого моменту Мср.

Рис. 5.11. Схема однофазного колекторного двигуна з послідовним збудженням



Рис. 5.12. Криві струми, потоку і моменту однофазного колектора двигуна з послідовних збудженням

Через втрати в сталі і наявності короткозамкнених витків обмотки якоря потік Ф і струм двигуна з послідовним збудженням у дійсності зрушені по фазі на досить невеликий кут α і протягом цього кута момент М має інший знак. Це приводить до невеликого зменшення Мср, що не має істотного значення. У випадку паралельного включення якоря і обмотки збудження їхні струми в загальному випадку будуть зрушені на значний кут α, що викличе значне зменшення Мср. Тому однофазні двигуни з паралельним збудженням майже не знайшли практичного застосування.

Обмотка якоря однофазного двигуна з послідовним збудженням має певний індуктивний опір ха, обумовленим потоком якоря і потоками розсіювання обмотки якоря. Обмотка збудження також має певний індуктивний опір хв. Індуктивний опір двигуна х=хав і активний опір r=rа+rв обумовлюють спадання напруги jx і r.

Рівняння напруги двигуна з послідовним збудженням постійного струму має вигляд

U = e + rl, (5.3)

а для двигуна з послідовним збудженням змінного струму відповідно



U = E + r + jxl, (5.4)

де Е - е.р.с. якоря, що індуктуеться в результаті обертання якоря в магнітному полі полюсів і збігається по фазі з потоком Ф.

Відповідно до рівності () векторна діаграма двигуна зображена на рис. 5.13. Очевидно, що наявність індуктивного опору х викликає зрушення фаз φ між напругою U і струмом двигуна I. Звичайно cosφ≈0,70-0,95, причому cosφ тим більше, чим більше швидкість обертання двигуна.

Рис. 5.13. Векторна діаграма однофазного колекторного двигуна з послідовним збудженням

Механічні n=f(М) і швидкісні n=f(I) характеристики двигунів з послідовним збудженням змінний і постійний струми мають однаковий характер, тобто зі збільшенням навантаження швидкість обертання цих двигунів сильно зменшується.

Комутація. У комутирують секціях, що, обмотки якоря однофазного двигуна індуктуеться реактивна е.р.с. е і трансформаторна е.р.с. етр. Реактивна е.р.с. обумовлена зміною струму в комутирують секціях, що, пропорційна швидкості обертання n і току якоря I та збігається по фазі із цим током.

Трансформаторна е.р.с. індуктуеться внаслідок зміни потоку полюсів зі зміною частоти струму мережі, пропорційна цій частоті і потоку полюсів Ф або струму I і зрушена по фазі щодо потоку на 90°. Е.р.с. етр, як і у багатофазних колекторних машинах змінного струму, істотно погіршує умови комутації однофазних двигунів з послідовним збудженням у порівнянні із двигунами постійний струму.

Малопотужні (Рн < 0,5 кВт) двигуни з послідовним збудженням будуються без додаткових полюсів, і для поліпшення їхньої комутації можна зрушувати щітки з геометричної нейтралі проти обертання якоря. Потужні двигуни з послідовним збудженням виготовляються з додатковими полюсами і компенсаційною обмоткою на статорі. Всі обмотки двигуна включаються послідовно (рис. 5.14). Компенсаційна обмотка, як і у двигунах постійного струму, призначена для компенсації потоку реакції якоря. Застосування цієї обмотки зменшує індуктивний опір двигуна, підвищує його коефіцієнт потужності і поліпшує умови комутації.

Е.р.с. ег і етр зрушені по фазі на 90°, і е.р.с. етр не залежить від швидкості обертання. Ці обставини утрудняють компенсацію е.р.с. етр за допомогою додаткових полюсів. Шунтування обмотки додаткових полюсів активним опором R (рис. 5.14) дозволяє досягти повної компенсації етр при певній швидкості обертання. У цьому випадку (рис. 5.14 и 5.15)

I=IД +IR (5.5)

і тому що індуктивний опір обмотки додаткових полюсів значно більше її активного опору, то IД і IR зрушені по фазі майже на 90° і струм додаткових полюсів IД відстає від струму двигуна I. Струм IД у свою чергу можна розкласти на дві складові Iг і IТp (рис. 5.15), причому Iг збігається по фазі зі струмом I, а Iтр відстає від нього на 90°. Потоки додаткових полюсів, створювані струмами I і Iтр, будуть індуктуватися у комутуційних секціях, що е.р.с., спрямовані відповідно проти е.р.с. ег і етр. Тому при належному виборі числа витків обмотки додаткових полюсів і опору R можна досягти повної компенсації е.р.с. ег і етр та гарних умов комутації при певній швидкості обертання n. Але оскільки е.р.с. етр пропорційна f а е.р.с., індукційна струмом Iтр комутує секцію, що, пропорційна n, те при інших значеннях n компенсація етр порушується і умови комутації погіршуеться.



Рис. 5.14. Схема однофазного колекторного двигуна з послідовним збудженням з компенсованою обмоткою і додатковими полюсами

Приймаються також інші міри для поліпшення комутації однофазних двигунів з послідовним порушенням, але в цілому якість комутації цих двигунів значно гірше, ніж у машин постійного струму.

Застосування однофазних двигунів з послідовним збудженням. Малопотужні однофазні двигуни з послідовним збудженням (Рн≤0,5квт) знаходять широке застосування в промислових і побутових пристроях, коли потрібні більші швидкості обертання (n=3000-30 000 об/хв) або регулювання швидкості обертання (шліфувальні верстати, ручний металообробний інструмент, телеграфні апарати, пилососи, натирачі підлоги, швейні машини і ін.). При необхідності регулювання швидкості цих двигунів виробляється так само, як і у двигунів з послідовним збудженням постійного струму (регулювання живлячої напруги, наприклад, за допомогою автотрансформатора, шунтування обмотки збудження або якорі). Вид магнітної системи таких двигунів показаний на рис. 5.16, а. Ці двигуни звичайно пускаються в хід шляхом безпосереднього включення на повну напругу мережі.

Рис. 5.15. Векторна діаграма струму обмотки додаткових полюсів, шунтованної активним опором

Малопотужні двигуни з послідовним порушенням часто виготовляються для живлення як від мережі змінного, так і від мережі постійного струму, і в цьому випадку їх називають універсальними двигунами з послідовним збудженням. При живленні постійним струмом індуктивне спадання напруги у двигуні відсутній, і тому при однакових живлячих напругах і навантаженнях на валу швидкість обертання при постійному струмі буде значно більше, ніж при змінному. Тому для одержання приблизно однакових механічних характеристик при живленні від мережі постійний і змінний струм обмотки збудження універсального двигуна виготовляється з відводами і при змінному струмі частина обмотки збудження відключається (рис. 5.17).На мал.5.17 показане також включення конденсаторів для зменшення радіоперешкод. У цьому випадку обмотка збудження розбивається на дві частини, які приєднуються з різних сторін якоря. Конденсатори включаються між вивідними затискачами і корпусом, що заземлюється.

Рис. 5.16. Магнітні системи малопотужних (а) і потужних (б) двигунів з послідовним збудженням

Потужні однофазні двигуни (до Рн = 300 - 1000 кВт) знаходять застосування головним чином як тягові двигуни електровозів змінного струму (рис. 5.18, б). Такі електровози використовуються на електрифікованих залізницях ряду закордонних країн. При цьому контактна мережа має високу напругу (15-25 кВ) і на електровозі встановлюється понижуючий трансфор-матор з регульованою вторинною напругою для регулювання швидкості обертання тягових двигунів. Для зменшення трансформаторної е.р.с. і поліп-шення умов комутації тягових двигунів такі залізниці, як правило, електри-фіковані на змінному струмі зниженої частоти (f = 16 Гц, іноді f=25 Гц).

Рис. 5.17. Принципова схема універсального колекторного двигуна



Репульсіційні двигуни

Репульсіційними називаються однофазні колекторні двигуни, у яких обмотка ротора (якоря) не має електричного зв'язку зі статором і живильною мережею. Щітки цих двигунів замкнуті накоротко, і передача електричної енергії ротору відбувається тільки трансформаторним шляхом через магнітне поле. Регулювання швидкості обертання цих двигунів здійснюється шляхом повороту щіток, а їхній пуск відбувається шляхом прямого включення на повну напругу мережі. Простота пуску і регулювання швидкості обумовила певне поширення репульсіційних двигунів невеликої потужності (до Рн = 20 - 30 квт).



Рис. 5.18. Репульсіційні двигуни із двома (а) і однієї (б) обмоткою на статорі і одним комплектом щіток

На рис. 5.18, а представлена схема репульсіційного двигуна із двома обмотками на статорі (двигун Аткинсона). Потік Фв обмотки В індуктуе в обмотці якоря тільки е.р.с. обертання, пропорційну швидкості обертання, а потік Фк обмотки К — тільки е.р.с. трансформації, що не залежить від швидкості обертання. Передача електричної енергії ротору відбувається через обмотку К. Очевидно, що обмотки В и К (рис. 5.18, а) можна об'єднати в одну загальну обмотку і тим самим спростити пристрій статора. Утворення обертаючого моменту, що діє на ротор двигуна, можна витлумачити як результат відштовхування полюсів поля якоря Фя від полюсів поля статора Фс. Це і дало підставу називати ці двигуни репульсійними.

На рис. 5.19 зображені схеми репульсійного двигуна з однією обмоткою на статорі і одним комплектом щіток (двигун Томсона) при різних положеннях щіток. На рис. 5.19, а кут α між віссю обмотки статора і віссю щіток якоря дорівнює нулю. У цьому положенні при n=0 у якорі індуктується максимальний струм I2, але момент М=0. Це положення щіток називається положенням короткого замикання. При α=90° (рис. 5.19, б) струм в обмотці якоря при n=0 не індуктується, і це положення щіток називається положенням холостого ходу. При α≠0 і α≠90° двигун розвиває момент М≠0 і напрямок обертання двигуна збігається з напрямком повороту щіток з положення α = 0 (рис. 5.19, в и г).

Залежності пускового моменту і пускового струму двигуна від кута а зображені на рис. 5.20. При α=const механічні характеристики n=f(М) репульсіційного двигуна є м'якими, тобто репульсіційні двигуни по своїх робочих властивостях аналогічні двигунам з послідовним порушенням постійний і змінний токи.

Рис. 5.19. Репульсіційні двигуни з одним комплектом щіток у різних положеннях

Є також репульсіційні двигуни з подвійним комплектом щіток (двигун Бий, рис. 5.20). У двигуна на рис 5.20, а взаємне розташування щіток незмінно і всі щітки повертаються одночасно, а у двигуна на рис. 5.20, б щітки - А1-А2 нерухомі, а щітки ВЗ2 є поворотними. В обох випадках частина обмотки якоря не обтікається струмом, що поліпшує форму кривої н.с. обмотки якоря і умови комутації. У випадку на рис. 5.20, б, крім того, при повороті щіток ВЗ2 на кут 2 α вісь магнітного поля якоря повертається тільки на кут α, що дозволяє більш тонко регулювати швидкість обертання.

Рис. 5.20. Пускові характеристики репульсіційного двигуна



Рис. 5.21. Репульсіційні двигуни із двома комплектами щіток

Тому що в репульсіційних двигунів положення щіток не фіксовано, то застосування додаткових полюсів неможливо. Статори цих двигунів виконуються з неявновираженими полюсами. Поліпшення умов комутації можливо в основному тільки за допомогою щіток з підвищеним перехідним опором і шляхом зменшення числа витків секцій обмотки якоря.
Конспект лекцій з навчальної дисципліни "Спеціальні електричні машини" для студентів денної форми навчання зі спеціальності 6.092200 – “Електричні машини та апарати”

Укладачі: к.т.н., доцент Некрасов А.В.,

викл.-стажист Донченко Р.М.
Відповідальний за випуск к.т.н., професор Некрасов В.О.

Підп. до др. ______________. Формат 60х84 1/16. Папір тип. Друк ризографія.

Ум. друк. арк. ____. Наклад _______ прим. Зам. №___________. Безкоштовно.

Видавничий відділ КДПУ



39614, м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20
1   2   3   4   5   6   7   8


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка