Изменение числа пар полюсов статора.

⇐ ПредыдущаяСтр 30 из 38Следующая ⇒

Наиболее широко применяется, так как этот способ регулирования угловой скорости пригоден для короткозамкнутых АД. Изменяя число пар полюсов р переключением фазных обмоток статора с одной схемы соединения на другую (рис.4.15) можно в обратно пропорциональной зависимости изменить синхронную угловую скорость АД под нагрузкой. При этом число пар полюсов короткозамкнутого ротора изменяется автоматически. Так как р — целое число, то регулирование данным способом ступенчатое. В простейшем и наиболее распространенном случае полюса переключают со схемы соединения «звезда» на схему соединения «двойная звезда» (рис.4.16,а). Каждая фазная обмотка специального 2-скоростного АД состоит из двух секций. Начала и концы каждой из половин фазных обмоток, расположенных на панели выводов АД, соединяют последовательно или параллельно (во втором случае - звезда»). Число пар полюсов при этом уменьшается вдвое.

Рис.4.15. Схемы соединения двух половин фазной обмотки 2-скоростного короткозамкнутого АД: а–последовательное соединение, б–параллельное соединение.

Это становится очевидным из сопоставления принципиальных схем соединения обеих половин обмотки одной фазы АД. На рис.4.15, а обе половины соединены последовательно перемычкой 1К–2Н между концом первой половины и началом второй. Рассматривая направление тока в активных сторонах секции обмотки в определенный момент времени, устанавливаем, что в АД создано вращающееся магнитное поле, образованное восемью полюсами. На рис.4.15,б обе половины обмотки соединены параллельно перемычками 1К —2Н и 1Н—2К. Теперь в не которых соседних сторонах секций ток в данный момент времени течет в одинаковом направлении, вследствие чего образуется всего 4 полюса. Угловая скорость ротора АД в результате такого переключения увеличивается вдвое. То же получается при переключении обмоток со схемы «треугольник» на схему «двойная звезда» (рис. 4.16,б).

В качестве примера рассмотрим простейшие переключения обмоток 2-скоростных АД: со «звезды» или «треугольника» на «двойную звезду» (см. рис.4.16).

Рис. 4.16. Схемы переключения обмоток статора асинхронного 2-скоростного короткозамкнутого двигателя:

а—со звезды» на «двойную звезду»; б—с «треугольника» на двойную звезду»

При переключении двух частей каждой фазы с последовательного соединения на параллельное число пар полюсов уменьшается вдвое, а угловая скорость поля статора во столько же раз увеличивается, и соответственно в такой же степени возрастает угловая скорость ротора. Отличие соответствующих механических характеристик (рис. 4.17) при различных способах переключения пар полюсов состоит в неодинаковости критических моментов и объясняется следующими обстоятельствами.

Рис. 4.17. Механические характеристики 2-скоростного асинхронного двигателя:

а — при переключении обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду; б — с «Треугольника» на «двойную звезду»

1. При переключении со «звезды» на «двойную звезду» вдвое уменьшается число пар полюсов и вдвое увеличивается магнитный поток одного полюса. Последнее объясняется тем, что у «двойной звезды» по отношению к «звезде» при том же значении фазового напряжения число последовательно соединенных витков одной фазы будет меньше в 2 раза, а это ведет к увеличению в 2 раза тока статора и соответственно в 2 раза увеличивается магнитный поток одной пары полюсов. Так как вращающий момент АД, и в частном случае критический момент, пропорционален числу полюсов, то его значение может быть выражено следующей формулой: Мкр = с₁рI₂Ф соs j₂. Из этого уравнения ясно, что поскольку при переключении числа пар полюсов по первому способу значение рФ не изменяется, критический момент АД, определяющий его перегрузочную способность, остается таким же.

В случае переключения с «треугольника» на «двойную звезду» фазное напряжение уменьшается в √3 раз, а число последовательно соединенных витков одной фазы — в 2 раза. Поэтому ток возбуждения и магнитный поток здесь увеличиваются всего на 14%. Значение рФ при уменьшении вдвое числа пар полюсов также уменьшается. Следовательно, уменьшается и критический момент АД, т. е. снижается перегрузочная способность.

При переключении многоскоростного АД с большей скорости на меньшую в первоначальный момент скорость вращающегося по инерции ротора оказывается больше угловой скорости поля статора, снизившейся в 2 раза. Вследствие этого скольжение становится отрицательным, ЭДС ротора Е₂_s становится противоположной по фазе и соответственно меняется на 180° по фазе ток ротора I₂. Изменившийся по фазе ток создает во взаимодействии с магнитным потоком противоположный по направлению момент : Мт = kI₂Ф соs j₂, который для вращающегося в том же направлении ротора будет являться тормозным. Это явление в схемах ЭП судовых грузоподъемных механизмов широко используют для облегчения работы механических электромагнитных тормозов.

Возможны и другие переключения схем соединения обмоток, причем каждая фазная обмотка может состоять не только из двух половин, но и из трех, четырех и даже пяти частей. В этих случаях отдельные части обмоток соединяют, кроме указанных выше схем, «двойным» и «тройным треугольником», «тройной звездой»; применяют комбинированное соединение нескольких частей обмоток и т. п. В результате можно получать не только две, но и три, четыре угловые скорости. Такие полюсопереключаемые АД называются многоскоростными.

В судовых ЭП применяются многоскоростные 2- и 3-обмоточные АД серии МАП, у которых есть 2 или 3 независимые одна от другой 3-фазные обмотки статора. Каждая из обмоток выполнена на разное число пар полюсов. Одна из обмоток называется тихоходной, другая–быстроходной и т.д. Любую из этих обмоток можно переключить со схемы «треугольник» на схему «двойная звезда» и получить таким образом большее число скоростей. Наибольшее распространение в 2-скоростном исполнении получили АД с кратностью скоростей 2:1, а в 3-скоростном исполнении — с кратностью 4:2:1 и 6:2:1. Полюсопереключаемые АД могут иметь обычный ротор с короткозамкнутой обмоткой, а также ротор с переменными параметрами (двойная беличья клетка и т. п.).

Способ регулирования скорости переключением числа пар полюсов прост в реализации и экономичен, поскольку АД работают с малыми скольжениями. Основной недостаток этого способа — ограниченное число скоростей в заданном диапазоне регулирования: для 1-обмоточньих АД—обычно 2 скорости, для 2-обмоточных–3. Обеспечить плавное регулирование скорости здесь невозможно, нельзя получить также «ползучие» скорости. При ступенчатом изменении числа пар полюсов угловая скорость поля статора, а соответственно и скольжение также изменяются ступенчато. Это приводит к ступенчатому изменению значений ЭДС, тока ротора, вращающего момента, и АД испытывает дополнительные динамические нагрузки. Кроме того, многоскоростные АД, при прочих равных условиях, больше по габаритным размерам, и для управления ими нужна более сложная и дорогая аппаратура.

Тормозные режимы

Асинхронные двигатели могут работать во всех рассмотренных ранее для ЭД постоянного тока тормозных режимах: рекуперативном (сверхсинхронном) с отдачей энергии в сеть, противовключения и динамического торможения.

Рекуперативное торможение.

Указанный режим с отдачей электрической энергии в сеть создается, если, не отключая статора АД от сети, вращать ротор от постороннего источника механической энергии в направлении вращения магнитного поля статора со скоростью w, превышающей синхронную скорость или скорость поля статора w₀. В этом режиме скольжение становится отрицательным и, вследствие этого, момент АД меняет направление. Рекуперативный режим электрического торможения используется преимущественно в приводах палубных механизмов для короткозамкнутых АД с переключением числа полюсов обмотки статора. В указанных АД рекуперативное торможение может быть получено как при работе на одной скорости благодаря действию силы тяжести опускаемого груза, так и при переключении числа пар полюсов.

Рис.4.18. Механические характеристики АД в режиме рекуперативного торможения

Рассмотрим рекуперативное торможение, которое возможно в ЭП грузоподъемного механизма при опускании тяжелого груза. При включении ЭП на спуск тяжелого груза ротор АД постепенно увеличивает угловую скорость, вследствие чего скольжение s = (w₀– w)/w₀ постепенно уменьшается. Направление и значение момента электродвигателя М = kI₂Ф соs j₂ определяется скольжением, так как скольжение определяет ЭДС Е₂s, от которой зависит фаза и значение тока ротора. При достижении ротором угловой синхронной скорости s = 0 и соответственно равны нулю ЭДС, ток и вращающий момент АД. В этом случае Х₂s = 0, а соs j₂ = 1. Под действием момента сопротивления от силы тяжести груза продолжается дальнейшее ускорение ротора и его скорость становится больше угловой скорости поля статора. При скорости w = w₀ ротор опережает вращающееся магнитное поле и проводники его обмотки пересекаются магнитным потоком в противоположном направлении.

Следовательно, также изменяется и скольжение s = (w₀– w)/w₀ = – (w – w₀)/w₀. Ввиду того, что скольжение стало отрицательным по знаку, меняется фаза ЭДС и активной составляющей тока ротора. Это приводит к изменению направления момента АД, который для ЭП, вращающегося в сторону опускания, является тормозным. При дальнейшем увеличении угловой скорости под действием момента сопротивления скольжение по абсолютному значению возрастает– ЭДС и ток ротора увеличиваются.

При ускорении ротора также увеличивается его индуктивное сопротивление и соответственно соsj₂ уменьшается. Однако при скорости ротора, немного превышающей синхронную, уменьшением соs j₂ можно пренебречь, поэтому при ускорении ротора вследствие возрастания его тока тормозной момент электродвигателя Мт = kI₂Ф соs j₂ увеличивается. Когда тормозной момент станет равным движущему моменту сопротивления, разгон прекратится и ЭП будет вращаться с установившейся скоростью. Если при большом моменте М΄с скорость ротора и соответственно скольжение возрастут настолько, что индуктивное сопротивление ротора Х₂_s = 2pf₁Ls —станет равным R₂, то тормозной момент хотя и достигнет критического значения М΄k, но будет оставаться меньше М΄c. При этом ротор будет продолжать ускоряться и в результате ЭДС, ток ротора и индуктивное сопротивление будут увеличиваться, а соs j₂ — уменьшаться. Более интенсивное уменьшение соs j₂ по сравнению с увеличением тока ротора после М΄k вызовет уменьшение тормозного момента и при резком увеличении скорости АД происходит почти свободное падение груза (квадранты II и IV на рис. 4.18, опрокидывание показано штриховой линией).

При работе АД в режиме рекуперации происходит отдача электрической энергии в сеть. Это объясняется тем, что в двигательном режиме магнитные поля статора и ротора действуют встречно и результирующее магнитное поле наводит в статоре ЭДС, которая меньше, чем напряжение сети:

Когда АД переходит в режим рекуперативного торможения, то вследствие изменения фазы тока в роторе магнитное поле его действует согласно с магнитным полем статора и результирующий магнитный поток увеличивается. Соответственно возрастает ЭДС статора и ввиду того, что значение ее оказывается больше напряжения сети, происходит отдача активной энергии в сеть. Из-за увеличенного магнитного потока тормозной момент Мт = kI₂Ф соs j₂ имеет увеличенное значение, поэтому в режиме рекуперации критическое значение момента будет больше, чем в двигательном режиме М΄k > Мk. Отдача электрической энергии в сеть может вызвать повышение напряжения, а также привести к срабатыванию реле обратной мощности.

Торможение противовключением

Режим противовключения возникает в том случае, когда ротор вращается в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора. Так же, как и в ЭП постоянного тока, данный режим осуществляется в процессе реверса при переходе от одного направления вращения к другому и при ограничении скорости спуска тяжелых грузов.

В первом случае, чтобы ввести АД в режим противовключения, необходимо поменять местами 2 фазы статора (рис. 4.19, а, б). Из-за перемены фаз поле статора меняет направление вращения, а ротор в первоначальный момент по инерции продолжает вращаться в прежнюю сторону. Так как витки ротора движутся навстречу магнитному полю статора, то скольжение s = (– w₀– w)/– w₀ > 1, а из-за изменения направления вращения поля статора меняется фаза ЭДС и активной составляющей тока ротора. Соответственно меняет направление момент АД, который для вращающегося в прежнем направлении ротора будет являться тормозным. Из-за большого скольжения в начальный период резко возрастают ток I₂ = Е₂_s/ √R₂²+ Х₂²_s и индуктивное сопротивление ротора Х₂_s = 2pf₁sL₂, а соs j₂ уменьшается.Несмотря на большой ток ротора, его активная составляющая вследствие низкого соs j₂ мала и соответственно малое значение имеет тормозной момент АД. У двигателя с фазным ротором уменьшение броска тока и увеличение тормозного момента достигаются вводом добавочных резисторов в цепь ротора. Для АД с короткозамкнутым ротором уменьшение тока осуществляется вводом резисторов в цепь статора. В этом случае резко снижается и тормозной момент. Под действием тормозного момента, а также статического момента сопротивления (когда последний отрицателен) ротор затормаживается, и вследствие этого скольжение уменьшается.

Рис. 4.19. Торможение противовключением асинхронных двигателей:

а, -схемы подключения двигателей соответственно с короткозамкнутым и фазным роторами; б - механические характеристики

Из-за снижения скольжения уменьшается ЭДС и индуктивное сопротивление ротора, что приводит к увеличению активной составляющей тока (резкое повышение соs j₂) и соответствующему возрастанию тормозного момента. Если при w = 0 двигатель не отключить от сети, то ротор будет разгоняться в обратном направлении до угловой скорости, которая определяется нагрузкой на валу (рис. 4.19, б). Механические характеристики 1 и 1΄ относятся к короткозамкнутому АД, а 2 и 3—к фазному при различных значениях резисторов противовключения Rпр₂ >Rпр_1.Очевидно, начальный тормозной момент короткозамкнутого АД весьма мал, а у АД с фазным ротором он тем больше, чем больше сопротивление противотока.

Следует отметить, что возрастание тормозного момента происходит при увеличении активного сопротивления до определенного значения, и если это значение превысит значение индуктивного сопротивления Х₂_s, соответствующего начальному периоду реверса, то тормозной момент уменьшается. Подобный случай может также иметь место в ЭП вентиляторов машинного отделения и трюмов, которые приводятся в движение АД: в отключенном состоянии рабочие колеса всегда вращаются потоком воздуха, и пуск возможен в этом режиме.

Для Ад с фазным ротором режим торможения противовключением можно использовать с целью получения посадочных скоростей при опускании тяжелых грузов. Необходимым условием его осуществления является ввод больших активных сопротивлений в цепь ротора, при котором критическое скольжение s > 1, а пусковой момент АД меньше статического, создаваемого силой тяжести груза. В свою очередь критический момент АД должен быть больше статического момента. При этих условиях, несмотря на включение АД в сторону подъема, ускорение его ротора будет происходить в сторону опускания. Увеличение угловой скорости приводит к увеличению скольжения s = (w₀– w)/w₀ и, следовательно, возрастают ЭДС, ток ротора и тормозной момент. Когда значение последнего станет равным статическому моменту, АД будет работать в сторону опускания с установившейся угловой скоростью – w_т. Искусственная характеристика 4 на рис. 4.19,б соответствует случаю тормозного спуска груза в данном режиме.

Динамическое торможение.

Известны 2 вида динамического торможения: постоянным током и конденсаторное. Торможение постоянным током может происходить при независимом возбуждении и самовозбуждении. Торможение с независимым возбуждением осуществляют, отключая обмотку статора от сети и подавая на нее (обычно на 2 ее фазы) постоянный ток (рис.4.20). Последний получают от сети через понижающий трансформатор и полупроводниковый выпрямитель, а при большой мощности АД — от специальных возбудителей низкого напряжения (рис. 4.20, а).

Рис.4.20. Динамическое торможение асинхронных двигателей при независимом возбуждении:

а, б – схемы подключения двигателей соответственно с короткозамкнутым и фазным роторами: в – механические характеристики

У Ад с фазным ротором наряду с этим в цепь ротора вводят тормозной резистор (рис.4.20,б). При таком соединении в обмотке статора возникает неподвижное магнитное поле, индуцирующее в обмотке вращающегося по инерции ротора ЭДС. В этом режиме АД работает как неявнополюсный синхронный генератор, вырабатывая в роторной цепи ток, частота которого уменьшается по мере снижения угловой скорости ротора. Этот ток, взаимодействуя с потоком возбуждения статора, создает, как и в обычном синхронном генераторе, тормозной момент, под действием которого ротор останавливается. По мере снижения угловой скорости ЭДС, ток ротора и тормозной момент убывают до нуля. Запасенная в двигательном режиме кинетическая энергия преобразовывается в электрическую, а затем в тепловую, выделяемую в обмотке ротора асинхронного двигателя и в резисторе динамического торможения (если он есть).

Значение Мт в начальный период и форма механических характеристик при торможении зависят от тока возбуждения и от сопротивления роторной цепи. При сравнении механических характеристик 1 и 2 (рис.4.20, в), которые соответствуют короткозамкнутому АД при токах возбуждения I_в2 > I _в1видно, что большему току соответствуют большие начальный и максимальный тормозные моменты. На этом же рисунке приведены характеристики З и 4 фазного АД при том же токе возбуждения I _в1, но с разными сопротивлениями в цепи ротора Rт₂ > Rт₁, и характеристики 5 и б при тех же значениях тормозного сопротивления, но при токе возбуждения Iв₂. Из сопоставления этих характеристик видно, что при одинаковом токе возбуждения Мт в начальный период тем выше, чем больше сопротивление цепи ротора, а при том же сопротивлении максимальный тормозной момент тем больше, чем выше ток возбуждения.

Увеличение тормозного момента при введении в цепь ротора активного сопротивления объясняется тем, что работе АД в начальный период соответствует большое скольжение и ввиду этого активная составляющая тока ротора I₂акт = I₂ соs j₂очень мала. С введением активного сопротивления соs j₂возрастает в большей степени по сравнению с уменьшением I₂ и тормозной момент АД увеличивается. Повышение тока возбуждения во всех случаях при водит к увеличению магнитного потока статора и соответствующему возрастанию тормозного момента.

Ввиду того, что в цепь ротора АД с фазным ротором вводится активное сопротивление, Мт в начале тормозного процесса будет больше, как видно из характеристик, чем у короткозамкнутых АД. По тем же причинам у АД с фазным ротором критическое скольжение для данного режима имеет большее значение (R₂ = 2pf₁s_kL) и максимальный тормозной момент достигается при большей угловой скорости. Поэтому фазный АД при прочих равных условиях во время торможения делает меньше оборотов, чем короткозамкнутый, хотя продолжительность торможения у обоих примерно одинаковая. Чтобы обеспечить у короткозамкнутого АД такую же инерцию при остановке, как и у АД с фазным ротором, приходится подавать в обмотку его статора значительно больший ток. Рассмотренный способ торможения весьма эффективен, но для него необходим дополнительный источник постоянного тока или выпрямитель.

Динамическое торможение с независимым возбуждением применяется в ЭП механизма поворота грузовых кранов, обеспечивая мягкое торможение и предотвращая раскачивание груза.

На судах в ЭП грузовых кранов, где приводным двигателем является АД с фазным ротором, также широко используется торможение постоянным током с самовозбуждением (рис.4.21). Указанный вид торможения применяют при тормозном спуске тяжелых грузов. Для этого обмотку статора контактами КМ1 отключают от сети 3-фазного тока и подключают контактами КМ2 к выпрямителю UZ. Ввиду того, что АД продолжает вращаться под действием момента сопротивления, обусловленного силой тяжести груза, а в зубцах статора имеется остаточное намагничивание, то в роторной обмотке наводится переменная ЭДС.

Рис.4.21. Схема подключения АД с фазным ротором при режиме динамического торможения с самовозбуждением

С помощью выпрямителя UZ переменный ток преобразуется в постоянный и через контакты КМ2 поступает на статор. Магнитный поток статора увеличивается, ЭДС ротора становится больше и т. д. Таким образом, в результате самовозбуждения возрастают постоянный ток статора, магнитный поток и тормозной момент Мт = kI_2актФ. Тормозной момент при большой угловой скорости достигает очень больших значений, обеспечивая эффективное торможение, а по мере замедления АД его значение уменьшается.

Емкостное торможение применяют для остановки АД малой мощности. Для этого обмотку статора отключают от сети переменного тока и подключают к заряженным конденсаторам, являющимся источником питания постоянным током. Физический процесс торможения аналогичен торможению АД постоянным током. Необходимо отметить, что конденсаторы в процессе торможения АД разряжаются и в конце тормозного процесса оно становится неэффективным.

Специальные типы АД

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1509; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 25 26 27 28 293031 32 33 34 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!