6.Асинхронные машины cпециального назначения

6.АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

6.1. Асинхронный автономный генератор

Асинхронные генераторы в качестве автономных источников переменного тока в специальных энергетических системах получают широкое развитие в связи с усовершенствованием конденсаторов и развитием полупроводниковой техники. Асинхронные генераторы обычно выполняют

скороткозамкнутым ротором.

Вгенераторный режим асинхронная машина переходит при n > n1. При этом реактивную мощность, необходимую для возникновения вращающегося магнитного поля, машина получает из сети (при параллельной работе с сетью) или с помощью батареи конденсаторов (генераторы с самовозбуждением).

Вавтономном асинхронном генераторе (рис. 6.1) к выходным клеммам генератора АГ, приводимого во вращение первичным двигателем D, па-

раллельно нагрузке Zн в каждую фазу подключают конденсатор С. При активной нагрузке реактивная мощность QC, поступающая от конденсатора С, должна быть равна реактивной (намагничивающей) мощности генератора, необходимой для создания магнитного потока. При смешанной активноиндуктивной нагрузке мощность конденсаторной батареи следует увеличи-

вать для покрытия реактивной мощности нагрузки Qн.

Если в машине существует остаточный магнитный поток, то при вращении ротора в обмотке статора этим потоком индуцируется остаточ-

ная ЭДС Еост (рис. 6.2). Эта ЭДС создает в конденсаторах ток I′С, который, протекая по обмотке статора, усиливает его магнитный поток, в результа-

те чего индуцируемая в генераторе ЭДС еГ и ток конденсатора увеличиваются.

U1

n

D АГ

Uс	Zн
С

Рис. 6.1. Схема автономного асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением

252

6. Асинхронные машины cпециального назначения

На рис. 6.2 зависимость индуцируемой в обмотке статора генератора ЭДС Е1 от намагничивающего тока в этой обмотке Iμ или от тока конденсатора IС = Iμ изображена кривой холостого хода или кривой намагничивания

U1 = (X1 + Xm) IС = f (IC).

Прямая U = XC IС = f (IC) определяет зависимость напряжения

конденсатора от его тока. Процесс самовозбуждения

продолжается дотехпор, пока

u

uг0 = eГ А

			u= хСiC
Eocm			αKP
			α	iC = iμ
			IC

Рис. 6.2. Самовозбуждение автономного асинхронного генератора

iC ( X1 + X m ) > iC X C ,

(6.1)

и заканчивается, когда в результате увеличения насыщения сопротивление Xm уменьшается настолько, что наступает равенство (точка А на рис. 6.2)

iC ( X1 + X m ) = iC X C .

(6.2)

В выражениях (6.1) и (6.2) Xm – индуктивное сопротивление намагничивающего контура, уменьшающееся из-за насыщения магнитной цепи машины; XC – емкостное сопротивление конденсатора.

Частота тока генератора при холостом ходе (s = 0) определяется частотой вращения ротора f1 = pn1 = pn. При нагрузке генератора и неизменной частоте вращения частота вращения магнитного поля n1 = n (1 – s) уменьшается, так как в генераторном режиме s < 0. Вместе с частотой n1 уменьшается частота напряжения. Для поддержания частоты f1 = const необходимо при повышении нагрузки увеличивать частоту вращения ротора n.

Напряжение генератора

U	1	= E	− Z I .		(6.3)
		1	1	1

При повышении тока нагрузки (а вместе с ним и тока I1) при частоте f1 = const напряжение генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения Z1 I1 в обмотке статора и снижения ЭДС E1 в результате уменьшения магнитного потока. Последнее объясняется тем, что с ростом нагрузки (тока I1) увеличивается сопротивление Xm намагничивающего контура, что приводит к уменьшению намагничивающего тока Iμ.

253

6. Асинхронные машины cпециального назначения

U1					IC
		cosϕ =1					cosϕ = 0,8
		cosϕ = 0,8					cosϕ =1
0		IН		I	0		IН		I
		а					б

Рис. 6.3. Внешние (а) и регулировочные (б) характеристики автономного асинхронного генератора

Внешние (U1 = f (I)) и регулировочные (IC = f (I) и U1 = const) характеристики, снятые при постоянных частоте f1, коэффициенте мощности cos φ и частоте вращения n, представлены на рис. 6.3. Эти характеристики подобны характеристикам генераторов постоянного тока или синхронных.

Для стабилизации напряжения генератора при изменяющейся нагрузке необходимо регулировать частоту вращения n или магнитный поток машины, изменяя реактивную мощность, поступающую в машину от конденсаторов. Для изменения реактивной мощности либо меняют емкость конденсаторов, либо напряжение на них с помощью трансформатора, дополнительных резисторов или включаемых в контур тиристоров. Для автоматического регулированиянапряженияприменяют нелинейныеконденсаторы(вариконды).

Масса асинхронных генераторов, их стоимость ниже синхронных аналогичной мощности и частоты вращения, а надежность выше. При низких частотах напряжения и вращения из-за возрастания массы и стоимости конденсаторов и всего устройства возбуждения асинхронных генераторов они по массе и стоимости уступают синхронным.

Масса асинхронных генераторов значительно снижается при частоте 400 Гц и высоких частотах вращения (6 000−8 000 об/мин), снижается масса и стоимость конденсаторов. Высокая надежность асинхронных генераторов особенно важна при больших частотах вращения.

Эти машины не требуют защиты от коротких замыканий, так как в этом режиме они размагничиваются и развозбуждаются. Асинхронные генераторы сравнительно легко включать на параллельную работу даже при значительной разнице в их частотах вращения. Асинхронные генераторы весьма перспективны, поскольку по мере усовершенствования конденсаторов, применения методов цифрового управления масса и стоимость установок снижается.

254

6.Асинхронные машины cпециального назначения

6.2.Однофазные асинхронные двигатели

Однофазные асинхронные двигатели широко распространены в системах автоматики, вычислительной технике, бытовых электроприборах. Однофазными на практике принято называть двигатели, питающиеся от однофазной сети переменного тока. Как правило, по своему устройству эти двигатели являются двухфазными – на их статоре располагают не одну,

адве сдвинутые в пространстве обмотки (фазы) переменного тока. У одних двигателей при их работе обе обмотки постоянно находятся под напряжением, т. е. двигатели пускаются в ход и работают как двухфазные. У других при пуске находятся под напряжением обе обмотки, а при работе лишь одна. Такие двигатели пускают в ход как двухфазные.

Всхемах автоматики двухфазные двигатели работают чаще всего в несимметричных режимах, т. е. при эллиптических вращающихся полях,

ане при круговых (как в трехфазных машинах). Несимметричные режимы могут быть следствием двух причин:

1)несимметрично выполненной машины;

2)несимметричной двухфазной системы напряжений.

На статор симметричной машины укладывают две одинаковые обмотки, смещенные пространственно на угол θ = 90º эл. При симметричной системе напряжений на обмотку статора подают двухфазное напряжение с временным сдвигом β = 90º. Если выполнены оба условия, машина работает в симметричном режиме, полностью аналогичном работе трехфазной машины при круговом вращающемся магнитном поле. При невыполнении одного из этих условий машина работает в несимметричном режиме, характеризующемся наличием тормозящего момента на валу двигателя. При отсутствии второй фазы на статоре поле в зазоре машины пульсирующее, не создающее пускового вращающего момента.

Пульсирующую МДС обмотки представляют в виде двух вращающихся в разные стороны составляющих:

F = F cosωt = Fm e jωt +		Fm e− jωt = F		+ F .	(6.4)
m	2	2	1	2

Одну составляющую F1, вращающуюся в ту же сторону, что и ротор, называют прямо вращающейся (прямое поле), а вторую составляющую F2 − обратно вращающейся (обратное поле). При отсутствии насыщения магнитопровода можно оперировать соответствующими магнитными потоками. Такое представление полей позволяет применить методы, знакомые по исследованию трехфазных машин.

Применим этот метод к асинхронному двигателю, в пазах которого располагается одна обмотка – фаза, питающаяся от сети переменного тока.

255

Рис. 6.4. Однофазный асинхронный двигатель при неподвижном роторе

6. Асинхронные машины cпециального назначения

		Ротор двигателя обычный короткозамкнутый с
		обмоткой, выполненной в виде «беличьей
		клетки» (рис. 6.4).
f	f	Переменный ток, протекающий по об-
f	f	мотке, создает пульсирующее магнитное поле,
f	f	ось которого совпадает с осью обмотки стато-
		ра, а значение изменяется от плюс Фm до ми-
		нус Фm. В обмотке неподвижного ротора этим
		потоком наводятся ЭДС и токи такие же, как и
		во вторичной обмотке трансформатора. Созда-

Фваемые при этом электромагнитные силы f

(рис. 6.4) уравновешиваются и не создают вращающего момента. Ротор самостоятельно прийти во вращение не может.

Отсутствие начального вращающего момента – характерная особенность однофазного асинхронного двигателя, но если привести во вращение ротор двигателя какой-то внешней силой, то ротор будет самостоятельно вращаться, создавая определенный момент.

Разложив магнитное поле на две составляющие, получим значение скольжения ротора относительно потока прямого поля Ф1, вращающегося с частотой вращения nc

s1 = (nс − n) nс =1 − n nс = s .

(6.5)

Скольжение ротора относительно потока обратного поля Ф2

s2 = (nс + n) nс =1 + n nс .

(6.6)

Из формул (6.5) и (6.6) следует, что

s2 =1 + n nс = 2 − s1 = 2 − s .

(6.7)

Представим работу однофазного двигателя как совместную работу двух совершенно одинаковых и имеющих общий вал симметричных двигателей с круговыми вращающимися полями. Поле одного двигателя вращается в ту же сторону, что и ротор, и создает момент прямого поля M1

М			т р	U 2	R	s	.	(6.8)
	1	=	1	1	2
						( X1 + X 2 )2
			ω1 (R1 + R2 s)2 +

Поле другого двигателя вращается в обратную сторону и создает момент обратного поля M2

256

6. Асинхронные машины cпециального назначения

М			т р	U 2	R	(2 − s)		.	(6.9)
	2	=	1	1	2
							+ ( X1 + X 2 )2
			ω1 (R1 + R2 (2 − s))2

При неподвижном роторе (s = 1) моменты, создаваемые полями, вращающимися относительно ротора с одинаковыми синхронными скоростями в разные стороны, равны и направлены встречно. Результирующий момент, действующий на ротор, равен нулю. Двигатель не развивает пускового момента. Механическую характеристику однофазного асинхронного двигателя получают сложением характеристик прямого и обратного полей (рис. 6.5).

При s = 1 суммарный момент равен нулю. При скольжениях, отличных от единицы, двигатель развивает вращающий момент в одном или другом направлении в зависимости от того, в какую сторону развернут ротор внешней силой. Двигателю присущи два режима – двигательный и генераторный, но отсутствует тормозной режим.

Появление вращающего момента двигателя при его работе по характеристике, представленной на рис. 6.5, объясняется существенным ослаблением обратного магнитного поля в рабочем режиме двигателя из-за возрастания индуктивного сопротивления ротора обратного поля при уменьшении скольжения в рабочем режиме (x2об = 2πf1 (2 – s) LR2).

Для возможности самостоятельного пуска двигателя, работающего от однофазной сети, в его статоре укладывают вторую обмотку (ось которой сдвинута относительно первой, как правило, на 90° эл.), подключенную к той же сети через фазосдвигающий элемент, или создают магнитную несимметрию статора или ротора.

Взависимости от способа использования вспомогательной обмотки

итипа фазосдвигающего элемента однофазные асинхронные двигатели подразделяют на следующие группы [21]: 1) с пусковым сопротивлением; 2) с пусковым конденсатором;

3)с рабочим конденсатором;

4)с пусковым и рабочим конденсаторами; 5) с экранированными полюсами; 6) с несимметрией магнитного поля.

Удвигателей первой и второй групп одна из обмоток (рабочая) постоянно включена в сеть, а вторую (пусковую) подключают к сети через фазосдвигающий элемент (ФСЭ) лишь на время пуска. Пусковая обмотка таких двигателей

М

М1( s1 )

М1к

М( s )

0		1	2 s1
s2 2	1		0

М2к

М2( s2 )

Рис. 6.5. Механические характеристики однофазного асинхронного двигателя

257

6. Асинхронные машины cпециального назначения

занимает третью часть пазов статора и выполняется проводом меньшего сечения (больших плотностей тока), поскольку обмотка работает кратковременно.

Двигатели первой группы (рис. 6.6, а), как правило, выпускают с обмоткой повышенного активного сопротивления, упрощая схему включения. Временной сдвиг токов рабочей и пусковой фазы всегда меньше 90° (рис. 6.6, а). Для увеличения пускового момента двигателя пусковую обмотку выполняют с числом витков, меньшим, чем в рабочей обмотке, уменьшая индуктивное сопротивление пусковой обмотки (x ~ w2). Это вместе с существенно большим активным сопротивлением этой обмотки, в сравнении с рабочей обмоткой, увеличивает временной угол β между векторами пусковых токов Iр и Iп. Значительного пускового момента (до 1,7 Мн) добиваются форсированием магнитного потока, уменьшая число витков пусковой обмотки. Двигатель пускается в ход как двухфазный и после разгона переходит в однофазный режим, всегда работая в несимметричном режиме. Механические характеристики разгона (включены пусковая П и рабочая Р обмотки) и работы (остается включенной только рабочая обмотка) приведены на рис. 6.7.

Переключение обмоток производится либо вручную (кнопки специального типа), либо автоматически (с помощью токового реле, центробежного переключателя и т. д.).

Благодаря своей простоте и невысокой стоимости двигатели с пусковым сопротивлением широко применяют в приводах бытовых электроприборов (холодильники, заточные станки, кондиционеры и т. д.), а также в промышленных однофазных электроприводах малой мощности.

Р

П

R

Р

П

С

I

п

U

ϕB

U

ϕA

ϕ

A Iр

ϕ

B

β

Iр

Iп

β

а

б

Рис. 6.6. Схемы пуска и векторные диаграммы

асинхронного двигателя с пусковой обмоткой

258

6. Асинхронные машины cпециального назначения

Двигатели с пусковым кон-			n
денсатором	позволяют	получить				а	(Р + П)
достаточно высокий пусковой мо-			nн
						б
мент при меньших токах за счет
возможности	получения	кругового
поля при пуске (пусковой момент						Р
достигает (1−1,3)МН. За счет форси-
рования магнитного потока полу-
чают пусковой момент, в 2−2,5 раза					M н	M п		M кр
превышающий номинальный. Раз-
гон и переключение проходит так								M
же, как и в двигателе с пусковым			Рис. 6.7. Механические характеристики
сопротивлением.				асинхронного двигателя
Общими недостатками рас-					с пусковой обмоткой
смотренных	двигателей	являются
низкие энергетические показатели ( η, cos ϕ),					так как в рабочем режиме

подключена к сети одна рабочая обмотка и поле в зазоре двигателя, создаваемое статором, пульсирующее.

Высокие энергетические показатели получают, применяя двигатели с пусковой и рабочей емкостями (рис. 6.8, а). Обе обмотки статора этих двигателей постоянно включены и являются рабочими. В цепь одной из них В включены параллельно два конденсатора: рабочий (с емкостью Cp) и пусковой (с емкостью Cп). Рабочий конденсатор включен постоянно, пусковой включается только на время пуска. Двигатель и при пуске, и в рабочем режиме работает как двухфазный, поэтому обмотки А и В занимают одинаковые числа пазов (по половине пазов статора).

Значение емкости рабочего конденсатора выбирают из условия получения кругового поля при рабочем скольжении, чем достигаются высокие энергетические показатели. Значение пусковой емкости выбирают из условия получения необходимого пускового момента, который в этих двигателях удается получить в пределах (2−2,5) Мн. Коэффициент мощности двигателей с пусковой и рабочей емкостями близок к единице, что значительно выше трехфазных двигателей, хотя КПД двигателя меньше, а масса

игабариты двигателя больше.

Вслучае когда по условиям схемы отключаемый элемент нежелателен, применяют однофазные двигатели с постоянно включенной емкостью. Их называют конденсаторными. Обе обмотки статора постоянно включены в однофазную сеть: одна из них включена непосредственно в сеть, а вторая – через конденсатор С к той же сети. В двигателях с одной емкостью нельзя получить высоких и пусковых, и рабочих свойств. Их пусковой момент составляет (0,5–0,7) Мн, снижен и КПД.

259