Pakhomov_A_N__Krivenkov_M_V_Elektricheskiy_privod_uchebnoe_posobie

					141
пасть из синхронизма и автоматически обеспечивается устойчивая работа, а
перегрузочная способность ВД определяется перегрузочной способностью
ЭК.
Так как действующее значение первой гармоники составляет 99 % от
действующего значения ступенчатого напряжения, поэтому приложенное к
обмоткам статора напряжение U1 можно считать синусоидальным [9].
Считая магнитную цепь машины нена-									r1I1
сыщенной и x1d ≈ x1q = x1 ,			на основании век-
								U1
торной	диаграммы	(рис.	4.31)		можно	запи-			jx1I1q
								θ
сать:
								I1q	q
							I1d
	U1 = −E + j(I1d + I1q )x1 + r1I1 ,
								E	jx I
							d	I1	1 1d
откуда	определим	выражение			для тока I1q ,			Рис. 4.31
обуславливающего		появление			электромаг-
нитного момента M = 3EI1q / ω:
		I1q =		U1x1 sin θ + r1(U1 cos θ − E)
					x2	+ r2	.
					1	1

Отметим характерную особенность ВД – угол θ остается неизменным и не зависит от нагрузочного момента. Поэтому такие двигатели иногда называют «моментными СД».

Подставляя полученное выражение для тока I1q , а также известное вы-

ражение для ЭДС E =		πf1k1w1Ф = KФω , где K =
	2						2k1 pw1 / 2 в формулу элек-
тромагнитного момента получим:
M =		3KФ		U	(r cos θ + x sin θ) − r KФω .					(4.49)
	x2		+ r2 1		1	1	1
	1		1

Преобразовав выражение (4.49), получим уравнение механической характеристики ВД:

ω =	U	1	(r cos θ + x sin θ) / r				−	M (x12 + r12 )/ 3r1
			1	1	1				.
				KФ				( KФ)2
Пусковой момент				при	ω = 0			(поскольку	x1 = 0 ) равен

M п = 3KФU1 cos θ / r1 . Таким образом, наибольший пусковой момент ВД будет иметь при θ = 0 . Для моментных ВД характерны низкие скорости вращения,

142

следовательно, x1 << r1 , тогда уравнение (при θ = 0 ) и вид механических ха-

рактеристик ВД (рис. 4.32) аналогичны механической характеристики ДПТ независимого возбуждения:

ω =	U1	−	Mr1 / 3
	KФ		( KФ)2 .
ω
	Uн
U
U			Mп	M
U < U < Uн
	Рис. 4.32

Однако при высокой скорости ротора ω начинает сказываться индуктивность якоря, обуславливающая размагничивающее действие реакции якоря СД (пунктирная линия на рис. 4.32).

В настоящее время происходит совершенствование и широкое внедрение полупроводниковой техники (инверторы, преобразователи частоты), что обуславливает перспективность применения ВД в электроприводе.

4.11.Контрольные вопросы

1.Каково физическое обоснование и назначение схем замещения асинхронных двигателей?

2.Какова связь между скольжением и режимом работы АД?

3.Изменяется ли ЭДС ротора АД при изменении нагрузки на его валу?

4.Как зависит величина электромагнитного момента АД от напряжения

сети?

5.Какова связь между пусковым током и моментом?

6.Какой из способов пуска двигателя позволяет получить наибольший пусковой момент при одинаковом для всех способов пуска значении тока?

7.Какой вид имеет скоростная характеристика АД?

8.Чем объяснить отсутствие пропорциональной зависимости между током статора и скоростью вращения АД?

9.Как определить активное сопротивление роторной цепи по каталожным данным?

10.Почему величина критического момента АД в генераторном режиме больше, чем в двигательном?

143

11.В чем отличие механических характеристик двигателей с двойной беличьей клеткой от характеристик двигателей нормального исполнения?

12.Чем объяснить увеличение пускового момента при введении в цепь ротора АД активного сопротивления?

13.Почему величина критического скольжения АД, работающего в режиме динамического торможения с независимым возбуждением, меньше, чем при работе в двигательном?

14.Каковы особенности динамического торможения АД с самовозбуж-

дением?

15.С какой скоростью относительно статора вращается поле ротора, созданное токами обратной последовательности, при несимметричных сопротивлениях в цепи статора?

16.Чем объясняется наличие «провала» в механической характеристике АД при несимметричном включении роторных сопротивлений?

17.Из каких составляющих складывается вращающийся момент синхронного двигателя с явнополюсной системой?

18.Изменится ли перегрузочная способность синхронного двигателя при изменении частоты питающей сети?

19.Какое влияние на пуск синхронного двигателя оказывает обмотка возбуждения?

20.Зависит ли «подсинхронный» момент от величины активного сопротивления пусковой обмотки?

21.Какие способы торможения используют для синхронных двигате-

лей?

22.От каких параметров зависит перегрузочная способность синхронного двигателя?

5. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ СИЛОВОГО КАНАЛА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Силовые элементы электропривода являются звеном, передающим энергию от ИЭЭ (рис. 1.1) к электромеханическому преобразователю (ЭДУ), также они зачастую выполняют функции защиты от аварийных режимов.

Простейшим элементом силовой цепи является коммутационное (релейное) устройство, осуществляющее обычное подключение ЭДУ к ИЭЭ. Релейным элементом называется устройство, в котором осуществляется скачкообразное изменение (переключение) выходного сигнала под воздействием управляющего (входного) сигнала, изменявшегося непрерывно в определённых пределах. Релейные элементы (реле) находят широкое применение в системах автоматики, так как с их помощью можно управлять большими мощностями на выходе при малых по мощности входных сигналах; выполнять логические операции; создавать многофункциональные релейные устройства; осуществлять коммутацию электрических цепей; фиксировать отклонения

144

контролируемого параметра от заданного уровня; выполнять функции запоминающего элемента и т. д.

Важное место в силовом канале электропривода занимают преобразователи электрической энергии, предназначенные для управления потоком электроэнергии, поступающей от ИЭЭ с целью регулирования режимов работы ЭДУ, и представляющие собой энергетическую исполнительную часть системы управления электроприводом. По принципу действия эти электротехнические устройства могут преобразовывать один род тока и напряжения в другой или изменять частоту и напряжение электрической энергии одного рода тока. В связи с чем преобразователи классифицируют по роду тока на преобразователи постоянного и переменного тока. Помимо этого их подразделяют по способу преобразования энергии на электромеханические (электромашинные) и статические (полупроводниковые) преобразовательные устройства. Последние в настоящее время нашли самое широкое применение в автоматизированных системах электропривода. Это выпрямители, инверторы, преобразователи частоты.

5.1. Устройства коммутации и защиты

По устройству исполнительного элемента коммутационные (релейные) элементы подразделяются на контактные и бесконтактные. Контактные реле воздействуют на управляемую цепь с помощью электрических контактов, замкнутое или разомкнутое состояние которых позволяет обеспечить или полное замыкание или полный механический разрыв выходной цепи. Бесконтактные реле воздействуют на управляемую цепь путём резкого (скачкообразного) изменения параметров выходных электрических цепей (сопротивления, индуктивности, емкости) или изменения уровня напряжения (тока).

Обмотка реле показывается на

		KM									принципиальных электрических схе-
											мах значком, приведенным на рис. 5.1,
		а				б				в	а. Реле может иметь различное число
											контактов, одни из которых разомкну-
				Рис. 5.1							ты при отсутствии тока в обмотке и
											замыкаются при срабатывании реле.

Такие контакты называются «нормально разомкнутыми» и обозначаются на принципиальных схемах согласно рис. 5.1, б и в (верхние контакты). Другие контакты замкнуты при отсутствии тока и размыкаются при срабатывании реле. Это «нормально замкнутые» контакты, они обозначаются, как показано на рис. 5.1, б и в (нижние контакты). Положение контактов реле на принципиальных электрических схемах показывается для обесточенного состояния катушки данного реле.

Электромагнитные реле, благодаря простому принципу действия и высокой надежности, получили широкое применение в системах автоматики и в

						145
схемах защиты электроустановок. Электромагнитным называется реле, у ко-
торого контакты перемещаются при притягивании якоря к сердечнику элек-
тромагнита, по обмотке которого протекает ток. Электромагнитные реле де-
лятся на реле постоянного и переменного тока.
Реле постоянного тока делятся на нейтральные и поляризованные. Ней-
тральные реле одинаково реагируют на постоянный ток обоих направлений,
протекающий по его обмотке, а поляризованные реле реагируют на поляр-
ность управляющего сигнала.
Электромагнитное				нейтральное				3
реле состоит из трех основных частей:
контактной	системы,		магнитопровода						4
(ярмо, сердечник, якорь) и катушки. В
								2
настоящее время в технике применяют-
								8	5
ся электромагнитные			реле различных
конструктивных форм, но наиболее									6
распространёнными		являются			реле	с	1
поворотным якорем (рис. 5.2). Реле со-								7
стоит из контактных пружин 1 с кон-
тактами 2; якоря 3; латунного штифта
отлипания 4, служащего для облегчения								Рис. 5.2
отрыва якоря от сердечника при вы-
ключении управляющего сигнала, кар-
каса с обмоткой 5, сердечника 6, ярма 7 и возвратной пружины 8. При проте-
кании электрического тока по обмотке 5 возникает магнитное поле. Магнит-
ный поток замыкается через ярмо 7, якорь 3, воздушный зазор между якорем
и сердечником 6, и через сердечник. Сердечник и якорь намагничиваются, в
результате чего возникает электромеханическая сила, и якорь притягивается к
неподвижному сердечнику. При этом конец якоря сжимает контактные пру-
жины 1 и замыкает (размыкает) контакты 2. При отключении обмотки от сети
исчезает сила, притягивающая якорь к сердечнику и под действием контакт-
ных пружин якорь возвращается в исходное положение. На якоре снизу име-
ется немагнитный штифт отлипания, который служит для облегчения отхода
якоря от сердечника при выключении тока, поскольку он затруднён из-за ос-
таточного магнетизма сердечника.
Реле переменного тока срабатывают при подаче на их обмотки тока оп-
ределенной частоты, то есть основным источником энергии является сеть пе-
ременного тока.
Реле максимального тока предназначено для защиты контролируемых
цепей и устройств от превышения током сверх допустимых значений.
Широкое распространение в настоящее время получили реле, в которых
применяются герметизированные контакты (герконы). Герметизированные
силовые контакты (геркосины) представляют собой контактное устройство,
размещенное внутри герметичной оболочки (рис. 5.3). Геркосин состоит из

			146
			электромагнита 1 с подпружиненным яко-
1		5	рем 2, на котором размещён подвижный
			контакт 3, и герметичного корпуса 4 с не-
		4
			подвижным контактом 5. При подаче на-
			пряжения на зажимы катушки подпружи-
			ненный якорь замыкает контакты 3 и 5.
			Наибольшее	распространение	получили
2	3		геркосины типа КМГ, которые применяют-
			ся для управления АД. Герконовые реле
	Рис. 5.3		существенно надежнее обычных и имеют
			меньшие размеры и массу, защитная среда
			предохраняет рабочие поверхности контак-
тов от коррозии. Прогиб пружин столь мал, что не вызывает их релаксацию, и
они выполняются из материалов, которые практически не стареют.
Контактором (силовым реле) называется электромагнитное реле, ко-
торое имеет мощную контактную систему, служащую для коммутации рабо-
чих цепей электродвигателей. Контактор KM состоит (рис. 5.1) из катушки
(рис. 5.1, а), силовых (главных) контактов без дугогашения (рис. 5.1, б) и с ду-
гогашением (рис. 5.1, в) для улучшения условий коммутации, а также блоки-
ровочных (вспомогательных в цепях управления) контактов.
Контакторы различаются по роду тока коммутируемой цепи (постоян-
ного тока или переменного тока), количеству главных контактов (одно-, двух-
и многополюсные), роду тока цепи катушки (с управлением напряжением по-
стоянного и переменного токов), номинальному току и напряжению комму-
тируемых цепей, конструктивному исполнению (с механическими контакта-
ми и полупроводниковые бесконтактные) и другим признакам [17].
Магнитный пускатель представляет собой специализированный аппа-
рат, предназначенный для пуска, останова и реверса электрических двигате-
лей, главным образом асинхронных с короткозамкнутым ротором. Кроме
управления магнитные пускатели обеспечивают с помощью тепловых реле
защиту двигателей от токовых перегрузок и сигнализацию об их работе. В со-
ответствии с перечисленными функциями в состав пускателя могут входить
контактор, кнопки управления, тепловые реле защиты, сигнальные лампы,
размещаемые в одном корпусе [7, 12].
Выпускаемые магнитные пускатели различаются между собой по на-
значению (нереверсивные и реверсивные), наличию или отсутствию тепло-
вых реле и кнопок управления, степени защиты от воздействия окружающей
среды, уровням коммутируемых токов, рабочему напряжению главной цепи.
Разновидностью пускателей являются так называемые полупроводни-
ковые мягкие пускатели («мягкие» стартеры), позволяющие за счет снижения
подводимого к двигателю напряжения уменьшать его токи при пуске. Эти
устройства применяются главным образом для пуска асинхронных и син-
хронных двигателей средней и большой мощности.

147

Рубильники представляют собой простые коммутационные аппараты ручного управления, предназначенные для неавтоматического нечастого замыкания и размыкания силовых электрических цепей постоянного и переменного токов. Они различаются по величине коммутируемого тока, количеству полюсов (коммутируемых цепей), виду привода рукоятки и числу ее положений (два или три). Применение рубильников из-за возможности заклинивания, пропадания контакта или наоборот замыкания между фазами, а также отсутствия защит от токов перегрузок и короткого замыкания ограничено

– для включения двигателей мощностью не выше 1 кВт [7, 12].

Пакетные выключатели представляют собой разновидность рубильников, отличающиеся тем, что их контактная система набирается из отдельных пакетов по числу полюсов (коммутируемых цепей). Пакет состоит из изолятора, в пазах которого находятся неподвижный контакт с винтовыми зажимами для подключения проводов и пружинный подвижный контакт с устройством искрогашения. Пакетные выключатели конструктивно являются более надежными, чем рубильники, но также не имеют защиты от токов перегрузок и короткого замыкания, поэтому перед ними в цепи питания двигателя нужно ставить автоматические выключатели.

Автоматические выключатели (автоматы) низкого напряжения представляют собой многоцелевой электрический аппарат и служат для нечастой коммутации электрических цепей и защиты электрических цепей и оборудования от аварийных режимов: токов короткого замыкания и перегрузки, снижения или исчезновения напряжения и изменения направления тока. Для осуществления функций защиты автоматические выключатели снабжаются расцепителями, которые при возникновении аварийных режимов приводят к их отключению [7, 12].

Автоматические выключатели различаются между собой назначением, уровнями номинальных токов и напряжения, набором и исполнением применяемых защит, отключающей способностью и временем отключения. В некоторых типах автоматов предусмотрено их дистанционное отключение.

Контроллеры являются многопозиционными электрическими аппаратами с ручным или ножным приводом для непосредственной коммутации силовых цепей электрических двигателей. Силовые контроллеры бывают двух видов: кулачковые и магнитные [12].

Кулачковые контроллеры характеризуются тем, что размыкание и замыкание их контактов обеспечивается смонтированными на барабане кулачками, поворот которых осуществляется с помощью рукоятки, маховика или педали. За счет профилирования кулачков обеспечивается необходимая последовательность коммутации контактных элементов.

Магнитные контроллеры представляют собой коммутационное устройство, в состав которого входят маломощный командоконтроллер и контакторы. Командоконтроллер с помощью своих контактов управляет катушками

148

контакторов, которые непосредственно осуществляют коммутацию силовых цепей двигателей.

Плавкие предохранители – устройства, разрывающие электрическую цепь, если протекаемый в ней ток (например, при коротком замыкании) превысит максимально допустимое для двигателя и других аппаратов значение и расплавит плавкую вставку. В месте расплава вставки появляется электрическая дуга, для быстрого гашения которой используются наполнители (например, кварцевый песок). Предохранители могут быть разборными и неразборными. Последний в случае перегорания заменяется целиком [7].

Силовые резисторы. Включение резисторов в цепи электродвигателей производится в целях регулировании их скорости и для ограничения их тока и моментов при пуске, реверсе и торможении. Расчет сопротивлений резисторов, обеспечивающих требуемые характеристики двигателей был рассмотрен в разд. 3.4 и 4.5. Резисторы для электрических машин электроприводов выпускаются в виде ящиков сопротивлений с отдельными элементами, количество которых достигает 5, 10, 20 и 40 в зависимости от элементов. Ящики выполняются с проволочными и ленточными элементами на металлических пластинах на токи от 1,2 А до 42 А, с фехралевыми элементами на стальных полосовых стержнях на токи от 33 А до 215 А, с литыми чугунными элементами на токи от 20 А до 215 А. Данные ящиков сопротивлений приводятся в каталогах [7].

5.2. Электромашинные преобразователи электрической энергии

Электромашинный преобразователь представляет собой совокупность нескольких электрических машин необходимых для преобразования электроэнергии одной формы в другую. Рассмотрим яркий пример электромашинного преобразователя в виде системы «генератор-двигатель» [16] на базе машин постоянного тока независимого возбуждения (рис. 5.4).

+

Uвх=Uвг

	ПД		ЭПУ
М1	ωг	= const
				I
Iвг			Rяг
			М2	Eг
Rвг
	LM2		Г	Д

Rя		+
		LM3
М3
	ω	Iвн
M

Рис. 5.4

149

Двигатель (Д) постоянного тока М3 получает питание от генератора (Г) постоянного тока M2, который приводится в движение от приводного двигателя (ПД) переменного тока M1 (синхронного или асинхронного двигателя). Пуск двигателя осуществляется с номинальным потоком путем плавного увеличения напряжения на якоре Eг – ЭДС генератора M2. Это напряжение ре-

гулируется путем плавного увеличения магнитного потока генератора Фг , вращающегося с постоянной скоростью wг :

Eг = Сг × Фг × wг .

Направление и скорость вращения двигателя задается полярностью и величиной прикладываемого к обмотке возбуждения генератора LM2 напряжения Uвх .

Уравнение электромеханической характеристики имеет вид:

w =

U

д

-

R × I

я

=

E

-

Iя

×(Rяд + Rяг )

= w - Dw.

яц

г

СдФд СдФд

СдФд

СдФд

0

При изменении ЭДС Eг

пропорционально изменяется только ω0 , а

Δω = const .

Таким

образом,

семейство

механических

характеристик при

cдФн = const

– это

параллельные прямые

(рис. 5.5) с

наклоном несколько

большим, чем у естественной характеристики Д, поскольку суммарное сопротивление якорной цепи включает активное сопротивление Г – Rяц = Rяд + Rяг .

	ω ω0		Uвх1 >Uвх2
	ω0	= 0	Uвх2 M
			Uвх= 0
	ω0	ест. дв.	Uвх2
			Uвх1

Рис. 5.5

Дополнительно можно увеличить диапазон регулирования с помощью изменения магнитного потока Фд двигателя Д.

К очевидным и важным достоинствам такой реализации ЭПУ относятся двусторонняя проводимость генератора, т. е. естественная возможность работы во всех четырех квадрантах, отсутствие искажений питающей сети, высокий коэффициент мощности, высокая жесткость и линейность механических

150

характеристик. Недостатки – две дополнительные вращающиеся машины (утроенная установленная мощность ЭПУ-ЭДУ), необходимость обслуживать генератор, инерционность цепи управления, низкий КПД системы (трехкратное преобразование энергий: электрическая переменного трехфазного тока → механическая вращения ПД-Г → электрическая постоянного тока цепи якоря → механическая на валу Д). Однако, система Г-Д до настоящего времени находит применение в металлургии, мощных экскаваторах и т. п.

Рассмотрим электромашинный преобразователь электрической энергии переменного тока [15] на базе приведенных выше системы Г-Д и синхронного генератора СГ (рис. 5.6).

U = const f = const

ПД

М1 М2

LM2	Г

+	Uвг

ЭПУ

		СГ	U = var
	М3	М4
			f = var
Д	LM3
			АД
			М5
+	Uвд	+
		Uвсг

Рис. 5.6

Приводной двигатель M1 питается от сети переменного тока с постоянными значениями напряжения и частоты. При изменении напряжения возбуждения Uвг генератора M2 изменяется напряжение на якоре двигателя M3, а

при изменении напряжения возбуждения Uвд – магнитный поток двигателя

M3, что обеспечивает регулировку скорости вращения вала двигателя M3 и, соответственно, синхронного генератора M4. При этом меняется и частота напряжения на выводах СГ, определяемая по выражению

fСГ = pСГωСГ ,

2π

где ωСГ – угловая скорость ротора СГ; pСГ – число пар полюсов СГ.

Напряжение на выводах СД регулируется с помощью изменения напряжения Uвсг цепи возбуждения СГ.

Применение преобразователя частоты позволяет плавно регулировать скорость асинхронного двигателя M5, однако такому электромашинному ЭПУ свойственны существенные недостатки – применение четырех электрических машин (шум, дороговизна, громоздкость); низкий КПД системы (пя-