Двигатель двойного питания. Асинхронная машина двойного питания. Методика снятия данных при проведении опыта холостого хода

Существенным недостатком всех рассмотренных способов ре­гулирования скорости асинхронного двигателя при яв­ляется возрастание потерь энергии в роторной цепи при сниже­нии скорости пропорционально скольжению. Однако у двигателя с фазным ротором этот недостаток может быть устранен путем включения в цепь ротора источника регулируемой ЭДС, с помощью которого энергию скольжения можно либо возвратить и сеть, либо использовать для совершения полезной работы.

Схемы асинхронного электропривода с включением в цепь ротора дополнительных ступеней преобразования энергии для использования и регулирования энергии скольжения получили на­звание каскадных схем (каскадов). Если энергия скольжения пре­образуется для возвращения в электрическую сеть, каскад назы­вают электрическим. Если энергия скольжения с помощью элек­тромеханического преобразователя преобразуется в механичес­кую энергию и поступает на вал двигателя, то такие каскады на­зываются электромеханическими.

Электрические каскады, в которых цепь ротора подключается к преобразователю частоты, способному как потреблять энергию скольжения, так и доставлять энергию двигателю со стороны ро­тора на частоте скольжения, т. е. управлять потоком энергии в цепи ротора как в прямом, так и в обратном направлении, назы­ваются каскадами с асинхронным двигателем, работающим в ре­жиме машины двойного питания (МДП). Схема такого каскада представлена на рис. 8.38,а.

Анализ этой схемы позволяет выявить наиболее общие законо­мерности, свойственные электроприводам с каскадным включе­нием асинхронных двигателей. В установившихся режимах рабо­ты любой электрической машины поля статора и ротора для со­здания постоянного момента должны быть взаимно неподвижны. Поэтому если в схеме рис. 8.38,а задание частоты не зависит от нагрузки двигателя, то скорость двигателя в преде­лах допустимой перегрузки остается неизменной:

Такой режим работы называется синхронным режимом МДП. Для его математического описания воспользуемся уравнениями меха­нической характеристики обобщенной машины в осях х, у так как

поля ротора и статора вращаются в рассматриваемом режиме со скоростью При записи по аналогии с синхронной ма­шиной, ориентируем все переменные от­носительно вектора напряжения подводимого к ротору:

В синхронном режиме син­хронного двигателя момент определяется углом причем ось поля ротора совпадает с направлением вектора В синхронном режиме МДП ток ротора имеет частоту

Которая в общем случае не равна нулю. При этом изменения нагрузки и скольжения вызывают изменения угла сдвига поля ротора отно­сительно напряжения поэтому вектор напряжения статора сдвинут относительно вектора на угол который равен углу только при т. е. при возбуждении ротора постоянным током. При действительные напряжения, приложенные к обмоткам фаз статора двигателя, можно записать в виде

Уравнения МДП в осях х, у имеют вид

Ограничимся рассмотрением установившегося режима работы, положив , и пренебрежем активным сопротивлением об мотки статора Для использования (8.111) с помощью фор­мул (2.15) и (2.16) преобразуем (8.109) и (8.110) к осям х, у

В результате преобразования получим

где штрихами отмечены приведенные к цепи статора значения напряжений.

Подставив все принятые и полученные значения в (8.111) и выполнив некоторые преобразования, представим его в виде

С помощью выражений для потокосцеплений (2.20) можно по­лучить

Значения определяются с помощью первых двух уравнений (8.112):

то (8.113) при подстановке можно представить в виде

уравнения (8.114) позволяют получить выражение механичес­кой характеристики двигателя в режиме МДП. Для этого необхо­димо разрешить первые два уравнения относительно , подставить полученные выражения в третье уравнение, преобра­зовать переменные двухфазной модели к трехфаз­ной с помощью (2.37), перейти от максимальных значений на­пряжений к действующим и выполнить необходимые математи­ческие преобразования. В результате этого получим

где
- угол сдвига между осями полей ста­тора и ротора.

Анализ уравнения механической характеристики асинхронно­го двигателя в режиме работы МДП позволяет установить ряд интересных и практически важных особенностей рассматривае­мой каскадной схемы. Момент двигателя в этом режиме содер­жит две составляющие, одна из которых соответствует естествен­ной механической характеристике асинхронного двигателя, а другая - синхронному режиму, обусловленному напряжением , подведенным к цепи ротора.

Действительно, при (8.115) принимает вид

совпадающий с уравнением (8.76) при При не­изменном задании частоты напряжения в цепи ротора
. Поэтому скольжение двигателя при работе в синхронном режиме остается и асинхронная составляющая момента . Зави­симость М с от скорости представлена на рис. 8.38,6 (кривая ).

вторая составляющая обусловлена взаимодействием возбужда­емого напряжением ротора с полем статора, создаваемым на­пряжением сети

На рис. 8.38,6 представлены кривые
(кривая 2) и при (кривая 3).

Результирующий момент двигателя

Если чередование фаз напряжений одинаково, поля статора и ротора имеют одинаковое направление вращения и значения скольжения s 0 и частоты ротора положитель­ны. Двигатель при тормозной нагрузке работает в двигательном режиме, причем угол принимает такое значение, при котором . Это область режима работы каскада со скоростью, мень­шей синхронной . Если изменить нагрузку, приложив к ва­лу двигателя движущий момент - М с, возникнет переходный процесс, в котором под действием положительного динамичес­кого момента ротор двигателя ускорится, изменит положение от­носительно оси поля статора и угол по окончании переходно­го процесса примет отрицательное значение, соответствующее по (8.118) условию .

Таким образом, при двигатель работает со ско­ростью, меньшей синхронной, причем в зависимости от нагруз­ки на валу он может работать как в двигательном, так и в гене­раторном режиме. При этом переход в генераторный режим обеспечивается изменением синхронной составляющей (8.118) под действием изменений внутреннего угла обусловленных изменениями нагрузки, а составляющая остается неизмен­ной. Механические характеристики, соответствующие двум зна­чениям представлены на рис. 8.38,5 (прямые 4, 5).

При работе в двигательном режиме с (при подсинхронной скорости) потребляемая двигателем мощность если пре­небречь потерями, поступает на вал двигателя (Р 2) и в виде мощ­ности скольжения P s в преобразователь частоты:

Мощность скольжения P s преобразуется преобразователем час­тоты и возвращается в сеть (рис. 8.39,о). Если при машина работает в генераторном режиме то направление пото­ков мощностей изменяется на противоположное (рис. 8.39,6):

Уменьшение частоты ротора влечет за собой уве­личение скорости двигателя, так как

Следовательно, на рис. 8.38,б уменьшение вызывает переход с характеристики 5 на характеристику 4 и затем при на ха­рактеристику 6.

При роторная цепь питается постоянным напряжением и двигатель работает в чисто синхронном режиме,.. Действительно, при этом s 0 = 0, асинхронная соста­вляющая и момент двигателя полностью определяется (8. 117):

Сравнивая это выражение с (8.118) при , можно убедиться в их полном совпадении. Следовательно, характеристика 6 на рис. 8.38,б представляет собой механическую характе­ристику неявнополюсной синхронной машины, которой становится асинхронный двигатель при питании его роторной обмот­ки постоянным током.

Изменив знак можно изменить чередование фаз роторно­го напряжения . При этом поле ротора вращается в направле­нии, противоположном полю статора, , скорость двигателя , а скольжение отрицательно. Механические ха­рактеристики, соответствующие двум значениям предста­влены на рис. 8.38,6 (прямые 7 и 8).

Рассматривая этот рисунок, можно видеть, что и здесь в зави­симости от нагрузки на валу можно иметь как двигательный, так и генераторный режим работы двигателя. При этом асинхронная составляющая момента при данном значении s 0 < 0 отрицательна и неизменна, а значения момента, соответствующие обеспе­чиваются изменениями угла за счет поворота ротора относи­тельно поля статора под действием возникающих динамических моментов.

При сверхсинхронной скорости (s 0 < 0) при работе в двига­тельном режиме механическая мощность Р 2 обеспечивается по­треблением мощности как по цепи статора Р 1 , так и по цепи ро­тора (мощность скольжения P s) :

При переходе в генераторный режим и том же s 0 поступающая С вала мощность Р 2 передается в сеть по обоим каналам, т. е. на­правления потоков изменяются на противоположные, как пока­зано на рис. 8.39,в и г.

Механические характеристики на рис. 8.38,6 соответствуют , при этом максимум синхронной составляющей мо­мента (8.117) изменяется в функции скольжения s 0 (см. Кривые 2 и 3). Поскольку составляющая при изменении знака s 0 изменяет знак, перегрузочная способность двигателя в режиме МДП при
оказывается существенно различной. При скоростях ниже синхронной двигатель­ные моменты существенно снижают перегрузочную спо­собность в генераторном режиме: максимальные значения тор­мозного момента М при данном в этом режиме ограничива­ются кривой 9. При скоростях, больших синхронной тормозные моменты ограничивают максимальные значения ре­зультирующего момента, соответствующие в двига­тельном режиме (кривая 10 на рис. 8.38,б).

Практически требуемую перегрузочную способность во всем диапазоне регулирования скорости можно поддерживать изменяя напряжение в функции s 0 и нагрузки. При этом должно обес­печиваться ограничение токов ротора и статора на допустимом уровне во всех режимах.

Изменения напряжения обеспечиваются соответствующими изменениями сигнала задания напряжения преобразователя частоты. При данной нагрузке, например при путем изме­нения можно воздействовать на потребление реактивной мощности в цепи статора для синхронного двигателя.

Проведенный анализ показывает, что в режиме МДП свойст­ва каскада близки свойствам синхронного двигателя, причем при они совпадают. Специфика проявляется только в наличии сильной асинхронной составляющей момента M c (s 0), в возмож­ности работы при различных скоростях, задаваемых воздействи­ем на напряжение , и в возбуждении ротора переменным то­ком угловой частоты скольжения

Известно, что синхронный двигатель склонен к качаниям, обусловленным упругой электромагнитной связью между полями статора и ротора и для борьбы с ними снабжается демпферной обмоткой, создающей асинхронную составляющую момента. В рассматриваемой каскадной схеме имеет место более сильная асинхронная составляющая, определяемая естественной механической характеристикой асинхронного двигателя (без уче­та внутренних сопротивлений преобразователя частоты). Поэто­му при работе в области скоростей, близких к скорости поля to 0 , где - жесткость характеристик высока, отри­цательна и оказывает на колебания ротора сильное демпфирую­щее действие, аналогичное вязкому трению.

Однако при жесткость этой характеристики меняет знак т. е. механическая характеристика имеет положи­тельный наклон и может оказывать не демпфирующее, а раска­чивающее действие, приводящее к неустойчивой работе каскада. Это обстоятельство ограничивает область применения синхрон­ного режима работы каскада установками, в которых требуется небольшой диапазон изменений скорости [регулирование в пре­делах ±(20-30)% . При этом | и динамические свой­ства каскада могут в достаточной мере соответствовать требо­ваниям.

Следует заметить, что для указанного диапазона двухзонное регулирование скорости в каскадной схеме имеет преимущества перед другими способами, так как обеспечивает экономичное ре­гулирование скорости при относительно небольшой требуемой мощности преобразователя частоты, который должен быть рас­считан на максимум мощности скольжения

Соответственно при регулировании скорости в пределах ±(20-30)% требуемая мощность преобразователя частоты со­ставляет 20-30% номинальной мощности двигателя.

При необходимости изменения скорости в более широких пре­делах путем введения обратных связей обеспечивают зависи­мость частоты от скорости двигателя, аналогичную зависимо­сти частоты при асинхронном режиме работы. В этом случае механические характеристики каскада имеют конечную жест­кость, определяемую настройкой обратных связей, а режим ра­боты каскада называется асинхронным.

Возможности двухзонного регулирования скорости с работой как в двигательном, так и в генераторном режимах при каждой скорости в каскадных схемах обеспечиваются только при приме­нении полностью управляемых преобразователей частоты, обла­дающих способностью пропускать энергию как в прямом, так и в обратном направлениях (см. рис. 8.39). При указанном ограни­ченном диапазоне двухзонного регулирования скорости требуют­ся изменения частоты напряжения = Этим условиям наиболее полно соответствуют пре­образователи частоты с непосредственной связью; применение их экономически особенно выгодно в электроприводах, мощ­ность которых составляет сотни и тысячи киловатт.

Недостатком таких каскадов является необходимость реостат­ного пуска двигателя до низшей скорости в диапазоне регулиро­вания. Этот недостаток не имеет существенного значения для механизмов, работающих продолжительно, без частых пусков.

Экономичность мощных каскадных электроприводов с рабо­той асинхронного двигателя в режиме МДП определяется при указанных условиях высоким КПД тиристорного преобразовате­ля, возможностью снижения общего потребления реактивной мощности путем рационального управления напряжением а также относительно небольшими габаритами, массой и стоимо­стью преобразователя. Последние два достоинства проявляются в тем большей мере, чем в более узких пределах требуется регули­ровать скорость электропривода.

Однако в большинстве случаев мощность электроприводов, требующих регулирования скорости, составляет десятки и сотни киловатт, а требуемый диапазон регулирования скорости D пре­вышает диапазон, рациональный для каскада с МДП. Если , мощность преобразователя частоты становится соизме­римой с мощностью двигателя. При этом более целесообразно использовать частотное регулирование скорости, позволяющее реализовать непрерывное управление скоростью во всех переход­ных процессах асинхронного электропривода аналогично систе­мам Г-Д и ТП-Д.

Тем не менее в силу рассмотренных особенностей каскадных

схем существует достаточно широкая область их применения в тех случаях, когда условия работы механизмов позволяют сни­зить требования к управлению потоком мощности скольжения на пути ее возвращения в сеть или передачи на вал двигателя. К числу таких механизмов относятся нереверсивные механизмы, работающие с реактивной нагрузкой на валу и не требующие ра­боты двигателя в генераторном режиме в процессах торможения.

При указанных условиях можно ограничиться однозонным ре­гулированием скорости, при котором в двигательном режиме на­правление потока мощности скольжения неизменно - от ротора двигателя в сеть (рис. 8.39) или на вал. Это позволяет существен­но упростить каскадные схемы, применив в канале преобразова­ния мощности скольжения неуправляемый выпрямитель.

В электрических каскадах выпрямленный выпрямителем ток ротора преобразуется в переменный ток и передается в сеть. Если для преобразования тока и рекуперации энергии скольже­ния используется электромашинный агрегат, каскад называется машинно-вентильным. При применении для этой цели вентиль­ного инвертора, ведомого сетью, каскад называется вентильным (асинхронно-вентильным) каскадом.

Электромеханические каскады являются машинно-вентильны­ми. В них выпрямленный ток направляется в обмотку якоря ма­шины постоянного тока, соединенной с валом асинхронного двигателя, которая преобразует электрическую энергию скольже­ния в механическую, поступающую на вал двигателя.

4. Работа эл. двигателей на общий механический вал.

4.1 Распределение нагрузки между двигателями работающими на общий механический вал в зависимости от жёсткости механических характеристик и скоростей идеального холостого хода.

на рис. 2.16 рассматривается совместная работа асинхронного двигателя с нагрузкой на валу. Нагрузочный механизм (рис. 2.16.а) соединяется с валом двигателя и при вращении создает момент сопротивления (момент нагрузки). При изменении нагрузки на валу автоматически изменяется частота вращения ротора, токи в обмотках ротора и статора и потребляемый из сети ток. Пусть двигатель работал с нагрузкой Mнагр1 в точке 1 (рис. 2.16.б). Если нагрузка на валу увеличится до значения Mнагр2, рабочая точка переместится в точку 2. При этом частота вращения ротора снизится (n2M1). Снижение частоты вращения ротора приводит к увеличению скольжения, увеличению токов в обмотках ротора и статора, т.е. к увеличению потребляемого из сети тока.

Схема включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением (рис. 4.1), когда для питания цепи возбуждения используется отдельный источник постоянного тока, находит применение в регулируемых электроприводах

Якорь двигателя М и его обмотка возбуждения LМ обычно получают питание от разных, независимых друг от друга источников напряжения U и U В , что позволяет отдельно регулировать напряжение на якоре двигателя и на обмотке возбуждения. Направление тока I и эдс вращения двигателя Е , показанные на рис. 4.1, соответствуют двигательному режиму работы, когда электрическая энергия потребляется двигателем из сети: Р э = U c I и преобразуется в механическую, мощность которой Р м = М ω . Зависимость между моментом М и частотой вращения ω двигателя определяется его механической характеристикой.

Рис. 4.1. Схема включения двигателя постоянного тока независимого
возбуждения: а – цепи якорной обмотки; б – цепи возбуждения

При установившемся режиме работы двигателя приложенное напряжение U уравновешивается падением напряжения в якорной цепи I ∙R и наведенной в якоре эдс вращения Е , т.е.

, (4.1)

где I – ток в якорной цепи двигателя; R = R я + Rр 1 – суммарное сопротивление якорной цепи, Ом, включающее внешнее сопротивление резистора Rp 1 и внутреннее сопротивление якоря двигателя R я (при наличии дополнительных полюсов учитывается и их сопротивление):

где k – конструктивный коэффициент двигателя; k = pN /2a (р – число пар полюсов двигателя; N – число активных проводников обмотки якоря; 2а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря; Ф – магнитный поток двигателя.

Подставив в уравнение баланса напряжений якорной цепи выражение для Е и выразив ω , получим:

. (4.3)

Это уравнение называется электромеханической характеристикой двигателя .

Для получения механической характеристики необходимо найти зависимость скорости от момента двигателя. Запишем формулу связи момента с током якоря двигателя и магнитным потоком:

Выразим ток якоря двигателя через момент и подставим в формулу электромеханической характеристики:

, (4.5а)

, (4.5б)

где ω 0 = U / kФ – частота вращения машины в режиме идеального холос­того хода; β = (kФ ) 2 / R – жёсткость механический характеристики машины.

Механическая характеристика двигателя при неизменных параметрах U , R и Ф представляется прямой линией 1 (рис. 4.2). На холостом ходу (М = 0) двигатель вращается с частотой вращения w 0 . По мере увеличения момента нагрузки частота вращения снижается, номинальному моменту нагрузки М Н соответствует номинальная частота вращения w 0. Изменение величины питающего напряжения вызывает пропорциональное уменьшение частот вращения во всех режимах работы. При этом жесткость механической характеристики b сохраняется, так как его величина, согласно (4.5б), определяется сопротивлением якорной цепи, конструктивным коэффициентом и магнитным потоком машины. Согласно (4.5), путем изменения величины питающего напряжения U от нуля до номинального значения (например, при помощи управляемого тиристорного выпрямителя), можно изменять частоту вращения вала в широких пределах, что подтверждается рис. 4.2 (характеристиками 2 ). При этом диапазон плавного и экономичного регулирования частоты вращения – глубина регулирования – находится по формуле , (4.6)

где w max , w min – максимально и минимально возможные частоты вращения при данном способе регулирования.

Практически значение глубины регулирования достигает 10…100 тыс. Столь большой диапазон регулирования позволяет исключить или значительно упростить механическую трансмиссию.

Вторым способом регулирования частоты вращения двигателя является изменение сопротивления якорных цепей – путём включения последовательно в цепь якоря регулировочного резистора R Р1 (рис. 4.1). В этом случае, согласно (4.5), при увеличении сопротивления жесткость характеристики машины уменьшается (рис. 4.2, линии 3). Как видно из рис. 4.2, частота вращения машины при идеальном холостом ходе: М = 0 не изменяется, а с ростом момента нагрузки частота вращения снижается значительно (β уменьшается). Данный способ регулирования позволяет изменять частоту вращения в значительном диапазоне, однако вследствие значительных потерь мощности в регулировочном резисторе резко снижается кпд привода:

. (4.7)

Регулирование частоты вращения машины постоянного тока магнитным потоком машины Ф – за счёт изменения тока возбуждения резистором R Р 2 (см. рис. 4.1) – является экономичным способом, так как потери в резисторе R Р 2 не велики вследствие малого тока возбуждения. Однако этот способ позволяет лишь увеличивать частоту вращения по сравнению с номинальной (глубина регулирования не превышает D = 2…3). Такой способ регулирования предусмотрен для большинства машин.

Ранее была рассмотрена работа двигателя не­зависимого возбуждения в двигательном режиме, чему со­ответствовали механические характеристики, представлен­ные на рис. 4.2 и расположенные в первом квадранте коор­динатных осей. Однако этим не исчерпываются возможные режимы работы электродви­гателя и его механические характеристики. Весьма часто в современ­ных электроприводах необхо­димо быстро и точно остано­вить механизм или изменить направление его движения. Быстрота и точность, с ка­кой будут проделаны эти опе­рации, во многих случаях определяют производитель­ность механизма. Во время торможения или перемены направле­ния движения (реверса) электродвигатель работает в тор­мозном режиме на одной из механических характеристик, соответствующих осуществляемому способу торможения. Графическое изображение механических характеристик машины независимого возбуждения для разных режимов работы представлено на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Механические характери­стики двигателя постоянного тока независимого возбуждения при раз­личных режимах работы: 1 – механическая характеристика при номинальном напряжении на якоре; 2 – механическая характеристика при напряжении на якоре, равном нулю

Здесь, кроме участка характеристик, соответствующих двигательному режиму (квадрант I), показаны участки характеристик в квад­рантах II и IV, характеризующие три возможных способа генераторного электрического торможения, а именно:

1) торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное);

2) динамическое торможение;

3) торможение противовключением.

Рассмотрим подробнее особенности механических ха­рактеристик при указанных способах торможения.

1. Торможение с отдачей энергии в сеть, или рекуперативное торможение (генераторный режим работы параллельно с сетью) осуществляется в том случае, когда скорость двигателя оказывается выше скорости идеального холостого хода и его эдс Е больше приложенного напряжения U. Двигатель здесь работает в режиме генератора параллельно с сетью, которой он отдает электрическую энергию; ток при этом изменяет свое направление, следовательно, изменяет знак и момент двигателя, т. е. он становится тормозным: М = – I a Ф . Если обозначить тор­мозной момент через М Т = –М, то уравнение (4.5) при ω > ω 0 примет следующий вид:

. (4.8)

Как видно из выражения (4.8), жесткость (наклон) механической характеристики в рассматриваемом генераторном режиме будет такой же, как и в двигательном. Поэтому графически механические характеристики двигателя в режиме торможения с отдачей энергии в сеть являются продолжением характеристик двигательного режима в область квадранта II (рис. 4.3). Этот способ торможения возможен, например, в приводах транспортных и подъемных механизмов при спуске груза и при некоторых способах регулирования скорости, когда двигатель, переходя к низшим скоростям, проходит значения ω >ω 0 . Такое торможение является весьма экономичным, поскольку оно сопро­вождается отдачей в сеть электрической энергии.

2. Динамическое торможение происходит при отключении якоря двигателя от сети и замыкании его на резистор (рис. 4.4), поэтому иногда его называют реостатным торможением. Обмотка возбуждения при этом должна оставаться присоединенной к сети.

Рис. 4.4. Схема включения двигателя постоянного тока независимого
возбуждения при динамическом торможении.

При динамическом торможении, так же, как и в предыдущем случае, механическая энергия, поступающая с вала, преобразуется в электрическую. Однако эта энергия не отдается в сеть, а выделяется в виде теплоты в сопротивлениях цепи якоря.

Так как при динамическом торможении якорные цепи машины отключены от сети, то в выражении (4.5) следует приравнять нулю напряжение U , тогда уравнение примет вид:

. (4.9)

При динамическом торможении механическая характеристика двигателя, как это видно из (4.9), представляет собой прямую, проходящую через начало координат. Семейство характеристик динамического торможения при различных сопротивлениях R якорной цепи показано ранее (см. рис. 4.3 квадрант II). Как видно из этого рисунка, жесткость характеристик уменьшается с увеличением сопротивления якорной цепи.

Динамическое торможение широко используется для останова привода при отключениях его от сети (особенно при реактивном характере момента), например при спуске грузов в подъемных механизмах. Оно достаточно экономично, хотя и уступает в этом отношении торможению с отдачей энергии в сеть.

3. Торможение противовключением (генераторный режим работы последовательно с сетью) осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а якорь двигателя под воздействием внешнего момента или сил инерции вращается в противо­положную сторону. Это может происходить, например, в приводе подъемника, когда двигатель включен на подъем, а момент, развиваемый грузом, заставляет привод вращаться в сторону спуска груза. Такой же режим получается и при переключении обмотки якоря (или обмотки возбуждения) двигателя для быстрой остановки или для изменения направления вращения на противоположное.

Графическое изображение механической характеристики для торможения противовключением, когда имеет место, например, так называемый тормозной спуск груза, приведено на рис. 4.3, из которого следует, что механическая характеристика при торможении противовключением является продолжением характеристики двигательного режима в квадрант IV.

По конструкции машина двойного питания (асинхронизированная синхронная машина, управляемая машина переменного тока) подобна асинхронной машине с фазным ротором, На ее статоре, как правило, размещается трехфазная обмотка, а на роторе двухфазная или трехфазная.

Обмотка статора получает питание от сети с частотой питающего напряжения f 1 , а к обмотке ротора через управляемый вентильный преобразователь ПЧ подводится напряжение с частотой f 2 (f 2 < f 1 ) . Частота и амплитуда напряжения ПЧ регулируются по заданному закону системой управления. Машины двойного питания целесообразно применять в установках большой мощности, где их преимущества наиболее сильно проявляются. Они могут работать в качестве генераторов и двигателей как в синхронном, так и в асинхронном режиме.

В машине двойного питания, работающей двигателем, изменением f 2 можно регулировать частоту вращения. Частота тока в роторе асинхронной машины

f 2 = f 1 s , (1)

s = ( n 1 - n ) / n 1 (2)

n 1 - частота вращения магнитного поля.

Решая совместно (1) и (2), получаем зависимость

частоты вращения ротора n от f 1 и f 2 :

n = n1( f 1 ± f 2 ) / f 1 . (3)

Знак плюс соответствует чередованию фаз ПЧ , при котором ротор и его магнитное поле вращаются в противоположных направлениях, а минус - когда они вращаются в одну и ту же сторону.

Из (3) следует, что в зависимости от направления вращения магнитного поля ротора можно получить n < n 1 , или n > n 1 , Если при работе поддерживать f 2 = const , то машина будет работать в синхроyном режиме, а при f 2 = var - в асинхронном. Когда f 2 = 0 (питание обмотки ротора постоянным током), то машина работает как обычный синхронный двигатель.

С целью снижения активной мощности преобразователя частоты, которая равна Р п.ч = ( f 2 / f 1 ) Р ЭМ (здесь Р ЭМ - электромагнитная мощность), частоту f 2 изменяют в небольших пределах. Кроме частоты вращения в машине двойного питания, работающей двигателем, можно регулировать реактивную мощность и cos φ . Машина может работать как с опережающим, так и с отстающим током. Если подводимая к обмотке ротора добавочная ЭДС Е Д совпадает по направлению с индуктированной в ней ЭДС Е 2 , то В этом случае происходит регулирование частоты вращения ротора. При изменении фазы Е Д относительно Е 2 одновременно с регулированием частоты вращения изменяется и реактивная мощность, т. е. cos φ .

Машины двойного питания, работающие в энергосистемах как генераторы, имеют определенные преимущества по сравнению с обычными синхронными генераторами: они более устойчиво работают в режимах глубокого потребления реактивной мощности, имеют большую динамическую устойчивость, обеспечивают компенсацию колебания частоты и т. д.

Машины двойного питания можно использовать в качестве электромеханического преобразователя частоты для гибкой связи энергосистем, частоты которых несколько отличаются друг от друга (не более 0,5 - 1%). Электромеханический преобразователь частоты для гибкой связи энергосистем состоит из двух машин, соединенных общим валом (см. рис.). Одна из этих машин является обычной синхронной машиной СМ , а другая - машиной двойного питания МДП . Статорные обмотки машин подключены к разным энергосистемам. Система управления вырабатывает такой сигнал, чтобы частота напряжения в роторе машины двойного питания равнялась разности частот связываемых энергосистем. Одна из машин работает как двигатель, а другая - как генератор. При этом мощность из одной энергосистемы передается в другую.

Машина двойного питания может применяться как источник напряжения постоянной частоты при переменной частоте вращения ротора.

Выразим в (3) n 1 , через f 1 (из формулы n 1 = 60f 1 / p ).

После преобраэования получим

f 1 = рn / 60 ± f 2 (4)

Из (4) следует: чтобы при переменной частоте вращения ротора n получить f 1 =const , необходимо соответственно изменить частоту f 2 подводимого r ротору напряжения.

Машины двойного питания пока еще не получили широкого применения. Они изготовляются в единичном исполнении.

Глава сорок первая СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ СИНХРОННЫХ МАШИН

В обмотке якоря машины постоянного тока протекает переменный ток. Если соединить эту обмотку также с контактными кольцами (рис. 41-1, а), то на них получим напряжение переменного тока U ^. Такая машина называется о д н о я -хорным преобразователем. Питание ее обмотки возбуждения постоянным током производится обычно со стороны коллектора, так же как в машинах постоянного тока с параллельным возбуждением. Поэтому в конструктивном отношении одноякорный преобразователь предетавляет собой машину постоянного тока, снабженную контактными кольцами. Кольца помещают на валу со стороны, противоположной коллектору. " Для улучшения коммутации машина имеет добавочные полюсы.

Одноякорный преобразователь обычно используется для преобразования переменного тока в постоянный. При этом по отношению к сети переменного тока он работает как синхронный двигатель, а по отношению к сети постоянного тона - как генератор постоянного тока. На валу эта машина развивает лишь небольшой вращающий момент для покрытия механических, магнитных и добавочных потерь. Разность Р„ -Р_ равна потерям в машине. Машина может также преобразовывать постоянный ток в переменный.

Одноякорный преобразователь

Рис. "41-1. Принцип устройства (а) и схема (б) обыкновенного одноякорного преобразователя

обычно пускается в ход по способу асинхронного пуска синхронного двигатели, для чего в его полюсных наконечниках помещается пусковая обмотка. При наличии напряжения в сети постоянного тока его можно пустить в ход так же, как двигатель постоянного тока, и затем синхронизировать с сетью переменного тока.

Как известно, в режиме генератора активная составляющая тока якоря совпадает по фазе с э. д. с, а в режиме двигателя она направлена встречно э. д. с. Так как одноякорный преобразователь работает одновременно в режиме генератора и двигателя, то в обмотке якоря протекает разность токов /, и /.. Поэтому потери в обмотке якоря меньше, чем у обычных машин переменного тока. Поскольку формы кривых переменного и постоянного тока в секциях обмотки различны и в разных секциях кривые сдвинуты по фазе во времени на различные углы, то токи секций изменяются во времени по кривым сложной формы.

Так как напряжения U„ и U_ действуют в одной и той же обмотке якоря, то их величины жестко связаны друг с другом. Если предположить, что поле возбуждения индуктирует в обмотке якоря чисто синусоидальные э. д. с, пренебречь сопротивлениями обмотки и принять, что количество секций обмотки

очень велико, то векторная диаграмма э. д с. секции якоря будет иметь вид окружности (рис. 41-2). При этом напряжение U_ равно диаметру окружности, а амплитуда Um~ = \"W~ равна стороне т-угольника, вписанного в окружность, где т - число фаз (на рис. 41-2 яг =6). На основании рис. 41-2

Например, при т= 3 и т= 6 соответственно U m ~= 0,612 £/_ и и„ - 0,354 U_.

Из сказанного следует, что если величина £/_. будет стандартной, то величина £У„ будет нестандартной, и наоборот. Поэтому обычно одноякорный преобразователь включается в сеть через трансформатор Тр, а часто дополнительно также через индуктивную катушку ИК (рис. 41-3). Путем изменения тока возбуждения машину можно нагружать индуктивным или емкостным током и тем самым за счет падения напряжения в индуктивной катушке регулировать в некоторых пределах напряжение £/_.

Раньше одноякорные преобразователи широко применялись для питания контактных сетей трамвая и железных дорог и в других случаях. В настоящее

Рис. 41-2. Векторная диаграмма э. д. с. и напряжений обмотки якоря одно-якорного преобразователя

Рис. 41-3. Шестифазный одноякорный преобразователь с трансформатором и индуктивной катушкой

время они в этих областях вытеснены ртутными и полупроводниковыми выпрямителями и используются в специальных случаях, притом также с раздельными обмотками переменного и постоянного тока. Одноякорный преобразователь можно использовать также в качестве генератора двух родов тока - постоянного и переменного, если вращать его с помощью какого-либо первичного двигателя. Такие генераторы в ряде случаев применяются на небольших судах и т д. При этом для получения напряжений необходимой величины на якоре помещают отдельные обмотки переменного и постоянного тока. Если обмотку постоянного тока использовать только для питания обмотки возбуждения, то получим своеобразный синхронный генератор с самовозбуждением. Такие генераторы мощностью до 5-10 кв-а также находят некоторое применение.

§ 41-2. Машины двойного питания

Двигатель двойного питания по своей конструкции представляет собой асинхронную машину с фазным ротором, обе обмотки которой питаются переменным током обычно от общей сети, с параллельным или последовательным включением обмоток статора и ротора (рис. 41-4, а). Токи статора I t и ротора / 2 создают н. с. Fj, F 2 и потоки Ф 1(Ф 2 , которые вращаются соответственно относительно статора и ротора со скоростями п г = fjp. Эти н. с. и потоки вращаются синхронно, если

где п - скорость вращения ротора и знак плюс относится к случаю, когда н. с. ротора вращается относительно ротора в сторону его вращения, а знак минус - когда это вращение происходит в обратном направлении. Согласно этому соотношению, в первом случае п = О, что не представляет практического интереса, и во втором случае

т. е. скорость ротора равна двойной скорости обычной синхронной машины. При этом синхронно вращающиеся поля статора и ротора создают вращающий момент М, машина может работать в режимах двигателя и генератора и в сущности представляет собой синхронную машину. Момент М создается, когда пространственный угол 6 между J^ и F 2 (рис. 41-4, б) отличен от нуля или 180°, так как в противном случае оси полюсов магнитных полей статора и ротора совпадают и тангенциальных усилий не создается.

Машины двойного питания находят некоторое применение в специальных случаях в качестве двигателей. Их недостатком является то, что при пуске их нужно привести во вращение при помощи вспомогательного двигателя. Кроме того, их успокоительные моменты малы и эти машины подвержены качаниям. В общем случае возможно питание статора и ротора токами разных частот.

Асинхронизированная синхронная машина, предложенная Л А. Горевым, отличается от обычной

синхронной машины тем, что она имеет две обмотки возбуждения - одну по продольной и другую по поперечной оси. Поэтому ее ротор имеет в сущности двухфазную обмотку. В нормальном режиме работы обмотки возбуждения питаются постоянным током, и этот режим ничем не отличается от режима работы обычной синхронной машины. Однако в аварийных режимах, когда синхронное вращение ротора с полем статора нарушается (короткие замыкания в сети, качания ротора и пр.), обмотки возбуждения питаются переменными токами частоты скольжения, сдвинутыми по фазе на 90°, вследствие чего получается поле возбуждения, вращающееся относительно ротора. Частота токов возбуждения s/ x регулируется автоматически и непрерывно таким образом, что поля возбуждения и якоря вращаются синхронно, благодаря чему они создают вращающий момент постоянного знака. В результате машина не выпадает из синхронизма и устойчивость ее работы повышается, что и составляет преимущество данной машины.

По своей природе рассмотренная машина аналогична машине двойного питания. Для реализации указанного преимущества этой машины кратность

Рис. 41-4. Схема (а) и векторная диаграмма н. с. и потоков (б) машины двойного питания

(потолок) напряжения возбуждения должна быть высокой (fy m Э= 4 -*■ 5) и надо применять регуляторы сильного действия. Питание обмоток возбуждения целесообразно осуществлять от ионных или полупроводниковых преобразователей частоты. В настоящее время изготовлены опытные образцы асинхронизирован-ных синхронных машин.

§ 41-3. Синхронные двигатели малой мощности

Для некоторых механизмов необходимы двигатели малой мощности с постоянной скоростью вращения (лентопротяжные механизмы киноаппаратов, электрические часы, аппараты и т. д). В качестве таких двигателей применяются синхронные двигатели без обмоток возбуждения. Отсутствие обмоток возбуждения упрощает конструкцию двигателей и их эксплуатацию, а также повышает надежность их работы. Во многих случаях такие двигатели являются однофазными.

Устройство статора многофазных маломощных синхронных двигателей, рассматриваемых в настоящем параграфе, ничем не отличается от устройства статора нормальных синхронных и асинхронных машин, а статоры однофазных синхронных двигателей имеют такое же устройство, как и статоры однофазных асинхронных двигателей (с рабочей и пусковой обмоткой, конденсаторные, с экранированными полюсами на статоре - см. § 30-2), и пуск однофазных синхронных и асинхронных двигателей производится одинаково (в конце пуска, синхронные двигатели втягиваются в синхронизм под действием синхронного* электромагнитного момента). Поэтому ниже рассматриваются особенности роторов синхронных двигателей без обмотки возбуждения.

Сняхронные двигатели с постоянными магнитами имеют обычно цилиндриче-* екие роторы из магнитно-твердых сплавов (алии, алнико и др.) и, кроме того» пусковую обмотку в виде беличьей клетки. Ротор из магнитно-твердого сплава изготовляется путем литья и трудно поддается механической обработке. Поэтом^ выполнение в нем литой беличьей клетки невозможно. В связи с этим ротор изго* товляется обычно составным - обычный ротор короткозамкнугого асинхронного^ двигателя посредине и два г диска из магнитно-твердого сплава по краям. Исполц зование материалов таких двигателей получается малым, и поэтому они обычнее строятся мощностью до 30-40 вт. Генераторы с постоянными магнитами не. нуждаются в пусковой обмотке и строятся на мощность Р„= 5-«- 10 кв-а, 4- в ряде случаев до Р И = 100 кв-а. Однако ввиду дороговизны магнитно-тверды* сплавы применяются в специальных случаях, когда требуется повышенная яа" дежность в работе.

Реактивные синхронные двигатели. Явнополюсные синхронные машины без обмотки возбуждения называются реактивными. Особенности работы таких машвя, уже были рассмотрены в § 35-3.

Различные конструкции роторов синхронных реактивных двигателей изображены на рис. 41-5. Ротор, показанный на рис. 41-5, а, имеет наибольшее распространение, изготовляется из листовой электротехнической стали и снабжается пусковой обмоткой в виде беличьей клетки. Его полюсы имеют форму выступов!» Роторы, изображенные на рис. 41-5, б и в, изготовляются путем заливки сталь-* ных пакетов алюминием, причем алюминий выполняет роль"пусковой обмотки.

Реактивные двигатели имеют низкий coscp и поэтому также низкий к. п. д< (при Р я = 20 -ь 40 вт к. п. д. %= 0,3 -з- 0,4), а их вес обычно больше вееф асинхронных двигателей такой же мощности. У однофазных конденсаторный реактивных синхронных двигателей cosq> улучшается за счет конденсаторов.

Реактивные двигатели обычно строятся на мощности до 50-100 вт, нЩ когда большое значение имеет простая конструкция и повышенная надежности они строятся также и на значительно большие мощности.

Синхронные гистерезисные двигатели. Низкие энергетические и неблаго* приятные весовые показатели синхронных реактивных двигателей явились сти*

мулом для разработки и применения гистерезисных двигателей Роторы таких двигателей изготовляются из специальных магнитно-твердых сплавов, имеющих широкую петлю гистерезиса (например, сплав викаллой). При массивной конструкции ротора эти двигатели при пуске развивают также асинхронный вра-

Рис 41-5. Конструкция роторов синхронных реактивных двигателей

щающий момент. Однако этот момент значительно меньше гистерезисного момента (см. § 25-4), вследствие чего пуск, а также втягивание в синхронизм и работа происходят за счет гистерезисного момента вращения.

Разница между двигателями с постоянными магнитами и гистерезисными состоит в том, что у первых ротор подвергается специальному предварительному намагничиванию, а у вторых ротор намагничивается полем статора двигателя.

Гистерезисные двигатели имеют лучшие показатели, чем реактивные, и строятся на мощности до 300-400 em.

Реактивно-гистерезисный синхронный двигатель (рис. 41-6) с редуктором был предложен в 1916 г. Уорреном и широко применяется до настоящего времени для привода электрических часов, для протягивания ленты в самопишущих приборах и т.% Статор этого двигателя имеет экранированные П0люсы(ем. также § 30-2), а ротор состоит из шести-семи пластин толщиной 0,4 мм из закаленной маг-

Рис. 41-6. Реактивно-гистерезисный двигатель

/ - магнитопровод статора; 2 - каркас;

3 - катушка возбуждения; 4 - короткозамк-

нутые витки; 5 - ротор

нитно-твердой стали. Пластины

имеют форму колец с перемычками.

Магнитное сопротивление ротора

в направлении перемычек меньше,

и поэтому Ха ф x q . Ротор посажен

на валик с помощью прорезей в перемычках пластин и соединен с редуктором.

Ротор вместе с редуктором заключен в герметический корпус (на рис. 41-6

не показан).

Пуск двигателя происходит за счет асинхронного (вихревого) и гистерезис-нога моментов, а работа - за счет гистерезисного и реактивного моментов, причем последний в 2-3 раза больше гистерезисного. Выпускаемые в СССР реактивно-

гистерезисные двигатели на f = 50 гц типов СД-60, СД-2, СДЛ-2, СРД-2 имеют мощность на валу 12 мквт, а двигатели СД-1/300 - 0,07 мквт (цифры в обозначении типов указывают на скорость вращения выходного конца вала в об/мин). Их к. п. д. менее 1%.

§ 41-4. Тихоходные и шаговые синхронные двигатели

Однофазные тихоходные синхронные реактивные двигатели отличаются тем, что полюсное деление их статора кратно числу зубцовых делений ротора (рис. 41-7, а) или зубцовые деления на полюсах статора равны зубцовым делениям ротора (рис. 41-7, б)

Поток статора Ф этих двигателей пульсирует с частотой тока f. Если при Ф = 0 полюсы (рис. 41-7, а) или зубцы (рис. 41-7, б) статора смещены относительно зубцов ротора, то при возрастании Ф от нуля зубцы ротора притягиваются к полюсам или зубцам статора и ротор по инерции будет поворачиваться и тогда, когда Ф снова уменьшится до нуля. Если к этому времени зубец ротора приблизится к следующему полюсу или зубцу статора, то в течение следующего полупериода 1 изменения Ф силы будут действовать на зубцы ротора в том же направлении. Таким образом, если средняя скорость ротора такова, что в течение одного полупериода тока ротор поворачивается на одно зуб-повое деление, то на него будет действовать пульсирующий вращающий момент одного знака и ротор будет вращаться со средней синхронной скоростью

n = 2/ 1 /Z a , (41-3)

где Z 2 - число зубцов ротора.

Например, если h = 50 гц Рис. 41-7. Однофазные тихоходные син- и 2 2 = 77 то п= 1,3 об/сек = хронные реактивные двигатели с явно- = 78 об/мин. При питании обмот-выраженными полюсами на статоре (а) ки че р ез выпрямитель скорость и с зубчатым статором и общей обмоткой уменьшается вдвое.

возбуждения (б)д ля улучшения условий работы

двигателя и увеличения равномерности вращения ротор обычно выполняется с повышенной механической инерцией. С этой же целью иногда двигатели выполняются с внутренним статором и внешним ротором (например, двигатели электропроигрывателей). Если на полюсах (рис. 41-7, б) оставить только по одному зубцу, то получится двигатель, называемый колесом Ла-Кура.

При включении двигателя в неподвижном состоянии возникает явление при-липания (см. § 25-4), и двигатель необходимо пускать в ход толчком от руки или с помощью встроенного пускового асинхронного двигателя.

Синхронные безредукторные двигатели. На рис. 41-8 показано устройство безредукторного двигателя, разработанного американскими инженерами Л. Чеб-бом и Г. Уотсом. Двигатель имеет двухфазную обмотку с 2р = 2 и фазной зоной 90°. На рис. 41-8 катушки обмотки статора намотаны через спинку, но может быть применена и обмотка обычного типа. Питание обмотки производится от однофазной сети, причем одна из фаз питается через конденсаторы, благодаря чему образуется вращающееся поле. Зубчатый ротор лишен обмотки.

Разность чисел зубцов ротора и статора Z 2 - Z t = 2р на рис. 41-8 равна двум. Под воздействием вращающегося поля ротор стремится занять такое поло-

жение, при котором по линии оси магнитного потока зубец ротора встанет против зубца статора (линия А на рис. 41-8). Когда ось потока повернется в положение В, зубец 2" ротора встанет против зубца 2 статора, а при повороте потока от положения А на 180° зубец 9" ротора встанет против зубца 9 статора, т. е. произойдет поворот ротора на одно его зубцовое деление. Поэтому скорость вращения ротораА В

Например, при f x = 50 гц, 2р - 2, Z 2 = 400 и Z y - 398 будет п= 1/4 об/сек = = 15 об /мин.

Рассматриваемый двигатель работает в сущности по принципу взаимодействия зубцовых гармоник поля, вследствие чего и получается малая скорость вращения. Такой принцип называется электрической редукцией (уменьшением) скорости. Поэтому эти двигатели не нуждаются в механических редукторах и называются безредуктор-ными.

Существуют также другие разновидности безредукторных двигателей. Эти двигатели применяются в случаях, когда необходимы пониженные скорости вращения Снапример, электрические часы и ряд устройств автоматики), а также при использовании источников с повышенной частотой питания f = 400-г- 1000 гц.

Шаговые двигатели питаются импульсами электрической энергии и под воздействием каждого импульса совершают угловое или линейное перемещение

Рис. 41-8. Реактивный безредук-торный синхронный двигатель

Рис. 41-9. Принцип устройства и работы реактивного шагового двигателя

на некоторою, вполне определенную величину, называемую шагом. Эти двигатели применяются для автоматического управления и регулирования, например а металлорежущих станках с программным управлением для подачи резца и т. д. На рис. 41-9 изображен простейший шаговый двигатель с тремя парами полюсов на статоре. При питании током обмотки полюсов индуктора 1 -/ четырех-полюсный ротор занимает положение, показанное на рис. 41-9, о, а при питании полюсов 1-1 и 2-2 займет положение, показанное на рис. 41,9, б, отрабогав

Уменьшение шага двигателя достигается увеличением числа полюсов или путем размещения на общем валу нескольких пар статоров и роторов, повернутых относительно друг друга на соответствующий угол. Вместо сосредоточенных обмоток (рис. 41-9) можно применять также распределенные обмотки. Существует целый ряд разновидностей шаговых двигателей вращательного (с шагом до 180°, до 1° и менее) и поступательного движения. Предельная частота следования импульсов, при которой возможен пуск и остановка двигателя без потери шага и которая называется также приемистостью, составляет от 10 до 10000 гц.

§ 41-5. Индукторные синхронные машины

В ряде установок (индукционный нагрев металлов, сварка специальных сплавов, гироскопические и радиолокационные установки- и пр) применяется одно-или трехфазный ток повышенной частоты (400-30000 гц) Синхронные генераторы нормальной конструкции, имеющие частоту f = pn, для этого случая не подходят,

Рис. 41-10. Устройство одноименнополюсно-го (а) и разноименнополюсного (б) однофазного индукторного генератора

/ - катушка возбуждения; S - корпус; 3 - пакет статора; 4 - обмотка переменного тока; 5 - пакет ротора> 6 - втулка ротора, 7 - вал

Рис 41-11. Кривая поля в зазоре индукторных генераторов» выполненных по схеме рис. 41-10

так как увеличение скорости вращения л у них ограничено условиями механической прочности, а увеличение числа полюсов 2р ограничено минимально возмож* ной величиной полюсного деления по условиям размещения обмоток. Поэтому в этих случаях применяются генераторы особой конструкции, которые называются индукторными и основаны на действии зубцовых пульсаций магнитного потока. Роторы всех видов индукторных генераторов имеют вид зубчатых колее и не имеют обмоток, что повышает надежнбсть их работы, -а обмотки возбужде постоянного тока и якорные обмотки переменного тока располагаются на статора В некоторых случаях вместо обмоток возбуждения применяются постоянные т ниты.

В последнее время начинают находить применение также индукторные двигв* тел и, развивающие при питании током повышенной частоты умеренные скорости вращения. Их устройство аналогично устройству индукторных генераторов

Генератор, изображенный на рис. 41-10, а, имеет по два пакета статора и ротора и кольцевидную обмотку возбуждения. Он называется одноименно-полюсным, так как магнитная полярность каждого пакета вдоль всей окружности неизменна Генератор, показанный на рис. 41-10, б, является однопакет-ным и называется разноименнополюсным. В больших пазах его статора расположена обмотка возбуждения, а в малых пазах - обмотка переменного тока.

Кривая индукции магнитного поля вдоль окружности ротора для генераторов, показанных на рис. 41-10, изображена на рис. 41-11. Можно представить себе, что

Рис. 41-12. Принцип устройства (а) и кривая магнитного поля (б) однофазного индукторного генератора с гребенчатой зубцовой зоной

пульсирующая волна этого поля движется вместе с ротором, а постоянная составляющая магнитного поля неподвижна-относительно статора и э, д. с. в катушке с любым шагом от этого поля равна нулю. Поэтому эта ча,сть потока не производит полезной работы и вызывает ухудшение использования материалов машины. Зубцам ротора придают такую форму, чтобы кривая рис. 41-11 приближалась к синусоиде. Тогда пульсирующая составляющая поля с амплитудой

Шаги катушек этой обмотки должны быть такими, чтобы на рис. 41-10 одна сторона катушки находилась против зубца, а другая - против паза ротора, так как в этом случае э. д. с. переменного тока проводников катушки будут арифметически складываться. Потокосцепления обмоток возбуждения генераторов, показанных на рис. 41-10, при вращении ротора остаются постоянными, и поэтому в этих обмотках переменная э. д. с. не индуктируется, что является положительным фактором.

При / 5= 3000 гц целесообразно применять конструкцию статора, предложенную Гюи. В этой конструкции большие зубцы статора, охватываемые обмотками, имеют гребенчатую форму и зубцы соседних полюсов статора сдвинуты относительно зубцов ротора на половину зубцового деления (рис. 41-12). Благодаря этому потоки различных половинок полюсов Ф" и Ф" различны (рис. 41-12, б) и при смещении ротора на половину зубцового деления поток, сцепляющийся с катушкой

Рис. 41-13. Принцип устройства трехфазного индукторного генератора с гребенчатой зубцовой зоной

обмотки якоря 2, изменяется от значения 4- (Ф" - Ф") до значения - (Ф" - Ф") и в этой обмотке индуктируется э. д. с. частоты /, определяемой равенством (41-5). В то же время потокосцепление с обмоткой возбуждения 1 не изменяется.

Применяются и другие разновидности индукторных машин. В трехфазных машинах вместо двух больших зубцов, как на рис. 41-10, на протяжении двойного полюсного деления выполняется шесть больших зубцов и малые зубцы соседних больших зубцов статора сдвинуты относительно зубцов ротора не на половину, а на одну шестую часть малого зубцового деления (рис. 41-14). Благодаря этому потоки соседних больших зубцов статора изменяются со сдвигом по фазане на 180°, а на 60°, что используется для получения в фазах А, В, С обмотки якоря э. д. с, сдвинутых на 120°.

Вследствие повышенной частоты обмотка якоря индукторной машины имеет повышенные синхронные сопротивления х^ и x q . Поэтому для улучшения характеристик этой машины последовательно с обмоткой якоря во многих случаях включаются конденсаторы.

§ 41-6. Некоторые другие разновидности синхронных машин

Электромагнитная муфта служит для гибкого соединения двух вращающихся валов, например вала дизеля судовой силовой установки с валом гребного винта. В конструктивном отношении электромагнитная муфта представляет собой явно-полюсную синхронную машину, индуктор которой, возбуждаемый постоянным током, укреплен на одном валу (например, ведущем), а якорь укреплен на другом валу (например, ведомом). Обмотка якоря может быть фазной (в этом случае она соединяется с реостатом) или короткозамкнутой в виде беличьей клетки.

Если ведущий и ведомый валы вращаются со скоростями я х и п% (причем п х Ф п 2), то в обмотке якоря муфты индуктируется ток частоты

и создается электромагнитный момент, под воздействием которого и совершается вращение ведомого вала. При короткозамкнутой обмотке якоря скольжение ведомого вала относительно ведущего

составляет 0,01 - 0,03. При фазной обмотке якоря скольжение s и скорость гц можно регулировать путем изменения сопротивления реостата или тока возбуждения.

Электромагнитная муфта позволяет осуществлять плавное присоединение и отключение ведомого вала при вращающемся первичном двигателе, а при фазной обмотке также регулирование скорости вращения. Кроме того, муфта защищает рабочий механизм от больших перегрузок, так как при большом тормозном моменте ведомый вал останавливается. Если пуск ведомого вала производится при вращении ведущего вала со скоростью % = п а, то частота f велика и для получения достаточного пускового момента короткозамкнутую обмотку якоря нужно выполнить с использованием эффекта вытеснения тока (см. гл. 27).

Электромагнитные муфты обычно строятся мощностью до Р н = 500 кет.

Бесконтактные синхронные машины с когтеобразными полюсами. В современных промышленных и транспортных установках нередко синхронные машины по условиям надежности необходимо выполнять без скользящих контактов на роторе. В этих случаях можно применять синхронные машины без обмотки возбуждения (реактивные), а при повышенных частотах также индукторные и редуктор-ные машины. Однако можно также использовать машины с когтеобразным ротором и неподвижной обмоткой возбуждения. Такие машины строятся по такому же принципу, как и бесконтактные сельсины (см. рис. 31-9), но обычно с 2р > 2. При / = 50 гц их целесообразно строить мощностью до Р н = 20 -г- 30 кет.

Ударные синхронные генераторы применяются для испытания выключателей высокого напряжения на мощность отключения. Они строятся на базе турбогенераторов мощностью до 50-200 Мет и работают в режиме внезапного короткого замыкания. Для получения возможно большего тока короткого замыкания они изготовляются с пониженными индуктивными сопротивлениями рассеяния и с надежным креплением обмоток, в особенности их лобовых частей.

Существуют и разрабатываются также некоторые другие разновидности синхронных машин.

Поворотные трансформаторы

Асинхронная машина при заторможенном роторе может быть использована в качестве преобразователя m 1 -фазного тока в m 2 -фазный ток: например, трехфазного тока в пяти- или семифазный ток Для этого ее обмотки статора и ротора должны быть выполнены соответственно на m 1 и m 2 фаз. Машина будет работать как трансформатор, в котором энергия со статора на ротор будет передаваться вращающимся полем. Такие преобразователи применяются крайне редко и только для специальных целей.

На практике нашли себе применение поворотные трансформаторы, выполняемые так же, как асинхронные машины, и имеющие устройство, позволяющее поворачивать их ротор. Рассмотрим сначала машину, которая со стороны статора получает питание от сети трехфазного тока. Если к зажимам ее статора подводится постоянное напряжение, то при повороте ротора на зажимах его обмотки будем получать напряжение, изменяющееся только по фазе. Такие поворотные трансформаторы называются фазорегуляторами и применяются, например, для регулирования фазы сеточного напряжения ртутного выпрямителя или тиратрона и в измерительной технике, причем в последнем случае главным образом для поверки ваттметров и счетчиков (рис 3-108).

Рис. 3-108. Поворотный трансформатор для поверочных устройств.

На рис. 3-109 показана принципиальная схема поверки счетчика переменного тока с применением поворотного трансформатора.

Рис. 3-109. Принципиальная схема поверки счетчика при помощи поворотного трансформатора (ПТ).

На рис. 3-110 представлена принципиальная схема двухполюсного поворотного трансформатора с двумя - взаимно-перпендикулярными обмотками на статоре и на роторе.

Рис. 3-110. Схема соединений обмоток синус-косинусного поворотного трансформатора.

Схема линейного поворотного трансформатора приведена на рис. 3-111.

Рис. 3-111. Схема соединений обмоток линейного поворотного трансформатора.

Если статорная и роторная обмотки асинхронной машины получают питание от сети (или сетей) переменного тока, то такую машину называют асинхронной машиной двойного питания. При этом обычно имеется в виду трехфазная машина, обмотки которой получают питание от одной и той же сети трехфазного тока. Эти обмотки могут включаться параллельно или последовательно. Название «машина двойного питания» характеризует схему включения ее обмоток, а не ее рабочие свойства, которые будут различными в зависимости от направления вращения н с статора и ротора.

Если обмотки статора и ротора асинхронной машины, приключенные к одной и той же сети, создают н.с., вращающиеся в разные стороны, то такая асинхронная машина двойного питания может работать как двигатель или генератор. Однако для этого ее надо предварительно разогнать посторонним двигателем до скорости вращения, равной двойной синхронной 2n 1 .

Указанные машины двойного питания не нашли себе практического применения. При использовании их в двигательном режиме требуется разгонный двигатель, при помощи которого можно было бы довести их частоту вращения до двойной синхронной. Кроме того, при включении машины встречаются затруднения при синхронизации ее с сетью. Другим большим недостатком этих машин является склонность их к качаниям и связанная с этим в ряде случаев недостаточная устойчивость в работе (см § 4-12).

В отличие от схем вентильного каскада, где поток энергии скольжения направлен только в одну сторону - от ротора двигателя к инвертору и далее в питающую сеть, в схемах двигателя двойного питания в цепь ротора включают преобразователь (рис. 6.38), обеспечивающий двухсторонний обмен энергией, как от ротора двигателя в питающую сеть, так и от сети в обмотки ротора асинхронного двигателя. Таким преобразователем является преобразователь частоты с непосредственной связью. При этом добавочная ЭДС, вводимая в цепь ротора, может быть направлена, как против ЭДС ротора, согласно с ней или под некоторым углом (л - 8). В общем случае

TJ = ТТ ж)

°доб ^доб^

Рис. 6.38.

UFA, UFB, UFC - преобразователи частоты с непрерывной связью

Ток ротора определяют из уравнения равновесия напряжений в контуре ротора:

где z 2 - комплексное сопротивление цепи ротора.

Активная и реактивная составляющие тока ротора равны:

В этих формулах: Е у Е 2н - текущая и номинальная (при 5=1) ЭДС ротора;

Активная составляющая тока ротора определяет момент двигателя Ми механическую мощность двигателя: мех = со (1-5).

Реактивная составляющая тока ротора определяет реактивную мощность, циркулирующую в статорной и роторной цепях двигателя:

Равенства (6.67) показывают, что, регулируя значения и фазу добавочного напряжения доб, вводимого в цепь ротора, можно управлять активной и реактивной мощностями двигателя. Из этого положения также следует, что при соответствующих значениях U 2 и 8 активная составляющая тока ротора может быть отрицательна при положительных скольжениях 5 > 0 и положительна при отрицательных скольжениях 5

Мощность торможения Р в рассматриваемом случае недостаточна для создания электромагнитной мощности Р, поэтому из сети через трансформатор и роторный преобразователь забирается и направляется в ротор двигателя недостающая мощность, пропорциональная скольжению s = со 0 5. Сумма механической мощности,

поступающей с вала, и мощности скольжения + = со =

образует электромагнитную мощность, которая рекуперируется в питающую сеть. Отдаваемая в сеть мощность равна разности рекуперируемой мощности, передаваемой по цепи статора, и мощности, забираемой со стороны трансформатора: = -

В двигательном режиме при скорости выше синхронной (рис. 6.39,5) в роторную цепь двигателя добавляется мощность скольжения, забираемая из сети со стороны трансформатора. Она складывается с электромагнитной мощностью, поступающей в двигатель со стороны статора. Сумма этих мощностей преобразуется в механическую мощность на валу двигателя, обеспечивая работу двигателя с моментом М при скорости выше синхронной:

Рис. 6.39. а - режим генераторного торможения при скорости ниже синхронной; б- двигательный режим при скорости выше синхронной

Заметим, что, несмотря на то, что скольжение в этом случае отрицательно, двигатель развивает двигательный момент.

В обоих рассматриваемых режимах преобразователь частоты работает таким образом, что энергия от трансформатора поступает в ротор двигателя, т.е. двигатель питается как со стороны статора, так и ротора.

Поскольку частота/ 2 ЭДС и тока ротора определяется скольжением двигателя / 2 = / , то и частота добавочной ЭДС, вводимой в цепь ротора, должна совпадать с частотой ЭДС ротора и изменяться при изменении скольжения двигателя.

Максимально возможный диапазон регулирования скорости вниз и вверх от синхронной определяется двумя параметрами - возможными максимальными значениями частоты/ 2 и напряжения ^ добтах на выходе преобразователя частоты, служащего для питания цепи ротора. Максимальный диапазон регулирования скорости будет равен = co max /co m =(+ max)/(- max).

Абсолютное значение максимального скольжения равно

| шах | ^доО / 2н "

Так как преобразователь частоты с непосредственной связью, как правило, обеспечивает регулирование частоты в пределах 20 Гц (при частоте питания 50 Гц), чему соответствует максимальное скольже- ние | 0тах | = 0, то максимальный диапазон регулирования скорости двигателя двойного питания равен: = , со 0 /0, со 0 ~ 2, : .

Регулирование скорости в схеме двигателя двойного питания производят изменяя относительное значение и знак добавочной ЭДС 8 = ?/ доб / 2н, при этом частота на выходе преобразователя автоматически поддерживается равной частоте тока ротора. Механические характеристики двигателя двойного питания при 8 = 0,2 приведены на рис. 6.40.

Основным достоинством схем вентильного каскада и двигателей двойного питания является высокий КПД, сохраняющийся при регулировании скорости в заданном диапазоне. Поскольку эти системы регулируемого асинхронного привода имеют ограниченный диапазон регулирования, как правило, не выше 2:1, то эти системы применяют, главным образом, для привода мощных (выше 250 кВт) турбомеханизмов: вентиляторов, центробежных насосов и др.