Синхронные машины. Машины постоянного тока

б) меньшую чувствительность к колебаниям напряжения, так как его максимальный момент пропорционален напряжению в первой степени (а не квадрату напряжения);

в) строгое постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.

Недостатками синхронных двигателей являются:

а) сложность конструкции;

б) сравнительная сложность пуска в ход;

в) трудности с регулированием частоты вращения, которое возможно только путем изменения частоты питающего напряжения.

Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели, при ограниченных мощностях до 100 кВт. Однако при более высоких мощностях, когда особенно важно иметь высокий cosφ и уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных.

1.14 Пуск в ход синхронного двигателя

Метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды менять свое направление, т.е. средний момент за период будет равен нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как ротор его, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

В настоящее время для этой цели применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу беличьей клетки. Обычно эту клетку изготовляют из латуни с целью увеличения сопротивления стержней При включении трехфазной обмотки якоря в сеть образуется вращающееся магнишое поле, которое, взаимодействуя с током Iп в пусковой обмотке (рис. 1.48, а), создает электромагнитные силы F и увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

Рис. 1.48 – Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя (а) и схемы его асинхронного пуска (б, в): 1-обмотка возбуждения, 2 – пусковая обмотка, 3 – ротор, 4 – обмотка якоря, 5-гасящий резистор, 6 – якорь возбудителя, 7 – кольца и щетки

В настоящее время применяют две основные схемы пуска синхронного двигателя. При схеме, изображенной на рис. 1.48, б, обмотку возбуждения вначале замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого rдоб в 8–12 раз превышает активное сопротивление rв обмотки возбуждения. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (при s = 0,05), обмотку возбуждения отключают от гасящего сопротивления и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), вследствие чего ротор втягивается в синхронизм. Осуществить пуск двигателя с разомкнутой обмоткой возбуждения нельзя, так как во время разгона ротора при s > 0 в ней индуктируется вращающимся магнитным полем э. д. с.

,

где Фm–амплитуда магнитного потока вращающегося поля; ωв – число витков обмотки возбуждения; f2 = f1s-частота изменения тока в обмотке возбуждения.

В начальный момент пуска при s ≈ 1 из-за большого числа витков ωв обмотки возбуждения э.д.с. Ев может достигать весьма большой величины и вызвать пробой изоляции.

При схеме, изображенной на рис. 1.48, в, обмотка возбуждения постоянно подключена к возбудителю, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением rв весьма мало, поэтому эту обмотку в режиме асинхронного пуска можно считать замкнутой накоротко. С уменьшением скольжения до s = 0,3 4–0,4 возбудитель возбуждается и в обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспечивающий при s ≈ 0,05 втягивание ротора в синхронизм.

Различие пусковых схем обусловлено тем, что не во всех случаях может быть применена более простая схема с постоянно подключенной к возбудителю обмоткой возбуждения (рис. 1.48, в), так как она имеет худшие пусковые характеристики, чем более сложная схема, приведенная на рис. 1.48, б. Главной причиной ухудшения пусковых характеристик является возникновение одноосного эффекта – влияния тока, индуктируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.

Для анализа этого явления предположим вначале, что в двигателе отсутствует пусковая обмотка, а обмотка возбуждения замкнута накоротко. В результате при асинхронном пуске двигателя в обмотке возбуждения индуктируется э.д.с. с частотой f2 = f1s и по обмотке проходит переменный ток, создающий пульсирующее магнитное поле (обмотка возбуждения в этом случае является однофазной обмоткой переменного тока). Пульсирующее магнитное поле можно разложить на две составляющие: прямое и обратное вращающиеся магнитные поля ротора, которые характеризуются потоками Фпр и Фобр. Частота вращения каждого из этих полей относительно ротора

.

Относительно статора прямое поле вращается с частотой

,                            (1.44)

где n2 = n1(1-s) – частота вращения ротора.

Следовательно, оно вращается синхронно с полем статора; образуемый этим полем с током статора электромагнитный момент Мпр изменяется в зависимости от скольжения так же, как и в трехфазном асинхронном двигателе (рис. 1.49, кривая 2). Обратное поле ротора вращается относительно статора с частотой

,                 (1.45)

При частотах вращения ротора n2 < 0,5n1, т.е. при s > 0,5, обратное поле, как видно из формулы (1.45), перемещается относительно статора в сторону, противоположную направлению вращения ротора; при n2 = 0,5n1 это поле неподвижно относительно статора; при n2 > 0,5 (т.е. при s < 0,5) оно перемещается в ту же сторону, что и ротор.

В обмотке статора обратным полем индуктируется э.д.с. с частотой f1(1–2s), для которой обмотка статора является коротко-замкнутой. При этом по обмотке статора протекает соответствующий ток. Взаимодействуя с обратным полем ротора, этот ток создает электромагнитный момент Mобр. Так как направление момента зависит от направления вращения поля nр.обр относительно статора, то из формулы (1.45) следует, что он является знакопеременным и изменение его направления происходит при s = 0,5 (рис. 1.49, кривая 3).

Таким образом, ток, индуктируемый в обмотке возбуждения при пуске двигателя, создает электромагнитный момент, который при частоте вращения, меньшей 0,5n1, является ускоряющим, а при большей частоте вращения–тормозящим.

Рис. 1.49 – Зависимость электромагнитного момента от скольжения при асинхронном пуске синхронного двигателя

Особенно резко проявляется действие обратного поля при n ≈ 0,5n1.

Наличие пусковой обмотки на роторе существенно уменьшает обратное магнитное поле и величину создаваемого им момента. Однако этот момент, складываясь с асинхронным моментом пусковой обмотки (кривая 1), создает в кривой результирующего пускового момента провал при частоте вращения, равной половине синхронной (кривая 4). Этот провал будет тем больше, чем больше ток в обмотке возбуждения. Очевидно, что включение сопротивления в цепь обмотки возбуждения (см. рис. 1.48, б) на период пуска уменьшает ток в этой обмотке и улучшает форму кривой пускового момента.

Следует отметить, что если обмотку возбуждения при пуске не отключить от возбудителя, то по якорю возбудителя в период пуска проходит переменный ток; последнее может вызвать искрение щеток. Поэтому такую схему пуска применяют в случае небольшого нагрузочного момента – не более 50% от номинального – при сравнительно небольшой мощности двигателя.

1.15 Регулирование частоты вращения синхронных двигателей

Частота вращения синхронного двигателя n2 равна частоте вращающегося магнитного поля n1 = 60f1/р, следовательно, ее можно регулировать путем изменения частоты питающего напряжения или числа полюсов 2 р. Регулировать частоту вращения путем изменения числа полюсов в синхронном двигателе нецелесообразно, так как, в отличие от асинхронного, здесь требуется изменять число полюсов как на статоре, так и на роторе, что приводит к значительному усложнению конструкции ротора. Поэтому практически используют лишь изменение частоты питающего напряжения.

К синхронному двигателю применимы все основные положения теории частотного регулирования асинхронного двигателя, в том числе необходимость одновременного изменения как частоты, так и питающего напряжения. Однако в чистом виде частотное регулирование частоты вращения синхронных двигателей применяется только при очень малых мощностях, когда нагрузочные моменты невелики, а инерция приводного механизма мала (см. гл. 2). При больших мощностях такие условия имеют место только в некоторых типах электроприводов, например в электроприводах вентиляторов.

Для синхронных двигателей, применяемых в электроприводах с большим моментом инерции приводного механизма, необходимо очень плавно изменять частоту питающего напряжения, чтобы двигатель не выпал из синхронизма. Особенно сложным является пуск в ход двигателя, когда начальная частота должна составлять доли герца, а затем постепенно повышаться до максимального значения. Для таких электроприводов наиболее пригодным является метод частотного регулирования с самосинхронизацией, при котором двигатель в принципе не может выпасть из синхронизма. Последнее достигается тем, что управление преобразователем частоты осуществляется от системы датчиков положения ротора, вследствие чего напряжение подается на каждую фазу двигателя при углах нагрузки θ, меньших 90°. При таком регулировании автоматически обеспечиваются условия устойчивой работы двигателя и его перегрузочная способность определяется только перегрузочной способностью преобразователя частоты.

Синхронные двигатели, регулируемые путем изменения частоты с самосинхронизацией, называют вентильными двигателями; иногда их называют бесколлекторными двигателями постоянного тока. Однако первое название является более правильным, так как такие двигатели могут получать питание от сети как постоянного, так и переменного тока.

Частотное регулирование без самосинхронизации. Электромагнитный момент синхронного двигателя может быть выражен в виде

.                       (1.46)

При частотном регулировании обычно стремятся получить режим работы двигателя с cosφ = 1, когда в обмотке якоря имеют место минимальные потери энергии. Для этого ток якоря Iа должен поддерживаться постоянным и минимальным:

Из (1.47) следует, что при неизменных нагрузочном моменте (Мн = М = const) и потоке возбуждения (Фв = const), т.е. токе

.                                           (1.47)

возбуждения (Iв = const), угол θ в процессе регулирования частоты не должен изменяться. Однако при изменении частоты f1 изменяются э. д. с. Е0, угловая скорость ротора ω1 и индуктивное сопротивление хсн (или сопротивления xd и xq при явнополюсном роторе), т.е.

.                               (1.48)

Поэтому при частотах питающего напряжения f1 отличных от номинальной частоты f1ном, формула электромагнитного момента [см. (1.35)] принимает вид:

,

где с = mE0 номf1 ном/(ω1номхсн ном) – постоянная.

Из (1.49) следует, что при неизменных значениях нагрузочного момента Мн = М и тока якоря 1а = [а мин необходимо выдерживать условие

,                                                 (1.50)

т.е. изменять напряжение Uп, подаваемое к электродвигателю от преобразователя частоты, пропорционально изменению частоты f1. При соблюдении условия (1.50) все стороны треугольника ОАВ (рис. 1.50, а) будут изменяться пропорционально частоте, а угол θ останется неизменным. При изменении нагрузки необходимо в соответствии с (1.46) изменять поток возбуждения Фв, т.е. ток возбуждения Iв.

Вентильный двигатель. При питании вентильного двигателя от сети постоянного тока в преобразователе частоты должны применяться тиристоры с узлами принудительной коммутации. В двигателях малой мощности допустимо применение транзисторов. На рис. 1.51, а показана принципиальная схема питания вентильного двигателя от тиристорного преобразователя частоты.

Преобразователь частоты представляет собой автономный инвертор напряжения, который подключен к источнику постоянного тока и формирует трехфазное напряжение изменяющейся частоты; это напряжение подается на фазы А, В и С обмотки якоря двигателя. К каждой фазе может быть подведено положительное (тиристорами Т1, Т2 и Т3) и отрицательное (тиристорами Т4, Т5 и Т6) напряжения.

Рис. 1.50 – Векторные диаграммы синхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты при постоянном нагрузочном моменте: а – при постоянном угле θ и cosφ=l; б – при изменении угла θ

Если вначале пропускать ток через фазы А и В (открыты тиристоры Т1 и Т5), затем через фазы В и С (открыты тиристоры Т2 и Т6), далее через фазы С и А (открыты тиристоры Т3 и Т4) и т.д. в указанной последовательности, то в машине создается вращающееся магнитное поле. При изменении частоты переключения тиристоров изменяется частота напряжения, подаваемого на фазы обмотки якоря, а следовательно, и частота вращения ротора. Для замыкания реактивной составляющей тока якоря в преобразователе имеются диоды Д1-Д6, включенные параллельно тиристорам, но и в обратном направлении.

Коммутация тока в тиристорном преобразователе (переключение тока с одной фазы на другую) требует применения специальных коммутирующих узлов, так как тиристор является не полностью управляемым прибором. Для закрытия тиристора, включенного в цепь постоянного тока, необходимо кратковременно подать на него обратное напряжение определенной величины.

Рис. 1.51 – Принципиальные схемы питания вентильного двигателя от тиристорного преобразователя частоты с инвертором напряжения (а) и инвертором тока (б)

В рассматриваемом преобразователе применены два таких узла принудительной (или искусственной) коммутации – по одному для всех тиристоров, присоединяемых соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника постоянного тока. Каждый узел состоит из контура L-C и вспомогательных тиристоров.

Закрытие тиристоров T1, Т2 и ТЗ, присоединенных к положительному полюсу, производится контуром L1-C1. При открытии вспомогательного тиристора Т11 конденсатор С1 заряжается через индуктивность L1 до величины двойного напряжения сети и запрает тиристор Т11. Затем открываются вспомогательные тиристоры Т21, Т22 или Т23 и подают на тиристоры T1, T2 или Т3 обратное (положительное) напряжение. При этом соответствующий тиристор запирается, а конденсатор С1 разряжается через нагрузку.

Аналогично запираются тиристоры Т4, Т5 и Т6. Вначале открывают вспомогательный тиристор Т12 и через индуктивность L2 заряжают конденсатор С2. Затем, открывая вспомогательные тиристоры Т24, Т25 или Т26, присоединяют аноды тиристоров Т4, Т5 или Т6 к отрицательной обкладке конденсатора С2.

Напряжение, подаваемое к якорю вентильного двигателя от преобразователя частоты, является, так же как и при частотном регулировании асинхронного двигателя, несинусоидальным. Поэтому, чтобы уменьшить вредные воздействия высших гармоник напряжения, тока и потока, двигатель необходимо снабдить мощной демпферной обмоткой с малыми активным и индуктивным сопротивлениями (см. 1.17). В этом случае высшие гармоники оказывают на синхронный двигатель сравнительно небольшое воздействие. При наличии такой обмотки режимы работы вентильного двигателя можно рассматривать с учетом только первых гармоник тока и напряжения.

Режим работы вентильного двигателя зависит не только от величины тока возбуждения и соотношения между напряжением и частотой, как в обычном синхронном двигателе, регулируемом путем изменения частоты. Большое значение имеют также момент подачи напряжения на фазу двигателя и свойства преобразователя частоты.

В преобразователе частоты, основанном на использовании инвертора напряжения (рис. 1.51, а), величина выходного напряжения почти не зависит от режима работы двигателя. Поэтому регулирование необходимо вести при постоянстве угла θ (см. рис. 1.50, а). Последнее можно осуществить, определяя с помощью какого-либо датчика положение оси полюсов ротора (а следовательно, и направление вектора Ė0) и регулируя подачу управляющих импульсов на тиристоры преобразователя так, чтобы напряжение Ùп подавалось на соответствующие фазы двигателя с некоторым углом опережения β0 ≈ θ (угол регулирования) по отношению к положению вектора Ė0 для данной фазы. Можно также определять ось результирующего магнитного потока и подавать питание на соответствующую фазу с требуемым углом β0. Оба эти метода имеют свои преимущества и недостатки, обусловленные в основном особенностями применяемых датчиков и управляющих устройств.

В рассматриваемой схеме питания вентильного двигателя угол регулирования β0 практически полностью определяет угол θ. Если приближенно положить β0 ≈ θ, то при постоянных значениях частоты питающего напряжения и тока возбуждения (т.е. ω1 и э. д. с. Е0) формула (1.35) принимает вид

.                                                (1.51)

Следовательно, при изменении угла регулирования β0 ≈ θ для поддержания неизменным момента М нужно регулировать величину подводимого к двигателю от преобразователя напряжения Uп.

На рис. 1.50, б показано несколько положений векторов Ùп,

Iа и – jİaxсн при Е0 = const и различных значениях угла опережения β0 ≈ θ преобразователя частоты. При угле опережения β01 ≈ θ1 векторы Ùп1, İа1 и – jIalxсн направлены так, что ток İа1 совпадает по фазе с напряжением Ùп1 и является минимальным; при уменьшении угла β0 до β02 = θ2 напряжение, подводимое к двигателю, необходимо увеличить до Uп2; при этом ток İа2 будет отставать от Ùп2 на угол φ2; при увеличении угла β0 до β03 = θ3 необходимо уменьшать напряжение, подводимое к двигателю до Uп3, при этом ток İа3 будет опережать Ùп3 на угол φ3. Так как величина Uпsinθ на векторной диаграмме (рис. 1.50, б) выражается отрезком АВ, то при изменении угла опережения конец вектора напряжения – Ùп перемещается по прямой ВАС, проходящей через точку А и параллельной вектору Ė0. Ток якоря Iа при таком регулировании может существенно увеличиться, а максимальный момент двигателя в режиме, когда ток İа отстает от напряжения Ùп преобразователя (например, в положениях İа2 и Ùп2), уменьшится.

В преобразователе частоты, основанном на использовании инвертора тока, большая индуктивность L в цепи постоянного тока (рис. 1.51, б) позволяет считать ток якоря Iа практически неизменным (ток Iа имеет прямоугольную форму). Вследствие этого угол опережения β0 определяет положение вектора тока İа на диаграмме двигателя относительно положения вектора э. д. с. Ė0.

Для того чтобы двигатель работал при соsφ = 1, вектор тока İа должен опережать вектор э. д. с. Ė0 на угол β0, который в зависимости от нагрузки составляет 30–60°. Пусковой момент вентильного двигателя максимален при β0 = 0, поэтому в электроприводах с тяжелыми условиями пуска сначала регулирование ведут при β0 = 0, а с ростом частоты вращения начинают задавать некоторый угол опережения.

При необходимости питания вентильного двигателя от сети трехфазного тока могут применяться преобразователи частоты с непосредственной связью, т.е. без промежуточного выпрямления (рис. 1.52, а). Преимуществом таких преобразователей является отсутствие узлов принудительной коммутации, так как тиристоры перестают проводить ток после изменения направления напряжения в соответствующей фазе. Однако достаточно хорошее приближение формы выходного напряжения к синусоиде и четкое прекращение тока (в необходимый момент) может быть получено только в том случае, если источник трехфазного тока имеет частоту, в два-три раза большую, чем выходная частота преобразователя (рис. 1.52, б).

Рис. 1.52 – Принципиальная схема питания вентильного двигателя от преобразователя частоты с непосредственной связью (а) и форма кривой выходного напряжения преобразователя (б)

Рис. 1.53 – Схема электротрансмиссии автомобиля с вентильными двигателями

В качестве примера рассмотренного способа питания вентильного двигателя на рис. 1.53 приведена принципиальная схема электротрансмиссии мощного автомобиля. Дизель Д вращает вал трехфазного синхронного генератора СГ повышенной частоты (800 Гц) примерно с постоянной частотой. Напряжение генератора СГ, величина которого регулируется изменением тока возбуждения подается на тиристорный преобразователь частоты ПЧ, от которого пониженная частота подается к вентильным тяговым двигателям ВД, каждый из которых вращает ось соответствующего колеса. Частота тока на выходе преобразователя при этом регулируется в пределах от 0 до 400 Гц.

Рис. 1.54 – Принципиальная схема питания вентильного двигателя от однофазной сеги (а) и графики изменения э. д. с. и тока в фазе двигателя (б)

На рис 1.54, а приведена схема питания вентильного двигателя от однофазной сети, разработанная для мощных электровозов переменного тока. Однофазный трансформатор электровоза имеет две вторичные обмотки: а1 – х1 и а2 – х2, средние точки которых соединены между собой через дроссель L. К каждой вторичной обмотке подключены шесть тиристоров Т, которые позволяют питать обмотку якоря двигателя трехфазным током, создавая вращающееся магнитное поле. При малой частоте вращения, когда частота выходного напряжения (машинная частота) не превосходит 10 Гц коммутация тиристоров (их запирание) происходит под действием'напряжения сети. При повышенных частотах коммутация осуществляется за счет э.д.с, индуктируемых в фазах якоря двигателя, так как включение тиристора, питающего очередную фазу производится с опережением– в момент времени t1 (рис. 1.54, б). Иными словами, включение тиристора произойдет раньше, чем э д с в этой фазе приблизится к значению, при котором происходит естественная коммутация вентилей, включенных в соседние фазы (момент времени t2). Разность э.д.с. по контуру двух фаз, замкнутых накоротко включенными тиристорами одной полярности, обеспечивает закрытие тиристора, питающего ту фазу, в которой индуктируется большая э. д. с. Для нормального закрытия тиристоров практически приходится делать угол опережения β0 равным 30–60°, так как индуктивность фаз довольно велика и ток в тиристорах нарастает и спадает плавно.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16