Синхронные машины

Другой разновидностью синхронных двигателей малой мощности являются так называемые синхронные реактивные двигатели. Особенность этих двигателей заключается в том, что их ротор имеет магнитную анизотропию, т. е. различное магнитное сопротивление в различных радиальных направлениях.

На рис. 15.20 приведен поперечный разрез конструкции двухполюсного анизотропного ротора, представляющего собой набор пакетов из листовой электротехнической стали, разделенных слоем алюминия' (заштрихованная часть). При синхронной частоте вращения ротора преимущественное направление легкого намагничивания пакетов листовой электротехнической стали определяет форму магнитных линий поля токов статора. Искривление магнитных линий поля токов статора при наличии тормозного момента на валу двигателя создает уравновешивающий его вращающий момент.

Общим недостатком синхронных двигателей малой мощности является отсутствие возможности регулировать его реактивную мощность и запас устойчивости.

ЭЛЕКТРОПРИВОД

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электроприводом называется электромеханическая система, состоящая из электродвигателя (или нескольких электродвигателей), передаточного механизма к рабочей машине и всей аппаратуры для. управления электродвигателем.

Здесь рассматриваются только общие вопросы, относящиеся к выбору электродвигателя для привода рабочей машины.

До появления электропривода первичным двигателем в крупной промышленности была паровая машина, она работала через ременную или канатную передачу на общую трансмиссию, соединенную; ременными передачами с группой станков. Сначала принцип группового привода был сохранен, когда электродвигатель заменил у трансмиссии паровую машину. Но механическая передача от первичного двигателя к станку через трансмиссию, а затем через большее или меньшее число последовательно включенных канатных, ременных, зубчатых и других передач неизбежно связана со значительными потерями энергии в передающих устройствах (часто больше 50 %). Кроме того, подобные устройства занимают много места. Эти недостатки группового привода устраняются при переходе к одиночному приводу, при котором электродвигатель работает только на один станок и соединяется с ним по возможности непосредственно. В СССР примерно к 1930 г. одиночный привод сменил групповой. Это усовершенствование привода было одним из результатов реконструкции промышленности в ходе индустриализации страны (По коэффициенту атектрификации (отношению установленной мощности электродвигателей к общей установленной мощности двигателей всех видов) СССР с 1938 г. стоит на первом месте в мире.)

Следующим шагом в общем усовершенствовании привода явилось уменьшение потерь при передаче энергии внутри самой машины-орудия. При наличии только одного электродвигателя в ряде случаев необходимы специальные устройства (зубчатые и ременные передачи, эксцентрики и т. п.) для передачи энергии внутри рабочей машины. Естественным развитием электропривода было устранение механического звена -- переход к многодвигательному приводу одной рабочей машины. В подобном устройстве отдельные рабочие органы машины имеют индивидуальный привод. Применение электродвигателя с изменяемой частотой вращения решает задачу регулирования скорости движения данного рабочего органа машины. Это дает возможность отказаться от соответствующих сложных механических устройств (коробок скоростей и т. п.). Непосредственное соединение электродвигателя с рабочим органом машины делает целесообразным взаимное приспособление того и другого, в результате чего в ряде современных машин электрическое и механическое оборудование настолько объединено, что затруднительно указать границы каждого из них.

В качестве примера постепенного приближения электродвигателя к рабочим органам машины-орудия на рис. 16.1 показан схематически переход от группового привода 1 через постепенно совершенствуемый одиночный привод 2--4 к многодвигательному приводу 5 рабочих органов радиально-сверлильного станка.

Применение электропривода позволяет также заменить механическое управление работой машины-орудия посредством сцепных муфт, фрикционов, приводных ремней и т. п. электрическим управлением. Этот процесс усовершенствования привода продолжается и в наши дни. Электрическое управление рабочей машиной требует изменения не только ее конструкции, но и эксплуатации.

Появляется возможность, быстро выполняя необходимое регулирование, ускорить рабочие циклы, а следовательно, резко повысить темпы работы и производительность машин. Вместе с тем быстрое чередование рабочих операций в ряде случаев делает необходимым освобождение человека от труда по контролю и управлению периодически повторяющимися рабочими циклами машины-орудия.

Автоматизация электропривода применяется как в сложных, так и в простых приводах, для управления как многочисленными электродвигателями блюминга (прокатного обжимного стана) общей мощностью порядка нескольких тысяч киловатт, так и простейшим короткозамкнутым асинхронным двигателем мощностью меньше 1 кВт.

В последнем случае автоматически производятся лишь простейшие операции -- пуск двигателя в ход и его остановка; в других случаях автоматически выполняются весьма сложные производственные процессы -- осуществление определенной последовательности операций или работа по шаблону; автоматически действующая защита от перегрузок и повреждений и т. д. Автоматизация необходима для управления мощными механизмами; для сложных приводов, требующих быстрой и частой регулировки частоты вращения двигателей; для привода с частым пуском двигателя в ход (например, у блюминга пуск в ход ряда механизмов повторяется до 2000 раз в час).

Автоматические линии машин представляют собой дальнейшее развитие автоматики в промышленном производстве. Это -- группа машин, выполняющих последовательно одна за другой цикл операций по обработке изделий, причем эти изделия автоматически перемещаются от одной машины к другой. Рабочий, обслуживающий автоматическую линию, выполняет роль командира группы машин, и, таким образом, в производстве исчезают существенные различия между физическим и умственным трудом, что характерно для будущего коммунистического общества.

2. УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Для проектирования электропривода необходимо знать кинематику и эксплуатационные условия рабочей машины. Нагрузка на валу электродвигателя слагается из статической и динамической нагрузок. Первая обусловливается полезными и вредными сопротивлениями движению (от сил трения, резания, веса и т. п.); вторая возникает применениях кинетической энергии в системе привода вследствие изменения скорости движения тех или иных частей устройства. В соответствии с этим момент, развиваемый двигателем,

В этом выражении М_ст -- статический момент, обусловленный силами полезных и вредных сопротивлений. Он может не зависеть от частоты вращения (рис. 16.2, прямая 1), если создается трением, силами сопротивления при резании металла и т. п., или может в какой-то степени зависеть от частоты вращения.



Например, у центробежного насоса, питающего систему с постоянным напором, статический момент складывается из постоянной составляющей и составляющей, пропорциональной квадрату частоты вращения (рис. 16.2, кривая 2). Момент может зависеть от скорости линейно (3) и нелинейно (4).

Входящая в уравнение моментов (16.1) величина

называется динамическим моментом. Этот момент может быть как положительным, так и отрицательным.

Величина J, которой M_ДИН пропорционален, называется моментом инерции. Это -- взятая для всего тела сумма произведений масс m_k отдельных частиц тела на квадрат расстояния R_k соответствующей частицы от оси вращения:

Обычно момент инерции удобно выразить как произведение массы тела на квадрат радиуса инерции R_ин т. е.



где R_ин -- расстояние от оси вращения, на котором нужно сосредоточить в одной точке всю массу тела, чтобы получить момент инерции, равный фактическому при распределенной массе. Радиусы инерции простейших тел указываются в справочных таблицах.

Вместо момента инерции в расчетах приводов применялось понятие махового момента -- величины, связанной с моментом инерции простым соотношением:

где G -- вес тела; D = 2R_ин -- диаметр инерции; g -- ускорение силы тяжести; GD² -- маховой момент.

Моменты инерции роторов и якорей электродвигателей обычно указываются в каталогах. Желательно, чтобы приводной электродвигатель был соединен с рабочим органом рабочей машины (например, с резцом) непосредственно, без каких-либо промежуточных зубчатых или ременных передач. Однако в большом числе случаев это неосуществимо из-за того, что рабочий орган должен иметь относительно небольшую частоту вращения (50--300 об/мин) при высокоскоростном электродвигателе. Изготовлять специальный тихоходный электродвигатель невыгодно. Он будет иметь слишком большие габариты и массу. Рациональнее с тихоходным приводом соединить через редуктор нормальный электродвигатель (750--3000 об/мин).

Но при расчетах сложной системы привода с вращательными или' поступательными движениями и различными скоростями отдельных ее элементов целесообразно заменить ее приведенной системой -- упрощенной системой, состоящей из одного элемента, вращающегося с частотой электродвигателя. При переходе к приведенной системе от действительной моменты в системе пересчитываются таким образом, чтобы остались неизменными энергетические условия.

Например, двигатель, угловая скорость вала которого щ_дв, соединен через одноступенчатую зубчатую передачу с рабочей машиной (рис. 16.3), угловая скорость которой щ_р_ _м. Если пренебречь потерями в передаче (они учитываются в приведенной системе), то из условия неизменности мощности следует:

где М_ст -- искомый статический момент рабочей машины, приведенный к валу двигателя (т. е. угловой скорости вала двигателя); М_{р м} -- действительный статический момент рабочей машины на ее валу; k_пер ⁼ щ_дв/щ_р, м -- передаточное число от двигателя к рабочей машине. Если рабочий орган под действием силы F_p, _M выполняет не вращательные, а поступательные движения со скоростью х_P,M, то на основании неизменности мощности

и, следовательно, искомый приведенный статический момент

В приведенной системе должны быть представлены и приведенные моменты инерции.

Приведенный момент инерции системы есть момент инерции системы, состоящей только из элементов, вращающихся с частотой вращения вала двигателя щ_дв, но обладающих запасом кинетической энергии, равным запасу кинетической энергии действительной системы. Из условия неизменности кинетической энергии следует, что для системы, состоящей из соединенных через одну зубчатую передачу двигателя и вращающейся с угловой скоростью щ_р, _м рабочей машины, обладающей моментом инерции J_{P, м},

или искомый приведенный момент инерции системы

Таким образом, для сложного привода в уравнениях (16.1) и (16.4) подразумеваются приведенные значения статических моментов инерции. Если известен момент М, выраженный в Н-м, и частота вращения п, об/мин, то соответствующая мощность Р, кВт,

где коэффициент 9550 = 60-10³/2л не имеет размерности.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Длительность работы и ее характер определяют рабочий режим привода. Для электропривода принято различать три основных режима работы: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Продолжительный режим (согласно ГОСТ 183-74) -- это режим работы такой длительности, при которой за время работы двигателя температура всех устройств электропривода достигает установившегося значения (рис. 16.4, а).

В качестве примеров механизмов с длительным режимом работы можно назвать центробежные насосы насосных станций, вентиляторы, компрессоры, конвейеры непрерывного транспорта, дымососы, бумагоделательные машины, машины для отделки тканей и т. д.

При кратковременном режиме рабочий период относительно краток (рис. 16.4, б) и температура двигателя не успевает достигнуть установившегося значения. Перерыв же в работе исполнительного механизма достаточно велик для того, чтобы двигатель успевал охладиться практически до температуры окружающей среды. Такой режим работы характерен для самых различных механизмов кратковременного действия: шлюзов, разводных мостов, подъемных шасси самолетов и многих других.

При повторно-кратковременном режиме (рис. 16.4, в) периоды работы чередуются с паузами (остановка или холостой ход), причем ни в один из периодов работы температура двигателя не достигает установившегося значения, а во время снятия нагрузки двигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды.

Характерной величиной для повторно-кратковременного режима является отношение рабочей части периода Т' ко всему периоду Т. Эта величина именуется относительной продолжительностью работы (ПР %) или относительной продолжительностью включения (ПВ %). Примерами механизмов с повторно-кратковременным режимом работы могут служить краны, ряд металлургических станков, прокатные станы, буровые станки в нефтяной промышленности и т. д.

В соответствии с основными видами режимов работы электропривода различно определяется и номинальная мощность электродвигателя. Условия нагревания и охлаждения двигателя при повторно-кратковременном режиме существенно отличаются от условий работы в продолжительном режиме.

Например, условия охлаждения обмотки возбуждения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения практически остаются неизменными и при остановке двигателя, а условия охлаждения якоря при остановке сильно ухудшаются. По этой причине двигатель постоянного тока, рассчитанный для продолжительного режима на неизменные условия охлаждения, при повторно-кратковременном режиме будет использоваться нерационально; при предельно допустимом нагреве обмотки якоря и коллектора обмотка возбуждения будет нагреваться значительно ниже допустимой температуры.

Следовательно, целесообразно для повторно-кратковременного режима изготовлять двигатели специальных типов. Руководствуясь этим, электротехническая промышленность изготовляет крановые электродвигатели, рассчитанные на три различных номинальных режима: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный. Соответствующее указание делается на табличке электродвигателя; под его номинальной мощностью следует понимать полезную механическую мощность на валу в течение времени, соответствующего его номинальному режиму, т. е. продолжительно, кратковременно или же повторно-кратковременно при определенной продолжительности включения.

В течение весьма короткого промежутка времени двигатель может развивать мощность значительно большую, чем номинальная. Мгновенная перегрузочная мощность двигателя -- это наибольшая мощность на валу в течение весьма малого промежутка времени, развиваемая двигателем без каких-либо повреждений.

Такая мощность определяется в большинстве случаев электрическими свойствами двигателя (максимальным моментом у асинхронных двигателей или условиями коммутации у двигателей постоянного тока), а иногда и механической конструкцией двигателя.

Мгновенные перегрузочные свойства электродвигателя обычно характеризуются коэффициентом перегрузки по моменту л_мом, т. е. отношением максимального кратковременно допустимого перегрузочного момента к номинальному:

л_иоы = M_max/М_ном.

Для большинства электродвигателей л_мом ? 2 (у специальных электродвигателей л._мом = 3 ч 4).

Часто по условиям работы привода важна перегружаемость электродвигателя не мгновенная, а на определенный, относительно короткий промежуток времени.

В соответствии с этим требованием указывается кратковременная перегрузочная мощность двигателя (временная мощность) -- мощность, развиваемая двигателем в течение определенного ограниченного промежутка времени (5, 10, 15, 30 мин и т. д.), после чего двигатель должен быть отключен на столько времени, чтобы он успел охладиться до температуры окружающей среды. Для одного и того же двигателя соотношения между его продолжительной, перегрузочной и кратковременной перегрузочной мощностями зависят от электрической характеристики и конструкции двигателя.

4. ВЫБОР МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Правильный выбор мощности электродвигателя для привода должен удовлетворять требованиям экономичности, производительности и надежности рабочей машины. Установка двигателя большей мощности, чем это необходимо по условиям привода, вызывает излишние потери энергии при работе машины, обусловливает дополнительные капитальные вложения и увеличение габаритов двигателя. Установка двигателя недостаточной мощности снижает производительность рабочей машины и делает ее работу ненадежной, а сам электродвигатель в подобных условиях легко может быть поврежден.

Двигатель должен быть выбран так, чтобы его мощность использовалась возможно полнее. Во время работы двигатель должен нагреваться примерно до предельно допустимой температуры, но не выше ее. Кроме того, двигатель должен нормально работать при возможных временных перегрузках и развивать пусковой момент, требуемый данной рабочей машиной. В соответствии с этим мощность двигателя выбирается в большинстве случаев на основании условий нагревания (выбор мощности по нагреву), а затем производится проверка соответствия перегрузочной способности двигателя условиям пуска машины и временным перегрузкам. Иногда (при большой кратковременной перегрузке) приходится выбирать двигатель, исходя из требуемой максимальной мощности. В подобных условиях длительная мощность двигателя часто полностью не используется.

Выбор мощности двигателя для привода с продолжительным режимом работы при постоянной или мало изменяющейся нагрузке на валу является простым. В этих условиях мощность двигателя должна быть равна мощности нагрузки, а проверки на нагрев и перегрузку во время работы не нужны. Однако необходимо проверить, достаточен ли пусковой момент двигателя для пусковых условий данной машины.

Мощность продолжительной нагрузки ряда хорошо изученных механизмов определяется на основании проверенных практикой теоретических расчетов.

Например, мощность двигателя (Р, кВт) для вентилятора

где V -- количество нагнетаемого или всасываемого воздуха, м³/с; ?р -- перепад, Па;з_вен --КПД вентилятора (у крыльчатых вентиляторов 0,2--0,35, у центробежных -- до 0,8); з_пер -- КПД передачи от двигателя к вентилятору.

В приведенной формуле произведение V ?р представляет собой полезную мощность вентилятора, а 1000 -- коэффициент для перевода мощности в киловатты. Во многих случаях для расчета мощности двигателя приводов для продолжительного режима используются эмпирические формулы, проверенные длительной практикой.

Для малоизученных приводов продолжительной нагрузки мощность двигателя часто определяется на основании удельного расхода энергии при выпуске продукции или экспериментально путем испытания привода.

Выбор мощности двигателя при кратковременном и повторно-кратковременном режимах работы. При кратковременном, повторно-кратковременном и продолжительном с переменной нагрузкой режимах важно знать закон изменения во времени превышения температуры х двигателя над температурой окружающей среды. Электрическая машина с точки зрения нагревания представляет собой весьма сложное тело. Тем не менее, при расчетах, не требующих большой точности, можно считать электрическую машину однородным телом.

Это дает возможность применить к ней упрощенное уравнение нагревания

где С -- теплоемкость машины; Н -- ее теплоотдача; Q_o -- теплота, выделяющаяся в машине в единицу времени.

Далее, прина основании чего

Решая это уравнение методом разделения переменных, получаем:

где ф = С/Н -- постоянная времени нагрева машины, определяемая экспериментально.

При t = 0 начальное превышение температуры х =х₀, на основании чего постоянная А = х_тах - х₀, а закон нарастания превышения температуры машины будет иметь вид:

Таким образом, в данном случае, как и при х₀ = 0, превышение температуры возрастает по показательному закону, стремясь к значению х_max. Значение начального превышения температуры лишь изменяет скорость изменения температуры, не изменяя характера процесса (рис. 16.5).

При различных значениях продолжительной нагрузки одной и той же машины графики х (t) будут отличаться лишь ординатами {рис. 16.6).

Наибольшее допустимое для данной машины превышение температуры равно х_ном- Прямая, параллельная оси абсцисс, х = = х_мом, пересекаете различных точках кривые х (t), соответствующие различным значениям нагрузки электродвигателя.

Абсцисса точки пересечения определяет тот промежуток времени t_к,- в течение которого мощность двигателя может быть временно равна мощности P_k, представляющей собой перегрузку по отношению к его номинальной мощности в продолжительном режиме. График нагревания, асимптотически приближающийся к х_ном. соответствует номинальной мощности двигателя Р_ном. При нагрузках, меньших Р_ном, мощность двигателя полностью не используется. Однако если двигатель загружается до номинальной мощности только на относительно короткое время, то по существу он тоже используется не полностью.

Целесообразно его кратковременно перегрузить, и чем меньше продолжительность работы, тем больше должна быть эта перегрузка. Предел повышения нагрузки двигателя по мере уменьшения продолжительности включения определяется мгновенной перегрузочной мощностью двигателя, зависящей от его * электрических свойств (максимального момента у асинхронного двигателя, условий коммутации у машин постоянного тока и т. п.). При повторно-кратковременном режиме двигатель попеременно то нагревается, то охлаждается. Изменение его температуры в течение времени каждого цикла зависит при этом от предыдущего теплового состояния.

График зависимости нагревания и охлаждения машины от времени в подобных условиях показан на рис. 16.7.

Конечное превышение температуры каждой данной части цикла является начальным превышением температуры для последующей части цикла. Если во время той или иной части цикла наступает значительное изменение условий охлаждения (остановка двигателя или заметное изменение частоты вращения), то это изменяет ф = С/Н -- постоянную времени нагрева двигателя, что должно быть учтено при построении графиков.

Определение мощности двигателя по условиям нагревания посредством построения графиков нагревания (или соответствующим аналитическим методом) требует значительной затраты времени и не дает точных результатов.

Здесь эти построения приведены лишь, чтобы наглядно показать картину изменения нагрева двигателя при переменной нагрузке. В большинстве случаев для такого выбора мощности двигателя применяются более простые методы, в частности эквивалентного тока.

В основу метода эквивалентного тока положено допущение, что при переменной нагрузке двигателя его средние потери должны быть равны потерям при продолжительной (номинальной) нагрузке.

Как известно, мощность потерь двигателя складывается из постоянных Р_пост и переменных Р_пер мощностей. Мощность постоянных потерь равна сумме мощности потерь на трение, в магнитопроводе (у асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением), на возбуждение у синхронных двигателей и двигателей с параллельным возбуждением.

Мощность переменных потерь можно считать пропорциональной квадрату рабочего тока I двигателя и сопротивлению соответствующей обмотки r, причем приближенно можно считать последнее постоянным. Если ток изменяется за соответствующие промежутки времени, то за все рабочее время I>t = Т суммарные потери энергии в двигателе будут:

При эквивалентной неизменной нагрузке током I_эк за то же время Т потери энергии в двигателе должны быть равны:

Нагревание двигателя, обусловленное потерями, в обоих случаях должно быть одинаковым. На этом основании определяем эквивалентный ток:

Зная эквивалентный ток, номинальное напряжение и номинальный коэффициент мощности, можно определить номинальную мощность двигателя:

Метод эквивалентного тока можно применять лишь при условии постоянства мощности потерь в магнитопроводе и на трение, а также сопротивлений обмоток в течение всего рабочего времени. Такому условию, например, не удовлетворяет двигатель с последовательным возбуждением, у которого при изменениях нагрузки сильно изменяются поток и частота вращения (следовательно, мощность потерь в стали магнитопровода и на трение).

В ряде случаев условия нагрузки определяют непосредственно момент, требуемый от двигателя, а не ток. В этих случаях можно пользоваться методом эквивалентного момента: у всех электродвигателей вращающий момент пропорционален произведению тока и потока. У двигателей переменного тока можно приближенно считать постоянным коэффициент мощности.

Наконец, магнитный поток можно считать практически постоянным у всех двигателей, кроме двигателей с последовательным и смешанным возбуждением. При таких упрощениях можно считать вращающий момент

где k_вp -- постоянная величина, откуда из (16.12) следует:

По эквивалентному моменту и номинальной угловой скорости двигателя о>_ном рассчитывается номинальная мощность двигателя Р_ном = М_вр,эк щ _ном

Выбрав номинальную мощность двигателя на основании расчета по методу эквивалентного тока или эквивалентного момента, необходимо затем проверить, достаточен ли максимальный момент М_тах двигателя для того, чтобы удовлетворить требованиям кратковременных перегрузок данного привода; иными словами, должно быть выполнено условие: коэффициент перегрузки двигателя л_мом должен быть больше отношения максимального момента М_тах нагрузки к номинальному моменту двигателя, т. е.

5. ВЫБОР ВИДА И ТИПА ДВИГАТЕЛЯ

При длительной неизменной нагрузке задача выбора вида двигателя (постоянного тока, асинхронного, синхронного) относительно проста. Для подобного привода, не требующего регулирования скорости, ПУЭ (Правила устройства электроустановок) рекомендуют независимо от мощности применять синхронные двигатели. Эта рекомендация объясняется тем, что современный синхронный двигатель пускается в ход так же, как асинхронный, а его габариты меньше и работа экономичнее, чем асинхронного двигателя той же мощности (выше cos ф, больше максимальный момент). Но если электродвигатель должен работать в условиях регулируемой частоты вращения, частых пусков, набросов и сбросов нагрузки и т. п., то при выборе вида двигателя необходимо сопоставить условия привода с особенностями механических характеристик различных видов электродвигателей. Принято различать естественную и искусственную механические характеристики двигателя. Первая соответствует номинальным условиям его включения, нормальной схеме соединений и отсутствию каких-либо добавочных элементов в цепях двигателя. Искусственные характеристики получаются при изменении напряжения на двигателе, включении добавочных элементов в цепи двигателя и соединении этих цепей по специальным схемам.

На рис.16.8 сопоставлены уже известные нам естественные механические характеристики различных двигателей.

Важным критерием для оценки механических характеристик служит их жесткость:

Жесткость может быть различной для отдельных участков характеристики.

В зависимости от значения жесткости принято делить механические характеристики на абсолютно жесткие, ?з= 0, б = ? (синхронные двигатели), жесткие, у которых изменение частоты вращения мало а = 40 ч 10 (линейная часть характеристики асинхронного двигателя, характеристика двигателя параллельного возбуждения), мягкие с большим изменением частоты вращения, у которых а ? 10 (характеристика двигателя последовательного возбуждения, искусственная характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором, искусственная характеристика двигателя постоянного тока параллельного возбуждения).

Требования к жесткости механической характеристики в ряде случаев являются основанием для выбора вида двигателя. Например, для подъемно-транспортных механизмов желательна мягкая характеристика, а для холодной прокатки стали нужна очень жесткая характеристика.

При частых пусках и непостоянной нагрузке наиболее надежным и простым в эксплуатации и вместе с тем дешевым является асинхроный двигатель с короткозамкнутым ротором. Двигатель с фазным ротором дороже, его обслуживание сложнее, габариты больше, a cos ц меньше (из-за большего воздушного зазора). Преимущества фазного ротора в отношении пускового момента незначительны по сравнению с короткозамкнутым ротором, имеющим двойное беличье колесо. Поэтому двигатели с контактными кольцами устанавливаются лишь при наличии особых требований к пусковому моменту или к пусковому току (требований, связанных с ограниченной мощностью трансформаторной подстанции и характером подключенных к ней приемников). Таким образом, наиболее распространенным двигателем для мощностей до 100 кВт при нерегулируемом приводе является асинхронный короткозамкнутый двигатель. При больших мощностях, если невозможно применить короткозамкнутый асинхронный двигатель, устанавливается асинхронный двигатель с фазным ротором.

Для регулирования частоты вращения двигателя в недалеком прошлом для асинхронных двигателей применялись широко только два существенно несовершенных метода: включение резисторов в цепи ротора и переключение числа пар полюсов обмотки статора. Но первый метод экономически оправдан лишь при узких пределах регулирования при постоянстве момента на валу двигателя, а второй обеспечивает, лишь ступенчатое регулирование и практически применяется для металлорежущих станков при небольших мощностях.

В настоящее время положение существенно изменилось благодаря появлению силовых полупроводниковых преобразователей. Они дают

возможность преобразовывать частоту переменного тока, что позволяет плавно и в широких пределах регулировать угловую скорость вращающегося магнитного поля, а следовательно, экономично и плавно регулировать частоту вращения асинхронного и синхронного двигателей. Двигатель постоянного тока стоит значительно дороже, требует большего ухода и изнашивается быстрее, чем двигатель переменного тока.

Тем не менее в ряде случаев предпочтение отдается двигателю постоянного тока, позволяющему простыми средствами изменять частоту вращения электропривода в широких пределах (3:1; 4:1 и более). Все же и в этих случаях система генераторный преобразователь -- двигатель (Г -- Д), обеспечивающая особенно широкие пределы регулирования, в новых установках заменяется тиристорными преобразователями более экономичными и компактными.

В качестве примеров приводов, для которых рекомендуется постоянный ток, назовем следующие: в металлургической промышленности -- реверсивные прокатные станы, регулируемые нереверсивные станы при многодвигательном приводе, вспомогательные механизмы повторно-кратковременного режима работы, доменные подъемники; в металлообрабатывающей промышленности -- токарные специальные станки.

Конструкцию (тип) двигателя выбирают в зависимости от условий окружающей среды. Приходится учитывать необходимость защиты среды от возможных искрообразований в двигателе (при наличии горючей пыли, взрывоопасных смесей и т. п.), а также самих двигателей от попадания в них влаги, пыли, агрессивных химических веществ из окружающей среды.

Различают несколько основных типов конструкции двигателей. Открытый тип двигателя с большими вентиляционными отверстиями в подшипниковых щитах и станине для лучших условий охлаждения целесообразно применять в немногих случаях; приходится считаться с легкостью засорения такого двигателя в производственных условиях и опасностью поражения током обслуживающего персонала при прикосновении к открытым токоведущим частям.

Двигатели защищенного типа имеют вентиляционные отверстия, которые закрыты решетками, защищающими двигатель от попадания внутрь капель дождя, посторонних частиц, опилок и т. п., но не пыли. Такие двигатели могут устанавливаться на открытом воздухе.

Двигатели закрытого типа устанавливаются в запыленных помещениях при наличии в воздухе паров, едких, испарений и т. п. Для улучшения охлаждения таких двигателей применяется продувание охлаждающего воздуха. Последний подводится и отводится по специальным воздухопроводам.

В сырых помещениях применяются защищенные двигатели со специальной влагостойкой изоляцией. Во взрывоопасных помещениях, содержащих горючие газы или пары, устанавливаются взрывозащищенные двигатели.

6. ТИРИСТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Основными факторами, обусловившими быстрое развитие тиристорного электропривода, являются следующие: высокий КПД тиристорного преобразователя (0,95--0,97), относительно малые габариты, масса и инерционность тиристоров, незначительная мощность устройств управления.

Использование тиристоров и соответствующих систем управления позволяет получать все требуемые регулировочные характеристикии динамические режимы двигателей как переменного, так и постоянного тока.

Тиристорный электропривод переменного тока. Для регулирования частоты вращения асинхронного двигателя тиристоры включаются в цепь статора или ротора.

В первом случае с их помощью можно регулировать амплитуду (фазное регулирование) или частоту (частотное регулирование) синусоидального напряжения на обмотках статора и, следовательно, вращающий момент на валу двигателя (14.35). Во втором случае можно изменять активное сопротивление цепи ротора и таким образом (рис. 14.25) регулировать его частоту вращения.

На рис. 16.9 приведена схема преобразователя (регулятора) переменного напряжения на обмотках статора асинхронного двигателя с двумя встречно-параллельными тиристорами в каждой фазе. Устройство управления синхронно открывает тиристоры в порядке чередования фаз. Изменяя момент времени включения тиристоров (рис. 10.17), можно регулировать амплитуду напряжения основной гармоники. Выключение тиристоров осуществляется автоматически при изменении полярности напряжения соответствующей фазы. Такой режим называется естественной коммутацией.

Искусственной коммутацией называется выключение тиристора посредством подключения к его выводам какого-либо источника энергии, создающего в нем ток обратного направления. Примером может служить тиристорное управление в цепи ротора асинхронного двигателя (рис. 16.10).

Рабочий тиристор Т, замыкающий цепь выпрямленного тока через резистор r₁ имеет узел искусственной коммутации. Узел искусственной коммутации содержит вспомогательный тиристор T_вс, резистор г₂ ^и конденсатор С.

Пусть первоначально рабочий тиристор Т открыт, а вспомогательный Т_вс закрыт. В это время конденсатор С заряжается через резистор г₂ так, как показано на рис. 16.10. Подадим теперь на управляющий электрод вспомогательного тиристора Т_вс отпирающий сигнал из устройства управления. Вспомогательный тиристор включится, и конденсатор начнет разряжаться через него и рабочий тиристор. Так как при этом разрядный ток конденсатора направлен навстречу прямому току рабочего тиристора, то последний выключается. После этого конденсатор перезаряжается через резистор r₁ и открытый вспомогательный тиристор.

Чтобы вновь включить рабочий тиристор, на его управляющий электрод надо подать сигнал из устройства управления. При этом конденсатор своим разрядным током выключает вспомогательный тиристор, а сам конденсатор перезаряжается, возвращаясь к состоянию, показанному на рисунке.

Следующий цикл начинается с подачи сигнала из устройства управления на управляющий электрод вспомогательного тиристора.

Эквивалентное сопротивление цепи ротора зависит от отношения интервалов времени открытого и закрытого состояний рабочего тиристора. Регулируя это отношение, можно регулировать среднее значение тока ротора и, следовательно, момент, развиваемый асинхронным двигателем.

Одним из наиболее перспективных способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей является изменение частоты напряжения на обмотках статора. Для этой цели широко используются тиристорные автономные инверторы, т. е. устройства преобразования постоянного напряжения в переменное с любым числом фаз.



Рассмотрим простейшую схему однофазного автономного инвертора (рис. 16.11), в которой источник постоянного напряжения Е соединен со средней точкой первичной обмотки трансформатора. Когда тиристор T₁ включается сигналом блока управления, а тиристор Т₂ закрыт, то источник постоянного напряжения Е подключается к левой половине первичной обмотки трансформатора.

Ток этой части *первичной обмотки возбуждает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. При этом во вторичной обмотке трансформатора индуктируется ЭДС, а конденсатор С заряжается, как показано на рисунке.

Если управляющий сигнал включает тиристор Т₂, то перезарядка конденсатора С закрывает тиристор T₁ аналогично рис. 16.10, а источник постоянного напряжения Е подключается к правой половине первичной обмотки.

В магнитопроводе возбуждается магнитный поток противоположного направления, чему соответствует и изменение направления ЭДС, индуктируемой во вторичной обмотке щ₂. Частота переменного напряжения, получаемого от инвертора, определяется частотой генератора управляющих сигналов, включающих поочередно тиристоры.

Описанный инвертор может быть использован для плавной регулировки частоты вращения однофазных и двухфазных асинхронных двигателей (см. § 14.18).

Инвертирование постоянного напряжения в трехфазную или многофазную систему напряжений осуществляется аналогично. Обычно в инверторе вместо источника постоянного напряжения Е используется выпрямленное напряжение сети переменного тока. Если для этой цели, так же как и для инвертирования, использовать тиристоры, то выпрямленное напряжение можно регулировать в широких пределах (см. рис. 10.17). Это дает дополнительные возможности для управления асинхронным двигателем.

Устройства, сочетающие в себе тиристорные выпрямители и тиристорные инверторы, принято называть шириапорными преобразователями. В электроприводе иногда используют и более сложные тиристорные преобразователи, например тиристорные выпрямитель -- инвертор -- выпрямитель. Применение различных способов тиристорного управления позволяет плавно и экономично регулировать частоту вращения асинхронных двигателей в диапазоне до 50 : 1 и выше.

Тиристорный электропривод постоянного тока. При необходимости регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока и получения специальных характеристик в настоящее время широко используются тиристорные преобразователи. С их помощью двигатели постоянного тока можно подключить к сети переменного тока.

Одна из простейших схем включения двигателя постоянного тока в трехфазную цепь переменного тока приведена на рис. 16.12.

Управляющее устройство синхронно включает тиристоры в порядке чередования фаз в положительные полупериоды фазных напряжений (рис. 10.17). В отрицательные полупериоды фазных напряжений происходит естественная коммутация, и тиристоры соответствующих фаз закрываются.



Среднее значение выпрямленного напряжения трех фаз равно напряжению на якоре двигателя постоянного тока (10.10):

где б -- угол запаздывания включения тиристоров.

Изменяя угол запаздывания с помощью блока управления, можно изменять постоянное напряжение на якоре двигателя, т. е. постоянный ток в цепи якоря I_я. В свою очередь это приводит к изменению вращающего момента на валу двигателя (13.2).

Индуктивная катушка в цепи якоря служит для уменьшения пульсаций тока.

АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Управление электротехническими устройствами осуществляется с помощью большого числа различных аппаратов. В зависимости от назначения их можно подразделить на две основные группы: коммутационные аппараты (высоковольтные выключатели, разъединители, контакторы и др.) и защитные аппараты (автоматические воздушные выключатели, плавкие предохранители, различные реле и разрядники для защиты от перенапряжений).

Все эти аппараты в местах установки соединяются по определенным схемам посредством голых шин, укрепленных на изоляторах, или посредством силовых кабелей. Монтаж и эксплуатация неизолированных шин проще и дешевле, кроме того, для них допускается большая плотность тока.В большинстве случаев прокладываются алюминиевые шины; стальные шины применяются в установках с токами не выше 200 А.

Алюминиевые шины применяются однополосные и многополосные прямоугольного сечения с размерами полосы примерно 120 X 10 мм. Для больших переменных токов часто устанавливаются шины коробчатого сечения (рис. 17.1).

Их преимущества -- механическая прочность и простота монтажных работ. Кроме того, благодаря расположению проводящего материала по периферии общего сечения в коробчатых шиная при промышленной частоте мало сказываются поверхностный эффект и эффект близости, уменьшающие активное сечение проводника.

Шины укрепляются на опорных изоляторах. На прямолинейных участках проводки, в промежутках между креплениями шин к изоляторам, предусматриваются специальные устройства, обеспечивающие свободное удлинение шин при нагревании (шинные компенсаторы).

В трехфазных системах в соответствии с последовательностью фаз шины должны быть окрашены в следующие цвета:

фаза А -- желтый,

фаза В -- зеленый и

фаза С -- красный;

нейтральные шины: при изолированной нейтрали --белый; при заземленной нейтрали -- черный.

При постоянном токе положительная шина окрашивается в красный, отрицательная -- в синий, а нейтраль -- в белый цвет.

Для надежной работы электрических аппаратов весьма важными являются условия осуществления контактов. Последние могут быть жесткими (неразъемными), например присоединения проводников к выводам машины или аппарата; скользящими между неподвижными и подвижными токоведущими частями; коммутационные -- в отключающих аппаратах. Эти контакты работают в наиболее тяжелых условиях, особенно если они должны отключать токи коротких замыканий.

При всяком контакте действительное соприкосновение двух проводящих тел осуществляется в виде элементарных площадок касания, возникающих при смятии выступающих микроскопических бугорков касающихся поверхностей (рис. 17.2).



Следовательно, имеет место сужение поперечного сечения пути тока. Дополнительное сопротивление, обусловленное этим сужением, называется переходным сопротивлением контакта. Оно тем меньше, чем больше сила нажатия контактов, увеличивающая смятие микроскопических бугорков.

Переходное сопротивление контакта может возрастать в десятки и сотни раз вследствие окисления контактных поверхностей. В частности, нередко такое отклонение вызывается нагревом контактов свыше 70--75 °С. По этой причине необходимо предусматривать все возможные меры для предупреждения нагревания и окисления

Отключение электрической цепи обычно не может быть мгновенным. При разрыве цепи тока неизбежно возникновение большей или меньшей ЭДС самоиндукции; под действием этой ЭДС совместно с напряжением сети промежуток между расходящимися контактами пробивается и возникает электрическая дуга. Высокая температура последней может вызвать быстрое разрушение или сваривание контактов. Особенно опасно действие дуги в аппаратах высокого напряжения при отключениях токов короткого замыкания.

Отключение цепей, переменного тока существенно упрощается, так как переменный ток периодически проходит через нулевое значение, что приводит к гашению дуги. Выключатель переменного тока должен быть сконструирован так, чтобы предотвратить повторное зажигание дуги, после того как она погасла при прохождении через нуль переменного тока.

Значительно труднее отключение цепей постоянного тока высокого напряжения. Выключатели для этого тока должны быть рассчитаны на поглощение весьма значительной энергии, выделяющейся при длительном горении дуги постоянного тока.

2. ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

Провода электрических линий и электротехнические устройства должны быть защищены от перегрева при коротких замыканиях и длительных перегрузках.

Коротким замыканием принято называть всякое ненормальное соединение через элементы с малым сопротивлением между проводами или другими токоведущими частями цепи.

Причиной короткого замыкания может быть случайное соединение голых токоведущих частей между собой (например, соединение двух проводов воздушной линии) или повреждение изоляции вследствие старания, износа, пробоя и т. п.

При коротком замыкании резко увеличивается ток, а так как выделение теплоты в проводах пропорционально квадрату тока, то тепловое действие тока короткого замыкания может вызвать разрушение изоляции и пожар. Вместе с тем при коротких замыканиях часто возникают опасные электродинамические силы взаимодействия между проводами. Кроме того, короткое замыкание вызывает сильное изменение напряжения в системе, следствием чего являются снижение частоты вращения и даже остановка электродвигателей и т. д.

В табл. 17.1 приведены допустимые значения токов в проводах и кабелях в соответствии с Правилами устройства электроустановок.

Таблица 17.1. Допустимые длительные токовые нагрузки на провода и шнуры с резиновой и полихлорвиниловой изоляцией и алюминиевыми жилами

Сечение токопроводящей жилы, мм2	Токовые нагрузки, А
	Провода, проложенные открыто	Провода, проложенные в одной трубе
		Два одножильных	Три одножильных	Четыре одножильных	Один двухжильный	Один трехжильный
2,5	24	20	19	19	19	16
4	32	28	28	23	25	21
6	39	36	32	3	31	26
10	60	50	47	39	42	38
16	75	60	60	55	60	55
25	105	85	80	70	75	65
35	130	100	95	85	95	75
50	165	140	130	120	125	105
70	210	175	165	140	150	135
95	255	215	200	175	190	165
120	295	245	220	200	230	190
150	340	275	255	-	-	-
185	390	-	-	-	-	-
240	495	-	-	-	-	-
300	535	-	-	-	-	-
400	635	-	-	-	-	-

Простейшим способом отключения токов короткого замыкания является использование их теплового действия в приборе защиты. Таким прибором является плавкий предохранитель. В нем основным отключающим элементом служит плавкая вставка -- сменяемая часть предохранителя, плавящаяся при увеличении тока в защищаемой цепи свыше определенного значения. По существу это короткий участок защищаемой цепи, относительно легко разрушаемый тепловым действием тока. Чтобы получить такую сниженную термическую стойкость, нужно увеличить сопротивление вставки, для чего она изготовляется из материала с высоким удельным сопротивлением (например, сплава олова и свинца) или из хорошо проводящего металла (например, серебра, меди), но о малой площадью поперечного сечения.

Плавление вставки не должно сопровождаться возникновением дуги в предохранителе вдоль размыкаемого участка, следовательно, плавкая вставка должна иметь длину, соответствующую выключаемому напряжению; по этой причине на предохранителях кроме номинального тока указывается также и напряжение.

Существует очень большое число различных конструкций плавких предохранителей.

Для напряжений до 250 В и токов примерно до 60 А широко применяются пробочные предохранители (рис. 17.3).

Такой предохранитель состоит из основания 1, в которое ввертывается сменяемая при перегорании вставка 2 -- так называемая пробка с резьбой, опирающаяся на неподвижный контакт 4. Пробка изготовляется из керамического материала и снабжается двумя металлическими контактами, между которыми припаивается плавкая проволока 3.

Пробочные предохранители обычно сосредоточиваются на групповых щитках. От этих щитков линии расходятся в отдельные квартиры или комнаты, части здания и т. п. На щитке все провода каждой линии должны быть защищены отдельными предохранителями (рис. 17.4).

Такое сосредоточение предохранителей облегчает надзор за ними и быструю смену пробок при их перегорании.

Для тепловой защиты линий высокого напряжения применяются трубчатые предохранители различных конструкций (рис.17.5), в которых плавящаяся проволока помещена в фарфоровую трубку и имеет значительную длину. Трубка не дает разбрызгиваться расплавленному металлу, а электрическая дуга, образующаяся при плавлении проволоки внутри трубки, быстро разрывается благодаря тяге воздуха в трубке.

Номинальным током плавкого предохранителя считается тот наибольший ток, который предохранитель может выдерживать сколь угодно долгое время, не разрушаясь. Он указывается на вставке предохранителя. Ориентировочно для определения времени отключения можно пользоваться зависимостью времени плавления от отношения тока в предохранителе к его номинальному току.

Следует различать защиту электротехнических установок от коротких замыканий и защиту от длительных перегрузок. Номинальные токи плавких вставок предохранителей, служащих для защиты отдельных участков электрической сети, во всех случаях следует выбирать по возможности наименьшими по расчетным токам соответствующих участков сети. Но при этом вставка не должна плавиться при кратковременных перегрузках -- пусковых токах электродвигателей и т. п.

Тепловой принцип защиты используется также в более совершенных приборах -- тепловых реле. В подобных реле для срабатывания устройства обычно используется биметаллический элемент. Он состоит из двух механически скрепленных пластин, а эти пластины изготовлены из металлов с различными температурными коэффициентами расширения.