<< Пред. стр. 6 (из 13) След. >>
Список литературы по разделу
из которых следует, что при увеличении относительной скорости влияние индуктивного сопротивления на ток прямой последовательности уменьшается, а на ток обратной последовательности - увеличивается, т. к. . Поэтому в реальном двигателе поток обратной последовательности меньше, чем в идеализированном, в связи с чем уменьшается и тормозит момент, образуемый этим потоком, что приводит к некоторому увеличению скорости вращения. Второй особенностью реальных механических характеристик является их криволинейность. Это также обусловливается, в основном, влиянием индуктивных сопротивлений двигателя, нарушающих линейную зависимость тока ротора от его относительной скорости.
Регулировочные характеристики реального двигателя проходят выше характеристик идеализированного двигателя. Иными словами, при заданном относительном моменте требуемая скорость в реальном двигателе будет достигнута при меньшем коэффициенте сигнала.
Только при малых значениях регулировочную характеристику можно считать линейной, положив .
Мощности управления и возбуждения у реального двигателя. Ток возбуждения у реального двигателя практически не зависит от режима работы. Поэтому мощность возбуждения остается примерно постоянной при всех значениях и . Мощность обмотки управления также не зависит от скорости вращения , но сильно меняется с изменением коэффициента сигнала, т. к.
,
где - полное сопротивление обмотки управления.
Коэффициент мощности имеет максимум при пуске и равен 0,5-0,6 (у двигателя с полнм ротором). С возрастанием скорости уменьшается. КПД у двигателя с полым немагнитным ротором невелик и равен 10-20% при и (рис. 2.29). Низкая величина КПД объясняется большими потерями в роторе (из-за увеличенного сопротивления) и в статоре (из-за очень большого тока холостого хода).
Рис. 2.29. Зависимость КПД реального двигателя с амплитудным управлением от относительной скорости вращения.
С уменьшением коэффициента сигнала КПД уменьшается, т.к. резко снижается полезная мощность, а потери и в статоре и в роторе уменьшаются сравнительно мало.
2.4.7. Исполнительный двигатель с фазовым управлением
Напряжения прямой и обратной последовательностей (как было показано выше):
Рассмотрим работу идеализированного двигателя с фазовым управлением при упрощающем предположении . При этом эффективный коэффициент сигнала , где - угол между векторами и . Так как в данном случае , то из векторной диаграммы (рис. 2.30)
Рис. 2. 30. Векторная диаграмма напряжений управления и возбуждения при фазовом управлении асинхронного двухфазного двигателя.
модуль напряжения прямой последовательности
(2.89)
а обратной последовательности
(2.90)
Так как в данном случае полные сопротивления соответствующих схем замещения равны
;
,
то выражения для токов принимают вид:
(2.91)
Если пренебречь всеми сопротивлениями обмоток, кроме активного сопротивления, то полные сопротивления схемы замещения
(2.92)
В этом случае выражения для токов прямой и обратной последовательностей принимают вид:
(2.93)
2.4.7.1. Механические и регулировочные характеристики идеализированного двигателя
Электромагнитная мощность с учетом выражения для и (2.93):
(2.94)
Следовательно, электромагнитный момент
(2.95)
Принимая за базовую величину момент при круговом вращающемся поле и неподвижном роторе , находим относительное значение момента:
(2.96)
Следовательно,
(2.97)
Рис.2.31. Механические (а) и регулировочные (б) характеристики идеализированного двухфазного асинхронного двигателя при фазовом управлении.
Механические характеристики (рис.2.31а) прямолинейны и параллельны. Наклон их при малых коэффициентах сигналов меньше, чем при амплитудном управлении (пунктирные линии). Это объясняется тем, что при одном и том же коэффициенте сигнала ток обратной последовательности при фазовом управлении больше, чем при амплитудном, вследствие чего, при фазовом управлении будет меньшей и скорость холостого хода.
Данное обстоятельство является существенным преимуществом фазового управления. Особенно ярко это преимущество проявляется при сравнении регулировочных характеристик. Как следует из выражения для регулировочные характеристики идеализированного двигателя при фазовом управлении линейны (рис.2.31б).
Характеристики реального двигателя при фазовом управлении нелинейны, а скорость холостого хода при будет больше, чем у идеализированного двигателя, что обусловлено влиянием индуктивных сопротивлений ротора и статора.
2.4.7.2. Мощность управления
Фазовое управление применяется сравнительно редко из-за большой мощности управления при малом коэффициенте сигнала.
Так при неподвижном роторе полная мощность обмотки управления
, (2.98)
т. е. не зависит от коэффициента сигнала, т. к. амплитудное значение напряжения управления остается неизменным, а обмотки управления и возбуждения электромагнитно не связаны. Другим недостатком фазового управления является сложность регулирования фазы управляющего сигнала.
2.4.8. Исполнительный двигатель с амплитудно-фазовым управлением (конденсаторная схема)
Схема включения имеет вид (рис. 2.40а):
Рис.2.32. Схема исполнительного двигателя при амплитудно-фазовом управлении (а) и его векторная диаграмма при круговом вращающемся поле (б).
Напряжение управления имеет ту же фазу, что и напряжение сети , т. е. , а напряжение возбуждения будет сдвинуто по фазе относительно на некоторый угол, величина которого определяется падением напряжения на емкости . При этом
(2.99)
Так как при изменении напряжения управления или скорости вращения двигателя изменяется величина тока в цепи возбуждения, то будет изменяться по величине и фазе также и напряжение .
Если подобрать коэффициент сигнала и емкость так, чтобы поле было круговым, то векторная диаграмма напряжений будет иметь вид (рис. 2.32б). В этом случае будут существовать только поле и токи прямой последовательности, причем
(2.100)
Подставив сюда значения токов в фазах управления и возбуждения
и , (2.101)
где:
и - активное и реактивное сопротивления схем замещения двигателя для фазы управления.
- то же, для фазы возбуждения, получим
(2.102)
или
.
Отсюда
; .
Условия, необходимые для создания кругового поля
; . (2.103)
Величина емкости и коэффициента сигнала выбирают такими, чтобы круговое поле получалось при неподвижном роторе, т. е., чтобы
и , (2.104)
где индекс "k" означает, что сопротивления и берутся при неподвижном роторе (режим короткого замыкания).
2.4.8.1. Механические характеристики
В реальном исполнительном двигателе с амплитудно-фазовым управлением регулируется напряжение управления . Ток возбуждения при этом практически не меняется из-за большой величины намагничивающего тока, вследствие чего напряжение на обмотке возбуждения изменяется в сравнительно небольших пределах. Поэтому характеристики двигателя при данном способе управления будут близки к характеристикам при амплитудном управлении.
Рис. 2.33. Механические (а) и регулировочные (б) характеристики реального (сплошные линии) и идеального (пунктирные) асинхронного двухфазного двигателя при амплитудно-фазовом управлении.
На рис. 2.33а показаны механические характеристики реального двигателя при амплитудно- фазовом управлении (сплошные линии) и идеализированного двигателя при амплитудном управлении (пунктирные линии). При относительная скорость холостого хода меньше единицы. Это объясняется тем, что круговое вращающееся поле имеет место только при . При вращении ротора сопротивление его меняется, а следовательно, несколько меняются ток возбуждения и напряжение на обмотке возбуждения. Таким образом, даже при появляется обратное вращающееся поле, которое снижает скорость холостого хода по сравнению с идеализированным двигателем при амплитудном управлении. При скорости холостого хода становятся сначала близкими, а затем даже большими скорости холостого хода для идеализированного двигателя. Это объясняется тем, что действие токов обратной последовательности в реальном двигателе уменьшается по сравнению с идеализированным из-за наличия индуктивного сопротивления в обмотке ротора.
Нелинейность механических характеристик двигателя при амплитудно-фазовом управлении больше, чем при других методах управления, вследствие увеличения амплитуды обратного поля при повышении скорости вращения.
Общий вид регулировочных характеристик двигателя остается примерно таким же, как и при амплитудном управлении (рис. 2.33б), но линейность их несколько уменьшается.
По мере возрастания скорости двигателя мощность возбуждения увеличивается, так как одновременно происходит некоторое повышение напряжения на обмотке возбуждения из-за уменьшения падения напряжения на конденсаторе. Так как в двигателе с полым немагнитным ротором основной составляющей тока статора является ток холостого хода, то ток статора с изменением режима работы двигателя изменяется мало. Мало изменяется и мощность возбуждения, увеличиваясь на 10 - 20% при переходе от режима короткого замыкания к холостому ходу. Мощность управления при амплитудно-фазовом управлении, как и при амплитудном управлении, пропорциональна коэффициенту сигнала и сравнительно мало зависит от скорости вращения. Все другие характеристики (механическая мощность, КПД и др.) при амплитудно-фазовом управлении мало отличаются от характеристик двигателя при амплитудном управлении.
Достоинством амплитудно-фазового управления является сравнительная простота схемы и возможность получения значительных пусковых моментов, недостатком - некоторое снижение устойчивости в зоне малых скоростей.
2.4.9. Электромеханическая постоянная времени исполнительных двигателей
Время разгона исполнительного двигателя определяется, главным образом, электромеханическими переходными процессами, т. к. из-за значительного активного сопротивления электромагнитные переходные процессы в них быстротечны. Электромеханическая постоянная времени примерно на порядок больше электромагнитной постоянной времени . Значение определяется из основного уравнения динамики для двигателя при условии разгона его ротора от неподвижного состояния до скорости холостого хода при статическом моменте на валу . При этих условиях основное уравнение динамики
принимает вид
, (2.105)
где
- момент инерции ротора.
Обычно электромеханическую постоянную времени определяют исходя из пускового момента . Для идеализированного двигателя при прямолинейной механической характеристике
, (2.106)
где
- скорость холостого хода.
Следовательно, можно записать
или
Решив это уравнение, получим
, (2.107)
где
- электромеханическая постоянная
времени:
(2.108)
Физически электромеханическая постоянная времени представляет собой время, необходимое для разгона двигателя от неподвижного состояния до достижения скорости холостого хода при постоянном моменте на валу и . В действительности момент, действующий на вал ротора в процессе разгона уменьшается, вследствие чего время разгона до скорости оказывается большим .
В двигателе с амплитудным управлением
, (2.109)
где
- синхронная скорость, соответствующая круговому вращающемуся полю и пусковому моменту .
Поэтому
. (2.110)
Из этого выражения следует, что при амплитудном управлении постоянная времени растет с уменьшением эффективного коэффициента сигнала, т. к. уменьшается величина пускового момента. При фазовом управлении и . Поэтому
. (2.111)
Следовательно, при этом способе управления постоянная времени не зависит от коэффициента сигнала . Это объясняется тем, что при фазовом управлении механические характеристики параллельны - при уменьшении коэффициента сигнала пропорционально ему уменьшается момент при пуске и скорость холостого хода. В результате время разгона не изменяется. При амплитудном же управлении уменьшение сигнала приводит к такому же уменьшению момента, но скорость холостого хода уменьшается в меньшей степени. Так, например, при коэффициенте сигнала пусковой момент в 2 раза меньше, чем при , а скорость холостого хода составляет 0,8 от скорости при . Естественно, что время разгона двигателя с уменьшением коэффициента сигнала растет.
Из выражений для постоянной времени следует, что она зависит от отношения и скорости . Она возрастает с увеличением момента и частоты питающей сети. При увеличении числа полюсов величина уменьшается. Двигатели, рассчитанные на работу при пониженной частоте, несмотря на то, что они обычно выполняются многополюсными, имеют большую постоянную времени, чем машины, рассчитанные на работу при частоте 50 Гц.
2.4.10. Сравнение исполнительных двигателей при различных методах управления
Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:
а) линейность механических и регулировочных характеристик выше всего при фазовом управлении. Амплитудно-фазовое управление дает наибольшее отклонение от прямой линии.
б) Мощность управления при амплитудном и амплитудно-фазовом управлении практически одинакова и пропорциональна квадрату коэффициента сигнала.
в) степень использования (электромагнитная мощность при круговом поле и неподвижном роторе) для всех трех способов управления одинакова, если одинаково напряжение возбуждения.
г) наиболее простым является амплитудно-фазовое управление (конденсаторная схема), при котором не требуется никаких дополнительных устройств для сдвига фаз между напряжениями управления и возбуждения. Это обстоятельство и объясняет широкое применение его в автоматике.
3. Синхронные электрические машины.
3.1. Общие сведения
Электромагнитная схема синхронной машины имеет вид (рис3.1):
Рис. 3.1. Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б).
Важным отличием синхронной машины от асинхронной является то, что главный магнитный поток в ней создается НС постоянного тока возбуждения Iв , который машина получает от источника Uв, т. е. в машине имеет место раздельное питание обмоток статора и ротора.
Статор машины выполнен аналогично статору асинхронной машины. На нем расположена -фазная (обычно трехфазная) обмотка. Обмотка ротора 4 состоит из одной или нескольких катушек, образующих многополосную систему с тем же числом пар полюсов р, что и обмотка статора 3. Обмотка ротора соединяется с внешним источником питания Uв посредством контактных колец 5 и щеток 6.
При вращении ротора со скоростью n2 в обмотке статора индуктируется ЭДС , изменяющаяся с частотой
f1=(pn2)/60, (3.1.1)
где
p - число пар полюсов машины.
При подключении обмотки статора к какой-либо нагрузке в ней протекает многофазный ток, который создает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля:
n1=(60f1)/p. (3.1.2)
Из приведенных выше выражений следует n1=n2, т. е. магнитные поля ротора и статора вращаются с одинаковой скоростью. Поэтому рассматриваемая машина получила название синхронной. В синхронной машине результирующий магнитный поток Фрез создается совместным действием намагничивающих сил обмотки возбуждения и обмотки статора и вращается с той же скоростью, что и ротор.
Часть электрической машины, в которой индуктируется ЭДС, принято называть якорем, поэтому в синхронной машине статор является якорем, а ротор - индуктором. Синхронная машина может работать в качестве автономного генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, а так же подключаться параллельно к сети, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т.е. работать генератором или двигателем. В результате взаимодействия тока ротора Iв с вращающимся магнитным полем, создается электромагнитный момент, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а в генераторном - тормозящим.
Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности:
- ротор машины, как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной скоростью, равной скорости вращения магнитного поля;
- частота изменения ЭДС Е1, индуктируемой в обмотке статора, пропорциональна скорости вращения ротора;
- в обмотке ротора ЭДС не индуктируется, а магнитное поле создается постоянным током, подводимым от внешнего источника, или постоянными магнитами.
Постоянство скорости вращения ротора синхронной машины обусловливает область ее применения: в качестве генераторов промышленной частоты на подстанциях или в дизель - генераторах, а в качестве двигателей в тех случаях, когда необходимо постоянство скорости вращения выходного вала машины.
В случае параллельной работы с другими синхронными машинами для включения синхронной машины в общую сеть требуется предварительная синхронизация, т. е. частота выходного напряжения должна быть строго равна частоте сети, а ЭДС машины - равной по величине и противоположной по фазе напряжению сети. При идеальной синхронизации машины с сетью токи в обмотках статора после подключения машины к сети, будут равны нулю. В таких условиях синхронная машина не отдает энергию в сеть и не потребляет ее, т. е. по отношению к сети она не является ни генератором, ни двигателем. Собственные потери синхронной машины, механические и магнитные, при этом покрывает первичный двигатель.
Если увеличивать момент, приложенный первичным двигателем к валу машины, то под действием возросшего момента ротор машины сместится вперед, и если раньше середина полюса ротора находилась против проводников данной фазы статора как раз в тот момент, когда напряжение сети на этой фазе достигло своего максимума, то теперь это условие нарушается, и так как ЭДС ротора и напряжение сети уже взаимно не уравновешиваются, то в обмотках статора возникает ток, создаваемый результирующим напряжением. Взаимодействие этого тока с полем машины создает тормозящую силу, воздействующую на ротор. При посредстве этой силы механическая мощность первичного двигателя будет превращаться в электрическую мощность, отдаваемую генератором в сеть. Поле ротора будет как бы вести за собой поле статора.
Если затем уменьшать вращающий момент на валу синхронной машины, то под действием тормозящего момента электромагнитных сил поле ротора будет уменьшать свой угол опережения по отношению к полю статора, и вместе с уменьшением угла между осями полей будет уменьшаться и тормозящая сила взаимодействия токов статора и поля машины.
Наконец, когда напряжение сети будет уравновешиваться ЭДС статора, тогда машина перестанет отдавать энергию в сеть, ток в обмотке статора, а, следовательно, и тормозящая электромагнитная сила, становится равной нулю.
Если теперь приложить к валу машины вместо вращающего тормозящий момент механической нагрузки, то ротор сместится по отношению к вращающему полю в сторону отставания. Вновь возникнут токи в обмотках статора и создадут электромагнитные силы взаимодействия токов статора и поля ротора, но на этот раз силы будут стремиться сместить ротор вперед, т. е. создадут вращающий момент, при посредстве которого электрическая мощность сети превращается в механическую мощность на валу машины; таким путем синхронная машина переходит к работе двигателем. Режим машины меняется от генераторного к двигательному и обратно в зависимости от механического воздействия на вал машины, причем электромагнитные силы играют роль своеобразной упругой связи между полем ротора и полем статора. Можно сравнить их с пружинами, связывающими два шкива А и В - ведущий и ведомый (рис. 3.2).
а) б) в)
Рис. 3.2. Механическая модель образования синхронного момента в виде двух шкивов, соединенными пружинами ((а) - нет передачи энергии; (б) - передача энергии от шкива А к шкиву В; (в) - передача энергии от шкива В к шкиву А).
Шкив изображает в такой модели поле ротора, шкив В - поле статора. Всякое изменение механической силы на валу шкива А вызывает изменение относительного положения шкивов и изменение направления и степени натяжения пружин. При (рис. 3.2а) пружины свободны, т. к. нет передачи энергии между шкивами; при происходит передача энергии от шкива А к шкиву В, поэтому пружины натянуты от шкива А к шкиву В (рис. 3.2б); при происходит обратный обмен энергией, поэтому пружины натянуты в обратную сторону (рис. 3.2в).
Таким образом, при параллельной работе синхронной машины с сетью скорость вращения машины жестко определяется частотой сети; изменение момента на валу меняет лишь угол между осями полей ротора и статора, в то время как в асинхронной машине в таких условиях меняется скорость вращения ротора (скольжение).
Реакция якоря в синхронном генераторе. Магнитное поле нагруженной синхронной машины возбуждается не только НС ротора, на это поле действует НС обмотки якоря, обтекаемой нагрузочным током.
В асинхронной машине ток статора изменяется автоматически вслед за изменение тока ротора и, таким образом, сохраняется практически постоянным поток в воздушном зазоре. В синхронной машине изменение тока статора не вызывают автоматического изменения постоянного тока возбуждения. Поэтому результирующее магнитное поле синхронной машины изменяется с изменением нагрузки, меняется относительное положение вращающегося поля статора к вращающемуся полю ротора, а, следовательно, и характер реакции якоря. Если рассматривать синхронный генератор, то при активной нагрузке ток в фазе статора достигает максимума в тот момент, когда против этой фазы находится середина полюса (3.3а).
a) б) в)
Рис. 3.3. Реакция якоря и кривые распределения индукций в неявнополюсной машине при различных условиях нагрузки.
Поле статора будет в этом случае поперечным, ось потока полюсов ротора перпендикулярна оси поля статора - у набегающего конца полюса оно направлено против поля ротора и ослабляет это поле, а у сбегающего конца поля оно усиливает поле ротора. Реакция якоря в случае активной нагрузки генератора вызывает смещение оси результирующего поля в сторону вращения. Результирующий поток при этом несколько изменяется вследствие влияния насыщения, а именно, он ослабляется у набегающего конца полюса больше, чем усиливается у сбегающего.
В идеальном случае чисто индуктивной нагрузке генератора (3.3б) величина тока в фазе статора будет достигать своего максимального значения только тогда, когда соответствующий полюс ротора уйдет вперед на 90 градусов; при индуктивной нагрузке поток статора направлен вдоль полюса ротора против потока ротора. Следовательно, при индуктивной нагрузке НС тока статора стремится возбудить размагничивающий продольный поток.
В идеальном случае чисто емкостной нагрузке генератора (3.3в) ток статора будет достигать максимума тогда, когда соответствующий полюс ротора будет находиться еще на расстоянии 90 градусов от середины фазы. В этом случае поток ротора будет намагничивающим продольным.
Условие синусоидальности распределения поля статора вдоль окружности статора существенно нарушается в случае явнополюсных роторов, у которых распределение поля статора вдоль окружности статора далеко не синусоидально.
Следовательно, в синхронной машине реакция якоря вызывает изменение магнитного поля машины и в результате - изменение ее ЭДС. В машинах с явными полюсами это явление еще осложняется искажением кривой ЭДС. Для синхронных генераторов подобное влияние величины тока и сдвига фаз нагрузки на напряжение машины весьма нежелательно. Чтобы свести влияние реакции якоря к минимуму, необходимо, чтобы НС якоря была мала по сравнению с НС ротора. Для осуществления этого условия необходимо увеличить магнитное сопротивление машины.
Лучше и проще всего повышение магнитного сопротивления осуществляется путем увеличения воздушного зазора машины. Однако при этом необходимо соответствующее увеличение НС ротора, но в синхронной машине это увеличение намагничивающего тока допустимо, т. к. энергия магнитного поля ротора остается неизменной, а возбудитель синхронной машины должен давать энергию только для покрытия тепловых потерь в цепи ротора. В асинхронной машине условия иные, там намагничивающий ток должен поддерживать колебания энергии магнитного поля машины - он является реактивным током, ухудшающим cos? установки, и желательно сделать его возможно меньшим.
Явление реакции якоря относится и к синхронным двигателям, но, т. к. в этих двигателях форма кривой ЭДС практически малосущественна, то реакция якоря в них имеет второстепенное значение.
3.1.1. Векторные диаграммы синхронного генератора
Результирующий магнитный поток в синхронном генераторе можно разложить на поток ротора, поток рассеяния статора и поток реакции якоря. Поток рассеяния статора является частью потока статора, замыкающегося помимо ротора поперек пазов статора. Этот поток проходит значительную часть своего пути в воздухе, поэтому его можно считать пропорциональным току статора и совпадающим с этим током по фазе.
Если не учитывать влияние насыщения стали, то поток реакции якоря, так же как и поток рассеяния пропорционален току якоря (статора) . В действительности это справедливо только для ненасыщенной машины.
При принятых допущениях ЭДС , индуктируемая потоком ротора, складывается из напряжения на зажимах машины , напряжения , уравновешивающего ЭДС рассеяния , напряжения , уравновешивающего ЭДС реакции якоря и, наконец, из падения напряжения в активном сопротивлении статорной обмотки
Следовательно,
. (3.1.3)
Величина x=xp+xя носит название синхронного индуктивного сопротивления. У ненасыщенной машины это - относительно постоянная величина.
<< Пред. стр. 6 (из 13) След. >>
Список литературы по разделу