сполученні статора зіркою фазна на у V3 разів менша, ЕРС Еі і

Для зменшення пускової напруги можна увімкнути послідов­но зі статором реактор Р (рис. 5.15), тобто додатковий індуктивний опір. Під час пуску спочатку замикають вимикач 1, а потім, коли двигун досягне певної швидкості, — вимикач 2. За наявності відгалу­жень реактор дає змогу здійснити пуск в декілька ступенів, тобто більш плавно, ніж у попередньому випадку, але він робить облад­нання дорожчим та зменшує пусковий момент пропорційно до Uj. Пусковий струм

^ІПР ^R’ + ta+Xp)²’ де Хр - індуктивний опір реактора. Зазвичай опір реактора під­бирають так, щоб І_ПрЯ_н = 2-2,5.

5.19.4. Пуск за допомогою автотрансформатора

Під час автотрансформаторного пуску (рис. 5.16) спочатку вмикаються вимикачі 3 і 1 і на двигун через автотрансформатор подається понижена напруга. Після вимикання вимикача 3 автотран­сформатор короткочасно працює як реактор, а після досягнення двигуном номінальної частоти обертання вмикається вимикач 2, і двигун підмикається безпосередньо до мережі.

Основна перевага цього способу пуску (рис. 5.16) порівняно з попереднім у тому, що за інших однакових умов двигун розвиває більший пусковий момент.

бо и_п = Ui/n і М„ = U„, де п - коефіцієнт трансформації автотрансформатора.

В усіх розглянутих випадках пуск двигунів великої потуж­ності і високої напруги автоматизується, для чого розробляються і виконуються спеціальні схеми.

5.19.5. Пуск двигуна з фазним ротором

Під час пуску двигуна з фазним ротором у коло ротора вмикають трифазний реостат, що дає змогу зменшити пусковий струм і одно­часно збільшити пусковий момент до його найбільшого значення.

Щоб зменшити зношування щіток і втрати на тертя, у деяких старих конструкціях двигуни з кільцями часто поставлялися з пристроєм для підняття щіток, який давав змогу замикати ротор на­коротко після закінчення пуску, а потім підняти з кілець щітки. У сучас­них конструкціях для підвищення надійності двигуна щітки ковзають по кільцях, хоч це призводить до збільшення механічних втрат.

Двигун з фазним ротором пускається (рис. 5.17) з повністю введеним пусковим реостатом, ніо має опір R-пз — R^2

спочатку розвиває момент М_птах. Зі збільшенням частоти обертання обертовий момент зменшується за характеристикою 4. При ковзанні s = 0,5-0,6, коли момент впаде до M_nmj_n, частину опору пускового реостата виводять, замикаючи контактор Кз. Обертовий момент при цьому швидко зростає до М_птах, а потім зі збільшенням частоти обертання знову зменшується до M_nmm за характеристикою 3, яка відповідає опору реостата R„2 = R<h + Rd2. Далі при s = 0,3-0,4 кон­тактором K₂ вимикається опір реостата R<)2, і двигун переходить на
характеристику 2, що відповідає опору R„i = R<h У кінці пуску при s = 0,1-0,2 пусковий реостат повністю виводиться контактором Кі, обмотка ротора замикається накоротко, двигун переходить на природну характеристику 1 і розганяється до точки Р, яка визначається навантаженням. Отже, при східчастому зменшенні опору пускового реостата обертовий момент двигуна змінюється від М_птах до M_nmj_n,

а СТруМ — ВІД Іптах ДО їптіп •

5.20.1. Двоклітковий двигун

На роторі двокліткового двигуна укладено дві обмотки. Ближ­че до циліндричної поверхні ротора розміщено пускову обмотку із матеріалу з великим питомим опором (марганцьована латунь, бронза) (рис. 5.18, а), що має великий активний і малий індуктивний опори. Далі від поверхні ротора розміщено робочу обмотку, яка пиготовляється із міді і має малий активний та порівняно більший індуктивний опір.

Останнім часом обидві обмотки двокліткового двигуна виго­товляються шляхом заливання пазів ротора алюмінієвим стопом (рис. 5.18, б). Щілина між верхнім та нижнім стрижнями не запов­нена нічим або залита металом обмоток. Вона забезпечує такий роз­поділ магнітного поля, що основний потік пов’язаний з обома обмот­ками, стрижень пускової обмотки пов’язаний з незначною кількістю ліній потоку розсіяння, а стрижень робочої обмотки, навпаки, — з великою кількістю ліній магнітної індукції потоку розсіяння.

У початковий момент пуску, коли ротор ще нерухомий і частота струму в роторі дорівнює частоті мережі, струм у робочій обмотці відстає за фазою від наведеної ЕРС у цій обмотці майже на 90 і тому створює незначний обертовий момент, а струм у пусковій обмотці майже збігається з наведеною в ній ЕРС, тому створює під час пуску великий обертовий момент. Зі збільшенням частоти обертання ротора частота струму в ньому зменшується, відповідно зменшуються індук­тивні опори обох обмоток. За нормальної частоти обертання індуктивні опори обмоток дуже малі, тому струм розподіляється обернено
пропорційно до їхніх актив­них опорів і майже весь йде по робочій обмотці. Спів­відношення між активним та індуктивним опорами пуско­вої обмотки вибирають та­ким, щоб забезпечити необ­хідну кратність пускового момента за заданої кратності пускового струму. Результа­тивний момент двоклітково­го двигуна дорівнює сумі моментів від обох обмоток (рис. 5.19). Змінюючи спів­відношення між параметра­ми пускової та робочої об­моток, можна одержати різновидні криві результативного момента двокліткового двигуна (криві 3, 4 і 5 на рис. 5.19). Двокліткові двигуни випускаються в широкому діапазоні потужностей: від 5 до 2000 кВт. Вартість двокліткового двигуна на 20-30 % більша від вартості короткозамкненого двигуна нормального виконання. Недоліком дво­кліткового двигуна є знижений cos ф внаслідок підвищеного індук­тивного опору розсіяння робочої обмотки.

5.20.2. Двигун з глибоким пазом (глибокопазний)

У двигуні з глибоким пазом для покращання пускових ха­рактеристик використовується явище витіснення струму.

З картини магнітного поля (рис. 5.20, а) видно, що нижні частини провідника пов’язані з більшою кількістю ліній магнітної індукції потоку розсіяння, ніж верхні. Тому в нижніх частинах про­відника наводиться більша ЕРС розсіяння е„2, а у верхніх - менша. Крім того, по всій висоті провідника наводиться однакова ЕРС ео основним потоком. Тоді струм у будь-якій частині провідника визна­чається за законом Ома: і = (е₀ - e_CT2)/R- Цей струм та, відповідно, його густина будуть тим більші, чим менша е_СТ2, тобто зростатимуть ви­сотою провідника. Так відбувається витіснення струму у верхні частини
мронідника, як це показано на рис. 5.20, б, що призводить до збільшен­им активного та зменшення індуктивного опорів провідника.

де R20 і Х2о - активний та індуктивний опори при рівномірному розподілі струму по перерізу провідника, a R2 і Х2 - ті ж опори при

витісненні струму. Коефіцієнти Kr і Кх залежать від Е, = h_npVs, де

h„_p - висота провідника, s - ковзання.

З розгоном двигуна активний опір зменшується, а індуктивний - збільшується (рис. 5.21, 5.22). Зазвичай h_np = 2,5-4 см. Тоді під час пуску (s = 1) K_R = 2,5-4, Кх = 0,6-0,4. Відповідно змінюються пускові характеристики глибокопазного двигуна.

При нормальній частоті обертання, коли частота струму в роторі мала, витіснення струму припиняється (K_R = 1, К_х = 1), і двигун з глибоким пазом практично набуває властивості двигуна нормального виконання (рис. 5.23). Внаслідок збільшеного індуктив­ного опору обмотки ротора глибокопазний двигун має менший cos <р і меншу перевантажувальну здатність, ніж двигун нормального виконання. Коефіцієнт віддачі глибокопазного двигуна практично такий самий, як і у двигуна нормального виконання. Загалом робочі характеристики глибокопазного двигуна дещо гірші, ніж двигуна нормального виконання.

5.21. Регулювання частота обертання асинхронних двигунів

Застосування найпростіших і найдешевших асинхронних дви­гунів у регульованих електроприводах особливо перспективне. Однак досі не знайдено дешевої та економічної системи регулювання
чистоти обертання асинхронних двигунів, хоч відомі десятки спо­собів такого регулювання.

Із формули для частоти обертання ротора п = ni(l - s) = 60fi(l - s)/p иидно, що є всього три варіанти її регулювання: шляхом зміни частоти мережі живлення f], кількості пар полюсів і ковзання.

5.21.1. Регулювання частоти обертання зміною ковзання

Змінювати ковзання асинхронного двигуна можна багатьма способами. Найпоширеніші - це зміна напруги, введення опору в коло фазного ротора, спотворення симетрії підведених напруг і «ведення ЕРС в коло ротора.

Із зміною напруги, яка підводиться до статора машини, максимальний момент змінюється пропорційно до квадрата напруги, u критичне ковзання залишається незмінним. Із зменшенням Ui змінюється точка стійкої роботи системи двигун-навантаження і

змінюється ковзання. Як видно з рис. 5.24, межі регулювання

(від Si до S3) залежать від вигляду механічних ха­рактеристик двигуна і на­вантаження. Щоб розши­рити межі регулювання (п„б/п„_м), треба мати м’яку характеристику двигуна, коли критичне ковзання двигуна знаходиться у межах 1—3. Це використо­вується у виконавчих дви­гунах (з масивним та по­рожнинним ротором), які працюють у системах автоматичного керування. У цих двигунах важливо мати велику швидкодію і кратність пускового М_п та максимального М_т моментів.

У двигунах з фазним ротором для регулювання частоти обер­тання змінюють плавно або ступенями активний опір R₂ (R21, R22, R23) реостата, увімкненого в коло обмотки ротора через щітки та кільця (рис. 5.25).

Приймемо, що двигун працює при постійній підведеній напру­

зі, постійній частоті мережі та постійному статичному моменті на валу, тобто Ui = const, f = const і M_c = Mo + M₂ = const (піднімається певний за вагою вантаж за допомогою підйомника, стругальний верстат зрізує стружку певної товщини). Якщо ввести опір у коло ротора, то в найближчий момент часу після його введення частота обертання ротора залишається попередньою внаслідок інерції рото­ра. Тому ЕРС ротора E_2s також не зміниться, а струм у ньому швидко зменшиться зі збільшенням опору, що призведе до зменшення обер­тового момента. У зв’язку з тим, що статичний момент незмінний, двигун почне зменшувати частоту обертання, тобто збільшувати ковзання. Водночас збільшуватиметься ЕРС E_2s і струм І₂. Такий процес зменшення частоти обертання двигуна і збільшення струму І₂ триваватиме доти, поки струм І₂ не досягне попереднього значення як за величиною, так і за фазою, тобто поки обертовий момент знову не дорівнюватиме статичному. Тоді подальше зменшення частоти обертання припиниться, і двигун знову обертатиметься з постійною частотою, але меншою від тієї, яка була до введення опору. Перевага такого способу регулювання частоти обертання в тому, що макси- мааьний момент залишається незмінним, оскільки не змінюється напруга, підведена до двигуна. При цьому втрати частково виво­дяться з ротора у реостат, що дає можливість зменшити габарити машини. Коефіцієнт віддачі двигуна, зокрема втрати у регулю­вальному реостаті, зменшується пропорційно до зменшення його

чистоти обертання, що є основним недоліком такого способу регулювання. Крім того, із зменшенням частоти обертання погіршу­ються умови вентиляції двигуна.

При регулюванні частоти обертання асинхронних виконавчих днигунів застосовується комбінований спосіб регулювання, коли змі­ню» гься підведена до двигуна напруга та активний опір ротора. Для цього на сталевий феромагнітний диск, який механічно з’єднаний з рш ором, накладається трифазна обмотка, сполучена з фазною обмот­кою ротора. Із збільшенням частоти струму в роторі росте активний опір короткозамкненої обмотки на диску. Тому частота обертання імінюється за рахунок напруги і активного опору обмотки ротора.

Напруга на виводах двигуна регулюється шляхом вмикання реакторів насичення, магнітних підсилювачів, автотрансформаторів і тиристорних перетворювачів напруги. Тиристорні перетворювачі пипруги останнім часом є найпоширеніші. Вони вмикаються послі­довно з обмоткою статора і розраховані на проходження всієї потуж­ності двигуна. Тому габарити перетворювача в 1,5-2,5 раза більші під габаритів самого двигуна.

5.21.1. Каскадні схеми регулювання частоти обертання

Принциповим недоліком регулювання частоти обертання «синхронних двигунів зміною ковзання є низький коефіцієнт віддачі, бо втрати в роторі пропорційні до ковзання, якщо в процесі регулювання бере участь тільки одна машина.

Потужність ковзання P_eMs можна використати або частково повернути в мережу, якщо використати додатково інші електричні машини або статичні перетворювачі частоти. Такі схеми регулюван­ня називають каскадними. У каскадних схемах крім асинхронних двигунів використовують машини постійного струму, синхронні маши­ни, колекторні двигуни змінного струму, одноякірні перетворювачі та інші машини. Так, в електромеханічному каскаді можна в обмотку ротора асинхронного двигуна ввімкнути випрямляч і потужність ковзання після перетворення подати на якір двигуна постійного струму, який механічно сполучений з валом асинхронного двигуна і створює додатковий момент на валу. В електричному каскаді можна потужність ковзання асинхронного двигуна після перетворення у випрямлячі подати на двигун постійного струму, на валу якого

знаходиться синхронний генератор. Синхронний генератор віддає електричну енергію в мережу. В останньому каскаді потужність ковзання віддається в мережу.

Можна використати каскад з двох асинхронних двигунів (рис. 5.26), які сполучені механічно на спільному валу, і відвести електричним способом енергію з ротора першого двигуна в ротор другого двигуна.

Провідники, які сполучають ротори двигунів 1 і 2, перехре­щені, щоб обертове магнітне поле двигуна 2 було спрямоване проти обертового магнітного поля двигуна 1, а обертові моменти двигунів підсумовувалися. Синхронна частота обертання такого каскада визначається за формулою:

60f п_к=—-—.

Р1+Р2

Ця частота обертання разом з частотами обертання при роботі двигунів окремо

60f. 60f П[ =------------- 1 п₂ =

Pi Р2

становлять три різні частоти обертання.

При такому каскадному сполученні потужність дорівнює по­тужності двигуна, приєднаного до мережі, а обертовий момент біль­ший, ніж обертовий момент окремих двигунів. Пусковий момент каскаду не нижчий, ніж у окремого двигуна, а пусковий струм змен­шується. Робочі характеристики каскаду значно гірші, ніж в окремо-

і о двигуна: струм неробочого ходу значно зростає, значно зменшується cos (р і коефіцієнт віддачі, сильно падає перевантажувальна здатність.

Недоліком всіх каскадів є додаткові витрати на додаткові мншини і силові випростувачі.

5.21.3. Регулювання частоти обертання зміною кількості пар полюсів двигуна

Зміни кількості пар полюсів можна досягти двома способами: па статорі вкладаються дві окремі обмотки, кожна з яких забезпечує необхідну кількість полюсів, або на статорі вкладається одна обмот­ка, яка допускає перемикання на різну кількість полюсів. Другий спосіб є найпоширенішим, бо він простіший і дешевший. Зазвичай іміна частот обертання обмежується відношенням 2:1. За необхід­ності отримати більшу кількість ступенів частоти обертання на статорі вкладають дві обмотки, кожну з перемиканням полюсів. Асинхронні двигуни з перемиканням кількості полюсів називають багатошвидкісними. На рис. 5.27 подано три схеми обмотки статора і механічні характеристики двигуна при перемиканні котушок на два і чотири полюси. Обмотку ротора двигунів зі зміною кількості полюсів виконують переважно у формі більчачої клітки, бо кількість її полюсів завжди дорівнює кількості полюсів обмотки статора. У двигуні з фазним ротором разом зі зміною кількості полюсів на ста­торі необхідно змінювати і кількість полюсів на роторі відповідним перемикаючим пристроєм.

Припустимо, що обмотка фази статора складається з двох котушок АВ і CD (рис. 5.27), зміщених між собою на кут 180°. Аналіз напряму магнітних потоків довкола котушок показує, що у разі послі­довного сполучення котушок АВ і CD, тобто півобмоток фази, утво­рюються чотири полюси (рис. 5.27, а) або два полюси (рис. 5.27, б), а при паралельному сполученні (рис. 5.27, в) - два полюси.

Із схем, поданих на рис. 5.27, видно, що при переході від меншої частоти обертання до більшої змінюється напрям струму в половині півобмоток фаз статора. Для того, щоб напрям обертання поля при цьому залишився без зміни, необхідно також перемкнути кінці двох фаз обмотки (наприклад, фаз В і С).

При перемиканні котушок з послідовного на паралельне сполу­чення кількість послідовно ввімкнених витків у кожній фазі зменшуєть­ся вдвічі, але частота обертання зростає вдвічі, тому ЕРС, яка наводить­ся у фазі, залишається незмінною. Отже, при обох частотах обертання двигун можна підімкнути до мережі з однаковою напругою.

Із зміною кількості полюсів може змінитися й індукція в проміжку Bg і приблизно пропорційний їй обертовий момент дви­гуна. Індукція в проміжку Bg залежить від величини обертового магнітного потоку Ф, який пропорційний до напруги, що підво­диться до півобмотки фази, і від полюсного кроку т, величина якого для заданої машини залежить від кількості полюсів.

Розглянемо відношення споживаних потужностей Рі і момен­тів М для наведених схем із припущенням, що лінійна напруга Ц,, струм Іф у кожній півобмотці фази статора, коефіцієнти віддачі г| і потужності cos ф залишаються незмінними. Тоді маємо

Р₁₂ _ Узи_лІ _л2 cos ф _ УДЦ_лІф cos ф _ ^

Рц л/зи_лІ_л1созф >/зи_лІф cos ф

м₂ Р22 Рі _ Р₁₂Л п, п,,

^М1 п₂ Р₂₁ п₂ Р_пЛ п₂ ’ ’

Р,3 _ УзЦдІдз cos ер _Узи_л2Іф СОБф Р_п ~ л/зи_л ілї cos ф Ѵзи_лІ_ф COS ф

Мз Р₂₃ n_{t =} Р_1зЛ П, ₂ п, _л

М, п₃ Р₂₁ п₃ РцЛ “п₃ ’

де останні індекси 1, 2 і 3 означають, що величини з цими індексами стосуються схем відповідно а, б і в на рис. 5.27.

Комбінуючи різні способи перемикання полюсів, можна отрима­ти двигун, момент якого при перемиканні полюсів залишається при­близно постійним, а потужність змінюється пропорційно до частоти обертання (перемикання зі схеми а на схему в), або двигун, по­тужність якого залишається приблизно постійною, а момент змі­нюється обернено пропорційно до частоти обертання (перемикання зі схеми а на схему 6).

Крім двигуна зі змінною кількістю полюсів, для ступінчастого регулювання частоти обертання було запропоновано: двигун з двома роторами, причому ротори концентрично розташовані відносно осі
двигуна і можуть обертатися в один і той самий або в різні боки неза­лежно один від одного; спарений двигун, який відрізняється від двигуна з двома роторами тільки тим, що другий двигун розташований не концентрично з першим, а поряд з ним на тому самому валу; каскадний двигун, що має два статори і дві секції ротора, які розміщені на одному валу і зв’язані спільною обмоткою типу більчачої клітки.

Незважаючи на те, що багатошвидкісні двигуни вимагають складної комутаційної апаратури і мають дещо гірші показники (габарити, масу, вартість) порівняно з двигунами нормального вико­нання, вони доволі широко застосовуються в промисловості цля приводу верстатів, ліфтів, вентиляторів і насосів, тобто там, де допустиме ступінчасте регулювання частоти обертання.

5.21.4. Регулювання частоти обертання зміною частоти напруги живлення

Найперспективнішим способом регулювання частоти обертан­ня асинхронних двигунів є частотний.

У найпростіших випадках цей спосіб може знайти застосуван­ня тільки в автономних устаткуваннях, де один генератор живить декілька двигунів, частота обертання яких повинна змінюватися одно­часно (привод гребних гвинтів на пароплавах, валків рольгангів).

При живленні двигунів від синхронного генератора зміни частоти напруги досягають зміною частоти обертання первинного двигуна. Ця зміна зазвичай можлива тільки в порівняно вузьких межах. Але існують спеціальні схеми, які дають змогу регулювати частоту струму живлення без зміни частоти обертання первинного двигуна. У такому випадку зміна частоти напруги, яка підводиться до двигуна, здійснюється перетворювачем частоти ПЧ (рис. 5.28). За частотного регулювання змінюється синхронна частота

обертання, а двигун працює з невеликим ковзанням. Та­ке регулювання економічне, але через перетворювач час­тоти проходить вся потуж­ність, і габарити перетворю­вача частоти перевищують габарити самого двигуна.

при Сі = 1, нехтуванні величиною Ri і врахуванні того, що Х„і + Хд₂ = fi, одержимо

M_m = CUf/f,²,

де С - стала.

Для стійкої роботи двигуна необхідно забезпечити достатню перевантажувальну здатність М_ті/М_ні 2г 1,7-2. Отже, при частотно­му регулюванні треба витримати умову М_ті/М_ні = Мщг/Мнг, де ін­декси 1 і 2 належать до різних частот напруги живлення, тобто до різних частот обертання.

Із останніх двох співвідношень отримуємо основний закон частотного регулювання:

U1₂/Un =(f_I2/f„yM_H2/M_Hl або U,/(f₁₁/M7)= const.

При сталому моменті М_н] = М_н2 = const отримаємо Ui/fi = const,

тобто напругу живлення треба змінювати пропорційно до її частоти.

Якщо ж двигун працює на відцентровий вентилятор або на гребний гвинт, то М = f². Тоді напруга на затискачах повинна змі­нюватися пропорційно до квадрата частоти, тобто U,/f⁷ = const.

Якщо треба підгримувати режим сталої потужності електро­двигуна Р₂ = M₂n = M₂fi = const, то із основного закону частотного регулювання випливає

и.Д/fi ■ const.

Отримані співвідношення є наближеними, бо вони не врахо­вують активного опору обмотки статора. У режимі двигуна макси­мальний момент істотно знижується із зменшенням частоти через зростаючий вплив спаду напруги в активному опорі статора ІДі, що призводить до зменшення ЕРС Еі і магнітного потоку в двигуні. У режимі генератора максимальний момент зростає при пониженні частоти, що пояснюється зворотним впливом спаду напруги I|R]. При цьому магнітний потік у генераторі збільшується. Такі характе­ристики в генераторному режимі небажані, бо при малих частотах різко зростає електромагнітний момент, що може викликати полом­ку вала машини.

Сприятливіші характеристики двигун має при регулюванні за законом постійного магнітного потоку. Із розрахункової формули (п. 5.14) електромагнітний момент асинхронного двигуна за заданої частоти f₂ струму в роторі пропорційний до квадрата магнітного потоку:

М = С_мІ',Ф_т cos у₂ = £ч₂ Ф_т cos у₂ = £*--.Ь£і-ф_п =

N ^Кі ^К2 ^+Xct2s

_ 4,44C_Mw₂K_o62f₂R.2 ф2 kJr!+(27*21^ J²] ^т

Тому для підтримання максимального момента незмінним треба мати сталий магнітний потік, тобто під час регулювання частоти fi треба виконати умову Ei/fj = const. У цьому випадку значення момента визначається тільки частотою f₂ струму в роторі і однакове у режимі двигуна і у гальмівному режимі.

Для дотримання незмінного магнітного потоку напруга живлен­ня U] повинна змінюватися так, щоб виконувалася умова

I (Uj - ijR, - jiiX₀i)|/f, = const.

ЕРС Ei і реактивний опір Х_ст| пропорційні до частоти fj, а активний опір Ri не залежить від частоти, тому напруга Ui повинна зміню­ватися за законом Ui * а'+ Ьїі, де а і b — сталі. Отримати таку за­лежність в електромашинних перетворювачах частоти і синхронних генераторах зі змінною частотою обертання особливо важко, бо в них ЕРС пропорційна до частоти. Гнучкішим є регулювання напруги в статичних перетворювачах частоти, які мають також вищий коефі­цієнт віддачі і меншу масу.

5.21.5. Регулювання частоти обертання введенням додаткової ЕРС у коло ротора

Регулювати частоту напруги живлення можна і в статорі, і в роторі. У двигунах великої потужності вигідніше регулювати часто­ту в роторі, бо при невеликих межах регулювання частоти обертання потужність ковзання значно менша від потужності обмотки статора. Тоді перетворювач частоти має менші габарити. У цьому випадку в мишину надходить потужність з боку статора і ротора. Такі машини тримали назву асинхронних двигунів двобічного живлення, а спо­сіб регулювання частоти обертання називають введенням додаткової ІІРС в коло ротора. Такий спосіб регулювання є проміжним між чистотним способом та способом зміни ковзання.

Останнім часом у зв’язку з появою силових транзисторів у разі паралельного їх сполучення з’явилася можливість створити дешевий малогабаритний перетворювач частоти на потужність у декілька кіловат. Слід мати на увазі, що введення в енергосистему вели­кої кількості транзисторів (нелінійних елементів) призводить до появи нищих гармонік у мережі і спотворення синусоїдальності напруг.

5.22. Спеціальні режими роботи асинхронної машини і спеціальні її типи

5.22.1. Робота асинхронної машини в режимі генератора

Якщо за допомогою первинного двигуна обертати ротор асинхронної машини з частотою, більшою від частоти обертання поля статора (п > Пі), то момент, який розвиває асинхронна машина, стає гальмівним відносно обертового момента первинного двигуна. Відповідно до цього ковзання мйшини стає від’ємним (0 > s > - оо), змінюється напрям обертання поля ротора відносно ротора на проти­лежний, змінюється знак (напрям) ЕРС і активної складової струму в роторі. Тоді асинхронна машина працює генератором, перетворю­ючи механічну енергію, що підводиться до неї від первинного дви­гуна, на електричну, яку вона віддає в мережу (рис. 5.8). Під час роботи асинхронної машини генератором вона продовжує спожи­вати з мережі такий самий намагнічувальний струм, як і під час роботи двигуном.

Позитавні якості асинхронного генератора: простота вмикання генератора в мережу (відсутня необхідність синхронізації); менший струм короткого замикання, ніж у синхронному генераторі; простота обслуговування, яка дає можливість легко автоматизувати станцію з асинхронними генераторами.

Вмикання асинхронного генератора в мережу зводиться до попередньої перевірки збігу напряму обертання первинного двигуна з напрямом обертання поля статора генератора, доведення асинхрон­ного генератора до синхронної або дещо вищої частоти обертання та вмикання його в мережу без попередньої синхронізації. Величина ЕРС в обмотці статора та її частота визначаються напругою і частотою мережі і встановлюються автоматично при вмиканні асинхронного генератора в мережу, бо частота струму, який віддається асинхронним генератором в мережу, не залежить від його частоти обертання.

Основний недолік асинхронного генератора полягає в тому, що він споживає значний намагнічувальний струм, який становить 20-35 % від номінального, і тим самим замітно погіршує cos ер мережі.

Автономний асинхронний генератор може самозбуджуватися від потоку залишкового магнетизму. Для цього приєднують пара­лельно до статора батарею конденсаторів (рис. 5.29). При активному навантаженні реактивна потужність Q_c, яка надходить від конденса­торів, повинна дорівнювати реактивній (намагнічувальній) потуж­ності генератора Qpo, необхідній для створення його магнітного потоку. При змішаному активно-індуктивному навантаженні генера­тора потужність Q_c повинна покривати також реактивну потужність Q_pH навантаження.

При обертанні ротора генератора з частотою, близькою до номінальної, залишковий магнітний потік ротора наводить в обмотці статора залишкову ЕРС Е₃, яка викликає в колі конденсаторів і ма­шини струм Ііс (рис. 5.30). Струм Ij_c підсилює магнітне поле маши­ни, яке наводить ЕРС Еі_с. Далі струми і ЕРС зростають, поки їх значення не встановлюються в точці перетину характеристики неро­бочого ходу генератора (ХНХ) з вольтамперною характеристикою батареї конденсаторів (Х_СІ_С) за струму її і ЕРС Еі.

Для асинхронного генератора справедлива така сама заступна схема (рис. 5.31), як і для асинхронного двигуна. Різниця полягає лише в тому, що у генераторі потужність на валу Р₂ > Рі. Параметри заступної схеми і втрати визначаються так само, як і в режимі двигуна.

При n = const навантаження автономного генератора призво­дить до деякого зменшення його напруги і частоти струму. Асинхронні генератори із самозбудженням не мають промислового значення внаслідок надмірної вартості батареї конденсаторів.

5.22.2. Робота асинхронної машини в гальмівних режимах

Асинхронна машина може працювати у таких гальмівних ре­жимах: рекуперативне гальмування (генераторне гальмування з від­дачею електричної енергії в мережу); гальмування противмиканням; динамічне гальмування (генераторне з гасінням виробленої елек­тричної енергії в колі ротора або реостатне гальмування).

В усіх цих режимах електромагнітний момент, який розвива­ється асинхронною машиною, діє на ротор у напрямі, протилежному до напряму обертання ротора, тобто є гальмівним, і машина працю»' генератором.

Режим рекуперативного гальмування. Перехід з режиму дви­гуна у генераторний при рекуперативному гальмуванні настає авто­матично, коли частота обертання ротора п перевищує частоту обер­тання магнітного поля П]. Це можливо при перехідних режимах ро­боти електроприводу, або при зміні напряму навантажувального (зовнішнього) момента. Типовий приклад - спуск вантажу краном, коли двигун вмикається згідно з напрямом опускання і частота обертання п обмежується величиною, близькою до Пі, а енергія, яка запасається вантажем, віддається у мережу.

Генераторному режиму відповідають ділянки механічних ха­рактеристик, розміщених в області від’ємних моментів. Характер механічної характеристики в генераторному режимі схожий на її характер у режимі двигуна: у міру збільшення ковзання (за модулем) електромагнітний момент спочатку зростає, досягає максимуму при деякому ковзанні, а потім зменшується. В генераторному режимі максимальний момент більший на 30-50 %, ніж у режимі двигуна, бо при заданій напрузі U] ЕРС Е, > Ui. Форму механічної характе­ристики в генераторному режимі можна змінювати шляхом вмикан­ня у коло фазного ротора реостата з різним опором R<, (криві 1, 2 і З на рис. 5.32). Можна також зміщувати механічну характеристику зміною кількості пар полюсів машини (крива 4). Рекуперативне гальмування особливо вигідне з енергетичного погляду, бо кінетична енергія гальмівних мас перетворюється на електричну і віддається у мережу. Недолік цього способу полягає в тому, що живлення двигуна від мережі гальмування можливе тільки за високих частот обертання п > Пі. Але за частотного регулювання (в електро­приводах тягових і вантажопідіймальних механізмів) можна плавно зменшувати частоту обертання Пі до нуля і здійснювати рекупера­тивне гальмування до повної зупинки машини.

Гальмування противмиканням - режим, коли поле статора і ротор обертаються у протилежні боки. Тоді частоту обертання ро­тора треба вважати від’ємною відносно частоти обертання поля статора, а ковзання змінюється в межах від +1 до +оо (рис. 5.8). Перехід у режим гальмування противмиканням може виникнути у
підйомнику при сильному пониженні напруги Ui, підведеної до двигуна. Тоді найбільший обертовий момент двигуна М_т може

виявитися меншим від момента, створеного вантажем, бо М = Uf. У

такому випадку двигун зупиниться, а потім під дією вантажу ротор двигуна почне обертатися проти поля.

наводить в обмотці ротора змінну ЕРС. Щоб створити гальмівний момент, до обмотки ротора підмикають активний опір Rj, в якому гаситься енергія, що виникає в машині за рахунок гальмування привідного механізму. Тоді асинхронна машина переходить у режим автономного синхронного генератора, що працює на реостат.

При динамічному гальмуванні змінювати форму механічної характеристики, тобто регулювати величину гальмівного момента, можна двома способами: зміною струму збудження І₃ в обмотці статора (зі зростанням струму збудження зростає максимальний момент); зміною активного опору у колі фазного ротора (зі збільшенням додаткового опору механічна характеристика зміщується в бік більших частот обертання). Так, на рис. 5.34 крива 1 відповідає деякому струму збудження Із, і додатковому опорові Rai; крива 2 - струму І₃і і опорові R^2 > R<>i; крива 3 - струму І_з2 < І₃і і опорові R_di; крива 4 - струму І_з2 і опорові R_d2 -

під конденсаторів, необхідний для збудження магнітного потоку. Зі зменшенням частоти обертання ротора у результаті виділення тепло­ти в активному опорі обмоток енергія магнітного поля і гальмівний момент зменшуються (крива 5 на рис. 5.34).

З енергетичного аспекта динамічне гальмування менш вигідне, ніж рекуперативне, бо кінетична енергія гальмівних мас гаситься у реостаті. Таке гальмування можливе за низьких частот обертання п < пі, хоч при п = 0 гальмівний момент дорівнює нулю. Воно вико­ристовується для швидкої і точної зупинки різних механізмів.

1.22.1. Режим подвійного живлення

Режим подвійного живлення полягає у тому, що обмотки ста­тора і ротора асинхронної машини з контактними кільцями вмика­ються паралельно або послідовно в одну і ту саму мережу (в за­гальному випадку - в мережі з різними напругами і різними частотами змінного струму). У режимі подвійного живлення асинхронна машина може працювати або при нерухомому роторі (синхронне стояння), або при обертанні ротора з постійною подвійною синхронною частотою в напрямі обертання МРС статора (синхронний режим). Значно більше значення має перший режим роботи машини подвійного живлення.

При нерухомому роторі машина не виконує механічної робо­ти. Тоді в машині подвійного живлення відбувається циркуляція електроенергії в напрямі, який визначається знаком кута (Ѳ) між осями МРС статора і ротора. При повороті ротора проти обертання поля статор відіграє роль двигуна, а ротор - генератора, тобто електроенергія надходить з мережі в статор машини, перетворюється на електромагнітну, передається в ротор, звідки, за вирахуванням втрат, надходить назад у мережу. При повороті ротора в напрямі обертання поля статор і ротор міняються функціями.

Асинхронна машина подвійного живлення поширена в системах синхронного зв’язку, під яким розуміють електричне сполучення двох або декількох машин, з яких одна є давачем, а друга або інші - приймачами. Таке сполучення забезпечує синхронне переміщення давача і приймачів. Найпоширеніші ін­дукційні системи синхронного зв’язку із застосуванням трифаз­них і однофазних машин.

Однофазна індукційна система синхронного зв’язку називається системою “сельсин”. Вона набула значного поширення в різних устат­куваннях з автоматичним керуванням внаслідок цінної властивості до самосинхронізації. Таку систему використовують, зокрема, в пристроях для передавання показів на відстань або для приводу яких-небудь керованих органів - регуляторів, засувок, слідкуючих систем. Машини однофазної системи зазвичай виконуються за типом асинхронних машин з однофазною первинною обмоткою і трифазною вторинною обмоткою. Первинна обмотка може бути розміщена як на статорі, так і на роторі, а вторинна - відповідно на роторі або на статорі. Однофазна первинна обмотка розміщується на явно виражених полюсах для одержання найкращої залежності момента від кута непогодження. За розподіленої однофазної обмотки застосовують додаткову поперечну короткозамкнену обмотку. В деяких випадках доцільно використову­вати так звані безконтактні сельсини, в яких як первинна, так і вторинна обмотки нерухомі, а повертається ротор, який становить магнітопровід спеціальної форми.

Схема індикаторного синхронного зв’язку (рис. 5.35) складається з двох однакових однофазних сельсинів і лінії зв’язку. Обмотки збудження сельсина-давача з кількістю витків ѵѵ_зд і сельсина-приймача з кількістю витків w₃„ під’єднано до однієї мережі, а кінці фаз обмоток роторів сельсинів (обмоток синхронізації) через контактні кільця і лінію

зв’язку сполучені між со­бою. При повертанні ротора сельсина-давача на кут а_д ротор сельсина-приймача намагається повернутися на такий самий кут під дією синхронізуючого момента, прикладеного до обох сель­синів внаслідок взаємодії ви- рівнювальних струмів І_А, Ів і Іс з пульсуючим магнітним полем обмоток збудження сельсинів. Синхронізуючий момент змінюється за сину­

соїдним законом від кута непогодження а_д-а_п. Вирівнювальний струм синхронізації в обмотках виникає при а_п Ф а_д і визначається за чаконом Ома: І_в = AE/(2Z<j,), де ДЕ - різницева ЕРС, a - опір фази сельсина.

5.22.4. Індукційний регулятор напруги

Індукційний регулятор - це загальмована асинхронна машина, яка підімкнена певним чином до мережі (рис. 5.36) і дає змогу змі­нювати у певних межах напругу вторинного кола шляхом повороту ротора. З міркувань практичної зручності первинною обмоткою є об­мотка ротора, який можна повертати за допомогою якого-небудь механічного пристрою, наприклад, черв’ячної передачі, а вторинною - обмотка статора.

При просторовому збігові осей обмоток ротора з відповідними осями обмоток статора напруга на приймачі набуває найбільшого значення

U2h6 ⁼ U] + Е₂,

де U] - напруга мережі, а Е₂ - ЕРС, яка наводиться у вторинній обмотці на статорі. Якщо після цього повернути ротор на кут ±180°, то напруга на навантаженні набуває найменшого значення

и_2нм = Ui — Е₂.

У загальному випадку при повороті ротора на кут ±а напругу U₂ можна плавно регулювати в межах від и_2нб до U_2hm (рис. 5.37), але при цьому неперервно змінюється фаза напруги U₂, що є недоліком такого типу регулятора, який назива» гься одиничним. У ньому геометричним місцем кінців вектора U₂ є коло з радіусом Е₂.

Під час вмикання і роботи одиничний регулятор створює момент на валу, що викликає різкі механічні ривки і може призвес­ти до пошкодження регулятора. Цих недоліків не має здвоєний трифазний регулятор, який складається з двох однакових одинич­них трифазних регуляторів (рис. 5.38), обмотки статорів яких сполучено послідовно між собою так, щоб магнітні поля їхніх статорів обертались у протилежні боки. Для цього необхідно спо­лучити навхрест дві будь-які фази статора та відповідні їм фази ротора в одному із регуляторів.

Ротори здвоєного регулятора з’єднані механічно, а їхні обмотки підімкнені до мережі паралельно. Тоді результативна ЕРС статора Е₂ зберігає свою фазу без зміни.

Індукційні регулятори застосовують для регулювання напруги у фідерах станцій і підстанцій, в електропечах, одноякірних пере­творювачах, в електрометрії для градуювання ватметрів і лічиль­ників електроенергії. Трифазні регулятори для розподільчих мереж 6—12 кВ виконуються на потужності до 2—2,5 тис. кВА з регулюван­ням напруги в межах 10-15 %.

5.22.5. Фазорегулятор

Фазорегулятор - це асинхронна машина із загальмованим ротором (рис. 5.39). Повертаючи ротор відносно статора, можна плавно змінювати фазу ЕРС ротора, не змінюючи ЕРС ротора за величиною. Фазорегулятор часто використовують у лабораторних схемах з вимірними приладами.

5.22.6. Асинхронний однофазний двигун

Передають та розподіляють електричну енергію переважно трифазною мережею з трифазною системою напруг і струмів. Однак у побутових мережах та на транспорті застосовують однофазні систе­ми з однофазними двигунами. Промисловість України випускає кілька мільйонів побутових однофазних асинхронних двигунів на рік. Вони використовуються в основному в холодильниках, вентиля­торах, кондиціонерах та насосах.

Однофазний асинхронний двигун можна отримати із трифазного, якщо одну із фаз останнього (С) вимкнути з мережі, а дві інші фази (А і В) сполучити послідовно або паралельно між собою. Тому потуж­ність однофазного двигуна за заданих розмірів машини завжди менша від потужності трифазного двигуна і становить від неї приблизно 70 %. Друга характерна особливість однофазного двигуна полягає в тому, що однофазний струм, який проходить по статору двигуна, створює не обертову, а пульсуючу МРС, тобто пульсуюче магнітне поле.

Для аналізу роботи однофазного двигуна розкладають пульсу­ючу МРС на дві однакові за величиною МРС, які обертаються у протилежні боки з однаковими частотами. Кожна з цих МРС ство­рює відповідне поле. Одне з них обертається відносно нерухомого ротора з частотою Пі в один бік, а друге з такою самою частотою - у протилежний бік. Тому моменти, які створюються кожним магнітним полем, однакові, але спрямовані у протилежні боки, а результатив­ний пусковий момент однофазного асинхронного двигуна дорівнює ну­лю (рис. 5.40). Якщо розкрутити ротор такого двигуна в якому-небудь напрямі, то пряма обертова МРС створює режим двигуна, а зворотна обертова МРС - режим електромагнітного гальма.

Крива результативного момента (рис. 5.40) показує, що напрям обертання однофазного асинхронного двигуна визначається напрямом, в якому розкручений ротор.

Всі характеристики однофазного двигуна - пускові, робочі і регулювальні - гірші, ніж у трифазного двигуна. Намагнічувальний струм такого двигуна відносно більший, a cos ф, коефіцієнт віддачі і перевантажувальна здатність менші, ніж у трифазного. Для аналізу роботи однофазних двигунів використовується теорія несиметрич­них режимів трифазних двигунів. Заступна схема однофазного дви-

руна складається з двох послідовно сполучених дільниць для прямої та зворотної послідовностей (рис. 5.41). На засгупній схемі І_м1 і І_м2 - иамагнічувальні струми, а І₂₁ і І₂₂ - зведені струми у роторі відповідно прямої та зворотної послідовностей.

Рис. 5.41. Заступна схема однофазного двигуна

у

5.22.7. Однофазний двигун з конденсаторним пуском і однофазний конденсаторний двигун

У зв’язку з тим, що однофазний двигун не має пускового момента, то для його пуску необхідні особливі пристрої. У мало­потужних двигунах зазвичай застосовують механічні пристрої (пру­жини) або просто розкручують двигун рукою. Потужніші двигуни пускають за допомогою додаткової пускової обмотки, яка вкладена на статорі зазвичай під кутом 90° до основної (робочої) обмотки. Якщо до таких двох обмоток підвести струми, зміщені один відносно одного за фазою, то в машині виникає обертове магнітне поле. Зсуву струмів за фазою можна досягти шляхом вмикання у коло робочої або пускової обмоток активних, індуктивних або ємнісних опорів.

Тепер поширення набув двигун з конденсаторним пуском, в якому на час пуску вмикається конденсатор послідовно з додатковою обмоткою (рис. 5.42).

При відповідному підборі параметрів робочого та пускового кіл такий двигун має порівняно сприятливі пускові характеристики (крива 2 на рис. 5.44). Після досягнення двигуном певної частоти обер­тання (зазвичай близько 80 % від номінальної) пускове коло розмика­ється, і двигун переходить на криву 1, яка відповідає роботі звичай­ного однофазного двигуна.

Якщо додаткова обмотка і конденсатор розраховані так, що вони можуть залишатися увімкненими і після закінчення пуску, то однофаз­ний двигун називається конденсаторним (рис. 5.43). Однак для пуску і для роботи потрібні різні ємності. Тому можна виконати однофазний двигун з подвійним конденсатором - С„ для пуску і С_р для роботи.

Однофазні конденсаторні двигуни є найпоширенішими. У кон­денсаторному двигуні на статорі є дві обмотки з кількістю витків Wi і w₂, які зміщені одна відносно однієї на електричний кут 90°. Фазозсувним елементом є конденсатор, який забезпечує часовий зсув за

зменшується зі збільшенням коефіцієнта трансформації (п > 1). При належному розрахунку конденсаторних двигунів середньої і великої потужності реактивну потужність конденсаторної батареї вибирають не більшою за 85-90 % від повної (уявної) потужності, підведеної до устаткування. При п = 1 потужність конденсатора дорівнює повній по­тужності устаткування, яка є суто активною, тобто Q_c = S = Р = 2U²/Х_с. В останньому випадку на затискачах обмоток cos ер = 0,707 (ф = 45°), тоді як cos ф на затискачах усього устаткування дорівнює одиниці. При підборі оптимальних параметрів номінальний cos ф знаходиться у межах 0,94—0,99 і є дещо випереджуючим. Нормальні трифазні асинхронні двигуни при номінальному навантаженні зазвичай мають на затискачах своїх обмоток значно вищий cos ф, тобто вони краще використані.

Ємність, необхідна для отримання колового поля при,номіналь­ному режимі роботи, досить велиіса і займає об’єм, близький до об’єму самого двигуна, що є недоліком конденсаторних двигунів. Пусковий конденсатор працює у короткочасному режимі і його габарити невеликі.

Конденсаторний двигун має покращені пускові характеристики (крива 2 на рис. 5.44) і покращені робочі характеристики (більшу пере­вантажувальну здатність і совф), бо після пуску він переходить на криву З (рис. 5.44). Такі двигуни випускаються великими серіями як з пуско­вою, так і з робочою ємністю, на потужності від 18 до 600 Вт.

5.22.8. Пуск за допомогою короткозамкненої екрануючої обмотки на статорі

В однофазних двигунах малої потужності (рис. 5.46) статор інколи виконується у формі станини з явновираженими полюса­ми. Полюси розрізні, на одній частині яких розміщена коротко- замкнена екрануюча обмотка або просто провідне кільце. За законом Ленца струм, який виникає в кільці, протидіє виникнен­ню потоку в цій частині полюса. Отже, потоки в одних частинах полюсів будуть зміщені як у просторі, так і в часі відносно потоків в інших частинах (половинах) тих самих полюсів. Внаслідок цього створюється обертове магнітне поле, яке приво­дить у рух ротор двигуна.

Ротор такого двигуна може бути виконаний із загартованої сгалі, яка характеризується широкою петлею гістерезису. У такому випадку на валу двигуна виникає гістерезисний момент, який при­водить ротор двигуна в обертання з частотою, яка точно відповідає частоті мережі живлення. Такі двигуни називаються гістерезисними. Вони значно поширені у пристроях, де потрібно здійснювати синхрон­ний хід при невеликих моментах на валу (у годинникових меха­нізмах, у пишучих приладах).

5.23. Питання для самоконтролю до розділу 5

1. Назвіть основні типи асинхронних машин.

2. Укажіть позитивні якості і недоліки асинхронних двигунів.

3. Сформулюйте принцип роботи трифазного асинхронного двигуна.

4. Сформулюйте принцип роботи трифазного асинхронного генератора.

5. Які є режими роботи асинхронної машини?

6. Конструкція статора асинхронної машини.

7. Конструкція ротора асинхронної машини.

8. Висвітліть явища в асинхронному двигуні при обертанні ротора.

9. Напишіть і поясніть рівняння асинхронного двигуна.

10. Які умови зведення ротора асинхронної машини до її статора?

11. Напишіть і поясніть рівняння зведеного асинхронного двигуна.

12. Накресліть заступну Т-подібну схему асинхронного дви­гуна.

13. Накресліть заступну Г-подібну схему асинхронного дви­гуна.

14. Накресліть векторну діаграму асинхронного двигуна.

15. Які умови і призначення досліду неробочого ходу асинхрон­ного двигуна?

16. Які умови і призначення досліду короткого замикання асинхронного двигуна?

17. Накресліть і поясніть енергетичну діаграму асинхронного двигуна.

18. Визначте електромагнітний момент асинхронного двигуна (загальний вираз).

19. Напишіть і поясніть розрахункову формулу електромаг­нітного момента асинхронного двигуна.

20. Напишіть і поясніть практичну формулу електромагніт­ного момента асинхронного двигуна (формула Кпоса).

21. Означте, зобразіть і поясніть вигляд робочих і механічної характеристик асинхронного двигуна.

22. Означте втрати (особливо додаткові) і коефіцієнт віддачі в асинхронному двигуні.

23. Означте коефіцієнт перевантажувальної здатності асинхрон­ного двигуна.

24. Охарактеризуйте різні способи пуску в хід асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором: прямий пуск (вмикання), шляхом перемикання з зірки на трикутник, за допомогою реактора, за допомогою автотрансформатора.

25. Охарактеризуйте пуск в хід асинхронного двигуна з фаз­ним ротором (контактними кільцями).

26. Означте і охарактеризуйте особливості двокліткового асинхронного двигуна.

27. Означте і охарактеризуйте особливості глибокопазного асинхронного двигуна.

1. Охарактеризуйте можливі способи регулювання частоти обертання асинхронних двигунів: зміною напруги живлен­ня, введенням додаткового опору в коло фазного ротора, каскадні схеми (з двох асинхронних двигунів), зміною кількості пар полюсів, за допомогою перетворювача час­тоти (частотний спосіб), введенням додаткової ЕРС в коло фазного ротора.

2. Охарактеризуйте роботу асинхронної машини в режимі генератора.

3. Охарактеризуйте електричні способи гальмування асинхрон­них двигунів: рекуперативне, динамічне, гальмування проти­вмиканням.

4. Охарактеризуйте особливості спеціальних асинхронних машин: одиничний і здвоєний індукційні регулятори, фазо­регулятор.

5. Охарактеризуйте особливості однофазних асинхронних двигунів: звичайного, з конденсаторним пуском і конден­саторного.