книги / Электрооборудование нефтяной промышленности
..pdfвверх, т. е. магнитный поток можно только уменьшить. Одно временно с ослаблением магнитного потока, как это следует из формулы (3.9), необходимо уменьшать момент сопротивле ния. При этом ток якоря и, следовательно, нагрев двигателя не изменятся.
Регулирование частоты вращения изменением подводимогонапряжения осуществляется с помощью источника управляемо го напряжения. При уменьшении напряжения [см. формулу (3.12)] пропорционально уменьшается частота вращения иде ального холостого хода, при этом жесткость механической ха рактеристики не изменяется (рис. 3.12,г).
Напряжение, подаваемое на якорь двигателя, можно изме
нять |
индивидуальным генератором |
(система генератор— двига |
|
тель) |
или тиристорным |
преобразователем. Постепенно система |
|
генератор — двигатель |
вытесняется |
системой с тиристорным |
преобразователем. При таком способе регулирования частоты
вращения диапазон |
регулирования |
D = 2 0 : l , |
а при |
использова |
|
нии ослабления магнитного |
поля |
двигателя |
D = 40:1. К недо |
||
статкам этих схем |
следует |
отнести громоздкость, |
сложность |
обслуживания и низкую надежность.
При регулировании частоты вращения изменением сопротив ления в цепи якоря или подводимого к якорю напряжения при неизменном значении магнитного потока значение допустимого тока (момента) не изменяется, поэтому указанные способы обеспечивают регулирование частоты вращения в режиме по
стоянного момента. |
ч а с т о т ы |
в р а щ е н и я |
а с и н |
Р е г у л и р о в а н и е |
х р о н н ы х д в и г а т е л е й . Из формул (3.14) и (3.16) следу ет, что частоту вращения асинхронного двигателя можно регу лировать двумя способами:
1) регулированием частоты вращения магнитного поля пи
достигаемым изменением либо частоты |
тока fi, либо числа пар |
полюсов р двигателя; |
|
2) изменением скольжения двигателя s при п\ = const. |
|
В первом случае к. п. д. двигателя остается высоким, а во |
|
втором — снижается тем больше, чем |
больше скольжение, так |
как мощность скольжения Mrtis/9550 теряется в цепи ротора двигателя.
Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей по первому способу требует источника с частотным регулирова нием напряжения питания (рис. 3.13, а).
Частоту напряжения, подаваемого на статор, можно регули ровать с помощью электромашинных или тиристорных преобра зователей частоты. С развитием полупроводниковой техники последние более перспективны и получают все большее рас пространение. Одновременно с изменением частоты напряже-
90
а
Рис. 3.13. Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя измене нием частоты питающего напряжения
ния необходимо изменять также его уровень по закону Up/fp=
= const. Это следует из формулы |
|
|
£/р « £ = 4,44<Dwifp/e06i, |
(3.27) |
|
где Е — э. д. с., индуктируемая в фазе обмотки статора; |
w1— |
|
число витков фазы обмотки статора; &06i — коэффициент, |
учи |
|
тывающий конструкцию ибмотки. |
|
|
С уменьшением fp при Up= const увеличивается |
магнитный |
поток Ф и ток холостого хода /0, требуемый для создания маг нитного потока. При этом вследствие насыщения магнитной системы небольшое увеличение магнитного потока может при
вести к значительному |
увеличению тока (рис. 3.13, б) и нагре |
||
ву двигателя. |
|
|
по закону Up/fp = const используется |
Изменение напряжения |
|||
при постоянном |
моменте |
сопротивления на валу двигателя. |
|
Отступление |
от правила Up/fp= const целесообразно только |
||
в тех случаях, |
когда |
момент сопротивления быстро уменьша |
ется с уменьшением частоты вращения (например, приводы насосов и вентиляторов). При этом более быстрое уменьшение уровня напряжения по сравнению с частотой тока улучшает энергетические показатели двигателя. В то же время уменьше
ние максималнього момента за счет уменьшения |
магнитного |
|||
потока, с точки зрения перегрузочной способности, неопасно. |
||||
К преимуществам частотного регулирования относятся боль |
||||
шой |
диапазон регулирования частоты |
вращения |
двигателя |
|
D = |
(Ю-т-12), плавность |
и стабильность |
регулирования, к недо |
|
статкам — относительная |
громоздкость |
и высокая |
стоимость |
|
преобразовательной установки. |
|
|
91
Механические характеристики асинхронного двигателя при
частотном регулировании |
скорости показаны на |
рис. |
3.13, в. |
Регулирование частоты |
вращения изменением |
числа |
пар по |
люсов используется только для короткозамкнутых двигателей, так как при этом достаточно изменить число пар полюсов толь ко обмотки статора. С увеличением числа пар полюсов частота вращающегося магнитного поля статора уменьшается [см. фор мулу (3.14)].
Выпускаются двигатели с двумя обмотками на статоре, изо лированными друг от друга, причем одна из них без переключе ния, а другая с переключением полюсов. В этом случае полу чаются трехскоростные двигатели. Если обе обмотки имеют переключение полюсов, то двигатели получаются четырехско
ростными. |
пар полюсов — экономичный способ регу |
Изменение числа |
|
лирования частоты |
вращения. Его недостаток — ступенчатый |
характер изменения частоты вращения и ограниченный диапа зон регулирования. Массо-габаритные и энергетические показа тели многоскоростных двигателей хуже, чем у асинхронных двигателей нормального исполнения той же мощности.
Частоту вращения двигателей с фазным ротором можно ре гулировать изменением сопротивления в цепи ротора. При уве личении сопротивления повышается критическое скольжение, т. е. снижается критическая частота вращения, а максимальный момент при этом не изменяется, что дает возможность умень шать частоту вращения ротора. Регулирование частоты враще ния таким способом неэкономично, потери энергии в цепи рото ра пропорциональны скольжению. Плавность регулирования за висит от числа ступеней реостата, что усложняет цепь управ ления, увеличивает ее стоимость, снижает надежность. Стабиль ность частоты вращения при увеличении нагрузки уменьшается, диапазон регулирования невелик. Регулирование частоты вращения возможно только вниз от основной.
Глубокое регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем увеличения его скольжения связано с выделе нием в цепи ротора значительной электрической мощности скольжения, которая теряется на нагрев двигателя и резисторов. Можно использовать мощность скольжения, если к контактным кольцам ротора через выпрямитель присоединить двигатель постоянного тока, сочлененный с валом асинхронного двигателя. В этом случае при регулировании частоты вращения мощность скольжения будет возвращаться на общий вал. Частота враще ния регулируется изменением тока возбуждения двигателя по стоянного тока. Такие схемы называют каскадными. В связи с развитием полупроводниковой техники перспективно применение в каскадных схемах полупроводниковых вентилей вместо машин постоянного тока, при этом мощность скольжения возвращается
92
(рекуперирует) в электрическую сеть. Каскадные схемы нашли' применение в регулируемом асинхронном электроприводе буро вых насосов.
Р е г у л и р о в а н и е ч а с т о т ы в р а щ е н и я с и н х р о н н ы х д в и г а т е л е й . Как следует из формулы (3.23), частота вращения синхронного двигателя регулируется изменением ча стоты питающего напряжения. Как и для асинхронного двига теля, при регулировании необходимо также одновременно с частотой изменять уровень напряжения.
Успехи в области полупроводниковой техники привели к соз данию мощных статических преобразователей частоты.
Синхронный двигатель, получающий питание от преобразо вателя частоты со звеном постоянного тока, управляемого в функции угла поворота ротора, называется вентильным. Меха нические характеристики вентильного двигателя аналогичны механическим характеристикам двигателя постоянного тока, управляемого изменением напряжения на якоре. Например, диа пазон регулирования частоты вращения вентильного двигателя, разработанного для привода бурового насоса, достигает 20.
3.6. Торможение электродвигателей
Для быстрой остановки двигателя его переводят в режим, при котором электромагнитный момент становится тормозящим. Различают три вида торможения: динамическое, рекуперативное и противовключение.
Т о р м о ж е н и е д в и г а т е л е й п о с т о я н н о г о т о к а
н е з а в и с и м о г о и п а р а л л е л ь н о г о |
в о з б у ж д е н и я . |
Для динамического торможения двигателей |
постоянного тока |
вращающийся якорь отключают от сети и замыкают на реостат, а цепь возбуждения остается включенной в сеть (рис. 3.14, а). Получается генератор независимого возбуждения. Под воздей ствием э. д. с. ток якоря изменяет направление, и генераторный электромагнитный момент тормозит вращение якоря до останов ки. Вместе со снижением скорости умнынаются э. д. с., ток и
момент. |
тормозного момента |
получим из |
фоомул |
Выражение для |
|||
(3.9), (3.10), (3.11) при U= 0 |
|
|
|
М = |
(ССеФ2п)/{Яа + R2) = kn, |
(3.28) |
|
где k = (ССеФ2) / (Ra+ R 2 ) — коэффициент |
пропорциональности. |
Механическая характеристика двигателя в режиме динами
ческого торможения соответствует прямой 2, |
проходящей через |
||
нуль |
(рис. 3.14, б), во втором квадранте. Ее |
наклон |
определя |
ется |
сопротивлением реостата R2, а также |
током |
возбуж |
дения / в.
93-
■ Рис. 3.14. Схема динамического торможения двигателя постоянного тока неза висимого возбуждения (а) и механические характеристики (б)
Динамическое торможение отличается простотой, плавностью и надежностью. Его применяют в электроприводе буровой ле бедки при опускании колонны бурильных труб.
Рекуперативное торможение (с возвратом энергии в сеть) возникает, когда э. д. с. якоря превысит напряжение сети. При
этом в соответствии с формулами (3.11), (3.9) ток якоря |
и мо |
мент изменяют направление на обратное. Из выражения |
(3.10) |
следует, что э. д. с. превысит напряжение в том случае, |
если |
частота вращения якоря п превысит частоту «идеального холос
того хода» По. Механическая характеристика двигателя |
в |
||
режиме рекуперативного |
торможения соответствует |
прямой |
1 |
на рис. 3.19, б во втором |
квадранте. Рекуперативное |
торможе |
ние применяется в электроприводе регулятора подачи долота. Торможение двигателя противовключением получается в том случае, если обмотки включены для одного направления вра щения, а якорь под воздействием внешнего момента или по инерции вращается в другом направлении вследствие измене ния направления тока во вращающемся якоре или в обмотке возбуждения. При этом изменяет знак момент, становясь тор
мозящим.
При торможении |
противовключением |
ток |
якоря создается |
напряжением сети |
и э. д. с. якоря |
/ а= |
(U +E )/(R A+R 2). |
Энергия, отбираемая из сети, и энергия вращающегося якоря преобразуется в теплоту, нагревающую элементы цепи якоря. Поэтому для ограничения тока обязательно включение реостата с большим добавочным сопротивлением R2.
'94
Механическая характеристика двигателя в режиме противовключения показана на рис. 3.14,6, прямая 3.
Рассмотрим процесс торможения двигателя противовключением.
Пусть двигатель вращается вхолостую с частотой По на есте ственной механической характеристике 1. Переключение поляр ности напряжения на зажимах якоря с одновременным введе нием добавочного сопротивления R2 приводит к переходу в режим, соответствующий точке а, так как частота вращения неможет измениться мгновенно. Теперь на якорь действует тор мозящий момент, частота вращения быстро падает до нуля. Если двигатель не отключить в момент, которому соответствует точка Ь, он начнет разгон в обратном направлении. Торможение противовключением обычно применяют для реверсивных при водов.
Т о р м о ж е н и е а с и н х р о н н ы х д в и г а т е л е й . Для динамического торможения асинхронного двигателя его статор отключают от сети переменного тока и присоединяют к источ нику постоянного тока (рис. 3.15, а). При этом у двигателя с контактными кольцами в цепь ротора включают реостат. С по мощью полупроводникового выпрямителя получают постоянный ток. Он создает в обмотке статора неподвижное магнитное поле, в котором вращается ротор. В обмотке ротора наводится э. д. с., создающая переменный ток. В результате взаимодействия маг нитного поля с током ротора возникает тормозящий момент.
Механические характеристики режима динамического тор можения приведены на рис. 3.15,6 (кривые 2, 3 при различных значениях тока /о).
Рекуперативное торможение асинхронного двигателя проис
ходит, когда ротор вращается |
быстрее поля статора и машина |
а |
6 |
Рис. 3.15. Схема динамического торможения асинхрон ного двигателя (а) и механические характеристики (б)
95-
переходит в режим генератора. Такой режим возникает при опускании груза под воздействием его активного момента или при переключении обмотки статора на большее число пар по люсов. Механическая характеристика этого режима соответст вует кривой 1 во втором квадранте (см. рис. 3.15, б).
Торможение противовключением в асинхронных двигателях достигается изменением чередования фаз статора. При этом вращающееся магнитное поле изменяет направление на обрат ное и на вращающийся по инерции ротор воздействует тормозя щий момент (рис. 3.15, б, кривая 4). Если после остановки ротора двигатель не отключить от сети, то начинается пуск в обратную сторону. Этот способ торможения, как и у двигателей постоянного тока, связан с большими потерями энергии в цепи ротора.
3.7. Определение времени пуска и торможения электропривода
Для построения нагрузочных диаграмм электропривода нужно определить время пуска и торможения. Их можно опре делить, интегрируя уравнение движения электропривода (3.3):
dt = (/бсо) / (М — Мс) . |
|
||
С учетом соотношения |
со = /г/9,55 получаем |
|
|
dt = |
(Jdn)/(9,55{M — Me)); |
(3.29) |
|
t — J — ? |
dn |
(3.30) |
|
~ |
9,55 |
M — M c |
|
Однако аналитический расчет по формуле (3.30) связан с рядом трудностей, обусловленных тем, что момент сил сопро тивления Мс и момент двигателя в большинстве случаев явля ются сложными функциями частоты вращения, поэтому на практике широко пользуются приближенными графоаналитичес кими методами расчета. Рассмотрим один из них.
В уравнении (3.29) бесконечно малые приращения dt, dn заменяют малыми конечными приращениями At, Ап, а разность
моментов М—Мс — средним значением АМср в |
пределах |
Ап. Тогда |
|
Ati = (M «t)/(9,55MCP1). |
(3.31) |
Исходными данными для расчета служат механическая ха рактеристика двигателя и график момента сил сопротивления (рис. 3.16, а), по которым определяют график динамического
момента АМ = М—Мс как |
функцию частоты вращения |
(рис. |
|||
3.16,6). График AM =f(n) |
разбивают |
на |
участки |
Апи опреде |
|
ляют среднее значение АМсРг, а затем |
по |
формуле |
(3.31) |
опре- |
-96
деляют время пуска на каждом из участков. Время пуска (тор можения) электропривода равно сумме времени на каждом из участков
/„ = Я ДU. |
(3.32) |
Значения Ал* можно выбрать одинаковыми или |
разными |
в зависимости от характера изменения момента. Точность конеч ных результатов тем больше, чем больше число интервалов
Ап{.
3.8. Общие сведения о выборе электродвигателя
Правильный выбор типа двигателя и особенно его номиналь ной мощности имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку он определяет первоначальные затраты (капиталь ные вложения) и стоимость эксплуатационных расходов элект ропривода.
Отечественная электротехническая промышленность выпус кает электродвигатели различных диапазонов мощностей, частот вращения, конструктивного исполнения. Сведения о них имеют ся в специальных каталогах ИНФОРМЭЛЕКТРО, где приво дятся номинальные данные о механической мощности двигателя, частоте вращения, напряжении, токе, к. п. д., а также о кратно сти (по отношению к номинальному) пускового тока, пускового и максимального моментов асинхронных двигателей. Кроме того, приводятся сведения о массо-габаритных и установочных размерах электродвигателя, его конструктивном исполнении.
При выборе электродвигателя определяют род тока, номи нальные напряжение, частоту вращения, конструктивное испол нение и номинальную мощность. В производственных условиях не всегда приходится решать весь комплекс этих вопросов. Часто бывают заданными род тока, напряжение, частота враще ния. Основное значение при этом имеет правильное определе ние мощности и конструктивного типа двигателя.
7—234 |
97 |
Т а б л и ц а 3.1 Примерные рекомендации по выбору электродвигателей
Тип двигателя |
Назначение |
Асинхронный:
короткозамкнутый нормального ис полнения
сглубокопазным короткозамкну тым ротором или двойной клеткой
сфазным ротором
Синхронный
Постоянного тока
Для нерегулируемого электропривода, не требующего больших пусковых моментов при Я ^Ю О кВт То же, если требуются большие пус ковые моменты
Частые пуски при больших пусковых моментах и небольших токах, крат ковременное регулирование скорости Для нерегулируемого привода в дли тельном режиме, регулирование costp (при Д >100 кВт)
Частые пуски и реверсы, регулирова ние частоты вращения в широком диапазоне
Прежде чем выбрать электродвигатель, необходимо четко знать рабочую машину, для которой его выбирают: будет ли двигатель с машиной работать длительно или кратковременно, с постоянной или регулируемой частотой вращения, как изме няется момент сопротивления и мощность при работе. Ответы на эти вопросы может дать построение нагрузочных диаграмм.
В ы б о р р о д а т о к а и н а п р я ж е н и я д в и г а т е л я . В основу этого выбора положены экономические соображения. Электродвигатели имеют высокую стоимость, так как являются сложными изделиями, в которых используются цветные металлы и другие ценные электротехнические материалы, рассчитанные на длительный срок службы (20 лет). Поэтому выбор начинают с «примерки» самых простых и дешевых двигателей — трехфаз ных асинхронных с короткозамкнутым ротором и до самых сложных и дорогих — двигателей постоянного тока (табл. 3.1).
Обычно выбор рода тока электродвигателя определяет и вы бор его номинального напряжения, которое стремятся брать равным напряжению источника электропитания технологическо го объекта. Понижение напряжения для двигателей с помощью трансформатора, применение выпрямителей для двигателей постоянного тока приводит к увеличению затрат на электрообо рудование.
В ы б о р н о м и н а л ь н о й ч а с т о т ы в р а щ е н и я д в и г а т е л я . Чем выше номинальная частота вращения двигателя, тем меньше его габариты, масса и стоимость. Рабочие машины, напротив, часто требуют пониженной частоты вращения. Для согласования частот вращения двигателя и исполнительного
98
Рис. 3.17. Нагрузочные диаграммы и график изменения частоты вращения электродвигателя:
а — нагрузочная диаграмма |
буровой лебедки при подъеме инструмента на длину одной |
||
свечи (ступенчатый |
график |
обусловлен |
многослойной навивкой каната на барабан): б — |
график изменения |
частоты |
вращения; |
а — нагрузочная диаграмма электродвигателя |
органа рабочей машины ставят редуктор, что удорожает элект ропривод. Вопрос о рациональном соотношении двигатель — редуктор решается конструктором при проектировании произ водственного механизма.
В ы б о р к о н с т р у к т и в н о г о и с п о л н е н и я д в и г а т е л я . Конструктивное исполнение электродвигателей учиты вает три фактора: способ монтажа, защиту от воздействия окру жающей среды и обеспечение охлаждения. Конструктивное ис
полнение двигателей рассматривается |
в 3.9. |
В ы б о р м о щ н о с т и д в и г а т е |
л я . Завершающим эта |
пом является определение номинальной мощности двигателя и выбор по ней в каталоге подходящего двигателя. Однако номи нальная мощность двигателя достаточно просто определяется при длительной работе с постоянной нагрузкой. В большинстве случаев момент, мощность и ток двигателя изменяются во вре мени. Для выбора двигателя необходимо иметь нагрузочную диаграмму, т. е. зависимость момента или мощности на валу механизма от времени (рис. 3.17, а) и график изменения частоты вращения во времени (рис. 3.17, б), по которому вычисляется ускорение (замедление) и динамический момент электроприво да. Суммарный момент, развиваемый двигателем, определяется по формуле (3.3). Однако непосредственным решением уравне ния (3.3) выбрать сразу двигатель невозможно, так как в это уравнение входит момент инерции электропривода, зависящий от параметров двигателя. Поэтому сначала предварительно выбирают мощность двигателя на основании нагрузочной диа граммы рабочей машины без учета динамического момента по каталогу таким образом, чтобы она была на 15—20% больше средней мощности, а затем строят нагрузочную диаграмму электропривода (рис. 3.17,в), т. е. зависимость от времени мо мента, развиваемого двигателем, с учетом динамического момента. Предварительно выбранный двигатель проверяют по
нагреву, допустимым кратковременным перегрузкам и возмож ности пуска.
7 * |
99 |