Роль машин переменного тока в генерировании и потреблении электрической энергии. Принцип работы и устройство машин переменного тока.

Машины переменного тока делятся на синхр. и асинхр. коллекторные машины переменного тока. Асинхронные машины наибольшее распространение получили как двига­тели. Это основной двигатель, приме­няемый в промышленности, сельском хозяйстве и в быту. Электротехническая промышлен­ность выпускает асинхронные двигате­ли в большом диапазоне мощностей. В генераторном режиме асинхрон­ные машины применяются редко. Для создания поля в зазоре асинхронной машины необходима реактивная мощ­ность, которая забирается из сети или от других источников реактивной мощ­ности. Асинхронные двигатели не мо­гут работать с cosф= l. Это сущест­венный недостаток асинхронных ма­шин, ограничивающий их применение в генераторном режиме. Наиболее распространенным режи­мом работы синхронных машин явля­ется генераторный режим. Синхронные генераторы — самые мощные электрические машины, соз­данные человеком. На тепловых и атомных электростанциях эксплуати­руются турбогенераторы мощностью 1200 МВт'на 3000 об/мин и 1600 МВт на 1500 об/мин. В режиме двигателя синхронные машины используются в качестве при­водных двигателей мощных насосов, вентиляторов, воздуходувок. Синхронные микродвигатели широ­ко применяются в различных электро­приводах. Одним из основных достоинств синхронных машин является то, что они могут быть источниками реактив­ной мощности. Если асинхронные ма­шины для создания поля потребляют из сети реактивную мощность, то син­хронные машины в зависимости от степени возбуждения выдают в сеть или потребляют из сети реактивную мощность. Синхронные машины, работающие в режиме генераторов или потребите­лей реактивной мощности, называются синхронными компенсаторами.

Принцип работы и устройство асинхронных машин. Устройство. Неподвижная часть машины называется статором, а подвижная часть – ротором. Сердечники статора и ротора асинхронных машин набираются из листов электротехнической стали, которые покрываются изоляционным лаком. Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора – на валу или на ободе с крестовиной и втулкой, одетой на вал. На внутренней поверхности статора и на внешней поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток статора и ротора. Воздушный зазор между статором и ротором в асинхронных машинах минимально возможным по условиям производства и надежности работы и тем больше, чем крупнее машины. По конструкции асинхронные двигатели различаются на двигатели: с фазным ротором и с короткозамкнутым ротором. В двигателях с фазным ротором обмотки статора и ротора обычно выполняются трехфазными, концы фаз обмотки ротора соединяются обычно в звезду, а начала с помощью контактных колец и щеток выводятся наружу. К контактным кольцам присоединяется пусковой или регулировочный реостат. В двигателях с короткозамкнутым ротором пазы ротора заливаются алюминием, а концы соединяются короткозамкнутыми кольцами. Принцип действия. Трехфазная обмотка статора создает вращающее магнитное поле, которое пересекает обмотку ротора и индуктирует в ней по закону электромагнитной индукции ЭДС. Обмотки ротора замкнуты, по ним будет протекать ток и если он чисто активен, то он будет сонаправлен с ЭДС. На проводник с током, находящимся в магнитном поле, будет действовать сила, направление которой можно определить по правилу левой руки, и возникнет вращающий электромагнитный момент. Рисунок

27 Электропривод постоянного тока по схеме «тиристорный преобразователь – двигатель» (ТП-Д)

В системе ТП – Д двигатель постоянного тока независимого возбуждения питается от тиристороного преобразователя. Принципиальная схема системы изображена на рис.

Среднее значение выпрямленного напряжения ТП.

, где

U2 – действующее значение фазного напряжение вторичной обмотки питающего трансформатора (или сети в бестрансформаторных схемах).

M – число пульсаций выпрямленного напряжения;

A - угол задержки открывания тиристоров;

Ud0 – максимальное значение среднего выпрямленного напряжения при a=0.

Кривые выпрямленного напряжения с учетом явления коммутации вентилей, характеризуемой углам g, изображены на рис

Зависимость ЭДС ТП от напряжения управления Uу при линейной характеристике СИФУ представлена на следующем рисунке. При ее замене линеаризованной ТП как динамическое звено системы электропривода в режиме непрерывного тока описывается уравнением , где - коэффициент усиления ТП по напряжению; - малая постоянная времени ТП, учитывающая дискретность, запаздывание и наличие фильтров в СИФУ.

Уравнение электрического равновесия в якорной цепи системы ТП-Д

, где

Здесь Rя – сопротивления якорной цепи двигателя;

- индуктивное сопротивление фазы трансформатора, обусловленное полями рассеяния, а х2 и х1 – индуктивные сопротивления рассеяния вторичной и первичной обмоток трансформатора;

Rдр – сопротивление сглаживающего дросселя;

Rтр – активное сопротивление обмоток фазы трансформатора, приведенное к вторичной цепи;

Rср. в – усредненное сопротивление вентилей

Имея в виду, что ; ; , получим уравнение механической характеристики двигателя для любого режима работы

или

Т. к. , где , то

Отсюда следует, что в режиме непрерывного тока механические характеристики двигателя в системе ТП-Д при принятых допущениях аналогичны характеристикам системы ГД.

При , получим уравнение статических характеристик

или

Уравнения статических механических и электромеханических характеристик двигателя для режима непрерывных токов можно представить и в следующем виде:

Семейство статических механических характеристик при различных a, изобра Жено на рис. Это прямые, отсекающие на оси ординат отрезки, соответствующие скорости идеального холостого хода

Однако в действительности при раздельном управлении комплектами вентилей (в случае двух комплектного преобразователя) или при питании от однокомплектного ТП в области малых нагрузок ток становится прерывистым, причем при Uy=0 и среднее значение Ud становится . Появляется зона прерывистых токов, она тем больше, чем больше угол a.

Появление зоны прерывистого токов обусловлено тем, что в определенные промежутки времени мгновенное значение выпрямленного напряжения преобразователя становится меньше встречно действующей ЭДС двигателя, что видно из графика выпрямленного напряжения, и, как следует из уравнения равновесия ЭДС, разность Ud-e становится отрицательной. Ток должен изменить направление на противоположное. Но поскольку вентили обладают односторонней проводимостью, ток становится равным нулю. Вентили закрываются ток появляется вновь когда Ud станет больше е. При больших нагрузках несмотря на то, что в определенные промежутки времени мгновенное значение Ud становится меньше ЭДС двигателя, ток не прерывается, является непрерывным. Объясняется это тем, что при больших нагрузках запас электромагнитной энергии в цепи выпрямленного тока значительный. Возникающая при исчезновении тока ЭДС самоиндукции складывается с мгновенным выпрямленным напряжением ТП и в сумме они превышают ЭДС двигателя. Поэтому разность между этой суммой и ЭДС двигателя положительна и ток не прерывается. При малых нагрузках ЭДС самоиндукции оказывается недостаточной для поддержания тока и он прерывается.

Переходу от режима непрерывного тока к прерывистому соответствует режим начально-непрерывного тока, являющегося граничным между двумя указанными. Величина граничного тока зависит от угла a и параметров схемы
, где

Граничные токи (моменты) лежат на дуге эллипса, смещенного по оси ординат на величину (см. рис. с механическими характеристиками).

Отметим, что если двигатель питается от нереверсивного ТП, то система электропривода становится неполноуправляемой, ибо ток может протекать только в одном направлении. Соответственно этому механические характеристики во втором и третьем квадранте не существуют.

При наличии зоны прерывистых токов электромеханические и механические характеристики в этой зоне не выражаются аналитически. Они напоминают механические характеристики двигателя последовательного возбуждения, как показано на рис.. При уменьшении нагрузки скорость двигателя возрастает и увеличивается его ЭДС, являющаяся противодействующей, что вызывает уменьшение тока нагрузки преобразователя. Это приводит к уменьшению падения напряжения на внутренних сопротивлениях схемы, а также к уменьшению потерь среднего напряжения, обусловленного явлением коммутации. В связи с этим Ud возрастает. При идеальном холостом ходе двигателя исчезают падения напряжения на вентилях и внутренних сопротивлениях схемы и Ud повышается еще больше. Напряжение на двигателе (за время импульса тока) приближается к амплитуде питающего преобразователь напряжения переменного тока и скорость двигателя растет. Поэтому в зоне малых и нулевых нагрузок механические характеристики двигателя имеют мягкий характер, что и показано на графике. Скорость идеального холостого хода двигателя для этих характеристик могут быть определены из выражений:

при и

при

Здесь Е2ф. м – амплитуда фазной ЭДС вторичной обмотки питающего трансформатора или амплитуда фазного напряжения питающей сети (в бестрансформаторных схемах).

DUВ – падение напряжения в вентилях.

Используя уравнение динамики ТП, уравнение равновесия ЭДС в якорной цепи, уравнение механической характеристики двигателя в системе ТП-Д и уравнение движения электропривода при жестких механических связях, можно изобразить структурную схему системы ТП – Д, которая имеет вид.

При представлении уравнения в виде

, где

Структурная схема примет вид.

Двигатель в системе ТП – Д может работать во всех режимах. Двигательному режиму соответствует область в 1 и 3 квадратах, режиму динамического торможения соответствует характеристика, проходящая через начало координат при . Режиму противовключения соответствует область, заключенная между осью моментов и характеристикой динамического торможения. Режиму рекуперации соответствует область между осью ординат во 2 и 4 квадратах и характеристикой динамического торможения.

Общие вопросы механизмов циклического действия. Требования к системам.

Обширная группа механизмов цикличе­ского действия включает в себя подъемные краны, одноков­шовые экскаваторы, стационарные подъемники различных кон­струкций и назначения, маятниковые канатные дороги, конвей­еры циклического действия, различные манипуляторы и про­мышленные роботы, металлорежущие станки, прокатные станы и т. д.. Общим для этих установок является режим работы, при котором технологический процесс состоит из ряда повторяющихся однотипных циклов, каждый из ко­торых представляет собой законченную операцию - загрузки ра­бочего органа, перемещения его из исходной точки в пункт назна­чения и разгрузки, обработки материала и т. д. В зависимости от специализации цикл может содержать выполнение различных предусмотренных технологией процессов.

Основные механизмы таких установок, как правило, имеют реверсивный электропривод, рассчитанный для работы в интен­сивном повторно-кратковременном режиме. В каждом рабочем цикле имеют место неустановившиеся режимы работы электро­привода: пуски, реверсы, торможения, оказывающие существен­ное влияние на производительность механизма, на динамиче­ские нагрузки привода и механизма, на к. п. д. установки и на ряд других факторов. Все эти условия предъявляют к электро­приводу сложные требования, в значительной степени общие для всей рассматриваемой группы механизмов.

Электроприводы механизмов циклического действия рабо­тают в повторно-кратковременном режиме, характерной осо­бенностью которого являются частые пуски и остановки двигателя. Так как потери энергии в переходных процессах непосредственно за­висят от момента инерции электропривода J_Σ , основную долю которого, если исключить инерционные механизмы, составля­ет момент инерции двигателя J_дв. Поэтому при повторно-кратковременном режиме желательно применять двигатели, которые при требуемой мощности и угловой скорости имеют возможно меньший момент инерции J_дв.

По условиям нагрева допустимая нагрузка двигателя при повторно-кратковременном режиме выше, чем при длительном. При пуске с повышенной статической нагрузкой двигатель должен развивать и повышенный пусковой момент, превос­ходящий статический на значение требуемого динамического момента. Поэтому в повторно-кратковременном режиме работы требуется более высокая перегрузочная способность двигателя, чем при длительном. Требование высокой перегрузочной спо­собности определяется также и необходимостью преодоления кратковременных механических перегрузок, возникающих при отрыве грузов, черпании грунта и т. п.

Наконец, условия нагревания и охлаждения двигателей при повторно-кратковременном режиме отличаются от анало­гичных условий при длительном режиме. Особенно сильно это отличие проявляется у двигателей с самовентиляцией, так как количество охлаждающего воздуха, поступающего в двигатель, зависит от его скорости. Во время переходных процессов и пауз теплоотдача двигателя ухудшается, что оказывает суще­ственное влияние на допустимую нагрузку двигателя.