8.4 Изменение направления вращения
Чтобы изменить направление вращения двигателя, необходимо изменить направление электромагнитного момента М , действующего на якорь. Это можно осуществить двумя способами: путем изменения направления тока I а в обмотке якоря или изменения направления магнитного потока Φ , т. е. тока возбуждения. Для этого переключают провода, подводящие ток к обмотке якоря или обмотке возбуждения.
9 Тормозные режимы двигателей
9. 1 Электрическое торможение
Электрические двигатели, как правило, используют не только для вращения механизмов, но и для их торможения. Электрическое торможение позволяет быстро остановить механизм или уменьшить его частоту вращения без применения механических тормозов. Различают три вида электрического торможения двигателей постоянного тока: 1) рекуперативное торможение – генераторное торможение с отдачей электрической энергии в сеть; 2) динамическое или реостатное торможение – генераторное тор- можение с гашением выработанной энергии в реостате, подключенном к обмотке якоря; 3) электромагнитное торможение – торможение противовключением . Во всех указанных режимах электромагнитный момент М воздействует на якорь в направлении, противоположном n , т. е. является тормозным. Рекуперативное торможение. Двигатель с параллельным возбуждением переходит в режим рекуперативного торможения при увеличении его час- U тоты вращения выше n 0 = СеΦ . В этом случае ЭДС машины становится больше напряжения сети и ток изменяет свое направление, т. е. двигатель переходит в генераторный режим. В этом режиме машина создает тормозной момент, а выработанная электрическая энергия отдается в сеть и может быть полезно использована. В машине с параллельным возбуждением механические характеристики генераторного режима являются продолжением механических характеристик двигательного режима в область отрицательных моментов (рисунок 48, б).
19 Рисунок 48 − Схема и механические характеристики машины постоянного тока в двигательном и генераторном режимах Поэтому переход из двигательного режима в генераторный может происходить автоматически, если под действием внешнего момента якорь будет вра- щаться с частотой n выше n 0 . Можно перевести машину в генераторный режим и принудительно, если перевести ее на работу с характеристики 1 на характе- ристику 2 , уменьшив n 0 путем увеличения магнитного потока (тока возбуждения) или снижения напряжения, подводимого к двигателю. В этом случае некоторой частоте вращения n соответствует на характеристике 1 двигательный режим (точка А ), а на характеристике 2 – режим рекуперативного торможения (точка В ). Двигатели с последовательным возбуждением не могут переходить в режим рекуперативного торможения . При необходимости реку- перативного торможения схему двигателей в тормозном режиме изменяют, превращая двигатели в генераторы с независимым возбуждением. Двигатели со смешанным возбуждением могут автоматически переходить в генераторный режим, что обусловило их применение в троллейбусах, трамваях и других устройствах с частыми остановками, где двигатель должен обладать мягкой механической характеристикой. Динамическое торможение . При этом виде торможения двигателя с параллельным возбуждением обмотку якоря отключают от сети и присоединяют к ней реостат R ДОБ (рисунок 49, а). При этом машина работает как генератор, создает тормозной момент, а выработанная электрическая энергия гасится Е в реостате. Регулирование тока I а = Σ R + R , т. е. тормозного момента М , a ДОБ осуществляют путем изменения сопротивления R ДОБ , подключенного к обмотке якоря. При n = 0 тормозной момент М равен нулю, следовательно, машина не может быть заторможена в неподвижном состоянии.
20 Рисунок 49 − Схема и механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением в режиме динамического торможения Двигатель с последовательным возбуждением может работать в режиме динамического торможения при независимом возбуждении и при самовозбуждении. При независимом возбуждении обмотку возбуждения отключают от обмотки якоря и подключают к питающей сети последовательно с резистором, сопротивление которого выбирают так, чтобы ток возбуждения не превышал номинального значения. При этом механические характеристики двигателя будут линейные, как на рисунке 49, б. При самовозбуждении при переводе машины в генераторный режим необходимо переключить провода, подводящие ток к обмотке возбуждения (рисунок 50). Последнее необходимо для того, чтобы при изменении направления тока в якоре (при переходе с двигательного режима в генераторный) направление тока в обмотке возбуждения оставалось неизмен- ным и создаваемая этой обмоткой МДС F B совпадала по направлению с МДС F ОCT от остаточного магнетизма. В противном случае генераторы с самовозбуждением размагничиваются. Рисунок 50 – Схемы машины с последовательным возбуждением в режимах двигательном (а) и динамического торможения (б)
21 Рисунок 51 − Зависимости ЭДС от тока якоря для двигателя с последовательным возбуждением в режиме динамического торможения На рисунке 51 показаны зависимости ЭДС Е от тока якоря I а при различных частотах вращения ( n 1 > n 2 > n 3 > n 4 ) и вольт-амперные характеристики I а ( Σ R a + R ДОБ ) = f (I а ) полного сопротивления, включенного в цепь якоря (R ДОБ1 > R ДОБ2 > R ДОБ3 ) . Точки пересечения А 1 , А 2 и А 3 указанных зависимостей определяют зна- чения тока якоря I а = Σ С Е n Φ , при котором машина работает в режиме ди- R a + R ДОБ намического торможения, а следовательно, и значение тормозного момента М . При увеличении n и неизменном значении R ДОБ возрастает ЭДС, ток якоря и тормозной момент. Самовозбуждение оказывается возможным только при частоте вращения, большей некоторого критического значения n КР , при котором вольт-амперная характеристика сопротивления цепи якоря располагается по касательной к зависимости Е = f (I а ) . Так, например, при подключении к машине реостата с сопротивлением R ДОБ1 тормозной режим при частоте вращения n 1 может быть реализован (точка А 1 ); при уменьшении же ее до значения n 1 он невозможен. Двигатель со смешанным возбуждением также может работать в режиме динамического торможения. Электромагнитное торможение. В этом режиме изменяют направ- ление электромагнитного момента М , сохраняя неизменным направление тока из сети, т. е. момент делают тормозным. Последнее осуществляют так же, как и при изменении направления вращения двигателя – путем переключения проводов, подводящих ток к обмотке якоря (рисунок 52, а) или к обмотке возбужде-
§ 9.11. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателе) и изменение направления вращения ротора
следует, что изменение скорости возможно путем изменения величины скольжения, изменения частоты и числа пар полюсов. У асинхронных двигателей с контактными кольцами можно изменять скорость вращения реостатом в цепи ротора.
Частота промышленных сетей постоянна и равна 50 гц, поэтому для изменения частоты сети необходимо применять специальный преобразователь частоты.
Таким образом, этот способ регулировки применим только в автономных установках, например в гребных судовых установках где генератор связан с гребным двигателем непосредственно электрическим валом. В этом случае изменение частоты синхронного генератора производится регулировкой скорости первичного двигателя. Регулировка скорости двигателя-исполнителя частоты тока возможна только в ограниченных пределах. надо иметь в виду, что при изменении частоты будет меняться также в общем случае напряжение на зажимах, поток, ток холостого хода, момент, мощность и т.д.
Регулировка скорости вращения при помощи регулировочного реостата у асинхронного двигателя с контактными кольцами основана на увеличении активного сопротивления цепи ротора, что приводит к увеличению скольжения и, следовательно, уменьшению скорости вращения (рис. 9.18, кривые 2, 3 и 4).
Дополнительное активное сопротивление в цепи ротора вызывает уменьшение тока I2 и соответственно уменьшение вращающего момента М. Скорость вращения двигателя начинает падать, а скольжение увеличивается. В то же время э.д.с. E2S=Е’2S
возрастает, что приводит к увеличению тока I2‘ до его прежней величины. Момент М уравнивается со статическим моментом МCТ, уменьшение скорости прекращается, и двигатель начинает вращаться с постоянной скоростью, несколько меньшей, чем начальная. Основным недостатком этого способа регулирования скорости вращения асинхронного двигателя является уменьшение к. п. д. двигателя пропорционально уменьшению скорости. При незначительных нагрузках, когда момент двигателя близок к моменту холостого хода, пределы регулирования скорости вращения ограничены.
Этот способ также мало экономичен, так как связан со значительным увеличением потерь в роторной цепи. Реостат должен быть рассчитан на полный рабочий ток и поэтому иметь значительные габариты и массу.
У двигателей с короткозамкнутым ротором наиболее распространен способ регулирования скорости изменением числа пар полюсов обмотки статора. При этом способе регулирования скорости вращения можно получить только ступенчатое изменение синхронной скорости, например две ступени с отношением скоростей 2:1.
Промышленностью изготовляются двигатели двух- трех- и четырехскоростные.
Для получения различного числа пар полюсов у вращающегося магнитного поля каждая фазная обмотка двигателя подразделяется на две одинаковые части — полуобмотки. При различном соединении полуобмоток между собой, параллельно или последовательно, в них меняется направление токов, а значит и создаваемых ими магнитных полей.
На рис. 9.19 показаны схемы соединения полуобмоток одной фазы, при котором число полюсов вращающегося поля машины изменяется в отношении 2:1. Как видно из схемы, при последовательном согласном соединении секций обмоток фаз число полюсов вдвое больше, чем при параллельном или последовательном встречном их соединении.
8. Принцип действия и реверс (изменение направления вращения) трехфазного асинхронного двигателя.
На рисунке представлена электромагнитная схема АД с короткозамкнутой обмоткой ротора в разрезе, включающая статор (1), в пазах которого расположены три фазные обмотки статора (2), представленные одним витком. Начала фазных обмоток A, B, C, а концы соответственно X, Y, Z. В цилиндрическом роторе (3) двигателя расположены стержни (4) короткозамкнутых обмоток, замкнутых по торцам ротора пластинами. При подаче на фазные обмотки статора трехфазного напряжения в витках обмотки статора протекают токи статора i A , i B , i C , создающие вращающееся магнитное поле с частотой вращения n 1 . Это поле пересекает стержни короткозамкнутой обмотки ротора и в них индуцируются ЭДС, направление которых определяется по правилу правой руки. ЭДС в стержнях ротора создают токи ротора i 2 и магнитное поле ротора, которое вращается с частотой магнитного поля статора. Результирующее магнитное поле АД равно сумме магнитных полей статор и ротора. На проводники с током i 2 , расположенные в результирующем магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом левой руки. Суммарное усиление F рез , приложенное ко всем проводникам ротора, образует вращающий эле5ктромагнитный момент M асинхронного двигателя. Вращающий электромагнитный момент М, преодолевая момент сопротивления М с на валу, принуждает вращаться ротор с частотой n 2 . Ротор вращается с ускорением, если момент М больше момента сопротивления М с , или с постоянной частотой, если моменты равны. Частота вращения ротора n 2 всегда меньше частоты вращения магнитного поля машины n 1 , т. к. только в этом случае возникает вращающий электромагнитный момент. Если частота вращения ротора будет равна частоте вращения МП статора, то ЭМ момент равен нулю (стержни ротора не пересекают МП двигателя, и ток равен нулю). Разница частот вращения МП статора и ротора в относительных единицах называется скольжением двигателя:
-45- s = n 1 − n 2 . n 1 Скольжение измеряется в относительных единицах или процентах по отношению к n 1 . В рабочем режиме близком к номинальному скольжение двигателя составляет 0.01-0.06. Частота вращения ротора n 2 = n 1 ( 1 − s ) . Таким образом, характерной особенностью асинхронной машины является наличие скольжения — неравенства частот вращения магнитного поля двигателя и ротора. Поэтому машину называют асинхронной. При работе асинхронной машины в двигательном режиме частота вращения ротора меньше частоты вращения МП и 0 < s < 1. в этом режиме обмотка статора питается от сети, а вал ротора передает механический момент на исполнительный орган механизма. Электрическая энергия преобразуется в механическую. Если ротор АД заторможен (s = 1) – это режим короткого замыкания. В случае, если частота вращения ротора совпадает с частотой вращения МП, то вращающий момент двигателя не возникает. Это режим идеального холостого хода. Чтобы изменить направление вращения ротора (реверсировать двигатель), нужно изменить направление вращения МП. Для реверса двигателя нужно изменить порядок чередования фаз подведенного напряжения, т. е. Переключить две фазы.
9. Схема замещения и механическая характеристика трехфазного асинхронного двигателя.
| I 1 | R 1 | x 1 | x’ 2 | R’ 2 | |
| I 0 | I’ 2 | 1-s | |||
| ~ | U 1 | x 0 | R н =R’ —— | ||
| E | =E ‘ | 2 | s | ||
| 1 | 2 | R 0 | |||
| I 1 | R 1 | x 1 | x’ 2 | R’ 2 | |
| R 1 | x 1 | I’ 2 | 1-s | ||
| I 0 | R н =R’ —— | ||||
| U | x 0 | 2 | s | ||
| 1 | E =E ‘ | ||||
| R 0 | |||||
| 1 | 2 | ||||
В схеме асинхронная машина с электромагнитной связью статорной и роторной цепей заменена эквивалентной приведенной схемой замещения. При этом параметры обмотки ротора R 2 и x 2 приводятся к обмотке статора при условии равенства E 1 = E 2 ‘ . E 2 ‘ , R 2 ‘ , x 2 ‘ – приведенные параметры ротора.
| Активное сопротивление | R | = R ‘ | 1 − s | рассматривается как внешнее сопротивление, |
| н | 2 | s |
включенное в обмотку неподвижного ротора, т. е. машина имеет активную нагрузку. Величина этого сопротивления определяется скольжением, а, следовательно, механической нагрузкой на валу двигателя. Если момент сопротивления на валу двигателя М с = 0, то скольжение s = 0; при этом величина R н =∞ и I 2 ‘ = 0, что соответствует работе двигателя в режиме холостого хода. В режиме холостого хода ток статора равен току намагничивания I 1 = I 0 . Магнитная цепь машины представляется намагничивающим контуром с параметрами x 0 , R 0 – индуктивное и активное сопротивления намагничивания обмотки статора. Если момент сопротивления на валу двигателя превышает его вращающий момент, то ротор останавливается. При этом величина R н = 0, что соответствует режиму короткого замыкания. Первая схема называется Т-образной схемой замещения АД. Она может быть преобразована в более простой вид. С этой целью намагничивающий контур Z 0 = R 0 + jx 0 выносят на общие зажимы. Чтобы при этом намагничивающий ток I 0 не изменял своей величины, в этот контур последовательно включают сопротивления R 1 и x 1 . В полученной Г- образной схеме замещения сопротивления контуров статора и ротора соединены последовательно. Они образуют рабочий контур, параллельно которому включен намагничивающий контур. Величина тока в рабочем контуре схемы замещения:
| -47- | |||||||||||
| I ‘ 2 = | U 1 | = | U 1 | , где U 1 – фазное | |||||||
| ‘ | ‘ 1 − s 2 | ‘ | 2 | √ ( R 1 + | R ‘ 2 | 2 | ‘ 2 | ||||
| √ ( R 1 + R 2 + R 2 s | ) +( x 1 + x 2 ) | ) +( x 1 + x 2 ) | |||||||||
| s | |||||||||||
напряжение сети. Электромагнитный момент АД создается взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся МП машины. Электромагнитный момент М определяется через электромагнитную мощность:
| M = | P эм | , где | ω | 1 = | 2 π n 1 | — угловая частота вращения МП статора. | ||||||||
| ω 1 | 60 | |||||||||||||
| M = | P э2 | = | m 1 I 2 ‘ 2 R ‘ 2 | , т. е. ЭМ момент пропорционален мощности электрических | ||||||||||
| ω 1 s | ||||||||||||||
| ω 1 s | ||||||||||||||
| потерь в обмотке ротора. | ||||||||||||||
| m | U | 2 R 2 ‘ | ||||||||||||
| 1 s | ||||||||||||||
| M = | 1 | |||||||||||||
| R ‘ | 2 | |||||||||||||
| 2 ω 1 [( R 1 + | 2 | ) +( x 1 + X 2 ‘ ) 2 ] | ||||||||||||
| s | ||||||||||||||
Приняв в уравнении число фаз двигателя m 1 = 3; x 1 + x 2 ‘ = x к , исследуем его на экстремум. Для этого приравниваем производную dM / ds к нулю и получаем две экстремальные точки. В этих точках момент М к и скольжение s к называются критическими и соответственно равны:
| s | = | ± R ‘ 2 | ||||||
| к | √ R 1 2 + s к 2 | , где «+» при s > 0, “-” при s < 0. | ||||||
| M к = | 3 U 1 2 | |||||||
| 2 ω 1 ( R 1 ± √ | ) | |||||||
| R 1 2 + X к 2 | ||||||||
Зависимость ЭМ момента от скольжения M(s) или от частоты вращения ротора M(n 2 ) называется механической характеристикой АД. Если разделить M на M к , получим удобную форму записи уравнения механической характеристики АД:
| M = | 2 M к ( 1 + as к ) | , где | a = | R 1 | . | |||||||||||
| s к | ||||||||||||||||
| s | + | + 2as к | R 2 ‘ | |||||||||||||
| s к | s | |||||||||||||||
| Для АД мощностью выше 10 кВт можно считать, что R 1 = 0. Тогда | ||||||||||||||||
| M = | 2 M к | ,M | = | 3 U ф 2 | , s | = | R 2 ‘ | . | ||||||||
| 2 ω 1 x к | ||||||||||||||||
| s | + | s к | к | к | x к | |||||||||||
| s к | s | |||||||||||||||
Что такое реверс асинхронного двигателя?
Асинхронные двигатели — это эффективный способ преобразования электрической энергии в механическую, который применяется уже более 100 лет. Стандартная работа электромотора подразумевает вращение в одну сторону, но для работы некоторых машин может потребоваться вращение в другую сторону — реверс.
Реверсивный ход — это изменение направления вращения вала электродвигателя, например для первоначального вращения вала по часовой стрелки, реверсивным будет вращение против часовой стрелки. Провести реверс асинхронного двигателя можно, сменив полярность питающего напряжения, приходящего на якорь двигателя.
Существует несколько типов механизмов, где требуется использование реверса двигателя. В некоторых случаях этот процесс должен быть автоматическим, в других — запускается вручную при необходимости.
Реверс асинхронного двигателя необходим:
- Первая группа — реверсивный ход требуется постоянно для работы механизма. Это грузоподъемные механизмы: лебедки, краны, лифты, а также запирающие механизмы и приводы задвижек.
- Вторая группа — оборудование, где реверсивный ход двигателя используется, как временная функция. Включает конвейерные ленты, насосы, эскалаторы. В таких механизмах реверс используется редко, чаще всего в аварийных ситуациях или при торможении.
Как работает реверс двигателя?
Реверсивный ход электродвигателя устанавливается в автоматическом или ручном режиме.
Рассмотрим основные методы реверсирования:
- Реверс трехфазного электродвигателя. Принцип работы заключается в изменении фазировки напряжения питания двигателя, которое питает обмотку статора. Схема реверса включает два магнитных пускателя, при срабатывании одного из них на двигатель поступает напряжение разной фазировки.
- Реверс с помощью информации, передающейся по полевой шине. Данный вариант используется в большинстве регуляторов, которые применяются в цепях переменного тока, в качестве стандартной функции.
- Статический метод. Меняется полярность на выходе преобразователя обмотки якоря. Другим вариантом является смена направления прохождения тока возбуждения.
- Реверс с применением магнитного пускателя. Во время торможения механизма, который обладает высоким моментом инерции нагрузки, производимую энергию необходимо возвращать в основную электросеть. В процессе торможения регулятор служит инвертором, а производимая энергия будет иметь отрицательный заряд. В данном случае регулятор может выполнять две функции: реверс и рекуперативное торможение. Регулятор оснащен 2 мостами с встречно-параллельным подключением. Мосты позволяют инвертировать ток и напряжение.
Для асинхронных двигателей реверсивный ход может выполняться при помощи преобразователей частот.
Как запустить двигатель в обратную сторону?
Смена направления вращения электродвигателя переменного тока производится путем изменения магнитного поля, которое приводит к движению в обратную сторону. В магнитном поле каждый провод имеет подключение к отрицательному и положительному току, то замена пускового и основного проводов приведет к запуску вращения в обратную сторону. Этот способ самый простой и действенный, так как при переключении проводов меняется полярность магнитного поля.
Для запуска реверса трехфазного двигателя необходимо поменять фазы, обычно меняют крайние фазы.
- Отключить якорь от электросети.
- Выполнить переключение двигателя в режим торможения.
- Переключение якоря происходит при торможении или при полной остановке двигателя.
- Выполняется запуск механизма, при этом вращение уже будет происходить в обратную сторону.
Реверс электродвигателя в моделях с последовательным возбуждением проводится в том же порядке. В механизмах со смешанным возбуждением производится переключение последовательной и параллельной обмотки вместе или якоря.
Запуск, торможение и пуск электродвигателя должны обязательно проводится согласно технологическим требованиям и правилам техники безопасности.
Как осуществить реверс электродвигателя и зачем он нужен?
Реверсивный ход асинхронного электродвигателя — это вращение вала двигателя в обратную сторону. Большинство механизмов оснащается функцией реверсивного хода. В некоторых случаях эта функция используется постоянно в автоматическом режиме для таких механизмов, как: лифты, краны и лебедки.
В других случаях реверсивный ход используется для аварийных ситуаций или выполнения торможения, например, конвейерные ленты, эскалаторы и насосы.
Для изменения направления вращения вала двигателя нужно изменить последовательность фаз питающего напряжения. В зависимости от напряжения сети 220 В или 380 В должны подбираться соответствующие контакторы и катушки для соответствующего напряжения.
Компания Техносфера — эксклюзивный представитель завода “Промышленные силовые машины” предлагает асинхронные электродвигателей разного типа, частотные преобразователи, редукторы и мотор-редукторы, а также дизельные генераторы от ведущих брендов. Оборудование отличается прекрасным качеством, официальной гарантией и сервисным обслуживанием. Заказывайте двигатели у лучших производителей.