Реверсирование и торможение асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели легко реверсируются. Направление вращения двигателя зависит от порядка чередования фаз, т.к. поле движется в сторону отстающей фазы. Для изменения направления вращения нужно поменять порядок чередования фаз (поменять любые две фазы местами).

После отключения двигателя от сети он будет продолжать вращаться по инерции. В некоторых случаях требуется быстро остановить двигатель, для этого используют электромагнитное торможение.

Методы торможения:

· Торможение противовключением. Двигатель отключается и вновь подключается к сети с обратным чередованием фаз. Возникает тормозной электромагнитный момент. В момент времени t, когда n = 0, двигатель должен быть отключен от сети. Для этого используется центробежное реле, которое отключает двигатель при скорости вращения близкой к нулю.

· Динамическое торможение. После отключения двигателя в две фазы обмотки статора подают постоянный ток. Двигатель начинает работать в режиме генератора, в роторе наводится ЭДС, возникает тормозной электромагнитный момент.

· Генераторное торможение имеет место при переключении многоскоростного двигателя на ходу с большей скорости на меньшую, т.е. при переключении машины с меньшего числа полюсов на большее. В первый момент переключения скорость двигателя оказывается намного больше скорости его поля, т.е., скольжение получается отрицательным и машина переходит в режим работы генератор. Торможение происходит с превращением кинетической энергии вращающихся частей в электрическую энергию, которая за вычетом потерь в машине отдается в сеть. Торможение в режиме работы генератором возможно только при сверхсинхронной скорости. Если двигатель в конце торможения должен быть остановлен, то к концу торможения следует перейти на механическое торможение или на другой вид электрического (динамическое, противовключением).

Синхронный двигатель

Название синхронные относится к электрическим машинам переменного тока, в которых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной и той же скоростью, т.е. синхронно.

;

.

Как и все электрические машины синхронные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Трехфазные синхронные машины это обычно машины большой мощности.

На всех электростанциях в качестве источника электрической энергии трехфазного переменного тока используются синхронные генераторы. Единичная мощность гидрогенераторов, устанавливаемых на гидроэлектростанциях, доходит до 640 МВт. На тепловых и атомных электростанциях устанавливаются турбогенераторы они достигают мощности 1200 МВт.

Трехфазные синхронные двигатели имеют преимущество перед асинхронными при большой мощности (100 - 200 кВт).

Синхронная машина может работать с емкостным сдвигом фаз между током и напряжением. Режим работы с емкостным сдвигом фаз используется для повышения коэффициента мощности. Синхронная машина работающая в режиме холостого хода и предназначенная для генерирования емкостной реактивной мощности называется синхронным компенсатором.

По устройству статора синхронная машина не отличается от асинхронной. Обмотка статора обычно соединяется звездой. Отличие синхронной машины от асинхронной заключается в различной конструкции ротора.

Ротор синхронной машины представляет собой постоянный магнит. В машинах средней и большой мощности ротор превращается в постоянный магнит с помощью электрического тока, т.е. это электромагнит. Для этого на роторе располагается отдельная обмотка (сосредоточенная), которая называется обмоткой возбуждения, по ней протекает постоянный ток, который называется током возбуждения. Обмотка ротора вращается вместе с ротором, поэтому требуется устройство подвода тока. На роторе располагается 2 медных кольца, к которым подсоединены выводы обмотки ротора, к неподвижной части крепятся графитовые щетки в щеткодержателях, эти щетки скользят по кольцам, обеспечивая контакт.

.

Обмотка возбуждения иногда называется индуктором.

Источник постоянного тока, служащий для создания тока возбуждения обычно называется возбудителем. В качестве возбудителя используется генератор постоянного тока, генератор переменного тока с выпрямителем, полупроводниковый выпрямитель управляемый или не управляемый.

По конструкции ротора синхронные машины делятся на два типа:

· машины, имеющие ротор с неявно выраженными полюсами, в этом случае ротор имеет вид гладкого цилиндра.

· синхронные машины, имеющие ротор с явно выраженными полюсами. Такой ротор делается в тихоходных машинах с большим числом пар полюсов.

Формула электромагнитного момента такая же как и для асинхронного двигателя:

.

Синхронный двигатель, как и асинхронный имеет физическое ограничение по моменту. Если к валу ротора приложить тормозной момент, то двигатель его преодолеет, но оси полюсов ротора и статора разойдутся на некоторый угол.

Изобразим условно вращающееся магнитное поле в виде магнита.

При увеличении момента сопротивления увеличивается угол расхождения полюсов ротора и статора.

;

.

Обычно угол Θ берут ≤ 30°, поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя:  больше чем у асинхронного двигателя.

Перегрузочную способность можно изменить воздействуя на ток возбуждения увеличивая ток возбуждения I_в увеличивается магнитный поток Ф₀, увеличивается ЭДС E₀ и увеличивается максимальный момент M_макс.

Синхронный двигатель менее чувствителен к колебаниям напряжения, чем асинхронный.

Механическая характеристика синхронного двигателя абсолютно жесткая, при любом моменте сопротивления скорость его вращения одна и та же. Если M_с ≥ M_макс, двигатель такой момент не преодолеет и остановится.

Важной особенностью синхронного двигателя работая с механической нагрузкой он позволяет в широких пределах изменять реактивную мощность и соответственно коэффициент мощности. При этом реактивная мощность может носить как индуктивный, так и емкостной характер.

Наибольший, интерес представляет режим, когда cos(φ) = 1 (режим нормального возбуждения). I_в = I_{в ном}.

Если ток возбуждение меньше номинального I_в < I_{в ном}, то cos(φ) < 1 (индуктивный характер). Режим недовозбуждения.

Если ток возбуждение больше номинального I_в > I_{в ном}, то cos(φ) < 1 (емкостной характер). Режим перевозбуждения.

Режим с емкостным сдвигом фаз используется на промышленных предприятиях для повышения коэффициента мощности взамен установки конденсаторных батарей. Двигатели выпускаются с cos(φ) = 1, cos(φ) = 0,8 - 0,9 (емкостной).

Пуск синхронного двигателя

Синхронный двигатель не развивает пускового момента и нуждается в искусственном пуске.

При подключении двигателя к источнику питания вращающееся магнитное поле практически мгновенно начинает вращаться с необходимой скоростью. Ротор в силу механической инерции не может сразу набрать нужную скорость, ему необходимо время для разгона. За время разгона поле повернется относительно ротора на угол 180° и момент изменится на противоположный. В результате на ротор будет действовать знакопеременное электромагнитное поле и ротор не получит ускорение.

Применяется асинхронный пуск синхронных электродвигателей. Синхронный двигатель пускается как асинхронный. Для этих целей на роторе располагается дополнительная короткозамкнутая обмотка. В теле ротора выполняются отверстия, в них вставляются медные или алюминиевые стержни, которые между собой с торцов замыкаются кольцами.

При асинхронном движении в короткозамкнутой обмотке ротора наводится ЭДС индукции и протекает индукционный ток, который создает электромагнитньш момент. При синхронном движении ЭДС индукции в короткозамкнутой обмотке не наводится и она не оказывает влияния на работу двигателя.

Поскольку синхронный двигатель пускается как асинхронный, все проблемы пуска асинхронного двигателя относятся и к синхронному двигателю.

Применяется две схемы пуска:

1.Обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление самой обмотки. Это делается, чтобы избежать больших перенапряжений ротора во время пуска. После разгона двигателя до скорости близкой к синхронной добавочное сопротивление в цепи ротора отключается и обмотка ротора подключается к источнику питания постоянного тока. Применяется для мощных двигателей.

2.В процессе пуска обмотка возбуждения постоянно подключена к источнику питания постоянного тока и после разгона до скорости близкой к синхронной двигатель самостоятельно втягивается в синхронизм. Эта схема проще, однако есть недостаток – в асинхронном режиме в обмотке возбуждения вращающееся магнитное поле наведет ЭДС индукции и в ней возникает индукционный ток, который отрицательно влияет на режим пуска, создавая дополнительный тормозной момент. Кроме этого переменный ток в обмотке возбуждения нарушает нормальную работу источника питания постоянного тока. Применяется для двигателей сравнительно небольшой мощности.