Достоинства и недостатки синхронных двигателей
6) работоспособность при большем износе подшипников и менее точном монтаже ротора благодаря большему воздушному зазору между ротором и статором.
Недостатки синхронного двигателя: 1) сложность конструкции и, следовательно, большая стоимость;
2) необходимость наличия источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя);
3) более сложный пуск и необходимость специальной аппаратуры синхронизации;
4) возможность только частотного регулирования частоты.
В промышленности синхронные двигатели обычно используют при P > 100 кВт. Широкое применение находят синхронные микродвигатели различной конструкции (гистерезисные, индукторные, шаговые).
Лекция 26 машины постоянного тока Принцип работы и устройство машин постоянного тока
Двигатели постоянного тока (ДПТ) допускают плавное регулирование частоты вращения и способны развивать большой пусковой момент, благодаря чему они нашли широкое применение на электротранспорте и для привода технологического оборудования. Генераторы постоянного тока (ГПТ) используются для питания электролизных и гальванических ванн, электроснабжения потребителей на транспорте (автомобилях, судах, самолетах, электровозах). Машины постоянного тока применяются в системах автоматики для привода механизмов и в качестве датчиков частоты вращения. Серьезным недостатком машин постоянного тока является наличие щеточно-коллекторного узла, требующего ухода и снижающего надежность работы.
Возникновение вращающего момента в ДПТ
Возникновение противоЭДС в ДПТ
Рассмотрим принцип действия ДПТ. От источника постоянного напряжения U в рамку подается ток I. По правилу левой руки (ПЛР) на активные проводники (утолщенные линии) действует пара сил F, создающая вращающий электромагнитный момент M. Рамка поворачивается против часовой стрелки, но угол поворота не более 90°. Для обеспечения непрерывного вращения нужно взять несколько рамок с общей осью, равномерно смещенных по направлению вращения.
При вращении рамки активные проводники пересекают силовые линии потока Ф и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС, направления которых определяются по правилу правой руки (ППР). Эти ЭДС направлены против тока I и называются противо-ЭДС. Здесь работает и правило Ленца: ЭДС действуют против причины, их вызвавшей, т. е. против тока I. Поскольку е – переменная ЭДС, то и ток будет переменным .
Рассмотрим принцип работы ГПТ. Поворот рамки осуществляется посторонним двигателем против часовой стрелки. В активных проводниках наводятся ЭДС с направлением, определяемым по ППР, а на зажимах рамки создается напряжение u = 2e. Чтобы U не изменялось, требуется взять много рамок. При подключении к зажимам генератра нагрузки Rн появляется ток i. Согласно ПЛР, на проводники с током будет действовать пара сил F, создающих тормозной момент Mт (момент сопротивления Мс), который направлен против вращающего момента М, в чем и проявляется правило Ленца.
Генерация напряжения в ГПТ
Возникновение тормозного момента в ГПТ
. Конструкция машины постоянного тока
Конструкция машины постоянного тока. Неподвижная часть машины (статор) содержит полый стальной цилиндр (станину) (1 на рис. ), внутри которого укреплены четыре основных полюса 2. Эти полюсы имеют обмотки, включенные последовательно и образующие обмотку возбуждения 3. Она питается постоянным током возбуждения Iв, который создает магнитное поле возбуждения. Внутри статора находится ротор (якорь), собранный из тонких дисков стали 8. К торцам станины крепят щиты с подшипниками, в которые установлен вал ротора.
В пазах якоря уложена обмотка. По конструкции она бывает петлевой и волновой. Ток подается в якорную обмотку (ДПТ) или снимается напряжение с якорной обмотки (ГПТ) через коллектор 5 со щетками. Коллектор – цилиндр, на поверхности которого укреплены медные, изолированные друг от друга пластины (ламели). К пластинам примыкают подпружиненные щетки 6. На корпусе имеется коробка с зажимами, к которым подводятся концы обмотки возбуждения и контактных жгутиков от щеток.
Силовые линии неподвижного поля возбуждения идут от северного полюса через якорь к соседним южным полюсам. Основные полюсы имеют полюсные наконечники 7, обеспечивающие неизменность магнитной индукции вдоль зазора. Для уменьшения искрения под щетками на статоре между основными полюсами устанавливают узкие добавочные полюсы 4 (в ДПТ c P > 1 кВт). Их обмотка (не показана) содержит небольшое число витков и включается последовательно с обмоткой якоря.
Конструкция ротора (якоря)
. ЭДС в обмотках ДПТ (а) и их эквивалентная схема (б)
Петлевая обмотка состоит из отдельных секций. Активные проводники двух сторон секции (П1 и П2) помещают в разные пазы якоря так, чтобы они оказались под разноименными полюсами (на расстоянии полюсного деления τ, где τ – длина дуги окружности якоря между осями соседних полюсов). При этом ЭДС, наводимые в двух сторонах секции, будут суммироваться. Начало и конец секции припаивают к соседним ламелям коллектора. Начало стороны следующей секции объединяется с концом предыдущей (на рис. показаны только две секции). Тогда якорная обмотка оказывается замкнутым контуром. Каждая секция состоит из нескольких витков (на рис. секции условно показаны одновитковыми).
По отношению к внешним зажимам обмотка якоря оказывается разделенной на четыре параллельные ветви (на рис. а изображена только одна ветвь). Они эквивалентны одной ветви на рис. б. Плоскость, проходящая посредине между соседними полюсами через ось якоря, образует геометрическую нейтраль ГН (на рис. их две). Щетки располагают так, чтобы в момент закорачивания ими соседних ламелей секция, подключенная к этим ламелям, проходила через ГН. Это устраняет искрение в режиме холостого хода ГПТ.
4.6. Достоинства и недостатки синхронных двигателей
Если сравнивать синхронные двигатели с асинхронными, то можно отметить следующие особенности.
Достоинства:
1) синхронные двигатели могут работать с высоким, близким к единице, коэффициентом мощности;
2) в режиме перевозбуждения имеется возможность увеличить сети;
3) КПД выше примерно на 1,5%, (96–98%);
4) за счет изменения Ib можно регулировать перегрузочную способность двигателя;
5) абсолютно жесткая механическая характеристика;
6) меньшая зависимость вращающего момента от колебаний напряжения сети (в первой степени, а у асинхронных двигателей – во второй).
1) сложнее по конструкции и, следовательно, дороже;
2) необходимо наличие источника постоянного тока (возбудитель или выпрямитель);
3) пуск сложнее и требуется специальная аппаратура синхронизации;
4) возможно только частотное регулирование частоты вращения.
В промышленности синхронные двигатели обычно применяют при Р ≥ 100 кВт. Широко используются синхронные микродвигатели различной конструкции (гистерезисные, индукторные, шаговые).
5. Выбор электродвигателей. Аппаратура управления и защиты
Hаибольшее применение в промышленности получили асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором системы «преобразователь частоты – АД». Определение мощности и выбор электродвигателя является наиболее ответственным этапом проектирования электропривода. Применение двигателей завышенной мощности приводит к увеличению капзатрат, снижению КПД и коэффициента мощности. Если выбран двигатель недостаточной мощности, то возникают перегрузки, ускоренное старение изоляции, понижение надежности и возможность аварии.
Длительное воздействие нагрузки на двигатель ограничивается допустимым нагревом, а кратковременное – перегрузочной способностью, которая определяется как
где Mmax – максимальный (критический) момент, который способен развивать двигатель хотя бы кратковременно; λm – коэффициент перегрузки. В АД Mmax зависит от снижения напряжения в квадрате, поэтому допустимый момент равен
. (5.1)
Перегрузочная способность АД составляет λm = 1,7 ÷ 2,5.
Электродвигатели выбирают по мощности, частоте вращения, напряжению, току, условиям эксплуатации и монтажа.
Скорость АД ограничивается производственным механизмом, напряжение и ток определяются источником питания и мощностью АД. По условиям эксплуатации АД выпускаются в следующих климатических факторах: (У) – для умеренного климата с максимальной температурой +40, минимальной –45, средней +10, (УХЛ) – для умеренно-холодного климата: +40, –60, +10 и т. д.
В зависимости от места размещения АД делятся: 1 – на открытом воздухе; 2 – под навесом; 3 – в закрытом помещении и т. д.
Для обозначения степени защиты от воздействия окружающей среды применяются латинские буквы IP и следующие за ними две цифры, первая цифра – степень защиты от пыли (5), вторая цифра – защита от влаги (3 – защита от дождя).
Исполнение АД по способу монтажа обозначают буквами IM и следующие за ними четыре цифры показывают: с лапами, с фланцами,
способы монтажа, исполнение конца вала.
В процессе работы потери электроэнергии в двигателе превращаются в теплоту, которая идет на нагрев двигателя. При работе в номинальном режиме температура двигателя не должна превосходить допустимых значений для данного класса изоляции.
Выбор мощности двигателя в продолжительном режиме работы производится по нагрузочным диаграммам рабочего механизма, представляющим зависимости момента сопротивления механизма Мс или мощности Рм от времени t. Почти всегда можно выделить цикл времени tц, через который диаграмма повторяется. Когда известен график переменной нагрузки продолжительного режима для двигателя с мало меняющейся частотой вращения, то при расчете применяют метод эквивалентной мощности, являющейся средней мощностью на валу АД. Расчет ведут по следующей формуле:
Рэк =, (5.2)
где Рi – мощность механизма на каждом интервале времени ti, кВт; ti – временной интервал i-го участка, с; tц – время цикла работы, tц = = t1 + + t2 + . + tn, с; n – число интервалов времени в цикле.
Когда нагрузочные диаграммы заданы моментами нагрузки M = = f(t), то мощность определяют по эквивалентному моменту:
Мэк =, (5.3)
где Mi – момент нагрузки на каждом интервале времени ti, Н∙м.
Если задан график или таблица тока I = f(t), то определяют эквивалентный ток по формуле
Iэк =, (5.4)
где Ii – значение тока на каждом интервале времени ti, А.
На основании полученной расчетной мощности по данным каталога выбираем короткозамкнутый приводной асинхронный двигатель по выражению
Если рассчитан эквивалентный ток, то его сравнивают с Iном:
При таком выборе мощности АД его эквивалентный момент будет всегда выше Мном.
Но в ряде случаев момент нагрузки на отдельных участках может оказаться больше максимально допустимого момента двигателя, который может остановиться. Поэтому после выбора мощности АД необходимо проверить на перегрузочную способность исходя из условия
где Mmax доп – максимально допустимый момент АД с учетом пониженного напряжения сети.
Проверка мощности двигателя по нагреву проводится по методу средних потерь. Для этого определяются номинальные потери ΔРн выбранного двигателя, кВт:
где ηн – номинальный КПД двигателя.
Затем определяются потери в двигателе ΔРi при нагрузках, заданных на интервалах времени Рi:
где ηi – КПД двигателя, соответствующий мощности Рi и зависящий от коэффициента загрузки АД, т. е. kз = Рi/Рн.
Упрощенно ηi можно определить из выражения
Тогда средние потери равны
ΔРср = ΔРi ∙ ti/tц, кВт. (5.8)
Проверяется условие равенства средних и номинальных потерь. При их расхождении более чем на 10% выбирают АД другой мощности и повторяют расчет, т. е.
Выбранный двигатель может использоваться для работы в кратковременном режиме (после кратковременной работы двигатель отключается и остывает до температуры окружающей среды). За счет непродолжительного времени включения через двигатель можно пропустить больший ток по условиям допустимого нагрева за счет довольно значительной постоянной времени нагрева АД Тн. Это значит, что при кратковременном включении двигатель может развить мощность Ркр большую, чем в продолжительном режиме на величину коэффициента механической перегрузки:
kм = , (5.9)
где tкр – время кратковременного включения АД, установленное для этого режима по стандарту tкр .= 10; 30; 60; 90 мин.
Принимая приближенно для учебных расчетов Тн.ср = 100 мин для АД средней мощности, можно рассчитать кратковременную мощность, развиваемую АД, для одного из выбранных значений времени tкр, причем нужно определить такое tкр, при котором
Повторно-кратковременный режим характеризуется частыми включениями и отключениями АД с особой периодичностью. Выбор двигателя для этого режима производится по средней мощности, определенной из нагрузочной диаграммы:
Рср = Рi ∙ ti/tц, кВт. (5.11)
Предварительно подбирается из каталога двигатель с Рном по выражению
Определяют эквивалентную мощность Рэк (Мэк, Iэк).
Эквивалентную мощность (момент, ток) пересчитывают для большего стандартного ближайшего значения ПВном:
Р = Рэк ∙; (5.12)
М = Мэк ∙; (5.13)
I = Iэк ∙, (5.14)
где ПВном – номинальное значение продолжительности включения, по стандарту принято 15, 25, 40, 60 и 100%, указывается в паспорте двигателя; ПВ – продолжительность включения, рассчитанная для каждого варианта задачи по формуле
где tp – время работы АД, с.
По каталогу выбирают двигатель с Рном при ПВном так, чтобы
Рном ≥ Р, и проверяют по перегрузочной способности.
Выбранный двигатель следует проверить по пусковому моменту, т. е. пусковой момент двигателя Мпуск должен быть больше максимального статического момента сопротивления нагрузки:
где nн – номинальная частота вращения двигателя, об/мин; λn – кратность пускового момента двигателя (выбирается по каталогу).
Если Мпуск двигателя окажется меньше Мс.max, то двигатель не начнет вращаться, значит надо выбрать более мощный АД.
Обозначение типа двигателя расшифровывается следующим образом:
4, 5, 6, R – порядковый номер серии (R – российский);
А – род двигателя (асинхронный с короткозамкнутым ротором);
АН, АНК– асинхронный с фазным ротором;
АИР– асинхронный двигатель интерэлектро;
250 – три цифры – высота оси вращения, мм;
L – длина корпуса, м;
1, 2, 3, 4 – число пар полюсов, р;
У – климатическое исполнение;
3 – категория размещения.
Наиболее распространенными являются АД серии 4А, 5А, 6А, RА, АИР и др.
Для защиты двигателя от токов перегрузки и короткого замыкания применяются предохранители и автоматические выключатели. Плавкая вставка предохранителя должна выдерживать пусковой ток двигателя, поэтому ток плавления вставки выбирается из условия
где iп – кратность пускового тока по каталогу; α – коэффициент, зависящий от длительности пуска, если время пуска tпуск ≤ 1,5–2 с, то α = 2,5.
Полагая напряжение сети известным, можно определить номинальный ток двигателя:
Iном = , А, (5.16)
где Рном, ηном, cos φном выбираются из каталога.
Наиболее распространенными являются предохранители типов ПР-2, ПН-2, НПН.
Сечение провода или кабеля для питания АД выбирается по условию допустимого нагрева:
где Iдоп – ток, допустимый для данного сечения провода по условию нагрева, каталожная величина; Iр – расчетный ток линии, для двигателя можно принять равным номинальному току.
Выбранное сечение должно быть проверено на соответствие току защиты аппаратов от коротких замыканий:
где kз – коэффициент защиты, дается в справочниках, для расчетов можно принять kз = 0,33.
Марка и тип провода или кабеля принимаются в соответствии с условиями среды и прокладки.
Преимущества и недостатки синхронной машины
Синхронный двигатель имеет ряд преимуществ перед асинхронным:
1. Высокий коэффициент мощности cosФ=0,9.
2. Возможность использования синхронных двигателей на предприятиях для увеличения общего коэффициента мощности.
3. Высокий КПД он больше чем у асинхронного двигателя на (0,5-3%) это дастигается за счёт уменьшения потерь в меди и большого CosФ.
4. Облодает большой прочностью обусловленной увеличенным воздушным зазором.
5. Вращающий мамент синхронного двигателя прямо пропорционален напряжению в первой степени. Т.е синхронный двигатель будет менее чуствителен к изменению величины напряжения сети.
Недостатки синхронного двигателя:
1. Сложность пускавой аппаратуры и большую стоимость.
2. Синхронные двигатели применяют для приведения в движение машин и механизмов, не нуждающихся в изменении частоты вращения, а так же для механизмов у которых с изменением нагрузки частота вращения остаётся постоянной: (насосы, компрессоры, вентиляторы.)
В чем преимущества и недостатки синхронных и асинхронных двигателей?
Асинхронный двигатель является двигателем переменного тока, его скорость нагрузки и частота сети не являются постоянными.
Асинхронный двигатель включает асинхронный двигатель, асинхронный двигатель с двойным питанием и электродвигатель переменного тока.
Асинхронный двигатель является наиболее широко используемым, в случае отсутствия недоразумений или путаницы, обычно можно назвать асинхронным двигателем асинхронного двигателя.
Обмотки статора обычного асинхронного двигателя подключены к электрической сети переменного тока, а обмотки ротора не должны соединяться с другими источниками питания. Поэтому он имеет преимущества простой конструкции, удобного производства, использования и обслуживания, надежной работы, небольшого качества и низкой стоимости.
Асинхронный двигатель имеет более высокую эффективность работы и лучшие рабочие характеристики, от полной нагрузки до полной нагрузки, близкой к операции с постоянной скоростью, может удовлетворять большинству требований к передаче оборудования для промышленного и сельскохозяйственного производства.
Асинхронные двигатели также способствуют созданию различных видов защиты для удовлетворения различных условий окружающей среды. Реактивная мощность возбуждения должна быть поглощена из электрической сети, чтобы ухудшить коэффициент мощности электрической сети. Поэтому приводная шаровая мельница, компрессоры и другое мощное механическое оборудование с низкой скоростью, часто использующее синхронный двигатель.
Скорость асинхронного двигателя имеет определенную разницу с его вращающейся скоростью магнитного поля, его характеристики регулирования скорости невелики (кроме двигателя переменного тока переменного тока). Использование двигателя постоянного тока является более экономичным и удобным для транспортных машин, прокатного стана, крупного станка, полиграфического и красящего и бумагоделательного оборудования, для чего требуется широкий и плавный диапазон скоростей.
Однако, с развитием мощных электронных устройств и системы регулирования скорости переменного тока, скорость регулирования и экономичность асинхронного двигателя с регулированием скорости Hucoin можно сравнить с скоростью двигателя постоянного тока.
Синхронный двигатель: синхронный двигатель для генерации энергии, работа обмотки ротора с возбуждением постоянного тока, внешняя механическая сила для вращения ротора, направление n0 и направление крутящего момента T, индуктивная электродвижущая сила статора (принцип электромагнитной индукции), а затем выходное напряжение.
Поскольку работа генератора является основным режимом работы синхронного двигателя, поскольку работа двигателя является еще одним важным режимом работы синхронного двигателя. Коэффициент мощности синхронного двигателя можно регулировать, а применение большого синхронного двигателя может повысить эффективность работы, не требуя регулирования скорости.
В последние годы малые синхронные двигатели все чаще используются в системе регулирования скорости преобразования частоты.
Синхронный двигатель также может быть подключен к электрической сети как синхронный компенсатор. В это время двигатель без какой-либо механической нагрузки, регулируя возбуждение ротора на сетку, чтобы излучать необходимую перцептивную или емкостную реактивную мощность, чтобы улучшить коэффициент мощности электросети или отрегулировать напряжение электросети.
Принцип асинхронного двигателя состоит в том, чтобы пропускать 3-фазный переменный ток в статоре, заставить его создавать вращающееся магнитное поле, скорость вращения равна n0, а именно синхронная скорость.
Синхронный двигатель и асинхронный двигатель являются обычно используемым двигателем переменного тока.
Характеристика: работа стационарного состояния, частота вращения ротора и частота электросети имеют неизменное соотношение