Что такое реверсирование асинхронного двигателя

Что такое реверсирование асинхронного двигателя

§ 110. Регулирование скорости вращения, реверсирование и торможение асинхронных двигателей

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя определяется выражением

Отсюда следует, что скорость асинхронного двигателя можно регулировать изменением какой-либо их трех величин:

числа пар полюсов p; частоты f₁ тока питающей сети; скольжения S.

Изменение числа полюсов электродвигателя. Для возможности изменения числа пар полюсов двигателя статор его выполняют либо с двумя самостоятельными трехфазными обмотками, либо с одной трехфазной обмоткой, которую можно пересоединять на различные числа полюсов.

На рис. 265, а схематически показаны две катушки одной фазы, соединенные последовательно. Из чертежа видно, что катушки создают четыре магнитных полюса.

Рис. 265. Изменение числа пар полюсов на статоре электродвигателя

Те же две катушки, соединенные параллельно между собой, создадут уже только два полюса (рис. 265, б). Пересоединение обмоток статора производится при помощи специального аппарата — контроллера. При этом способе регулировка скорости вращения двигателя совершается скачками.

На практике встречаются двигатели, синхронные скорости вращения (n) которых могут быть равны 3000, 1500, 1000 и 750 оборотов в минуту.

Регулировку скорости вращения двигателя путем изменения числа полюсов можно производить только у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Ротор с короткозамкнутой обмоткой может работать при разных числах полюсов магнитного поля. Наоборот, ротор двигателя с фазной обмоткой может нормально работать лишь при определенном числе полюсов поля статора. Иначе обмотку ротора также пришлось бы переключать, что внесло бы большие усложнения в схему двигателя.

Изменение частоты переменного тока. При этом способе частоту переменного тока, подводимого к обмотке статора двигателя, изменяют при помощи специального преобразователя частоты. Регулировку изменения частоты тока выгодно производить, когда имеется большая группа двигателей, требующих совместного плавного регулирования скорости вращения (рольганги, текстильные станки и т. п.). Этот способ регулирования скорости мало распространен ввиду сложности его осуществления.

Введение сопротивления в цепь ротора. Первые два способа регулировки скорости вращения асинхронного двигателя требуют или специального исполнения двигателя, или наличия специального преобразователя частоты и поэтому широкого распространения не получили.

Третий способ регулировки скорости вращения асинхронных двигателей состоит в том, что во время работы двигателя в цепь обмотки ротора вводят сопротивление регулировочного реостата.

Рассматривая рис. 256, на котором построены естественная и реостатная механические характеристики асинхронного двигателя, мы видим, что с увеличением активного сопротивления цепи ротора возрастает величина скольжения S, соответствующая заданному значению вращаемого момента М (величина вращающего момента, развиваемого двигателем, равна моменту сопротивления на валу двигателя). Таким образом, вводя дополнительно активное сопротивление в цепь фазного ротора, мы увеличиваем скольжение S и, следовательно, снижаем скорость вращения ротора n. Такой способ регулирования применим только для асинхронных двигателей с фазным ротором.

Регулировочный реостат включают в цепь ротора так же, как и пусковой реостат. Разница между пусковым и регулировочным реостатом состоит в том, что регулировочный реостат рассчитан на длительное прохождение тока. Для двигателей, у которых производится регулировка скорости вращения путем изменения сопротивления в цепи ротора, пусковой и регулировочный реостаты объединяются в один пускорегулировочный реостат.

Недостатком этого способа регулирования является то, что в регулировочном реостате происходит значительная потеря мощности, тем большая, чем шире регулировка скорости вращения двигателя. На рис. 266 изображена схема включения асинхронного двигателя с пускорегулировочным реостатом.

Рис. 266. Схема включения асинхронного двигателя с пускорегулировочным реостатом

Реверсирование асинхронных двигателей. Для изменения направления вращения (реверсирование) асинхронного двигателя следует поменять местами два любых провода из трех, идущих к обмоткам статора двигателя. При этом меняется направление вращения магнитного поля статора и двигатель станет вращаться в другую сторону. Реверсирование двигателя может быть произведено при помощи переключателя (перекидного рубильника), магнитного пускателя и других устройств.

Торможение асинхронных двигателей. В условиях эксплуатации нередко возникает необходимость торможения двигателя с целью ускорить его остановку.

Торможение электрических двигателей может быть механическим, электромеханическим и электрическим. Электромеханическое торможение производится при помощи ленточного или колодочного тормоза, действующего на тормозной шкив, закрепленный на валу двигателя. Ослабление ленты или колодок осуществляется тормозным электромагнитом, обмотка которого соединена параллельно с обмоткой статора двигателя.

Если при работе двигателя переключить две любые фазы, то при этом двигатель начнет развивать вращающий момент, направленный в обратную сторону. Вращение ротора замедляется. Когда скорость вращения приближается к нулю, следует отключить двигатель от сети, в противном случае ротор под действием развиваемого момента начнет вращаться в противоположном направлении. Применяются и другие способы электрического торможения асинхронных двигателей.

§2.5. Пуск, реверсирование и торможение асинхронных двигателей

Пуск.
Условием пуска двигателя является неравенство М_п>М_ст ; если это условие выполняется, то при включении двигателя в сеть ротор приходит в движение и разгоняется до установившегося режима. При пуске ( ω₂= 0, S= 1) ток в роторе достигает наибольшего значения (см. (2.15)). Соответственно велики пусковые токи и в обмотке статора, электродинамические усилия, действующие на обмотку, токовые перегрузки в питающей сети.
У асинхронных двигателей малой мощности и специальных двигателей с повышенным критическим скольжением обычно кратность пускового тока К_iп ≤ 6 и допускается непосредственное включение двигателя в сеть. Если К_iп > 6 или требуется более сильно ограничить пусковой ток, то приходится применять специальные способы пуска. У двигателей с короткозамкнутым ротором это в основном способы пуска при пониженном напряжении питания. По мере разгона ротора токи в обмотках уменьшаются и напряжение может быть повышено до номинального значения. Недостатком способов пуска при пониженном напряжении является то, что пропорционально квадрату фазного напряжения уменьшается пусковой момент (см. (2.22)).
У двигателей с рабочей схемой соединения обмоток статора в “треугольник” возможен пуск переключением со “звезды” на “треугольник”. Пуск происходит при соединении обмоток статора в “звезду”. Фазные напряжения и токи в раз, а линейный ток в √3 раза меньше, чем при прямом пуске на схеме “треугольник”. После разгона обмотки статора переключают на рабочую схему “треугольник”. Однако, как уже отмечалось, уменьшается и пусковой момент – в 3 раза.
У двигателей с контактными кольцами чаще применяется р е о с т а т н ы й способ пуска, основанный на изменении добавочного активного сопротивления – пускового реостата R, включаемого в цепь ротора (рис. 2.13,a).

Рис.2.13

Включение в цепь ротора активного сопротивления уменьшает ток в роторе и одновременно, как показано на рис. 2.13,б, увеличивает пусковой момент: при R_ПD&gtR_ПС>R_ПB>R_ПА пусковой момент М_пD>М_пC>М_пB>М_пA. Пуск осуществляют путем постепенного, обычно ступенчатого, уменьшения сопротивления R_п (жирные линии на рис. 2.13, б). Максимальное значение сопротивления R_п и его ступени ( R_пA, R_пB, R_пC, R_пD ) выбирают так, чтобы пики тока не превышали допустимых и пусковой момент М_п был больше момента сопротивления М_ст. Однако эти двигатели более сложные и дорогие и их целесообразно применять только при тяжелых условиях пуска, когда необходим максимальный пусковой момент и мала мощность питающей сети.
Более современным способом пуска двигателя с контактными кольцами, основанным на изменении добавочного активного сопротивления в цепи ротора, является и м п у л ь с н ы й способ (рис. 2.14,а).

Рис.2.14

Пусковое сопротивление R_п подсоединяют последовательно к обмотке ротора через неуправляемый выпрямитель В. Периодическое подключение R_п производится силовым тиристором Т. Если тиристор Т включен, его сопротивление практически равно нулю, т.е. Rп шунтируется. Если тиристор Т отключен, его сопротивление существенно больше сопротивления R_п и можно считать, что цепь ротора по тиристору разомкнута, а замкнута через сопротивление R_п. Это можно представить как подключение к цепи ротора некоторого пускового сопротивления, среднее значение которого изменяется при изменении относительной продолжительности ε включения тиристора: R_п.cp = R_п (1- ε ) (рис.2.14.б), где ε =t_и /T_и.
Относительная продолжительность может изменяться от I до 0, соответственно, R_п.cp — от 0 до R_п. Семейство механических характеристик при различной скважности будет иметь такой же вид, что и при обычном реостатном пуске (см. рис. 2.13,6), причем характеристике R_пА=0 соответствует ε =1, характеристике R_пD=R_п соответствует ε =0.
Преимущества рассмотренного импульсного способа по сравнению с обычным реостатным заключается прежде всего в том, что пуск может быть плавным и что способ удобен для реализации автоматического пуска.

Реверсирование двигателя.
Изменение направления вращения ротора осуществляется изменением направления вращения поля статора. Для этого достаточно поменять местами выводы двух любых фаз.

Торможение двигателя.
Для быстрой остановки двигателя могут применяться различные способы электрического торможения: рекуперативное, торможение противовключением и динамическое торможение.
Рекуперативное торможение происходит при работе асинхронной машины в режиме генератора параллельно с сетью, т.е. при ω₂>ω₁ (см. рис. 2.9,б). На практике этот режим встречается в основном при переходе с высших угловыхскоростей на низшие, например, при изменении числа пар полюсов или частоты напряжения питания.
Торможение противовключением происходит в том случае, когда магнитное поле статора вращается в одном направлении, а ротор в противоположном. При этом угловая скорость ротора и создаваемый двигателем момент имеют противоположные знаки. Основным способом перевода работающего двигателя в этот режим является переключение любых двух фаз статора. При этом изменяется направление вращения магнитного поля и двигатель переходит из точки А (рис.2.15,а; характеристика 1) в точку В (характеристика 2).

Рис.2.15

Электромагнитный момент М_эм изменяет знак, т.е. становится тормозным, и угловая скорость ротора, продолжающего по инерции вращаться в прежнем направлении, быстро уменьшается. Если в точке С двигатель отключить от сети, ротор остановится. В противном случае произойдет реверсирование двигателя — ротор начнет вращаться в противоположном направлении и перейдет в установившийся режим в точке D.
Реверсирование или торможение противовключением асинхронных двигателей с контактными кольцами средней и большой мощности осуществляется с одновременным подключением к цепи ротора дополнительного активного сопротивления с целью ограничения чрезмерно больших токов.
Динамическое торможение осуществляется отключением обмотки статора от сети переменного тока и подключением к сети постоянного тока (рис.2.15, б; ключ К₁ – разомкнут, К₂ – замкнут). Возникает неподвижное поле статора, которое наводит ЭДС и токи во вращающемся роторе. В результате взаимодействия этих токов с полем статора создается тормозной момент. Механические характеристики в режиме динамического торможения расположены во II квадранте (кривые 2 и 3 на рис.2.15, в) и похожи на механическую характеристику в режиме двигателя (кривая I). В отличие от режима двигателя максимальный момент наступает при тем большей угловой скорости ротора чем больше активное сопротивление ротора. В момент переключения питания двигатель переходит из точки А характеристики I в точку B характеристики 2, электромагнитный момент меняет знак и начинается интенсивное динамическое торможение, заканчивающееся в точке 0.
У двигателей с контактными кольцами в момент переключения в цепь ротора включается добавочное активное сопротивление R_д для повышения начального тормозного момента (переход в точку С ) и снижения токов.

Реверсирование асинхронного двигателя.

Рисунок. Переключение обмотки статора при реверсировании.

Реверсирование асин­хронных двигателей достигается изменением поряд-

ка следования фаз на зажимах обмотки статора. На рисунке представлена схема реверсирования двигателя переключателем П. При изменении поло­жения пере-

ключателя меняется порядок следования фаз на зажи­мах двигателя (А – В- С на А- С — В), что приводит к изме­нению направления вращения магнитного поля, а следовательно, и к изменению направления вращения ротора.

Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока.

Основные части машины постоянного тока. Листы из которых набирают магнитную цепь ротора: а – с открытыми пазами,

б – с полузакрытыми пазами.

Состоит из ротора, статора. Сердечник набирается из листов стали и на него наматывается обмотка – обмотка возбуждения на которую подается напряжение. Якорь или ротор представляет из себя цилиндр, набранный из листовой стали. Концы обмоток выводятся на коллектор, расположенный на валу двигателя. Коллектор контактирует с щетками, через которое подается напряжение на обмотку якоря.

По виду возбуждения двигатели постоянного тока делятся на 2 группы:

1 группа – двигатели с независимым возбуждением, когда на обмотки якоря и на обмотки возбуждения подается напряжение от различных источников:

2 группа – двигатели с самовозбуждением, которые подразделяются:

а) Двигатель с параллельным возбуждением:

б) Двигатель с последовательным возбуждением:

в) Двигатель со смешанным возбуждением:

Двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением.

Машина постоянного тока может также работать в качестве двигателя, т. е. преобразовывать электрическую энергию в меха­ническую.

Если к зажимам неподвижной машины постоянного тока с па­раллельным возбуждением (рис.) подвести извне постоянное напряжение U, то в обмотке якоря начнет протекать ток 1я, а в об­мотке возбуждения — ток I_в. Благодаря коллектору токи в стерж­нях якорной обмотки, расположенных под северным полюсом, будут направлены в одну сторону, а в стержнях, находящихся под южным полюсом, — в противоположную сторону.

В результате взаимодействия токов, протекающих в стержнях якоря, с магнитным потоком Фв обмотки возбуждения на стержни будут действовать электромагнитные силы F, направление которых определяется по правилу левой руки. Эти силы создают электро­магнитный вращающий момент

под действием которого якорь машины начнет вращаться. Электро­магнитный момент М будет преодолевать момент сопротивления М_с, приложенный к валу, — электрическая машина начнет работать в режиме двигателя.

При вращении якоря стержни пересекают магнитные линии, поэтому в обмотке якоря индуктируется э. д. с. Е == спФ.

Пользуясь правилом правой руки, нетрудно убедиться, что э. д. с., индуктируемая в каждом стержне, направлена против про­текающего в нем тока. Э. д. с. Е якорной обмотки двигателя оказы­вается направленной против, внешнего напряжения U. Поэтому эта э. д. с. получила название противоэлектродвижущей силы.

Создание вращающего момента двигателя постоянного тока.

Учитывая противоположные направления U и Е, можно написать следующее выражение для тока в цепи двигателя:

Формулу можно представить в виде : U=E+I_я r_я,

Напряжение U, приложенное к зажимам двигателя, уравнове­шивает противо-э.д.с. и компенсирует падение напряжения в со­противлении r_я обмотки якоря. В отличие от генератора э.д.с. Е двигателя меньше напряжения U на его зажимах. При нормальной работе двигателя величина I_я r_я сравнительно мала и противо-э.д.с. Е составляет примерно 90—95% от напряжения U.

У двигателя с параллельным возбуждением общий ток I, по­требляемый из сети, равен сумме токов, протекающих в обмотке якоря и в обмотке возбуждения (рисунок по теме):

У двигателя с параллельным возбуждением ток I_в составляет 2—5% от номинального тока двигателя I_н.

Что такое реверсирование асинхронного двигателя

Реверсированием называют изменение направления вращения ротора двигателя. Как известно, направление вращения ротора зависит от направления вращения магнитного поля статора, поэтому для изменения направления вращения ротора следует изменить последовательность фаз. На практике это достигается переменой местами любых двух фаз. В тех случаях, когда приходится часто реверсировать двигатель (подъемные краны, лебедки, различные станки и т. д.), пользуются перекидными рубильниками или специальными переключателями (рис. 5-17).

Скорость вращения магнитного поля и связанная с ней скорость вращения двигателя зависят от частоты тока f и числа пар полюсов обмотки р. Для плавного изменения скорости вращения принципиально возможно плавное регулирование частоты питающего тока, однако для этого пришлось бы для каждого двигателя иметь отдельный генератор с плавно изменяющейся частотой напряжения на выходе. Изменение скорости вращения ступенями потребовало бы для каждого значения скорости специальной сети с напряжением определенной частоты. Оба названных выше способа не нашли сколько-нибудь широкого практического применения.

На практике для ступенчатого регулирования скорости изменяют число пар полюсов, создаваемых обмоткой статора. Наша промышленность выпускает многоскоростные двигатели на две, три и четыре синхронные скорости, например на 1500—1000— 750—500 об/мин. Такие двигатели из-за сложности обмоток значительно дороже односкоростных Что касается плавного изменения скорости вращения асинхронного двигателя, то сколько-нибудь простых и надежных способов для этого не существует

Максимальная синхронная скорость, которую можно получить при частоте тока 50 Гц, равна 3000 об/мин (двухполюсный двигатель), однако в некоторых отраслях промышленности (деревообрабатывающей, авиационной и др.) желательно иметь скорость двигателей порядка двух-трех десятков тысяч. Для этой цели применяют специальные двигатели повышенной частоты (100—400 Гц) По конструкции они мало отличаются от обычных асинхронных двигателей на 50 Гц, но питаются от специальных генераторов или от преобразователей частоты. В качестве последних часто применяют агрегаты, состоящие из обычного асинхронного двигателя и высокочастотного генератора. Иногда преобразователь делают следующим образом. К обмотке статора асинхронной машины с контактными кольцами подводят напряжение сети, а ротор этой машины вращают другим, например асинхронным, двигателем в сторону, противоположную его номинальному вращению при данной последовательности фаз. В результате такого вращения в обмотке ротора с контактными кольцами будет индуцироваться ЭДС повышенной частоты:

В последние годы с появлением тиристоров получают распространение тиристорные преобразователи частоты.