Контакторное управление асинхронными электродвигателями

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, как правило, управляются при помощи магнитных пускателей.

Включение электродвигателя производится непосредственно на полное напряжение, за исключением мощных двигателей, требующих ограничения пускового тока.

Разберем простейшую схему управления электродвигателем с короткозамкнутым ротором посредством нереверсивного магнитного пускателя (рис. 7.7). Замыканием контактов вводного выключателя ВВ подается напряжение на силовую и вспомогательную цепи схемы. При нажатии на кнопку 2КУ «пуск» замыкается цепь питания катушки контактора К; при этом главные контакты контактора К замыкаются, присоединяя статор электродвигателя Д к питающей сети. Одновременно при помощи замыкающего блок-контакта К создает цепь питания катушки К независимо от положения контактов кнопки, вследствие чего дальнейшее нажатие на кнопку 2КУ становится излишним.

Отключение электродвигателя Д осуществляется путем нажатия кнопки 1КУ «стоп»; при этом размыкающие (р) контакты 1КУ разрывают цепь питания катушки контактора, что влечет за собой размыкание всех контактов и отключение цепи электродвигателя.

В схеме предусмотрена защита электродвигателя, аппаратов и проводов:

а) от коротких замыканий при помощи предохранителей 1П и 2П;

б) от перегревания при длительных тепловых перегрузках электродвигателя при помощи тепловых реле РТ, замыкающие контакты которых разрывают при перегрузке электродвигателя цепь питания катушки К; при этом нагревательные элементы тепловых реле включаются в две фазы электродвигателя;

в) от самопроизвольных повторных включений электродвигателя (нулевая защита): при снижении или исчезновении напряжения в сети электромагнитное усилие катушки К также снизится, что повлечет за собой отпускание якоря контактора и размыкание контактов; повторный пуск электродвигателя после восстановления рабочего напряжения возможен только после нажатия на кнопку «пуск».

Если требуется ограничивать пусковой ток короткозамкнутого асинхронного электродвигателя, то в цепь статора электродвигателя вводится активное сопротивление или реактор либо включается автотрансформатор. На практике широко применяются другие схемы релейно-контактного управления асинхронного двигателя, позволяющего изменять напряжение вращения его.

Рисунок 7.7. Схема контакторного управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором

Синхронные машины

7.4.1 Назначение и устройство синхронных машин. Синхронные машины используются в качестве:

- источников электрической энергии (генераторов);

- электродвигателей;

- синхронных компенсаторов.

С помощью синхронных трехфазных генераторов вырабатывается электрическая энергия на электростанциях.

Синхронные генераторы приводятся во вращение:

- на тепловых электростанциях (ТЭЦ, ГРЭС, АЭС и др.) с помощью паровых турбин и называются турбогенераторами;

- на гидроэлектростанциях (ГЭС) с помощью гидротурбин и называются гидрогенераторами.

Синхронные генераторы применяются также в установках, требующих автономного источника электрической энергии (автомобильные электрические краны и др.).

Синхронная машина – электрическая машина, скорость вращения п которой находится в строго постоянном отношении к частоте f сети синусоидалыгого тока, с которой эта машина работает:

,

где р – число пар полюсов машины.

Синхронный компенсатор – синхронный двигатель, работающий вхолостую и дающий в сеть регулируемый реактивный ток, что дает возможность поддерживать высокий промышленных установок, заменяя громоздкие батареи конденсаторов.

Статор синхронной машины (рис.7.8) состоит из стального или чугунного корпуса 1, в котором закреплен цилиндрический магнитопровод 2. Для уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничевание, магнитов провод набирают из листов электротехнической стали. В пазах магнита» провода уложена трехфазная обмотка 3. В подшипниковых щитах расположены подшипники, несущие вал 4. На валу размещен цилиндрический; магнитопровод 7 ротора, выполняемый из сплошной стали, в пазах которое го уложена обмотка возбуждения (ОВ) 8, питаемая постоянным током через два изолированных друг от друга и от вала контактные кольца 6, к которым пружинами прижимаются неподвижные щетки 5. Обмотка возбуждения с магнитопроводом ротора по существу являются электромагнитом. Мощность, необходимая для питания обмотки возбуждения, невелика и составляет 1-3% от мощности всей машины.

На рисунке 7.8,а показана двухполюсная синхронная машина с неявно- выраженными полюсами ротора. Такие машины изготовляют на скорости 3000 об/мин.

Синхронные машины с меньшими скоростями (1500, 1000, 750 об/мин и т.д.) имеют явно выраженные полюса, число которых тем больше, чем меньше скорость.

Рисунок 7.8. - Устройство синхронной машины с неявно выраженными полюсами (а) и ротора машины с явно выраженными полюсами (б).

На рисунке 7.8,б показан ротор четырехполюсной машины с явно выраженными полюсами (1), которые изготовляют из отдельных стальных листов или реже цельными и закрепляют на ободе 2 ротора. Отдельные части обмотки возбуждения 3 соединены между собой так, что северные и южные полюсы чередуются.

7.4.2 Принципы действия синхронных машин. При подключении обмотки возбуждения синхронной машины к источнику постоянного тока эта обмотка порождает магнитное поле с амплитудным значением магнитного потока (рис.7.8).

При вращении ротора с помощью первичного двигателя магнитное поле будет также вращаться.

В результате этого в трех фазах обмотки статора будут индуктироваться три ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте, сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 120°, т.е. в обмотках статора генерируется трехфазная симметричная система ЭДС.

Действующее значение Е и частота f синусоидальной ЭДС, индуктируемой в одной фазе обмотки статора вращающимся магнитным полем определяются по формулам:

где w – число витков одной фазы обмотки статора.

,

где р – число пар полюсов магнитного поля ротора.

Для получения стандартной частоты 50 Гц синхронные генераторы изготавливаются с разными числами пар полюсов.

Турбогенераторы тепловых электростанций рассчитываются на скорость 3000 об/мин и имеют одну пару полюсов (р = 1).

Скорость вращения гидрогенераторов определяется высотой напора воды и для различных станций лежит в пределах от 50 до 750 об/мин, так что генераторы имеют от шестидесяти до четырех пар полюсов.

7.4.3 Основные характеристики синхронных генераторов. Важнейшими характеристиками генераторов являются (рис. 7.9):

- характеристика холостого хода;

- внешняя характеристика;

- регулировочная характеристика.

Рисунок 7.9. - Характеристики синхронного генератора: холостого хода (а), внешняя (б) и регулировочная (в)

Характеристика холостого хода показывает, как зависит ЭДС Е (напряжение холостого хода U_хх ) от тока возбуждения I_в.

Внешняя характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора от тока I через него (от тока нагрузки) при

Внешняя характеристика показывает, как изменяется напряжение на зажимах статорной обмотки генератора при изменении тока нагрузки I.

Регулировочная характеристика показывает, как следует изменять ток возбуждения I_в при изменении тока нагрузки I, чтобы поддерживать выходное напряжение генератора постоянным.

ЭЛЕКТРОНИКА

Общие сведения

В настоящее время в промышленности находят применение различные электронные устройства.

Промышленная электроника – наука о применении электронных приборов и устройств в промышленности.

В промышленной электронике можно выделить три области:

- информационную электронику (ИЭ);

- энергетическую электронику (ЭЭ);

- электронную технологию (ЭТ).

Информационная электроника является основой электронно-вычислительной, информационно-измерительной техники и автоматизации производства.

Энергетическая электроника является основой устройств и систем преобразования электрической энергии средней и большой мощностей. Сюда относятся выпрямители, инверторы, мощные преобразователи частоты и др.

Электронная технология включает в себя методы и устройства, используемые в технологических процессах, основанные на действии электрического тока и электромагнитных волн различной длины (высокочастотный нагрев и плавка, ультразвуковая резка и сварка и т.д.), электронных и ионных пучков (электронная плавка, сварка и т.д.).

Главные свойства электронных устройств (ЭУ):

- высокая чувствительность;

- быстродействие;

- универсальность.

Чувствительность электронных устройств – это абсолютное значение входной величины, при котором электронное устройство начинает работать. Чувствительность современных электронных устройств составляет 10^-17 А по току, 10^-13 В по напряжению, 10^-24 Вт по мощности в /3/.

Быстродействие электронных устройств обусловливает их широкое применение в автоматическом регулировании, контроле и управлении быстропротекающими процессами, достигающими долей микросекунды.

Универсальность заключается в том, что в электронных устройствах используется электрическая энергия, которая сравнительно легко получается из различных видов энергии и легко преобразуется в другие виды энергии, что очень важно, т.к. в промышленности используются все виды энергии.

В настоящее время широкое применение в промышленной электронике находят полупроводниковые приборы, т.к. они имеют важные достоинства:

- высокий КПД;

- долговечность;

- надежность;

- малые масса и габариты.

Одним из главных направлений развития полупроводниковой электроники в последние десятилетия являлись интегральная микроэлектроника.

В последние годы широкое применение получили полупроводниковые интегральные микросхемы (ИС).

Микросхема – микроминиатюрный функциональный узел электронной аппаратуры, в котором элементы и соединительные провода изготавливаются в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме полупроводника и имеют общую герметическую оболочку.

В больших интегральных схемах (БИС) количество элементов (резисторов, диодов, конденсаторов, транзисторов и т.д.) достигает нескольких сотен тысяч, а их минимальные размеры составляют 2...3 мкм. Быстродействие БИС привело к созданию микропроцессоров и микрокомпьютеров.

В последнее время широкое развитие получил новый раздел науки и техники – оптоэлектроника. Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические и обратно, а также процессы распространения излучения в различных средах.

Оптоэлектроника открывает реальные пути преодоления противоречия между интегральной полупроводниковой электроникой и традиционными электрорадиокомпонентами (резисторы переменные, кабели, разъемы, ЭЛТ, лампы накаливания и т.д.).

Преимуществом оптоэлектроники являются неисчерпаемые возможности повышения рабочих частот и использование принципа параллельной обработки информации.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод (ПД) – прибор с одним переходом и двумя выводами.

Он хорошо пропускает ток одного направления и плохо пропускает ток противоположного направления.

Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами полупроводникового диода называются прямыми I_пр и обратными I_обр токами, прямыми U_пр и обратными U_обр напряжениями.

На рисунке 8.1 приведено условное изображение полупроводникового диода в схемах электрических цепей и его идеализированная вольтамперная характеристика (ВАХ).

Прямой ток I_пр в ПД направлен от одного вывода (анода) к другому (катоду).

Анализ ВАХ ПД позволяет сделать вывод, что ПД – нелинейный элемент и сопротивление его зависит от величины и направления тока.

Так прямое сопротивление ПД составляет обычно не выше нескольких десятков Ом, а обратное сопротивление не ниже нескольких сотен кОм.

Вольтамперная характеристика ПД имеет ярко выраженные три участка, которые называются прямой (I), обратной (II) ветвями и ветвью стабилизации (III).

Полупроводниковые диоды, у которых рабочим участком является участок стабилизации III, называются стабилитронами. Они имеют значительное обратное сопротивление и применяются в схемах стабилизации напряжения.

Рисунок 8.1. – Вольтамперная характеристика ПД и его условное обозначение