Двигуни постійного і змінного струму

Електричні двигуни, як електромеханічні перетворювачі енергії, працюють в одному з двох режимів: в режимі двигуна або генератора. В більшості двигунів також передбачена можливість реверсу. Тому електричні машини є чотири квадратними пристроями. Для регулювання швидкості обертання і моменту на валу двигуна необхідно регулювати параметри напруги живлення електричного двигуна, для чого використовуються перетворювачі електричної енергії, які виконують функцію електричних приводів. Функціонування електричного приводу пов’язане зі створенням необхідного електромагнітного моменту М_Е для підтримання необхідної швидкості обертання валу, прискорення чи гальмування. В загальному випадку баланс електричного і механічного моментів двигуна описується виразом:

, (14)

де М_{М_ст} – статична складова механічного моменту, пов’язана з виконанням роботи з обертання валу двигуна,

М_{М_дин} – динамічна складова механічного моменту, пов’язана з виконанням роботи з подолання сил інерції валу двигуна, який має момент інерції J.

З аналізу виразу (14) видно, що існує три можливих стану електроприводу:

1) М_Е > М_{М_ст} – прискорення двигуна;

2) М_Е = М_{М_ст} – обертання валу двигуна з постійною швидкістю;

3) М_Е < М_{М_ст} – гальмування двигуна.

Аналіз електромагнітних процесів в двигунах різного типу в зазначених режимах роботи доцільно проводити за допомогою їх схем заміщення, що показані на рис. 5.

а) двигун постійного струму; б) синхронний двигун; в) асинхронний двигун

Рис. 5. Електричні схеми заміщення двигунів різного типу

Двигуни постійного струму

Електромагнітні процеси в двигуні постійного струму, який живиться від джерела напруги Е, описуються таким рівнянням:

, (15)

де Ф – магнітний потік обмотки якоря,

k – постійний коефіцієнт, який залежить від конструкції двигуна,

ω – кутова швидкість обертання валу двигуна,

І_Я – струм якоря,

R_ДВ – сумарний опір обмоток і щіток двигуна,

Е_ДВ – ЕРС, наведена в обмотці якоря.

Таким чином двигун постійного струму при постійній швидкості обертання є активним навантаженням з протиЕРС. Електричний момент двигуна пропорційний струму якоря І_Я:

. (16)

Синхронні двигуни

Синхронні двигуни мають таку ж швидкість обертання, що і частота мережі. ЕРС Е_СТ, яка наводиться в обмотках статора при відсутності активних втрат рівна і фазній напрузі Е₁:

, (17)

де φ – зсув фаз між фазною напругою і струмом відповідної обмотки статора,

θ – зсув фаз між фазною напругою і фазною ЕРС обмотки статора.

Електричний момент двигуна:

. (18)

Регулювання кута θ здійснюється за допомогою зміни струму обмотки збудження. В більшості випадків велична струму збудження обирається з умови cos φ =1, при якій з мережі не споживається реактивна потужність.

Якщо знехтувати падінням напруги на обмотках статора, обумовленим активним і реактивним опором, ЕРС обмотки статора рівна напрузі мережі

Асинхронні двигуни

Асинхронні двигуни живляться змінним струмом. Максимально можлива швидкість обертання асинхронного двигуна при відсутності втрат визначається частотою напруги f і кількістю полюсів двигуна p:

. (19)

Під навантаженням кутова швидкість двигуна ω < ω₀. Для визначення різниці між швидкостями використовують параметр ковзання s:

. (20)

В номінальному режимі роботи струм намагнічування I_M , що протікає через індуктивний опір контуру намагнічування L_M, рис. 5 в) значно менший ніж приведений струм ротора І₂^/. Якщо фазна напруга мережі рівна Е₁, приведений струм ротора дорівнює:

. (21)

Коефіцієнт потужності:

. (22)

В номінальному режимі ковзання змінюється в межах s = 0.02-0.07, тому коефіцієнт потужності асинхронних двигунів складає 0.85-0.95. Зважаючи на це асинхронні двигуни представляють собою активно-індуктивне навантаження.

Електричний момент:

. (23)

В пускових режимах двигуни з нерегульованим електроприводом споживають в 5-10 разів більшу потужність ніж у номінальному режимі.