При многодвигательном электроприводе иногда требуется, чтобы несколько электродвигателей, удаленных друг от друга на значительное расстояние, вращались с одинаковой скоростью.
Такие случаи имеют место в электроприводах экскалаторов, прокатных станов, механизмов передвижения перегрузочных мостов, некоторых типов грейферных лебедок и др. Вращение электродвигателей, имеющих различную нагрузку, с одинаковой скоростью называется согласованным. Согласованное вращение может быть осуществлено путем механического соединения их валов. Однако при значительном удалении машин друг от друга, а также при неудобном их расположении механическое соединение зачастую оказывается затруднительным, так как при этом необходимо применять валы слишком большой длины и диаметра, большое количество подшипников и других механических приспособлений, что увеличивает вес, габариты, стоимость привода и затрудняет его эксплуатацию.
Для обеспечения согласованного вращения электродвигателей при неодинаковых нагрузках разработан ряд электрических схем, позволяющих получить синхронное вращение электродвигателей без использования механических приспособлений. Такие схемы называются системами синхронного вращения. В них используются асинхронные машины, обеспечивающие наиболее надежную работу привода. Различают системы синхронного вращения со вспомогательными синхронизирующими машинами и без вспомогательных машин. В состав любой системы синхронного вращения входят главные электродвигатели, обеспечивающие привод механизмов. В системах первой группы с валами главных электродвигателей соединяются вспомогательные асинхронные или синхронные машины, с помощью которых и осуществляется согласованное вращение главных электродвигателей.
В системах без вспомогательных машин согласованное вращение осуществляется непосредственно за счет главных электродвигателей, соединенных определенным образом между собой.
Нужно иметь в виду, что в системах со вспомогательными машинами возможно применение главных электродвигателей любого типа. Однако системы синхронного вращения с главными электродвигателями постоянного тока применяются сравнительно редко и здесь не рассматриваются. То же самое относится и к системам синхронного вращения со вспомогательными синхронными машинами, которые не обеспечивают согласованного вращения главных электродвигателей в период пуска и торможения и поэтому применяются очень редко.
Для примера рассмотрим систему синхронного вращения, состоящую (рис. 56, а) из двух главных электродвигателей Д1 и Д2 и двух вспомогательных асинхронных машин А1 и A2. Машина А1 насажена на вал главного электродвигателя Д1 а машина А2—на вал электродвигателя Д2. Главные электродвигатели могут быть удалены друг от друга на значительное расстояние, однако при любых нагрузках они должны вращаться с одинаковыми скоростями. В качестве главных электродвигателей в схеме используются асинхронные короткозамкнутые электродвигатели. Роль же вспомогательных машин выполняют небольшие асинхронные электродвигатели с контактными кольцами; роторы вспомогательных машин, как показано на схеме, соединены встречно. Статорные обмотки всех четырех машин питаются от общей сети трехфазного тока.
Если главные электродвигатели Д1 и Д2 однотипны и имеют одинаковую нагрузку, то вращаются они с одинаковыми скоростями. Вспомогательные машины А1 и А2 тоже имеют при этом одинаковую скорость и никаких вращающих моментов не создают. Это объясняется тем, что обмотки роторов вспомогательных машин включены навстречу друг другу. Вследствие этого э. д. е., наводимые в каждой фазе ротора одной вспомогательной машины, уравновешиваются э. д. е., наводимыми в фазах ротора другой машины. Поэтому в обмотках роторов вспомогательных машин токи отсутствуют и никаких вращающих моментов машины не создают, т. е. главные электродвигатели, имея одинаковые механические характеристики, будут вращаться синхронно и без участия вспомогательных машин.
В случае увеличения нагрузки, например, на электродвигатель Д1 скорость последнего начнет снижаться и между роторами вспомогательных машин А1 и А2 возникнет угол рассогласования. В результате э. д. с. их роторных обмоток уравновешиваться не будут и в них появятся уравнительные токи, что приведет к созданию дополнительных вращающих моментов, приложенных к валам I и II.
Нетрудно доказать, что в рассматриваемом случае вспомогательная машина А1 будет потреблять электроэнергию из сети, а машина А2, наоборот, отдавать определенную часть электроэнергии в сеть. Это значит, что синхронизирующая машина Ах создает вращающий момент, совпадающий с направлением вращения вала I, а машина А2 создает момент, направленный навстречу вращению вала II. В результате нагрузки между главными электродвигателями Д1 и Д2 уравновесятся и скорость вращения их практически не изменится.
В рассмотренной схеме роторы синхронизирующих машин А1 и А2 вращаются в ту же сторону, что и магнитные поля их статоров, т. е. «по полю». Скольжения в этих случаях сравнительно невелики, поэтому нет оснований ожидать, что вспомогательные машины будут создавать большие синхронизирующие моменты. Действительно, величина э. д. с. роторной обмотки асинхронной машины зависит от скольжения. Чем меньше скольжение, тем меньше величины э. д. е., наводимой в обмотке ротора, и тем меньше уравнительные токи, протекающие между роторными обмотками вспомогательных машин при нарушении равновесия. По этой причине синхронизирующие моменты, создаваемые вспомогательными машинами А1 и А2, сравнительно невелики и при большей разности нагрузок между двигателями Д1 и Д2 вспомогательные машины, включенные по схеме, изображенной на рис. 56, а, могут не обеспечить синхронного вращения валов I и II. Этим и объясняется сравнительно редкое использование на практике рассмотренной схемы. Значительно чаще применяется система синхронного вращения асинхронных электродвигателей со вспомогательными машинами, вращающимися «против поля» (рис. 56,б), получившая название «электрического вала». Эта схема работает практически так же, как и предыдущая. Разница состоит только в том, что здесь роторы вспомогательных машин А1 и А2 под действием главных электродвигателей Д1 и Д2 вращаются в сторону, противоположную направлению вращения магнитного поля статора. Поэтому при рассогласовании системы, когда нагрузки на двигатели Д1 и Д2 будут неодинаковы, вращающие моменты, создаваемые синхронизирующими машинами, будут значительно выше, чем в первом случае, а это обусловливает большую надежность схемы и согласованность вращения главных электродвигателей Д1 и Д2 практически при любых нагрузках.
Схема «электрического вала» обеспечивает синхронное вращение главных электродвигателей не только при значительной разнице моментов статического сопротивления в установившихся электродвигательном и тормозных режимах работы, но и при переходных процессах (во время пусков и реверсов). Однако ее главным недостатком является большое количество электрических машин, что усложняет привод и увеличивает его стоимость.
При небольшой разнице в нагрузках согласованное вращение асинхронных электродвигателей может быть достигнуто без использования вспомогательных синхронизирующих машин. Для этого главные электродвигатели Д1 и Д2 необходимо включать по схеме, показанной на рис. 57. Как и в предыдущих схемах, статорные обмотки электродвигателей питаются от общей сети трехфазного тока, а роторы включены навстречу друг другу и присоединены к реостату (для увеличения скольжения при различных нагрузках электродвигателей). Если электродвигатели Д1 и Д2 нагружены одинаково и вращаются строго синхронно, э. д. с., наводимые в роторных обмотках, равны по величине и направлены навстречу друг другу.
Если из-за неравенства нагрузки один из роторов отстанет от другого, в проводах, соединяющих роторы, появится уравнительный ток, который создаст для более нагруженной машины дополнительный двигательный, а для менее нагруженной машины дополнительный тормозной момент. Последнее приведет к тому, что нагрузки на электродвигатели станут равными и они будут вращаться синхронно.
Система синхронного вращения без вспомогательных машин отличается простотой, обеспечивает синхронное вращение главных электродвигателей в установившемся двигательном режиме и тормозном режиме противовключения. Однако величина синхронизирующего момента, как указывалось, зависит от величины э. д. с. ротора, а последняя, в свою очередь, от скольжения, при котором работает машина. Поэтому при малых величинах скольжения синхронизирующий момент, создаваемый электродвигателями, будет мал, и электродвигатели, будучи выведены из состояния синхронной работы, вернуться в нее не смогут, так как даже при сравнительно небольшой разнице в моментах статического сопротивления (10—15%) скольжение должно быть не менее 20—25%. Поэтому чтобы электродвигатели вращались синхронно, необходимо искусственно увеличивать их скольжение введением дополнительных сопротивлений в роторные цепи, что приводит к увеличению потерь мощности.
Рассматриваемая система имеет и недостатки. При отключении электродвигателей от сети их синхронное вращение нарушается. Это приводит к тому, что при последующем пуске могут возникнуть недопустимо большие пусковые токи и моменты из-за возможного значительного угла рассогласования роторов. Для предотвращения этого схему приходится усложнять и она практически теряет все свои преимущества. Поэтому эта схема применяется сравнительно редко, хотя стоимость установки меньше предыдущей.
|