Синхронный двигатель

Реактивные синхронные двигатели

Ротор реактивных СД является невозбужденным, но его магнитное сопротивление непостоянно вдоль окружности воздушного зазора.

Принцип действия реактивного СД рассмотрим на статической модели, представленной на рис. 3.2. Вращающееся магнитное поле статора Фd заменим полем постоянного магнита. Угол между продольной осью ротора d и осью магнитного потока Фd обозначим g.

В том случае, когда g =0 (рис. 3.2, а), магнитные силовые линии проходят по пути наименьшего сопротивления и не деформируются. Реактивный вращающий момент Mр=0. Ротор находится в положении устойчивого равновесия. Если принудительно повернуть на угол g по часовой стрелке (рис. 3.2, б), то магнитные силовые линии изогнутся. Деформация магнитного поля вследствие упругих свойств силовых линий вызовет реактивный вращающий момент, стремящийся повернуть ротор против часовой стрелки. Очевидно, что при наличии внешнего момента Mн, ротор установится в такое положение, когда Mр= Mн.

В реальных реактивных СД обмотки статора создают вращающееся магнитное поле, а ротор увлекается реактивным моментом вслед за полем и вращается с угловой скоростью поля.

Важной характеристикой реактивного СД является удельный реактивный момент, который определяется как   

  при g =0.

Величина удельного момента зависит от формы ротора и величины потока возбуждения в квадрате.

Реактивный СД не имеет собственного пускового момента, поэтому у таких двигателей применяется асинхронный метод пуска. В качестве пусковой обмотки на роторе служит либо обмотка типа «беличья клетка», либо алюминиевые части ротора. Когда скорость wд достигает величины, близкой к синхронной (~0,95wс), явнополюсный ротор взаимодействует с полем и втягивается в синхронизм. Ток коротко замкнутой обмотки падает до 0.

Причиной этого явления является нестабильность реактивного момента и момента нагрузки. Существуют внешние и внутренние (конструктивные) причины, приводящие к нестабильности моментов: эллиптичность вращающегося магнитного поля; неравномерность магнитной проводимости по различным осям двигателя; неточная балансировка ротора; тормозные моменты в подшипниках; колебания и несинусоидальность напряжения питания; неравномерность нагрузки на валу двигателя.

К уменьшению амплитуды качаний ротора приводят следующие факторы: увеличение удельного реактивного момента; улучшение технологии изготовления двигателей; использование электрического демпфирования. Так коротко замкнутая пусковая обмотка является одновременно и демпфирующей, т. к. при качаниях ротора относительно поля в ней наводятся токи, создающие момент, препятствующий качаниям ротора.

На рис. 3.4 показаны механическая (а) и регулировочная (б) характеристики реактивного СД. Механическая характеристика горизонтальна вплоть до величины максимального момента Mмакс, при котором двигатель выпадает из синхронизма и останавливается. На рис. 3.4 также показана механическая характеристика для пусковой обмотки (кривая 2).

Реактивные СД имеют много разновидностей, которые можно разделить на три основные группы: 1) реактивные СД с распределенными обмотками статора; 2) редукторные реактивные СД; 3) реактивные СД     с сосредоточенными обмотками статора (будут рассмотрены в разделе «шаговые двигатели»).

Реактивные синхронные двигатели с распределенными обмотками статора. Статор таких двигателей принципиально ничем не отличается от статора обычных синхронных и асинхронных машин. Его задача – создать вращающееся магнитное поле.

Ротор – явнополюсный. На рис. 3.5 изображены конструкции явнополюсных роторов. На рис. 3.5, а, б ротор выполнен из электротехнической стали. В нем находится «беличья клетка» для асинхронного пуска двигателя. Различная магнитная проводимость достигается за счет внешних (рис. 3.5, а) или внутренних пазов (рис. 3.5, б) в магнитном материале. В конструкции на рис. 3.5, в различная магнитная проводимость ротора достигается за счет выполнения его из двух разнородных по магнитным свойствам материалов.

Реактивные СД имеют невысокие энергетические показатели. Для рассматриваемой конструкции к.п.д. лежит в диапазоне от 5% до 40%.

Реактивный редукторный двигатель. Редукторные СД позволяют получить пониженную синхронную скорость вращения при питании от стандартной сети без механического редуктора.

Следовательно, угловая скорость ротора wд меньше угловой скорости поля статора wс в  раз. Коэффициент редуцирования скорости . Для рассмотренного случая (рис. 3.6)          Kр=4. Если          zр=100 и zc=98, то Kр=50. Однако следует иметь ввиду, что число зубцов ограничивается технологическими соображениями.

Реактивные редукторные СД имеют недостатки, характерные для всех реактивных СД – малый вращающий момент, низкие энергетические показатели и большую массу.

Синхронные гистерезисные двигатели

В синхронных гистерезисных двигателях (СГД) вращающий момент возникает за счет гистерезиса при перемагничивании ротора. Статор СГД обычный, служит для создания вращающегося магнитного поля. Ротор выполнен из магнитотвердого материала. Используются материалы типа викалоя и ални с широкой петлей гистерезиса. Ротор выполняется сборным: на немагнитной или магнитомягкой втулке 2 напрессовано кольцо из магнитотвердого материала 1 (рис. 3.7). При ограниченной мощности возбуждения оптимальное по намагничиванию использование магнитотвердого материала кольца и наилучшие энергетические показатели достигаются при определенном соотношении между толщиной кольца и диаметром ротора.

Для выяснения природы гистерезисного момента рассмотрим физические процессы, происходящие в роторе при асинхронном вращении, т.е. когда материал ротора непрерывно перемагничивается. На рис. 3.8, а магнитный поток статора Фс занимает положение А, а элементарные магнитики ротора ориентированы вдоль этого потока. Силы взаимодействия Fэм элементарных магнитиков с потоком статора Фс направлены вдоль этого потока и вращающего момента не создают. При перемещении потока статора в положение Б в том же направлении будут поворачиваться и элементарные магнитики (рис. 3.8, б). Однако вследствие явления гистерезисного запаздывания магнитики не повернутся на тот же угол, что и поток Ф1, а будут отставать от него на угол гистерезисного запаздывания gг.

Таким образом между направлением потока статора Ф1 и направлением намагниченности ротора образуется угол gг, который определяется коэрцитивной силой материала ротора. Силы взаимодействия Fэм будут иметь тангенциальные составляющие Ft, которые и создадут гистерезисный момент асинхронного режима Mг. Этот момент пропорционален модулю векторного произведения пространственных векторов магнитного потока ротора Фр, образованного элементарными магнитиками, и м.д.с. статора Fс, которые вращаются со скоростью поля со сдвигом на угол gг:

Mг=kFсФрsingг,                        (3.2)

где k – конструктивный коэффициент.

Пространственный угол gг не зависит от угловой скорости ротора и зависит только от коэрцитивной силы материала ротора, при которой начинается его перемагничивание (изменение направления поля элементарных магнитиков). Поэтому не зависит от угловой скорости ротора и вращающий гистерезисный момент Mг.

Механическая характеристика идеального гистерезисного двигателя приведена на рис. 3.9. Характеристика абсолютно жесткая, а пусковой момент равен моменту при синхронной угловой скорости (Mп=Mг).

Момент двигателя в синхронном режиме равен моменту нагрузки Mн, но не может превышать величины Mг. В зависимости от момента нагрузки Mн на валу двигателя изменяется угол отставания g оси поля ротора от оси поля статора. При Mн=0 (холостой ход) g=0. При Mн=Mг (максимальное значение момента) g=gг. При дальнейшем увеличении момента Mн начинается перемагничивание материала ротора, а вращающий момент остается постоянным, равным Mг. При Mн>Mг ротор двигателя выходит из синхронизма и останавливается.

В том случае, если момент нагрузки зависит от скорости вращения ротора Mн=f(w), то возможен как синхронный, так и асинхронный режим работы двигателя. Если момент нагрузки во всем диапазоне скоростей на превышает Mг (прямая 1 на рис. 3.9), то установится синхронная скорость wс, и вращающий момент будет соответствовать точке А на механической характеристике. Если изменение момента нагрузки идет по прямой 2, то установится асинхронная скорость w2<wс, а момент двигателя будет равен Mг. Следует отметить, что использование гистерезисного двигателя в асинхронном режиме неэкономично вследствие больших потерь на перемагничивание ротора, особенно при больших скольжениях.

Синхронные гистерезисные двигатели обладают рядом ценных качеств. Они развивают большой пусковой момент и способны входить в синхронизм плавно, без рывков благодаря постоянному значению пускового момента во время пуска при изменении w от 0 до wс. Потребляемый ток незначительно (на 20–30%) изменяется при изменении режима работы от короткого замыкания (w=0) до холостого хода (Mн=0, w=wс), что позволяет эффективно использовать гистерезисные двигатели в повторно-кратковременном режиме. Гистерезисные двигатели просты по конструкции и надежны в эксплуатации.

Энергетические показатели гистерезисных двигателей не высоки, т. к. магнитный поток ротора является вторичным, т.е. наведенным рабочим потоком статора, и режим работы такого двигателя соответствует режиму синхронной машины с недовозбуждением. К.п.д. гистерезисного двигателя можно повысить путем подмагничивания ротора с помощью кратковременного повышения значения магнитного потока статора за счет увеличения подводимого к нему напряжения.

Шаговые синхронные двигатели

Шаговые двигатели (ШД) преобразуют команду, заданную в виде импульсов, в фиксированное угловое или линейное перемещение. ШД являются дискретными преобразователями и широко используются при управлении с использованием цифровой вычислительной техники.

Шаговые двигатели можно подразделить на три основные конструктивные группы: с постоянными магнитами (активный ротор), реактивные и индукторные.

Шаговые двигатели могут иметь различное число фаз, но наибольшее распространение получили двух-, трех- и четырехфазные ШД. Обмотка фазы статора либо целиком является обмоткой управления, либо ее разделяют на две (выводом от средней точки), магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на 1800.

Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или разнополярных импульсов.

Принцип действия ШД рассмотрим на примере конструкции, представленной на рис. 3.10. Статор имеет явновыраженные полюса (зубцы), на которых расположены обмотки управления. В рассматриваемом примере ШД имеет 4 фазы. Каждая фаза состоит из двух обмоток, расположенных на противоположных полюсах. Начало обмоток обозначено цифрами 1, 2, 3, 4. Конец обмоток – цифрами 1¢, 2¢, 3¢, 4¢.

Ротор явнополюсный, и может быть как намагниченным (активного типа), так и намагниченным (как у индукторных СД). Рассмотрим сначала не намагниченный ротор.

При подаче импульса тока на обмотку 1–1¢ ротор за счет реактивного момента встанет напротив соответствующих зубцов (полюсов) статора. Если затем подать импульс на обмотку 2–2¢, то ротор повернется против часовой стрелки на угол 450 и встанет напротив соответствующих зубцов. Если подавать импульсы на обмотки в последовательности 1–2–3–4, то ротор будет вращаться против часовой стрелки. Для вращения по часовой стрелке последовательность подключения фаз должна быть 1–4–3–2. При пассивном роторе импульсы управления могут быть однополярными. Если подать импульсы управления на две соседние фазы одновременно (например, 1 и 2), то ротор займет промежуточное положение между зубцами 1 и 2. Это явление называется электрическим дроблением шага.

Если используется ротор активного типа, то импульсы управления должны быть разнополярными. В рассматриваемом примере для вращения против часовой стрелки подаются положительные импульсы в последовательности 1–2–3–4 (поворот на первые 1800), а затем отрицательные в последовательности 1–2–3–4 (вторые 1800). При вращении по часовой стрелке последовательность 1–4–3–2–1–4–3–2 (поворот на 3600). Цифра с чертой означает, что на данную фазу подается отрицательный импульс. Управление разнополярными импульсами усложняет схему управления двигателем, поэтому в ШД чаще используется пассивный ротор.

В реактивных ШД ротор так же как и статор имеет зубчатую конструкцию. На рис. 3.11 статор имеет 12 зубцов, а ротор – 16 зубцов. Обмотки 1–4–7–10 соединены последовательно и составляют одну фазу (Ф1). Аналогично обмотки 2–5–8–11 и 3–6–9–12 составляют фазы Ф2 и Ф3. Таким образом имеется всего 3 фазы.

При подаче импульса на фазу Ф1 магнитный поток замыкается, как показано на рис. 3.11. Напротив зубцов статора 1–4–7–10 стоят зубцы ротора 1¢-5¢-9¢-13¢. Если следующий импульс подать на фазу Ф2 (2–5–8–11), то магнитный поток должен найти другой путь. Наименьший зазор оказывается между зубцами 2–5–8–11 статора и зубцами 2¢-6¢-10¢-14¢ ротора соответственно. Появится реактивный момент, который повернет ротор так, что указанные зубцы ротора и статора окажутся напротив друг друга. Угол поворота ротора составит 300-22,50=7,50. При подаче импульса на Ф3 ротор повернется еще на 7,50 и т.д. Подавая импульсы тока в последовательности 1–2–3–1, мы получим вращение ротора шагами по часовой стрелке. Для вращения ротора против часовой стрелки импульсы нужно подавать на фазы в последовательности 1–3–2–1.

Угол поворота на один шаг определяется числом фаз Nф и числом зубцов ротора Nр:

.                    (3.3)

Существует много конструктивных разновидностей ШД. Если статор и ротор развернуть в линию, то получится линейный ШД (рис. 3.12). Очевидно, что в этом случае линейное перемещение ротора будет ограничено его длиной.

Режим работы ШД в значительной мере определяется частотой следования управляющих импульсов f.

Статический режим (f=0) соответствует прохождению постоянного тока по обмоткам управления, создающим неподвижное магнитное поле. Основной характеристикой этого режима является зависимость статического синхронизирующего момента Mс от угла рассогласования q между продольной осью ротора и м.д.с. статора (моментная характеристика). На рис. 3.14 показаны положения ротора для различных значений q. При           q=0 синхронизирующий момент Mс=0. При q¹0     реактивный синхронизирующий момент Mс¹0. Он стремится повернуть ротор в согласованное положение. Если угол рассогласования равен половине угла между зубцами ротора q=qр, то на каждый зубец действуют равные по величине и противоположные по направлению силы. Результирующий момент Mс=0. Таким образом в диапазоне изменения q от 0 до qр синхронизирующий момент имеет максимум. Зависимость Mс=f(q) показана

Под действием момента нагрузки на валу ШД ротор отклонится от согласованного положения на угол dq. Если Mн превысит Mмакс, то будет потеряна синхронизация между положением ротора и управляющими импульсами. Поэтому для нормальной работы ШД всегда должно выполняться условие Mн< Mмакс.

Для определения пускового момента на рис. 3.15 приведена пунктиром моментная характеристика для второй фазы. При подаче импульса на вторую фазу и указанном угле рассогласования dq момент Mп, показанный на рисунке, и будет являться пусковым. Очевидно, что для него также должно выполняться требование Mп>Mн, иначе произойдет потеря синхронизации. Максимально допустимое значение момента нагрузки Mн макс определяется точкой пересечения моментных характеристик для первой и второй фазы.

При отработке ШД импульсов управления возможны два режима: пошаговый и скоростной.

Пошаговый режим соответствует частоте управляющих импульсов, при которой переходный процесс, чаще всего колебательный, на каждом шаге заканчивается к началу следующего шага, т.е. угловая скорость ротора в начале каждого шага равна нулю (рис. 3.16). Основными показателями ШД в пошаговом режиме являются: а) перерегулирование Dq, т.е. максимальное отклонение ротора от нового устойчивого положения при переходном процессе; б) максимальное значение мгновенной угловой скорости ротора q в процессе шага; в) время затухания свободных колебаний ротора на одном шаге tз.

Страницы: 1, 2, 3