Синхронные двигатели

В синхронном двигателе (СД) ротор вращается со скоростью вращения магнитного поля, т.е. wд=wФ или S=0. Механическая характеристика СД горизонтальна (g=¥). СД практически не используются в САР, т. к. регулирование скорости возможно только частотным методом. Кроме того, многие СД не имеют собственного пускового момента.

Обмотки статора СД создают вращающееся магнитное поле и по конструкции принципиально не отличаются от таковых в АСД. В зависимости от конструкции ротора, устройство и материал которого в значительной мере определяют природу возникновения электромагнитного момента и рабочие характеристики, СД подразделяются на три типа: с активным ротором (постоянными магнитами); реактивные; гистерезисные. Особую группу составляют двигатели дискретного действия – шаговые двигатели, которые в силу слежения ротора за магнитным полем следует отнести к синхронным двигателям.

Синхронные двигатели с активным ротором

Ротор таких СД состоит из двух основных частей: а) постоянных магнитов, создающих магнитный поток возбуждения ротора и обеспечивающих возникновение электромагнитного момента в синхронном режиме; б) короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка», обеспечивающей возникновение электромагнитного момента в процессе асинхронного пуска.

Электромагнитный момент создается в результате взаимодействия вращающегося поля статора с полем возбуждения ротора, которые вращаются с одинаковой скоростью.

Электромагнитный момент СД в синхронном режиме в случае симметричной магнитной цепи и при незначительном активном сопротивлении обмотки статора определяется уравнением, известным из общей теории синхронных машин активного типа [2]:

                                (3.1)

где m – число фаз статора; U – фазное напряжение на обмотке статора; Eо – э.д.с., наводимая магнитным потоком ротора в обмотке фазы статора; wс – синхронная угловая скорость; Xс – индуктивное сопротивление обмотки статора; q – сдвиг по фазе между векторами U и Eо.

Рис. 3.1.

Угол q в синхронном режиме зависит от момента нагрузки на валу двигателя. Угловая характеристика, соответствующая уравнению (3.1), изображена на рис. 3.1. сплошной линией.

В реальных СД с постоянными магнитами магнитная система несимметрична. Активное сопротивление обмотки статора СД небольшой мощности, обычно используемых в САУ, соизмеримо с индуктивными сопротивлениями. Поэтому существенная часть потребляемой мощности теряется на активном сопротивлении обмотки статора.

Оба указанных фактора влияют на значение электромагнитного момента Mс и его зависимость от угла q. Эта зависимость приведена на рис. 3.1. пунктиром.

У СД с постоянными магнитами применяют асинхронный метод пуска. Вращающееся магнитное поле статора во взаимодействии с токами, наведенными в короткозамкнутой обмотке ротора, создает асинхронный момент Mа. Особенность пуска таких двигателей заключается в том., что поток от постоянных магнитов ротора при вращении ротора наводит в обмотках статора э.д.с., частота которой не равна частоте напряжения питания. Под действием э.д.с. в цепи обмоток статора проходят токи, которые во взаимодействии с вызвавшим их потоком ротора создают тормозной момент Mт. Для уменьшения тормозного момента Mт необходимо снижать поток постоянных магнитов ротора.

Оптимальной является такая степень возбуждения ротора, которая обеспечивает наилучшие характеристики в синхронном режиме при заданных пусковых характеристиках.

В мощных СД может использоваться электромагнитное возбуждение ротора. На обмотку ротора через коллектор подается постоянное напряжение, создающее магнитное поле возбуждения ротора. При пуске постоянное напряжение отключается от обмотки ротора, которая на время пуска подключается к сопротивлению. Пусковой момент создается обмоткой типа «беличья клетка».

Такие СД имеют наиболее оптимальные рабочие и пусковые характеристики. Однако они практически не применяются в САУ, где энергетические характеристики не являются решающими. Основные причины этого заключаются в следующем:

1) для работы двигателя необходимы два источника питания: переменного и постоянного тока;

2) скользящий контакт кольца-щетки снижает надежность двигателя и усложняет его конструкцию;

3) требуется специальная пусковая схема, отключающая на период разгона обмотку ротора от источника постоянного тока и подключающая ее к внешнему сопротивлению.

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.

Рис. 3.3.

Характерной особенностью реактивных СД является нестабильность вращения ротора при постоянстве средней скорости вращения. Мгновенная угловая скорость ротора может колебаться в пределах одного оборота относительно средней скорости (рис. 3.3). Это явление присуще и другим СД и называется качанием ротора. Оно нежелательно, т. к. дает ошибку в положении ротора относительно расчетного, что недопустимо при использовании СД в точных системах передачи угловых перемещений.

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).

Рис. 3.4.

б)

а)

Регулировочная характеристика линейна и идет из начала координат. Начальный участок показан пунктиром из-за трудности реализации низких угловых скоростей.

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.

Рис. 3.6.

Статор и ротор такого двигателя имеют зубцы, как показано на рис. 3.6. Числа зубцов статора zс и ротора zр различны, причем обычно zр>zс. На статоре уложена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле Фс.

Рис. 3.6.

Если в данный момент времени поток Фс занимает положение А, то реактивный вращающий момент заставит ротор повернуться в положение наибольшей магнитной проводимости, т.е. напротив статорных зубцов 1 и 4 будут находиться роторные зубцы 1¢ и 5¢. При перемещении потока Фс в положение Б, т.е. на угол 3600/zс, ротор под действием реактивного момента встанет в положение, когда напротив зубцов статора 2 и 5 встанут зубцы ротора 2¢ и 6¢, т.е. ротор повернется на угол 3600/zс-3600/zр.

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.

Рис. 3.7.

 

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.

	а)				б)
			Рис. 3.8.

 

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).

Рис. 3.9.

В синхронном режиме магнитное поле статора и ротор вращаются с одинаковой угловой скоростью и перемагничивания материала ротора не происходит. Магнитный поток ротора Фр сохраняется вследствие остаточного магнетизма и вращается вместе с ротором с синхронной угловой скоростью. Двигатель работает как обычный СД с постоянными магнитами на роторе.

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4