Литература / Фалк_Арменский_ЭлектромеханическиеУстройстваАвтоматики_2002

–81–

начинает отдавать энергию переменного тока. В этом случае по обмотке якоря начинает протекать трехфазная система токов и возникает вращающееся поле якоря Φ1. Угловая скорость этого поля в соответствии с (3.1) равна ω1=2πf/PM=ω2, т.е. поля якоря и индуктора вращаются с одинаковой угловой скоростью. В результате взаимодействия полей создается электромагнитный момент, направленный встречно внешнему. Следовательно, происходит потребление механической энергии от внешнего источника.

Принцип действия синхронного двигателя.

Рис 3.2

Обмотка статора подключается к трехфазной сети переменного тока с частотой f и обмотка создает магнитное поле Φ1, вращающееся с угловой скоростью ω1=2πf/PM (рис.3.2, а). Индуктор создает постоянный поток возбуждения Фо. При вращении ротора с постоянной скоростью поля статора и ротора неподвижны друг относительно друга и в результате их взаимодействия создается электромагнитный момент Mэм. Если ротор отстает по углу от поля статора, то момент направлен в сторону вращения ротора (является вращающим) и с вала двигателя снимается механическая энергия.

Более наглядно процесс возникновения электромагнитного момента можно рассмотреть на статической модели (рис.3.2, б,в), в которой статор и ротор заменены неподвижными постоянными магнитами. В положении, изображенном на рис.3.2,б, угол между полями статора и ротоpa равен нулю, силы притяжения разноименных полюсов статора и ротора Fэм не имеют тангенциальной составляющей и Мэм = 0. Ротор находится в положении устойчивого равновесия. Повернем ротор относительно полюсов статора на угол γ (рис. 3.2, в). У сил притяжения Fэм появляются тангенциальные составляющие Ft ,и создается момент Мэм, стремящийся вернуть ротор в исходное положение. Нетрудно заметить, что

–82–

максимальное значение момента будет при γ = 900. При γ= 180° момент Мэм снова равен нулю, но это положение неустойчивого равновесия ротора, т.к. между одноименными полюсами статора и ротора действуют силы отталкивания. Достаточно малейшего отклонения угла γ от 1800 и эти силы вернут ротор в положение γ = 0 (понятия положений устойчивого и неустойчивого положений ротора соответствуют аналогичным понятиям у обычного физического маятника).

Следовательно, в первом приближении можно считать, что в синхронном двигателе с электромагнитным возбуждением электромагнитный момент изменяется по закону Мэм=Ммaxsin γ. Этот момент Мэм часто называют синхронизирующим. При числе пар полюсов рм> I вместо угла γ должен быть взят электрический угол γэ= рм γ. В соответствии с уравнением равновесия моментов в установившемся режиме Мэм= Мст= М0+Мн. Значит, чем больше момент нагрузки Мн на валу двигателя, тем на больший угол отстает ротор от поля статора. Значение момента сопротивления Мст не должно превышать Ммах, т.к. в противном случае равновесие моментов не устанавливается при любых значениях γ в диапазоне от 00 до 3600 и ротор выходит из синхронизма – начинает отставать от поля статора по угловой скорости. Поэтому Ммах называют моментом выхода из синхронизма. Практически рабочий диапазон моментов выбирается таким образом, чтобы γ не превышал 200 –300.

Пуск синхронных двигателей. У синхронных двигателей без пусковой обмотки среднее значение пускового момента, развиваемого двигателем, равно нулю. Объясняется это тем, что при ω2≠ω1 угол γ=(ω1−ω2)рмt, т.е. при ω2=0 изменяется во времени с частотой ω=2πf. С этой частотой изменяется и мгновенное значение электромагнитного момента, направление момента дважды изменяется за период оборота поля статора. Ротор, обладающий значительным моментом инерции, за полпериода не может успеть разогнаться до синхронной скорости: под действием пульсирующего момента он вибрирует в положении устойчивого равновесия и во вращение не приходит. Поэтому для пуска синхронных двигателей применяются специальные способы, наиболее распространенным из которых является асинхронный способ пуска

(рис.3.З, а ).

–83–

Рис. 3.3

Для реализации этого способа на роторе двигателя, как уже отмечалось, располагается короткозамкнутая пусковая обмотка П. В начальный период пуска (переключатель Пер в положении I) обмотка возбуждения В ротора отключена от источника и замкнута на сопротивление с целью снятия перенапряжении и создания дополнительного пускового момента. Двигатель работает как обычный асинхронный двигатель, и под действием асинхронного пускового момента ротор начинает разгоняться (рис.3.3, б). При достижении угловой скорости ω2≈0.95ω1 переключатель переводится в положение II. Появляется поток возбуждения индуктора, и создается синхронный электромагнитный момент. Частота пульсаций этого момента (ω1-ω2)рм близка к собственной частоте ротора, ротор начинает раскачиваться и в процессе качаний входит в синхронизм. Наибольший момент сопротивления, при котором ротор еще

–84–

втягивается в синхронизм, называется моментом входа. Реверсирование двигателя осуществляется изменением направления вращения магнитного поля.

Векторная диаграмма синхронного двигателя. Взаимодействие магнитных потоков индуктора Φо и якоря Φ1 приводит к возникновению в возбужденной машине результирующего магнитного поля. Воздействие МДС якоря на результирующее магнитное поле называется реакцией якоря.

Анализ работы синхронных машин обычно проводят на основе теории двух реакций. При этом поток якоря Φ1 раскладывается на две составляющие: продольный поток Φ1d, совпадающий по направлению с продольной осью индуктора, и поперечный поток Φ1q, перпендикулярный к Φ1d. Потоки Φ1d и Φ1q считают существующими независимо друг от друга и от потока возбуждения Φо. Потоки Φ0, Φ1d, Φ1q и поток рассеяния статора Φσ1 наводят в обмотке якоря ЭДС Ео, Е1d, Е1q, и Eσ1, отстающие по фазе на 90° от соответствующих потоков.

Уравнение равновесия ЭДС и напряжений на фазу обмотки статора составляют по второму закону Кирхгофа в форме, аналогичной уравнению для первичной обмотки трансформатора:

ЭДС от потоков якоря и потока рассеяния можно представить как падения напряжения на соответствующих индуктивных сопротивлениях

Ė1d = -j İd X1d ; Ė1q = -j İq X1q ; Ėσİ= -jİ1 x1 , (3.4)

где Х1d и X1q - индуктивные сопротивления продольной и поперечной реакции якоря; x1 - индуктивное сопротивление рассеяния.

Преобразуем выражение (3.2) с учетом (3.4) и (3.З) и получаем

где Хd= Х1d+x1 и Xq=Xq1+x1 - синхронные индуктивные сопротивления машины по продольной и поперечной осям.

В неявнополюсных машинах обычно Xd=Хq, в явнополюсных Xd≠Xq, т.к. не равны магнитные сопротивления Rмd и Rмq. Величины Xd и Xq определяются как индуктивные сопротивления обмотки фазы статора при совпадении её оси с соответствующей остью ротора.

Пренебрегая активным сопротивлением обмотки статора, на основании уравнения (3.5) можно построить упрощенную векторную

–85–

диаграмму синхронного двигателя. Для перевозбужденного двигателя, у которого по обмотке статора протекает опережающий активно-емкостной ток, т.е. угол между основной ЭДС и током статора ψ<0, векторная диаграмма изображена на рис. 3.4.

Рис 3.4

Электромагнитный момент синхронного двигателя. Активная мощность, потребляемая симметричным двигателем из сети, равна

где m1 - число фаз двигателя; ϕ - сдвиг по фазе между U1 и I1. Электромагнитная мощность, передаваемая со статора на ротор

магнитным полем и соответствующая электромагнитному моменту,Pэм=Р1- ∆Рэ1 - ∆Рм, где ∆Рэ1 - электрические потери в обмотке статора; ∆Рм - магнитные потери.

Если пренебречь потерями ∆Рэ1 и ∆Рм, то

–86–

На основании (3.9) записываем выражения для I1 sin ψ и I1 cos ψ, подставляем их в (3.8) и, поскольку электромагнитный момент синхронного режима Мэм = Рэм/ω1, получаем

Мэм=m1(U1Eо/ω1Xd)sinθ +m1(U12/2ω1)(1/Xq – 1/Xd)sin2θ. (3.10)

В соответствии с принципом обратимости электрических машин выражение (3.10) справедливо и для режима генератора, с той лишь разницей, что знаки θ и M эм будут отрицательными.

Как видно из (3.10), электромагнитный момент имеет две составляющие. Первая (основная синхронная) определяется взаимодействием полей статора и ротора:

и имеет место только в возбужденной машине (при Е0 ≠0).

Вторая (реактивная) составляющая возникает и в невозбужденной машине, но только при условии Xd≠Xq:

Mp = m1(U12/2ω1)(1/Xq – 1/Xd) sin 2θ. (3.12)

В возбужденных синхронных двигателях реактивная составляющая обычно значительно меньше основной, при принятых допущениях ( R1 =0) временной угол θ (рис.3.4) между U1 и Ео примерно равен пространственному углу между результирующим потоком машины и осью полюсов ротора, поскольку сдвиг по фазе между Φ0 и Ео равен 90°, а между результирующим потоком и U1 примерно равен 90°. Значение этого угла, как следует из принципа работы двигателя, зависит от момента нагрузки, поэтому угол θ называют часто углом нагрузки.

Угловая характеристика двигателя (зависимость Mэм от θ ), соответствующая уравнению (3.10), изображена на рис. 3.5 сплошной линией.

–87–

Рис. 3.5

Эта характеристика построена как сумма основной (штрихпунктирная кривая Мс) и реактивной (пунктирная кривая Мр ) составляющих для случая Хd> Хq. При Хd < Хq знак момента Mp меняется на противоположный (см.(3.12)), что сказывается и на результирующем

моменте Мэм.

Рабочие характеристики двигателя. Вид рабочих характеристик синхронного двигателя в значительной мере зависит от степени возбуждения машины, т.е. соотношения Е0/U1. Изменение степени возбуждения путем регулирования тока возбуждения Iв при неизменном моменте и напряжении питания U1 существенно сказывается на значении и фазе тока статора I1 (рис. 3.6,а – U- образная характеристика).

–88–

Рис 3.6

Номинальный ток возбуждения Iв,ном обеспечивает создание результирующего магнитного потока машины, соответствующего приложенному напряжению U1, без участия МДС статора. При этом ток статора активный ( ϕ = 0) и коэффициент мощности двигателя cosϕ = 1. При недовозбуждении ( Iв < Iв,ном)в токе статора появляется отстающая (индуктивная, ϕ> 0) составляющая, подмагничивающая машину. При перевозбуждении ( Iв > Iв,ном ) в токе статора появляется опережающая (емкостная, ϕ< 0 ) составляющая, размагничивающая машину. Это делает целесообразным использовать синхронные двигатели в режиме перевозбуждения для повышения соs ϕ систем энергопитания путем компенсации опережающими реактивными токами синхронных двигателей отстающих реактивных токов асинхронных двигателей или трансформаторов, включенных в ту же систему. Следует отметить, что

–89–

конкретное значение Iв, при котором ϕ=0, тем больше, чем больше момент двигателя. На рис. 3.6,б показаны основные рабочие характеристики синхронного двигателя в режиме перевозбуждения. Если Iв выбран таким, чтобы при Р2 = Рном коэффициент мощности cos ϕ был близок к максимальному (с ϕ < О ), то при уменьшении нагрузки в статоре растет реактивная опережающая составляющая и cos ϕ уменьшается. Кривая КПД η имеет вид, характерный для всех электрических машин. Потребляемая мощность Р1 растет практически пропорционально Р2. Ток I1 растет нелинейно за счет большой реактивной составляющей, особенно при холостом ходе.

§3.2. Синхронные микродвигатели непрерывного вращения

Синхронные микродвигатели с электромагнитным возбуждением имеют наиболее оптимальные рабочие и пусковые характеристики. Однако такие микродвигатели практически не применяют в автоматических устройствах малой мощности, где энергетические характеристики не являются решающими. Основные причины заключаются в следующем: для работы микродвигателя необходимо два источника питания: переменного и постоянного тока; скользящий контакт кольца-щетки снижает надежность микродвигателя и усложняет его конструкцию; требуется специальная пусковая схема, отключающая на период разгона обмотку возбуждения ротора от источника постоянного тока и подключающая ее к внешнему сопротивлению. Поэтому в качестве синхронных электромашинных устройств автоматики наибольшее распространение получили бесконтактные синхронные микродвигатели: с постоянными магнитами на роторе (активного типа), реактивные, гистерезисные.

Статор этих микродвигателей не отличается от статоров обычных синхронных и асинхронных машин. Магнитопровод статора выполняют наборным из листовой электротехнической стали. В пазах статора располагают трехфазную или двухфазную распределенную обмотку, создающую вращающееся магнитное поле.

–90–

Рис. 3.7

На рис.3.7,а,б в качестве примера показаны схемы включения трехфазного двигателя с постоянными магнитами в трехфазную сеть переменного тока и двухфазного гистерезисного двигателя в однофазную сеть переменного тока (конденсаторная схема).

Общим свойством рассматриваемых в настоящем параграфе микродвигателей является равенство в синхронном режиме угловой скорости ротора и первой гармоники магнитного поля статора.

Микродвигатели с постоянными магнитами (активного типа). В

рассматриваемых микродвигателях наиболее распространенными являются роторы с радиальным (рис.3.8, а) и аксиальным (рис.3.8, б) смещением постоянных магнитов и пусковой обмотки.