Арменский Е.В., Фалк Г.Б. ??Электромеханические устройства автоматики

–81–

начинает отдавать энергию переменного тока. В этом случае по обмотке

якоря начинает протекать трехфазная система токов и возникает

вращающееся поле якоря

Φ

1

. Угловая скорость этого поля в соответствии с

(3.1) равна

ω

1

=2πf/P

M

=ω

2

, 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

Φ

1

, вращающееся с угловой

скоростью

ω

1

=2πf/P

M

(рис.3.2, а). Индуктор создает постоянный поток

возбуждения Ф

о

. При вращении ротора с постоянной скоростью поля

статора и ротора неподвижны друг относительно друга и в результате их

взаимодействия создается электромагнитный момент M

эм.

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 F

эм

не

имеют тангенциальной составляющей и М

эм

= 0. Ротор находится в

положении устойчивого равновесия. Повернем ротор относительно

полюсов статора на угол

γ (рис. 3.2, в). У сил притяжения F

эм

появляются

тангенциальные составляющие F

t

,и создается момент М

эм

, стремящийся

вернуть ротор в исходное положение. Нетрудно заметить, что

–82–

максимальное значение момента будет при γ = 90

0

. При γ= 180° момент

М

эм

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 180

0

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 син-

хронном двигателе с электромагнитным возбуждением электромагнитный

момент изменяется по закону М

эм

=М

мax

sin γ. Этот момент М

эм

часто

называют синхронизирующим. При числе пар полюсов р

м

> I вместо угла γ

должен быть взят электрический угол

γ

э

= р

м

γ. В соответствии с

уравнением равновесия моментов в установившемся режиме М

эм

= М

ст

=

М

0

+М

н

. Значит, чем больше момент нагрузки М

н

на валу двигателя, тем на

больший угол отстает ротор от поля статора. Значение момента

сопротивления М

ст

не должно превышать М

мах,

т.к. в противном случае

равновесие моментов не устанавливается при любых значениях

γ в

диапазоне от 0

0

до 360

0

и ротор выходит из синхронизма – начинает

отставать от поля статора по угловой скорости. Поэтому М

мах

называют

моментом выхода из синхронизма. Практически рабочий диапазон

моментов выбирается таким образом, чтобы

γ не превышал 20

0

–30

0

.

Пуск синхронных двигателей. У синхронных двигателей без

пусковой обмотки среднее значение пускового момента, развиваемого

двигателем, равно нулю. Объясняется это тем, что при

ω

2

≠ω

1

угол

γ=(ω

1

−ω

2

)р

м

t, т.е. при ω

2

=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

ω

2

≈0.95ω

1

переключатель переводится в положение II. Появляется поток

возбуждения индуктора, и создается синхронный электромагнитный

момент. Частота пульсаций этого момента (

ω

1

-ω

2

)р

м

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

Φ

о

и якоря Φ

1

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

Φ

1

раскладывается на две

составляющие: продольный поток

Φ

1d

, совпадающий по направлению с

продольной осью индуктора, и поперечный поток

Φ

1q

, перпендикулярный

к

Φ

1d

. Потоки Φ

1d

и Φ

1q

считают существующими независимо друг от друга

и от потока возбуждения

Φ

о

. Потоки Φ

0

, Φ

1d

, Φ

1q

и поток рассеяния статора

Φ

σ1

наводят в обмотке якоря ЭДС Е

о

, Е

1d

, Е

1q

, и E

σ1

, 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:

.

U

1

= – Ė

о

– Ė

1d

–

Ė

1q

– Ė

σ1

+İ

1

R

1

,

(3.2)

где U

1

- фазное напряжение питания статора; R

1

-активное сопротивление

обмотки фазы статора.

Потоки

Φ

1d

и Φ

1q

создаются соответствующими составляющими тока

якоря I

d

и I

q

, причем

İ

1

= İ

d

+ İ

q

.

(3.3)

ЭДС от потоков якоря и потока рассеяния можно представить как

падения напряжения на соответствующих индуктивных сопротивлениях

Ė

1d

= -j İ

d

X

1d

; Ė

1q

= -j İ

q

X

1q

; Ė

σİ

= -jİ

1

x

1

, (3.4)

где Х

1d

и X

1q

- индуктивные сопротивления продольной и поперечной

реакции якоря; x

1

- индуктивное сопротивление рассеяния.

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

.

U

1

= - Ė

0

+ j İ

d

X

d

+ j İ

q

X

q

+ İ

1

R

1

, (3.5)

где Х

d

= Х

1d

+x

1

и X

q

=X

q1

+x

1

- синхронные индуктивные сопротивления

машины по продольной и поперечной осям.

В неявнополюсных машинах обычно X

d

=Х

q,

в явнополюсных X

d

≠X

q

,

т.к. не равны магнитные сопротивления R

мd

и R

мq

. Величины X

d

и X

q

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

P

1

=m

1

U

1

I

1

cosϕ, (3.6)

где m

1

- число фаз двигателя; ϕ - сдвиг по фазе между U

1

и I

1

.

Электромагнитная мощность, передаваемая со статора на ротор

магнитным полем и соответствующая электромагнитному моменту,P

эм

=Р

1

-

∆Р

э1

- ∆Р

м

, где ∆Р

э1

- электрические потери в обмотке статора; ∆Р

м

-

магнитные потери.

Если пренебречь потерями ∆Р

э1

и ∆Р

м,

то

Р

эм

≈Р

1

=m

1

U

1

I

1

cos ϕ. (3.7)

На векторной диаграмме (рис.3.4), построенной при тех же

допущениях, угол

ϕ = ψ - θ, где θ – сдвиг по фазе между U

1

и E

0.

С учетом

этого выражение (3.7) преобразуется к виду

P

эм

= m

1

U

1

I

1

cos ψ cos θ + m

1

U

1

I

1

sin ψ sin θ. (3.8)

В соответствии с той же векторной диаграммой можно записать

U

1

cos θ = E

о

– I

d

X

d

= E

о

– I

1

sin ψX

d

,

(3.9)

U

1

sinθ = I

q

X

q

= I

1

cosψ Х

q

.

–86–

На основании (3.9) записываем выражения для I

1

sin ψ и I

1

cos ψ,

подставляем их в (3.8) и, поскольку электромагнитный момент

синхронного режима М

эм

= Р

эм

/ω

1

, получаем

М

эм

=m

1

(U

1

E

о

/ω

1

X

d

)sinθ +m

1

(U

1

2

/2ω

1

)(1/X

q

– 1/X

d

)sin2θ. (3.10)

В соответствии с принципом обратимости электрических машин

выражение (3.10) справедливо и для режима генератора, с той лишь раз-

ницей, 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:

М

с

= m

1

(

U

1

E

о

/ω

1

X

d

)sin θ

(3.11)

и имеет место только в возбужденной машине (при Е

0

≠0).

Вторая (реактивная) составляющая возникает и в невозбужденной

машине, но только при условии X

d

≠X

q

:

M

p

= m

1

(U

1

2

/2ω

1

)(1/X

q

– 1/X

d

) sin 2θ. (3.12)

В возбужденных синхронных двигателях реактивная составляющая

обычно значительно меньше основной, при принятых допущениях ( R

1

=0)

временной угол θ (рис.3.4) между U

1

и Е

о

примерно равен

пространственному углу между результирующим потоком машины и осью

полюсов ротора, поскольку сдвиг по фазе между

Φ

0

и Ео равен 90°, а

между результирующим потоком и U

1

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 M

эм

от θ ),

соответствующая уравнению (3.10), изображена на рис. 3.5 сплошной

линией.

–87–

Рис. 3.5

Эта характеристика построена как сумма основной (штрих-

пунктирная кривая М

с

) и реактивной (пунктирная кривая М

р

)

составляющих для случая Х

d

> Х

q

. При Х

d

< Х

q

знак момента M

p

меняется

на противоположный (см.(3.12)), что сказывается и на результирующем

моменте М

эм.

Рабочие характеристики двигателя. Вид рабочих характеристик

синхронного двигателя в значительной мере зависит от степени

возбуждения машины, т.е. соотношения Е

0

/U

1

. Изменение степени

возбуждения путем регулирования тока возбуждения I

в

при неизменном

моменте и напряжении питания U

1

существенно сказывается на значении и

фазе тока статора I

1

(рис. 3.6,а – U- образная характеристика).

–88–

Рис 3.6

Номинальный ток возбуждения I

в,ном

обеспечивает создание

результирующего магнитного потока машины, соответствующего

приложенному напряжению U

1

, без участия МДС статора. При этом ток

статора активный (

ϕ = 0) и коэффициент мощности двигателя cosϕ = 1.

При недовозбуждении ( I

в

< I

в,ном

)в токе статора появляется отстающая

(индуктивная,

ϕ> 0) составляющая, подмагничивающая машину. При

перевозбуждении ( I

в

> I

в,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 I

в

, 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 I

в

выбран таким,

чтобы при Р

2

= Р

ном

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 Р

1

растет практически пропорционально Р

2

. Ток I

1

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.

Арменский Е.В., Фалк Г.Б. ??Электромеханические устройства автоматики

Подождите немного. Документ загружается.