Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

250

63.8. Шаовые двиатели

Шаговыми двигателями называют исполнительные двигатели

дискретного действия, питающиеся импульсами электрической энер-

гии, ротор которых под воздействием каждого импульса перемещает-

ся на некоторый вполне определенный угол, называемый шагом. Та-

кие двигатели применяются в системах автоматического управления,

например в станках с программным управлением.

Простейший шестифазный двухполюсный реактивный шаговый

двигатель изображен на рис. 63.16. Фазы его обмотки разбиты на три

группы (1 и 4, 2 и 5, 3 и 6). Фазы каждой группы соединены между

собой параллельно и встречно. Поэтому при подаче положительного

импульса напряжения на одну из фаз группы одновременно подается

отрицательный импульс на другую фазу группы. При поступлении

импульса напряжения на обмотку фазы 1 явнополюсный ротор зай-

мет положение, показанное на рис. 63.16, а. Если при сохранении на-

пряжения на фазе 1 подать напряжение на фазу 2, то ротор повернется

в положение, показанное на рис. 63.16, б, отработав шаг α

= π /6. По-

сле снятия напряжения с фазы 1 ротор повернется дополнительно на

угол π /6 (рис. 63.16, в), сделав еще один шаг, и т.д.

Если импульсы напряжения подаются на обмотки в последова-

тельности, показанной на рис. 63.17, то ротор повернется против ча-

совой стрелки на угол α = Nα

, пропорциональный количеству им-

пульсов N. Если импульсы подаются в обратной последовательности,

то ротор повернется по часовой стрелке.

Для управления шаговыми двигателями используются электрон-

ные или полупроводниковые коммутаторы, формирующие импульсы

напряжения необходимой формы и частоты. С помощью схемы

управления осуществляется работа двигателей при различных часто-

a) б) в)

R/6

R/3

Рис. 63.16. К объяснению принципа действия четырехфазного шагового реактив-

ного двигателя

251

тах и порядке следования импуль-

сов, а также фиксация их роторов

в определенном положении в пе-

риод паузы между импульсами.

Рабочие свойства шагового

двигателя характеризуются отра-

батываемым шагом, угловой ха-

рактеристикой (зависимостью

электромагнитного момента от

угла между осью ротора и осью

результирующего поля), предель-

ной частотой импульсов, при ко-

торой переходные процессы, со-

провождающие отработку шага,

успевают затухнуть к началу сле-

дующего шага. Пусковые свойства двигателя характеризуются час-

тотой приемистости, т.е. максимальной частотой импульсов, при ко-

торой возможен пуск без выпадения ротора из синхронизма (без по-

тери шагов). В зависимости от типа двигателя приемистость состав-

ляет от 10 до 10 000 Гц. Шаговые двигатели, по существу, являются

синхронными двигателями, работающими при импульсном пита-

нии. Поэтому шаговый двигатель может быть разработан на основе

любой известной разновидности синхронного двигателя. Наиболее

подходят для применения в качестве шаговых двигателей многофаз-

ные и многополюсные реактивные синхронные двигатели, а также

индукторные реактивные синхронные двигатели и индукторные

двигатели в многофазном исполнении (см. ранее).

Для увеличения точности управления шаг двигателей стремятся

по возможности уменьшить. Это достигается увеличением числа фаз

и полюсов, а также числа зубцов ротора в двигателях индукторного

типа. В зависимости от требуемой точности шаг двигателей различ-

ного типа может варьироваться в пределах от 180 до 1° и менее.

63.9. Синхронные машины двойноо питания

Синхронный двигатель двойного питания устроен так же, как

асинхронная машина с фазным ротором. На статоре и роторе этого

двигателя имеются трехфазные обмотки 1 и 2 с одинаковыми эффек-

тивными числами витков. Обе обмотки включаются параллельно

(или последовательно) в общую сеть переменного тока с напряжени-

ем U

и частотой f

(рис. 63.18), и в них появляются одинаковые токи

и I

. Как было сказано в § 21.1, электромеханическое преобразова-

ние энергии в такой двухобмоточной машине будет происходить,

tабв0

Рис. 63.17. Порядок коммутации ша-

гового двигателя по рис. 63.16

252

если ее ротор привести во вращение с

электрической угловой скоростью ω =

= ω

± ω

= ω

+ ω

= 2ω

или с угловой

скоростью Ω = ω / p = 2ω

/p = 2Ω, т.е.

с двойной угловой скоростью по срав-

нению с обычной синхронной маши-

ной, имеющей то же число периодов р.

Для реализации этого условия необхо-

димо включить обмотку статора 1

в сеть с прямым чередованием фаз, а

обмотку ротора 2 — с обратным. Тогда

МДС статора F

будет вращаться со

скоростью Ω

в положительном на-

правлении, а МДС ротора F

с той же

скоростью в обратном и их движение

будет синхронным, если ротор вращается с угловой скоростью 2Ω

положительном направлении [на рис. 63.18 скорость МДС F

по от-

ношению к ротору (–Ω

) показана на фоне ротора, а скорость той же

МДС по отношению к статору (Ω

= 2Ω

– Ω

) — на фоне статора]. В

результате взаимодействия синхронно вращающихся полей статора и

ротора, созданных МДС F

и F

, на ротор действует электромагнит-

ный момент М, который рассчитывается по той же формуле, что и

в асинхронных или обычных синхронных машинах (см. § 29.2). Чис-

ленно этот момент равен моменту, действующему на статор:

Он зависит от потокосцепления Ψ

10m

результирующего поля вза-

имной индукции с обмоткой статора, тока статора I

и электрического

угла между этими величинами, который равен половине угла α меж-

ду МДС и (рис. 63.19).

Момент М поддерживает синхронное движение ротора, уравнове-

шивая внешний момент, приложенный к валу. При изменении внеш-

него момента изменяется только угол α. В двигательном режиме

опережает ; угол α и момент М получаются положительными,

α >0 и M > 0; в генераторном режиме, наоборот, опережает ,

α < 0 и М < 0. Пренебрегая потерями, можно выразить активную мощ-

----------

10m

---

sin=

–

9=29

,f

–

Рис. 63.18. Схема синхронного

двигателя двойного питания

253

ность двигателя, распреде-

ляющуюся поровну между

обмотками 1 и 2, двумя спо-

собами:

,(63.1)

где — ЭДС, индуктируемая результирующим по-

лем взаимной индукции.

Векторная диаграмма двигателя двойного питания построена на

рис. 63.19. Из нее следует, что

.(63.2)

Если, кроме того, не учитывать рассеяние и положить X

1σ

= 0, то

= U

; ϕ = π /2 – α /2;

,(63.3)

где X

— индуктивное сопротивление взаимной индукции.

После этих упрощений, используя (63.1)—(63.3), можно выразить

активную мощность и момент через угол α:

Двигатели двойного питания находят некоторое применение в

специальных установках. При пуске их приходится разгонять до

синхронной частоты вращения с помощью вспомогательного двига-

теля. Это является их существенным недостатком. Кроме того, из-за

малости демпфирующих успокоительных моментов при отклонении

от синхронного вращения эти двигатели склонны к качаниям (см.

§ 60.1).

P 2m

ϕcos MΩ==

---

sin=

10m

/2=

---

cos=

--------

-------

PMΩ

--------------

---

—E

I=I

;

10m

R/2

Рис. 63.19. Векторная диаграмма

синхронного двигателя двойного

питания

254

Асинхронизированная синхронная машина. Такое название по-

лучила синхронная машина, на роторе которой вместо обычной об-

мотки возбуждения размещается двухфазная обмотка возбуждения,

питающаяся переменными токами частоты f

от управляемого вен-

тильного преобразователя частоты. Статор этой машины не отличает-

ся от обычного и включается в сеть с частотой f

. По существу, асин-

хронизированная синхронная машина представляет собой машину

двойного питания, в которой обмотки статора и ротора питаются то-

ками различной частоты f

≠ f

, причем обычно f

<< f

В такой машине электромеханическое преобразование энергии

происходит при выполнении условия ω

= ω

– ω = sω

или Ω

= Ω

–

– Ω = sΩ

, которое может быть выполнено как при синхронном дви-

жении ротора, когда Ω

= Ω, так и при его «асинхронном» движении

с некоторым скольжением s = (Ω

– Ω)/Ω

. В синхронном режиме фа-

зы обмотки ротора питаются постоянным током (Ω

= Ω

– Ω = 0);

в асинхронном режиме фазы обмотки ротора питаются переменными

токами частоты скольжения f

= sf

, сдвинутыми во времени на π /2,

вследствие чего поле возбуждения вращается относительно ротора

с требуемой угловой скоростью Ω

= sΩ

Управление частотой токов возбуждения f

осуществляется непре-

рывно и автоматически таким образом, что поле статора и поле воз-

буждения вращаются с одинаковыми скоростями Ω

= Ω + Ω

и образуют электромагнитный момент М, поддерживающий син-

хронное движение.

Асинхронизированная синхронная машина может использоваться

как в генераторном, так и в двигательном режиме. В целях снижения

активной мощности преобразователя частоты, которая равна

= sMΩ, скольжение s и частота токов возбуждения обычно изменя-

ются в весьма ограниченных пределах (s = ±0,01; f

= 0—0,5 Гц). Од-

нако и при таком диапазоне возможных отклонений от синхронной

частоты вращения асинхронизированная синхронная машина легче,

чем обычная, переносит многие аварийные и анормальные режимы

(например, короткие замыкания в сети; качания, связанные с отклю-

чением нагрузки, и пр.). Она сохраняет устойчивость в тех аварийных

режимах, которые недопустимы для обычной синхронной машины.

В этом ее основное преимущество. Стоимость асинхронизированной

синхронной машины выше, чем у обычной, поэтому она может найти

применение только в крупных установках, где ее преимущества име-

ют решающее значение.

255

В последние годы появилось новое интересное предложение при-

менить асинхронизированную синхронную машину для осуществле-

ния «гибкой связи» между двумя электрическими системами с незна-

чительно отличающимися частотами f

и (не более чем на 0,5—

1 %). Необходимость в «гибкой связи» возникает, например, если

указанные электрические системы принадлежат различным государ-

ствам и мощность, передаваемая из одной системы в другую, не

должна зависеть от режима их эксплуатации.

«Гибкую связь» между системами можно осуществить по схеме,

показанной на рис. 63.20. В схему входят две синхронные машины

с одинаковым числом периодов p — обычная С и асинхронизирован-

ная С ′, роторы которых связаны общим валом. Статор машины С

включен в систему частоты f

, статор машины С ′ — в систему час-

тоты . Ротор машины С питается постоянным током I

от системы

возбуждения СВ; двухфазная обмотка ротора машины С ′ возбужда-

ется переменным током частотой от статического преобразова-

теля частоты. Для получения однонаправленного электромеханиче-

ского преобразования энергии с помощью статического преобразова-

теля СП поддерживается частота тока возбуждения , где

. Передаваемая мощность и ее направление регули-

руются путем изменения фазы тока и угла α между синхронно вра-

щающимися МДС статора и ротора машины С ′. Если

отстает от , то машина С ′ работает в режиме двигателя, машина

С — в режиме генератора и мощность передается из системы

с частотой в систему с частотой f

(сплошные стрелки на рисун-

ке). Если опережает , то мощность передается в обратном

направлении (штриховые стрелки на рисунке).

′

v,f

СВ

СП

Cv

Рис. 63.20. Агрегат для

«гибкой связи» между

электрическими систе-

мами

′

s′f

′

s′ f

′

–()/ f

′

256

63.10. Вентильно-реативные двиатели

B последние 20—25 лет широкое распространение получили

вентильные реактивные, или вентильно-индукторные, двигатели

(ВИД). В англоязычном варианте этот акроним обычно имеет вари-

ант SRD — Switched Reluctance Drive — переключаемый реактив-

ный привод. Имеют хождение и другие варианты этого термина:

управляемый вентильный реактивный двигатель, коммутируемый

реактивный двигатель с переменным магнитным сопротивлением,

электронно-коммутируемый двигатель, бесконтактный реактивный

двигатель, двигатель с электромагнитной редукцией, шаговый дви-

гатель, работающий в режиме постоянного вращения. По традици-

онной классификации электрических двигателей ВИД наиболее бли-

зок к редукторным синхронным двигателям с сосредоточенными об-

мотками, питаемыми от источника изменяемой частоты. Он может

быть отнесен к «интеллектуальным» электромеханическим преобра-

зователям, осуществляющим и преобразование энергии, и управле-

ние этим преобразованием по необходимым заданным законам изме-

нения частоты вращения, механического момента, мощности, энер-

гии, КПД и т.п. Новые возможности электромеханических преобра-

зователей энергии реализованы в ВИД благодаря прогрессу в созда-

нии полупроводниковых ключей, микропроцессорных элементов, а

также программных средств управления этими двумя блоками.

В современном виде вентильно-индукторный двигатель — это

электромеханический комплекс, сочетающий в себе электрическую

машину индукторного типа (ИМ) и интегрированную систему регули-

руемого электропривода (рис. 63.21), включающую в себя преобразо-

ватель частоты, систему управления и датчик положения ротора. На-

шли распространение и бездатчиковые системы управления.

Система

управления

Преобразователь

частоты

ИМ Наруза

Обратнаясвязь

То Момент

Датчи

положения

ротора

Рис. 63.21. Структурная схема ВИД

257

Функциональное назначение

этих элементов ВИД очевидно:

преобразователь частоты обеспе-

чивает питание фаз ИМ однопо-

лярными импульсами напряже-

ния любой произвольной формы;

ИМ осуществляет электромехани-

ческое преобразование энергия, а

система управления в соответст-

вии с заложенным в нее алгорит-

мом и сигналами обратной связи,

поступающими от датчика поло-

жения ротора, управляет данным

процессом.

Структура ВИД ничем не отличается от классической системы ре-

гулируемого электропривода. Именно поэтому он и обладает всеми

ее свойствами. Однако в отличие от регулируемого электропривода,

например с асинхронным двигателем, ИМ в ВИД не является само-

достаточной. Это означает, что она принципиально не способна рабо-

тать без преобразователя частоты и системы управления. Преобразо-

ватель частоты и система управления являются неотъемлемыми час-

тями ИМ, необходимыми для осуществления электромеханического

преобразования энергии.

Индукторная машина, входящая в состав ВИД, может иметь раз-

личные конструктивные исполнения. На рис. 63.22 приведено попе-

речное сечение четырехфазной ИМ конфигурации 8/6. При обозначе-

нии конфигурации ИМ первая цифра указывает число зубцов статора,

вторая — ротора.

Индукторные машины имеют следующие конструктивные осо-

бенности:

сердечники статора и ротора имеют явнополюсную структуру;

число полюсов относительно невелико (число полюсов статора

больше числа полюсов ротора);

сердечники статора и ротора выполняются шихтованными;

обмотка статора сосредоточенная катушечная. Она может быть

одно- или многофазной;

фаза ИМ (см. рис. 63.22) состоит из двух катушек, расположен-

ных на диаметрально противоположных полюсах статора. Известны

ИМ с удвоенным числом полюсов статора и ротора. Электрические

машины в четырехфазном исполнении имеют конфигурацию 16/12.

Фаза такой ИМ состоит из двух пар катушек, расположенных на

Рис. 63.22. Поперечное сечение четы-

рехфазной ИМ конфигурации 8/6

258

полюсах статора таким образом, что их оси сдвинуты на электриче-

ский угол 90°;

катушки фазы могут быть соединены параллельно или последова-

тельно; согласно или встречно;

обмотка на роторе ИМ отсутствует.

Принцип действия ИМ основан на свойстве ферромагнитных тел

(в данном случае ротора) ориентироваться во внешнем поле (здесь

статора) так, чтобы сцепленный с ним магнитный поток оказался

максимальным.

Предположим, что при взаимном положении статора и ротора

(рис. 63.23, а) по сигналу системы управления к фазе А от преобразо-

вателя частоты будет приложено напряжение, по катушкам фазы А

потечет ток, создающий МДС фазы А. В магнитном поле фазы А ро-

тор стремится двигаться таким образом, чтобы магнитный поток че-

рез него принял максимальное значение, т.е. стремится повернуться

против часовой стрелки. Вращающий момент ротора будет действо-

вать до совпадения осей зубцов 2 и 5 ротора с осями зубцов фазы А

статора. В этом же положении питание будет подано на фазу В, что

вызовет повторение процесса при сохранении направления движения

ротора и т.д. Для сохранения направления действия электромагнитно-

го момента необходимо еще до достижения положения ротора по

рис. 63.23, б осуществить коммутацию ключей преобразователя час-

тоты, в результате которой фаза А должна быть отсоединена от источ-

ника питания, а следующая фаза (здесь это фаза В) подключена к не-

му. Зубцы ротора 2 и 5 в момент прекращения питания фазы А еще

не будут находиться соосно с зубцами фазы А, в положении, которое

можно назвать согласованным с фазой А. В этом случае значение тока

a) б)

Рис. 63.23. Переключение фаз обмотки статора ВИД:

а — питание фазы А; б — питание фазы В

259

в отключаемой фазе А оказывается минимальным, как и накопленная

в ней магнитная энергия, расходуемая на поддержание постоянства

потокосцепления фазы. В целях подавления возникающей при этом

ЭДС самоиндукции и ускорения гашения поля в фазе ВИД на нее по-

дается напряжение обратной полярности.

Последовательная коммутация фаз ВИД обеспечивает однона-

правленное вращение ротора двигателя; чередование включения

и выключения фаз определяется алгоритмом, заложенным в систему

управления. Исходными данными для ее работы являются сигналы

о положении ротора, поступающие от датчика положения ротора, что

исключает возможность неправильной коммутации фаз.

В описанном примере на фазы обмотки статора напряжение пода-

ется последовательно, т.е. А—В—C—D—А …, и в каждый момент вре-

мени включена только одна фаза. Такой вид коммутации называется

одиночной симметричной. Она является наиболее простой. Кроме нее

в ВИД возможна парная симметричная коммутация и несимметрич-

ная коммутация фаз.

Коммутация фаз ВИД, при которой в каждый момент времени

включены две фазы двигателя (АВ—ВС—CD—DA—AB …), называет-

ся парной симметричной.

Коммутация фаз ВИД, при которой попеременно включаются то од-

на, то две фазы двигателя (А—АВ—B—ВC—C—CD—D—DA—A …), на-

зывается несимметричной.

Как следует из рис. 63.23, если переключение фаз при одиночной

симметричной коммутации происходит по часовой стрелке, то враще-

ние ротора осуществляется против часовой стрелки. Это дает основа-

ние интерпретировать принцип действия ВИД как редукторного дви-

гателя, работающего на обратно вращающейся гармонической поля с

частотой вращения

n = f

/ Z

т.е. пропорциональной частоте питания обмотка статора f

и обратно

пропорциональной числу зубцов ротора Z

. Некоторые примеры за-

висимости частоты вращения (в об/мин) для ВИД с числом фаз m, чи-

сел зубцов статора Z

и ротора Z

для случаев симметричной одиноч-

ной, симметричной парной и несимметричной коммутаций даны в

табл. 63.1.

При подаче постоянного напряжения от преобразователя частоты

на обмотку статора ВИД кривые токов фаз оказываются несинусои-