Проектування синхронних реактивних двигунів

Реактивний двигун не має обмотки збудження. Його головний магнітний потік створюється за рахунок намагнічуючого струму обмотки статора. В двох- і трифазних двигунах обмотка статора створює обертове магнітне поле.

При відсутності магнітного потоку збудження полюсів ротора (Е₀=0) перша складова, що являє собою головний момент, рівно нулю.

Таким чином, в реактивному двигуні діє лише реактивний момент

, (39)

який і приводить ротор двигуна в обертання з синхронною частотою обертання n₁.

Необхідною умовою виникнення реактивного моменту являється нерівність індуктивних опорів обмотки статора по повздовжній і поперечній вісям (x_d>x_q), що має місце лише при явнополюсному роторі. Тому, ротор реактивного двигуна обов’язково повинен бути явнополюсним.

Конструктивно реактивний двигун відрізняється від асинхронного лише ротором. Найбільш часто в реактивних двигунах використовується ротор, пристрій якого зображений на рис.18.1, а. Цей ротор відрізняється від короткозамкненого ротора асинхронного двигуна лише наявністю впадин-вирізів на циліндричній поверхні, які утворюють явно виражені полюси. Короткозамкнена обмотка ротора забезпечує асинхронний пуск реактивного двигуна.

Рис. 18.1, а) ротор, б) ротор з алюмінію

В реактивних двигунах, призначених для роботи в схемах синхронного зв’язку, ротор виготовляють з алюмінію 2, в який при відливці укладають полоси з сталі 1 (рис. 18.1, б).

В системах автоматики часто використовують однофазні реактивні двигуни. Обмотку статора цих двигунів виконують такою ж, як і у асинхронних конденсаторних двигунів, і вмикають за аналогічними схемами.

Обертання ротора реактивного двигуна відбувається під дією реактивного моменту. З виразу, що визначає величину реактивного моменту, випливає, що максимальне значення моменту М_{р max} наступає при навантаженні, що відповідає куту q_кр=45⁰ (рис. 18.2, крива 1).

Рис. 18.2. Максимальне значення моменту М_р.

Під впливом активного опору обмотки статора максимальне значення реактивного моменту наступає при q_кр<45⁰ (q_кр=30¸40⁰). Це збільшує крутизну кривої М_р=f(q) в її початковій частині (рис.18.2, крива 2), а тому, підвищує величину питомого синхронізуючого моменту М_пит.

Питомий синхронізуючий момент - це момент, що приходиться на 1⁰ кута q М_пит = DМ_р/Dq і визначає стійкість роботи реактивного двигуна.

Максимальний момент реактивного двигуна прийнято називати моментом виходу з синхронізму. Справа в тому, що якщо навантаження на валу двигуна досягне значення, при якому кут q>q_кр, відбудеться “випадання” двигуна із синхронізму. В цьому випадку ротор двигуна або зупиняється, або продовжує обертатися асинхронно під дією електромагнітного моменту, що створюється струмами пускової короткозамкненої обмотки.

Величина реактивного моменту пропорційна квадрату підведеної до двигуна напруги

( ). Тому, реактивні двигуни досить чутливі до коливань напруги мережі.

Представимо індуктивні опори обмотки статора по повздовжній x_d і поперечній x_q вісям у вигляді

x_d = 2pf₁L_d; x_q = 2pf₁L_q, (40)

де L_d i L_q - індуктивності обмотки статора по повздовжній і поперечній вісям:

(41)

причому L_d i L_q - магнітні провідності по повздовжній і поперечній вісям машини.

Підставивши вирази (40) і (41) у вираз, отримаємо формулу реактивного моменту:

(42)

де R_Mq=1/L_q i R_Md=1/L_d - магнітні опори по поперечній і повздовжній вісям машини.

З формули (42) випливає, що реактивний момент пропорційний різниці магнітних опорів по поперечній R_mq i повздовжній R_md вісям машини.

З заглибленням впадин на роторі (див. рис.18.1, а) збільшується різниця магнітних опорів по поперечній і повздовжній вісям і реактивний момент збільшується, а тому, збільшується і мемент виходу із синхронізму.

Але заглиблення впадин на роторі доцільне лише до визначеної межі, так як з збільшенням глубини впадин збільшується середня величина повітряного проміжку. Це веде до зменшення обертового моменту в пусковому асинхронному режимі. Останнє приводить до зниження пускового моменту і моменту входу двигуна в синхронізм - найбільшого моменту опору, при якому ротор двигуна ще втягується в синхронізм. Для втягування в синхронізм необхідна частота обертання ротора не менше 0,95n₁, тобто ковзання s£0,05.

На рис.18.3 зображений ряд залежностей електромагнітного моменту від ковзання при різних значеннях активного опору пускової клітки, причому Величина моменту входа в синхронізм визначається ковзанням s=0,05. З зроблених на рисунку побудов видно, що чим більший активний опір пускової клітки, тим менший момент входу в синхронізм.

Рис. 18.3. Ряд залежностей електромагнітного моменту від ковзання

Встановлено, що найкраще відношення між максимальним моментом (моментом виходу із синхронізму), початковим пусковим моментом і моментом входу в синхронізм отримується при слідуючих відношеннях дуги b_п до полюсного поділу t і максимального повітряного проміжку d_max до мінімального d_min (див. рис.18.1, а):

b_п/t = 0,5¸0,6; d_max/d_min = 10¸12. (43)

Істотний недолік реактивних двигунів - низький коефіцієнт потужності, що обумовлено значною величиною намагнічуючої складової струму статора.

Нагадаємо, що в реактивному двигуні магнітний потік створюється виключно струмом статора: крім того, середнє значення повітряного проміжку через наявність впадин на роторі досить велике, що веде до підвищення опору магнітного кола машини. Вказані обставини являються також причиною низього ККД, який в двигунах потужністю в декілька десятків ват, як правило, складає 30¸40%, а в двигунах потужністю до 10 Вт - не перевищує 20%.

За габаритами реактивні двигуни більші синхронних і асинхронних двигунів звичайного типу, що пояснюється низьким ККД, малим cosj₁ і невеликою величиною реактивного моменту.

Рис. 18.4. Синхронний реактивний двигун.

В останній час з’явились синхронні реактивні двигуни, у яких значна різниця магнітних опорів по поперечній і повздовжній вісям утворюється не за рахунок глибини міжполюсних впадин, а за рахунок внутрішніх вирізів 1 в шихтованому сердечнику 2 ротора (рис. 18.4). Ці вирізи, як правило, заливаються алюмінієм. Такі двигуни володіють підвищеними пусковими і робочими властивостями.