Однофазные двигатели 2 страница

Для пуска ротор синхронной машины снабжается специальной пусковой короткозамкнутой обмоткой, аналогичной обмотке ротора асинхронного двигателя типа беличья клетка, которая в асинхронном режиме создаёт электромагнитный момент . Кроме синхронного и асинхронного вращающих моментов на ротор машины действует некоторый тормозной момент или момент нагрузки . С учётом всех приложенных моментов движение ротора можно описать с помощью второго закона Ньютона следующим образом -

,

где - суммарный момент инерции ротора и нагрузки, приведённый к оси ротора.

Для анализа процесса разгона ротора в первом приближении предположим, что его скорость изменяется достаточно медленно так, что в пределах периода скольжение ротора остаётся постоянным. Это соответствует приближённому равенству , т.е. угловое ускорение ротора определяется только синхронным моментом , т.е. . Отсюда составляющая угловой скорости, соответствующая этому ускорению будет , т.е. она также будет изменяться во времени по синусоидальному закону с максимальным положительным значением , растущим по мере уменьшения скольжения и разгона машины.

Для реактивной машины, с учётом того, что её момент является функцией двойного угла q это выражение примет вид .

Таким образом, в процессе разгона мгновенное значение скорости вращения ротора будет определяться медленно изменяющейся составляющей , обусловленной действием моментов нагрузки и короткозамкнутой обмотки, и пульсирующей составляющей , обусловленной взаимодействием магнитных полей статора и ротора (рис. 1).

В тот момент, когда максимальное положительное значение синхронной составляющей скорости вращения ротора станет равным или большим разности скоростей вращения поля статора и ротора ( ) машина войдёт в синхронизм, т.е.

Отсюда максимальное скольжение ротора, при котором войдёт в синхронизм машина с возбуждёнными полюсами -

а реактивная машина -

Условием самозапуска двигателя является условие . Из полученных выражений следует, что это условие всегда выполняется при достаточно низкой частоте сети и безусловно всегда при постоянном токе . Условие самозапуска теоретически может быть выполнено также при малом моменте инерции .

Выражения для скольжения синхронизации показывают, что оно определяется соотношением собственной частоты свободных угловых колебаний ротора и частоты сети . Чем больше собственная частота колебаний, тем легче происходит запуск синхронного двигателя.

На рис. 2 показан процесс пуска синхронного двигателя с помощью короткозамкнутой обмотки без нагрузки. При включении в сеть в точке a ротор под действием асинхронного момента разгоняется до скорости, соответствующей скольжению входа в синхронизм (точка b), а затем быстро (не более, чем за период приведённой частоты скольжения) втягивается в синхронизм. При этом возникает постепенно затухающий колебательный переходный процесс установки угла нагрузки q (точка c'). Если затем момент нагрузки возрастает и становится равным максимальному (точка d), то машина выходит из синхронизма и переходит на характеристику асинхронного момента (точка e), в которой будет находиться до тех пор, пока момент нагрузки не уменьшится до значения, соответствующего скольжению синхронизации (точка b).

При пуске синхронных машин с электромагнитным возбуждением обмотку возбуждения замыкают активным сопротивлением в 8-10 раз большим собственного сопротивления обмотки. Это делается для того, чтобы исключить перенапряжения в обмотке за счет ЭДС наводимой в ней вращающимся полем статора. Когда скорость вращения ротора за счет асинхронного момента короткозамкнутой пусковой обмотки достигнет примерно 95% от синхронной скорости сопротивление отключают и подключают обмотку к источнику постоянного тока. При этом возникает синхронный момент , под действием которого ротор втягивается в синхронизм так, как это было описано выше. Обмотку возбуждения нельзя замыкать накоротко для получения дополнительного асинхронного момента, т.к. при этом на механической характеристике асинхронного момента появится провал примерно на половине синхронной скорости и ротор может остановить разгон на этом участке.

В машинах большой мощности вместо встроенной в ротор короткозамкнутой обмотки используют асинхронный двигатель, соединенный с валом синхронного.

Синхронный компенсатор

Синхронная машина, подключенная к сети большой мощности, обладает способностью регулировать реактивную составляющую тока за счет изменения тока возбуждения. Из упрощенного уравнения синхронного генератора следует, что ток статора равен . Для сети большой мощности . При отсутствии механической нагрузки на валу машины угол нагрузки будет равен нулю и векторы ЭДС потока ротора и напряжения статора будут совпадать по направлению. Если установить в обмотке возбуждения такой ток, при котором , то ток статора будет равен нулю (рис. 1(а)). Увеличение тока возбуждения вызовет увеличение ЭДС и разность между ней и напряжением сети компенсируется падением напряжения , при этом машина будет отдавать в сеть чисто индуктивный ток (рис. 1 (б)). Снижение тока возбуждения изменит картину на противоположную и ток отдаваемый в сеть будет емкостным. Таким образом, при отсутствии механической нагрузки изменение тока возбуждения будет приводить к возникновению чисто реактивного тока статора. В случае машина называется перевозбужденной, а при - недовозбужденной. Перевозбужденная машина по отношению к сети эквивалентна емкости, а недовозбужденная – индуктивности.

Синхронная машина, не имеющая механической нагрузки и загруженная в основном реактивным током, называется синхронным компенсатором.

Если построить зависимость тока статора от тока возбуждения синхронной машины при постоянном напряжении сети и постоянной мощности на валу , то они будут иметь вид, показанный на рис.2. По сходству с начертанием соответствующей буквы они называются U-образными. Минимум тока статора на этих характеристиках соответствует чисто активному или нулевому току. При уменьшении или увеличении тока возбуждения в токе статора появляется реактивная составляющая, увеличивающая суммарный ток. Слева характеристики ограничены линией AB, соответствующей максимальному углу нагрузки . Увеличение нагрузки на валу ( ) вызывает увеличение активной составляющей тока статора и соответствующий подъем характеристики. Левая ветвь характеристики соответствует режиму недовозбуждения, а правая – перевозбуждения. На практике компенсаторы чаще всего работают в режиме перевозбуждения, т.к. промышленная сеть в основном нагружена асинхронными двигателями обладающими относительно низким коэффициентом мощности и создающими дефицит реактивной мощности.

Несмотря на то, что любая синхронная машина может работать в качестве компенсатора, они изготавливаются как специализированный тип машины. Это связано с тем, что они загружены в основном реактивным током, поэтому можно облегчить конструкцию, уменьшив массу, габариты и стоимость.

Реактивные синхронные двигатели. Принцип действия и основные характеристики

Реактивные синхронные двигатели отличаются от обычных отсутствием собственного магнитного поля ротора. Вращающий момент в этих машинах создается за счет магнитной асимметрии ротора. Ротор реактивного двигателя, представляет собой стальной цилиндр, набранный из пластин, вид которых показан на рисунке. В пластинах ротора сделаны отверстия, в которые после сборки заливается алюминий и образуется короткозамкнутая пусковая обмотка, аналогичная обмотке ротора асинхронного двигателя. Магнитная асимметрия ротора может создаваться выемками различной формы на внешней поверхности цилиндра или асимметрией внутренних каналов. В первом случае получается явнополюсный ротор(1, 2 на рис.), во втором - неявнополюсный (3, 4 на рис.). Оба способа позволяют изготавливать роторы с различным числом пар полюсов. На рисунке роторы 1 и 3 имеют одну пару полюсов, роторы 2 и 4 - две.

Основным достоинством реактивного двигателя по сравнению с асинхронным является: неизменность скорости вращения, а по сравнению с обычными синхронными двигателями -простота, надежность и малая стоимость ротора, а также отсутствие источника питания необходимого для возбуждения магнитного поля.

Выражение для вращающего момента реактивных двигателей получается как частный случай из общего уравнения момента, если в нем исключить основную составляющую тогда

.

Максимум момента соответствует углу нагрузки . Величина максимального момента зависит от соотношения индуктивных сопротивлений по продольной и поперечной оси и . В явнополюсных двигателях обычной конструкции отношение и максимальный реактивный момент составляет не более 0,25 от основного. В реактивных машинах для увеличения момента увеличивают отношение , но все равно эти машины имеют в 2-3 раза меньшую мощность, чем асинхронные двигатели тех же габаритов.

Кроме того реактивные двигатели имеют низкие энергетические показатели. Малый коэффициент мощности объясняется большим намагничивающим током, потребляемым из сети, что ведет также к снижению КПД за счет повышенных тепловых потерь в обмотке статора.

Мощность реактивных двигателей не превышает нескольких сотен ватт и применяются они в системах звуко- и видеозаписи, а также в других устройствах требующих работы с постоянной скоростью вращения.

Гистерезисные синхронные двигатели. Принцип действия и основные характеристики

Гистерезисный двигатель отличается от других типов машин с круговым вращающимся магнитным полем конструкцией ротора (рис. 1 (а)). Он представляет собой полый цилиндр или пакет, собранный из колец магнитотвердого материала (1), насаженный на цилиндрическую втулку (2) из магнитного или немагнитного материала, закрепленную на валу ротора (3).

Пакет колец ротора называется активным слоем, и происходящие в этом слое процессы определяют свойства гистерезисного двигателя. Материал для активного слоя выбирают с петлей гистерезиса близкой к прямоугольной форме. На рис. 1(б) сплошной линией показана такая петля и для сравнения штриховой линией дана петля обычной электротехнической стали.

Принципиальным отличием гистерезисного двигателя от синхронного двигателя с постоянными магнитами заключается в том, что активный слой ротора намагничивается магнитным полем статора при пуске, поэтому в дальнейшем он может перемагничиваться этим же полем. Однако его намагниченность меньше намагниченности постоянных магнитов, поэтому он работает в режиме недовозбуждения.

Принцип работы гистерезисного двигателя поясняет рисунок 2. В синхронном режиме, т.е. когда ротор вращается со скоростью магнитного поля, материал ротора намагничен и машина работает как синхронный двигатель с постоянными магнитами. При отсутствии нагрузки на валу (рис. 2 (а)) поля ротора и статора взаимодействуют с силой F, направленной под разноименными полюсами встречно и в сумме равной нулю. Возникновение тормозного момента на валу приведет к расхождению осей магнитных полей на угол и появлению электромагнитного момента, компенсирующего момент нагрузки (рис. 2 б)). Такая картина процессов в двигателе полностью идентична работе двигателя с постоянными магнитами на роторе. Однако при дальнейшем увеличении нагрузки на валу угол увеличится до угла магнитного запаздывания (рис. 2 в)). Материал ротора начнет перемагничиваться и ось его магнитного поля будет смещаться вслед за полем статора, сохраняя при этом постоянное значение угла нагрузки и, следовательно, постоянное значение электромагнитного момента. Вал ротора в этом режиме может вращаться с любой скоростью меньше синхронной, т.е. двигатель будет работать в асинхронном режиме.

Наглядно представить такой процесс можно с помощью механической модели показанной на рисунке 3. Здесь поля статора и ротора представлены постоянными магнитами. Магнит ротора лежит на диске и удерживается на нем силой трения. Если поле статора вращается со скоростью и момент на валу диска равен нулю (рис. 3 а)), то магнит ротора также будет вращаться со скоростью , передавая вращение диску за счет момента трения. Угол между осями магнитов при этом будет равен нулю. Возникновение нагрузочного момента на валу диска приведет к расхождению осей полюсов магнитов и появлению электромагнитного момента, компенсирующего нагрузочный момент (рис. 3 б)). Диск и магнит ротора будут вращаться синхронно, удерживаемые в зацеплении моментом сухого трения . Если нагрузочный момент увеличится и станет больше момента трения (рис. 3. в)), то магнит ротора будет проскальзывать по поверхности диска, вращаясь при этом с синхронной скоростью вслед за полем статора. Магнит ротора не выйдет из синхронизации, т.к. при этом . Момент сухого трения, действующий на магнит ротора, не зависит от скорости вращения, поэтому угол нагрузки будет оставаться постоянным и равным некоторому значению , определяемому параметрами момента трения (коэффициентом трения, силой прижатия магнита к диску и т.п.). Таким образом, магниты (поля) статора и ротора будут работать в синхронном режиме, а вал двигателя – в асинхронном.

Максимально возможный момент , передаваемый гистерезисным двигателем нагрузке, определяется свойствами материала активного слоя ротора. Эти свойства, в частности, отражаются формой петли гистерезиса. У материала с прямоугольной петлей гистерезиса угол магнитного запаздывания . Материал с нулевой площадью петли имеет . Чем больше значение , тем больше величина гистерезисного момента при прочих равных условиях. Современные материалы активного слоя имеют .

Постоянный электромагнитный момент гистерезисного двигателя в асинхронном режиме, т.е. от нулевой до синхронной скорости вращения, является их главным преимуществом по отношению к другим типам машин. Это единственная синхронная машина, обладающая свойством самозапуска.

Описанные выше свойства двигателя находят отражение в механической и угловой характеристиках представленных на рис. 4. Механическая характеристика в двигательном режиме, помимо участка синхронной работы 1-3, имеет также асинхронный участок 3-5. На участке 3-5 происходит перемагничивание активного слоя ротора и электромагнитный момент равен гистерезисному моменту . На участке 1-3 машина работает как синхронный двигатель с постоянными магнитами и угловой характеристикой . Точка 3 характеристик соответствует выходу из синхронизма, после чего начинает изменяться и неограниченно возрастать.

Принципиально гистерезисный двигатель может работать как в синхронном, так и в асинхронном режиме, однако работа в асинхронном режиме неэкономична, т.к. потери на перемагничивание возрастают с частотой скольжения.

Помимо самозапуска, к достоинствам гистерезисного двигателя можно отнести: простоту и надежность конструкции; бесшумность; большой пусковой момент ; плавность входа в синхронизм; относительно высокий КПД; малую кратность пускового тока ( ).

Недостатками являются; низкий коэффициент мощности (0,4-0,5) и высокая стоимость.

Шаговые синхронные двигатели. Принцип действия и основные характеристики

Шаговые двигатели (ШД) служат для преобразования импульсного или кодового сигнала в угловое перемещение. В последнее время в связи с развитием компьютерной техники и технологии их область применения постоянно расширяется.

Шаговые двигатели являются синхронными электрическим машинами, у которых обмотки статора питаются от источника постоянного тока. Как и обычные двигатели они бывают активными (с возбужденным ротором) и реактивными. Активный ротор позволяет получить больший вращающий момент и обеспечить фиксацию положения при обесточенных обмотках статора.

На статоре ШД располагаются несколько обмоток, подключаемых в определенной последовательности к источнику постоянного тока с помощью электронного коммутатора. На рис. 1 схематически изображен шаговый реактивный двигатель с тремя обмотками на статоре. На временной диаграмме показаны токи в обмотках. На первом участке ток подается в обмотку 1. Она формирует неподвижное магнитное поле, ось полюсов которого совпадает с геометрической осью обмотки. Ротор разворачивается и ориентируется по оси магнитного поля. Затем к источнику питания подключается обмотка 2. Обе обмотки создают магнитное поле с осью полюсов, проходящей между осями обмоток и ротор поворачивается на . На следующем интервале обмотка 1 отключается и остается включенной обмотка 2. При этом ротор поворачивается еще на , ориентируясь вдоль ее оси. Далее подключается обмотка 3 и алгоритм циклически повторяется, вызывая дискретное перемещение ротора. Коммутацию обмоток в любой момент можно остановить и ротор останется в положении, соответствующем состоянию включенных обмоток.

Угловое смещение ротора при каждой коммутации называется шагом.

В каждом статическом состоянии между коммутациями ШД работает как обычный синхронный двигатель и имеет угловую характеристику (УХ), соответствующую его типу (активный или реактивный). На рис. 2 а) показаны УХ, соответствующие трём соседним шагам двигателя. Начало координат совмещено с УХ mpqn, соответствующей протеканию тока в некоторой произвольно выбранной обмотке (или комбинации обмоток). Включение обмотки, соответствующей требуемому смещению ротора на один шаг вперёд (+) или назад (–), эквивалентно скачкообразному смещению УХ в положительном или отрицательном направлении или, что то же самое, скачкообразному увеличению или уменьшению угла нагрузки q на величину шага. При этом скачкообразно изменяется и вращающий момент, развиваемый ШД. Однако для движения в положительном направлении вращающий момент после коммутации обмоток M(0₊) должен быть больше момента до коммутации M(0_–), а для движении в отрицательном направлении – меньше, т.е. M(0₊)<M(0_–). Участки послекоммутационных УХ, соответствующие эти условиям, выделены на рис. 2 а) толстыми линями. Из рисунка следует, что для обеспечения движения в обоих направлениях рабочая точка должна находиться на участке pq исходной УХ, ограниченном точками ее пересечения с послекоммутационными УХ, т.е. угол нагрузки q должен находиться в пределах . Это эквивалентно условию

(1)

где: M_н – нагрузочный момент на валу ШД; M_max – максимальный момент, развиваемый ШД; a – шаг двигателя в электрических угловых единицах измерения, связанный с пространственным шагом ротора отношением ; z_p – число пар полюсов ШД.

На рис. 2 б) показаны варианты отработки шага в положительном и отрицательном направлениях при выполнении условия (1). Статический режим в исходном положении соответствует точке a. При отработке положительного шага в момент коммутации происходит переход в точку b₊, а затем, по мере поворота ротора, в точку c₊, соответствующую новому статическому состоянию. Шаг в отрицательном направлении из точки a происходит после коммутационного скачка в точку b_– и последующего перемещения в точку c_–. В случае нарушения условия (1), например, при отработке шага в положительном направлении, исходная рабочая точка a располагается выше точки q (рис. 2 в). При коммутации происходит переход в точку b₊ с меньшим, чем у нагрузки вращающим моментом. Поэтому, в соответствии с уравнением движения ( ), ротор ШД начнёт вращаться с отрицательным ускорением e пока не достигнет точки равновесия с’, смещенной по отношению к точке на угол 2p–a. В случае ротор после коммутации окажется в положении неустойчивого равновесия в точке q и может случайным образом переместиться на один шаг в положительном направлении или на угол 2p–a в отрицательном. Таким образом, нарушение условия (1) приводит к полной потере работоспособности ШД.

Из выражения (1) следует, что располагаемый вращающий момент ШД всегда меньше максимально возможного и стремится к нему при . На рис. 2 г) показана зависимость располагаемого момента от числа шагов n на периоде коммутации. Работа ШД с числом шагов менее трёх вообще невозможна. При трёх шагах на периоде момент вдвое меньше максимального, а при десяти отличается от него менее чем на 10%.

Коммутацию обмоток ШД можно производить в разных режимах. Различают следующие режимы работы двигателей.

Статический режим, когда в обмотках статора протекает постоянный ток и магнитное поле неподвижно. Ротор находится в фиксированном положении и может только отклоняться от него на угол нагрузки q .

Квазистатический режим - режим когда коммутация обмоток совершается непрерывно, но между моментами переключения электромагнитные и механические переходные процессы полностью заканчиваются и скорость ротора в начале каждого шага равна нулю. Этот режим по существу является последовательностью статических режимов.

Установившийся режим работы, это режим при постоянной частоте коммутации обмоток. Ротор двигателя в этом режиме имеет постоянную среднюю скорость вращения, но совершает периодические и непериодические угловые колебания. Мерой длительности переходных процессов в ШД является период или частота собственных колебаний ротора , т.е. частота свободных угловых колебаний, которые будет совершать ротор, возвращаясь в состояние равновесия под действие магнитного поля статора. На практике частоту коммутации выбирают из условия . Наименьшую динамическую ошибку обеспечивает режим работы при двойной частоте коммутации . Эту частоту можно считать оптимальной для слабонагруженных приводов.

Помимо частоты собственных колебаний, для работы двигателей большое значение имеет электромагнитная постоянная времени обмоток статора , где - постоянная составляющая индуктивности обмотки статора, - полное активное сопротивление цепи обмотки. Электромагнитные процессы в двигателе можно не учитывать, если