Синхронные реактивные двигатели

Отличительная особенность синхронных реактивных двигате­лей (СРД) — отсутствие у них возбуждения со стороны ротора. Основной магнитный поток в этом двигателе создается исключи­тельно за счет МДС обмотки статора. В двух- и в трехфазных СРД эта МДС является вращающейся.

Для выяснения принципа действия СРД обратимся к выраже­нию электромагнитного момента явнополюсной синхронной ма­шины [см. (21.10)], из которого следует, что если отключить об­мотку возбуждения ( = 0), то основная составляющая момента становится равной нулю и на ротор машины продолжает действо­вать лишь реактивная составляющая момента [см. (21.12)]

Принцип действия СРД заключается в следующем. При вклю­чении обмотки статора в сеть возникает вращающееся магнитное

 

 

Рис.23.4. Принцип действия синхронного реактивного двигателя

поле. Как только ось этого поля займет положение в про­странстве расточки статора, при котором она будет смещена относительно продольной оси невозбужденных полюсов ротора на угол в сторону вращения (рис. 23.4, а), между полюсами этого поля и выступающими полюсами невозбужденного ротора возникнет реактивная сила магнитного притяжения полюса ротора к полюсу вращающегося поля статора . Вектор этой силы смещен относительно продольной оси ротора также на угол , поэтому сила имеет две составляющие: нормальную , направленную по продольной оси ротора, и тангенциальную , на­правленную перпендикулярно продольной оси полюсов ротора. Совокупность тангенциальных составляющих реактивных сил на всех полюсах невозбужденного ротора создаст вращающий ре­активный момент , который будет вращать ротор с синхронной частотой . С ростом механической нагрузки на вал СРД угол увеличивается и момент М_р растет.

Однако при значении угла = 90° реактивный момент М_р = 0. Такая зависимость момента М_р от угла является принципиаль­ной для реактивного момента, отличающей его от основной со­ставляющей электромагнитного момента синхронного двига­теля с возбужденным ротором (см. рис. 22.2, график 1), который при =90° имеет максимальное значение. Из рис. 23.4, б видно, что при = 90° реактивные силы магнитного притяжения , действующие на каждый полюс невозбужденного ротора, взаимно уравновешиваются и реактивный момент . Максимальное значение реактивного момента наступает при значении угла = 45°. Поэтому зависимость реактивного момента М_р от угла определяется выражением

(23.1)

Графически эта зависимость представлена кривой 2 на рис.22.2. Непременное условие создания реактивного момента М_р - явнополюсная конструкция ротора, так как только в этом случае .

Мощность СРД и развиваемый им момент меньше, чем у синхронного двигателя с возбужденными полюсами ротора. Объясняется это тем, что у СРД из-за отсутствия магнитного потока ротора ) ЭДС Е₀ = 0, поэтому основная составляющая электромагнитного момента

= 0 [см. (21.11)] и электромагнитный момент СРД определяется лишь реактивной составляющей ( = М_р). Поэтому при одинаковых габаритах синхронного двигателя с возбужден­ными полюсами ротора и СРД мощность на валу и развиваемый момент у СРД намного меньше.

 

 

 

Рис. 23.5. Конструкция роторов синхронного реактивного двигателя

К недостаткам СРД следует также отнести невысокие значе­ния коэффициента мощности и КПД. Объясняется это значитель­ным намагничивающим током статора, так как возбуждение СРД происходит за счет магнитного поля статора.

В СРД применяют асинхронный пуск. Для этого ротор снабжают короткозамкнутой пусковой клеткой. На рис. 23.5, а показа­ми традиционная конструкция ротора СРД, отличающаяся от ротора асинхронного двигателя лишь наличием впадин, обеспечивающих ротору явнополюсную конструкцию. Чем больше эти впадины, тем больше отношение , а следовательно, и реактивный момент М_р. Однако с увеличением впадин растет средняя величина воздушного зазора, что ведет к повышению намагничивающего тока статора, а следовательно, к снижению энергетических показателей двигателя — коэффициента мощности и КПД. Кроме того, с увеличением впадин сокращаются размеры пусковой клетки, что ведет к уменьшению асинхронного момента, т. е. к уменьшению пускового момента и момента входа в синхро­низм.

Наилучшие результаты дает следующее соотношение разме­ров ротора:

и .

В этом случае удается добиться отношения 2.

Более совершенна секционированная конструкция ротора СРД, представляющая собой цилиндр, в котором стальные полосы 2 залиты алюминием 1(рис. 23.5 ).Такая конструкция ротора позволяет получить отношение . За счет этого суще­ственно возрастает момент М_ртах при сохранении намагничиваю­щего тока на допустимом уровне.

На торцах секционированного ротора имеются отлитые из алюминия кольца, замыкающие алюминиевые прослойки ротора, образуя короткозамкнутую пусковую клетку.

Простота конструкции и высокая эксплуатационная надежность обеспечили СРД малой мощности широкое применение и устройствах автоматики для привода самопишущих приборов, и устройствах звуко- и видеозаписи и других установках, требующего строгого постоянства частоты вращения.

 

Гистерезисные двигатели

Работа гистерезисного двигателя основана на действии гистерезисного момента. На рис. 23.6, а показаны два полюса постоянного магнита (поле статора); между ними расположен цилиндр (ротор) из магнитно-твердого материала. Под действием внешнего магнитного поля ротор намагничивается. На стороне обращенной к северному полюсу постоянного магнита, возбуждается южный полюс, а на стороне ротора, обращенной к южному полюсу постоянного магнита, - северный полюс. На ротор начинают действовать силы , направленные радиально к его поверхности. Если полюсы постоянного магнита вращать вокруг ротора, то вследствие явления магнитного запаздывания (гистерезиса) активная часть ротора не будет перемагничиваться одновременно с изменением направления вращающегося магнитного поля и ме­жду осью поля ротора и осью внешнего поля появится угол .

 

 

Рис. 23.6. К понятию о гистерезисном моменте

Силы , действующие на ротор, также изменят свое направление на угол , а тангенциальные составляющие этих сил , создадут гистерезисный момент М_г (рис. 23.6, б).

Явление магнитного запаздывания заключается в том, что частицы ферромагнитного материала (помещенного во внешнее магнитное поле), представляющие собой элементарные магниты, стремятся ориентироваться в соответствии с направлением внешнего поля. Если внешнее поле изменит свое направление, то элементарные частицы меняют свою ориентацию. Однако повороту элементарных частиц препятствуют в магнитно-твердых материалах внутренние силы молекулярного трения. Для изменения направления этих частиц необходима определенная МДС, вследствие чего перемагничивание ротора несколько отстает от измене­нии направления внешнего поля. Это отставание (магнитное запаздывание) характеризуется углом гистерезисного сдвига между вектором магнитного потока ротора и вектором магнитного потока обмотки статора , (рис. 23.6, в). Этот угол зависит исключительно от магнитных свойств материала ротора.

На преодоление сил молекулярного трения расходуется часть подводимой мощности, которая составляет потери на гистерезис. Величина этих потерь зависит от частоты перемагничивания ротора , а следовательно, от скольжения:

(23.2)

где — потери на гистерезис при неподвижном роторе (при =1),

т. е. в режиме к. з.

Так как электромагнитная мощность, передаваемая ротору, равна потерям в роторе, деленным на скольжение [см. (13.5)]:

, (23-3)

а вращающий момент — электромагнитной мощности, деленной на синхронную угловую скорость:

(23.4)

то, очевидно, величина гистерезисного момента не зависит от час­тоты вращения ротора (скольжения). График М_г = представ­ляет собой прямую, параллельную оси абсцисс (рис. 23.7).

Угол гистерезисного сдвига зависит от ширины петли гисте­резиса: чем шире петля гистерезиса магнитного материала, тем больше угол гистерезисного сдвига. На рис. 23.8, а представлены две петли гистерезиса: обычной стали (кривая 2) и сплава викаллой (кривая 1).

 

 

Рис. 23.7. Механические характеристики гистерезисного двигателя

 

Рис. 23.8. Петли гистерезиса обычной электротехнической стали

и сплава викаллой (а) и устройство сборного ротор;

гистерезисного двигателя (б)

 

Применение обычной стали для изготовления ротора не обес­печивает гистерезисного момента достаточной величины. Только магнитно-твердые материалы, например такие, как

викаллой, дают возможность получить большой гистерезисный момент. Роторы гистерезисных двигателей обычно делают сборными. Магнитно-твердая часть выполняется в виде шихтованного или массивного кольца 1, размещенного на втулке 2 (рис. 23.8, б). Последняя же­стко посажена на вал 3.

В машинах с нешихтованным (массивным) ротором вращающееся поле статора наводит в роторе вихревые токи. В результат взаимодействия этих токов с полем статора возникает электромагнитный момент , значение которого пропорционально скольжению:

(23.5)

где — потери на вихревые токи в роторе при = 1, т. е. в режиме к.з., Вт; , — угловая синхронная скорость, рад/с.

Наибольшего значения момент достигает при неподвиж­ном роторе ( = 1), т. е. в момент пуска электродвигателя. Затем по мере возрастания частоты вращения (уменьшении скольжения) момент убывает (см. рис. 23.7), при синхронной частоте он становится равным нулю.

Таким образом, электромагнитный вращающий момент гисте­резисного двигателя создается совместным действием моментов от вихревых токов и гистерезисного М_г:

М=М_{вт +} М_т= . (23.6)

На рис. 23.7 представлена зависимость результирующего мо­мента гистерезисного двигателя от скольжения: М = . Харак­тер этой кривой зависит от соотношения моментов и М_г.

Гистерезисный двигатель может работать с синхронной и асинхронной частотами вращения. Однако работа двигателя в асинхронном режиме неэкономична, так как связана со значитель­ными потерями на перемагничивание ротора, величина которых возрастает с увеличением скольжения.

Достоинства гистерезисных двигателей — простота конструк­ции, бесшумность и надежность в работе, большой пусковой мо­мент, плавность входа в синхронизм, сравнительно высокий КПД, малое изменение кратности тока от пуска до номинальной нагруз­ки ( ).

Недостатки гистерезисных двигателей — низкий коэффициент мощности ( , = 0, 4—0, 5) и сравнительно высокая стоимость. Кроме того, при резких колебаниях нагрузки гистерезисные двига­тели склонны к качаниям, что создает неравномерность хода (вращения). Объясняется это отсутствием у гистерезисных двига­телей пусковой клетки, которая при резких изменениях нагрузки оказывает на ротор успокаивающее (демпфирующее) действие. Наиболее сильные качания наблюдаются у шихтованного ротора, в котором вихревые токи сильно ограничены. Вызываемая кача­ниями неравномерность вращения ограничивает области примене­ния гистерезисных двигателей.

Шаговые двигатели

Шаговые (импульсные) двигатели (ШД) используют обычно в качестве исполнительных двигателей, преобразующих электрические сигналы (импульсы напряжения) в угловые или линейные дискретные (скачкообразные) перемещения (шаги). Наибольшее применение ШД получили в электроприводах с программным управлением.

Различают шаговые двигатели с активным (возбужденным) и реактивным ротором. Шаговые двигатели с активным рото­ром имеют обмотку возбуждения или выполнены с постоянными магнитами на роторе; шаговые двигатели с реактивным ротором не имеют обмотки возбуждения, а их ротор выполняют из магнитно-мягкого материала. Обмотку управления ШД обычно располагают на статоре и делают одно- или многофазной (чаще трех- или четырехфазной).

Рассмотрим принцип действия шагового двигателя на примере реактивного трехфазною ШД, статор которого имеет шесть явно выраженных полюсов (по два полюса на фазу), а ротор — два по­люса (рис. 23.9).

 

Рис 23.9. Принцип действия реактивного шагового двигателя

 

При прохождении импульса тока в фазе 1 обмотки управления ротор занимает положение, соответствующее действию электро­магнитных сил, т. е. по оси полюсов 1—1. В момент времени появится импульс тока в фазе 2. При этом на ротор будут действо­вать силы, обусловленные одновременным воздействием двух МДС (полюсов 1— 1 и 2—2). В результате ротор повернется по часовой стрелке и займет положение, промежуточное между по­люсами 1—1 к 2—2, т. е. повернется на шаг = 30°. В момент импульс тока в фазе 1 прекратится и ротор, сделав шаг = 30°, займет положение по оси полюсов 2—2. В момент появится им­пульс тока в фазе 3 и ротор, повернувшись еще на 30°, займет по­ложение между полюсами статора 2—2 и 3—3. В моменты време­ни и ротор также будет совершать шаги по 30° и в конце цикла (момент ) займет положение по оси полюсов статора 1—1, совершив за этот цикл поворот на 180°.

В последующие циклы процессы в ШД будут повторяться. Таким образом, рассматриваемый реактивный трехфазный ШД работает по шеститактной схеме коммутации с раздельно-совместным включением фазных обмоток управления: .

Работают реактивные ШД от однополярных импульсов напряже­ния, так как изменение полярности этих импульсов не изменяет на­правления реактивного момента. Для изменения направления враще­ния ротора рассматриваемого ШД необходимо изменить схему коммутации обмоток, например ...

Если в этом двигателе применить раздельное включение об­моток, т. е. принять схему коммутации 1 2 3 ..., то шаг двигателя = 60°.

Шаг двигателя (град)

, (23.7)

где — число полюсных выступов на роторе; т_у — число фаз­ных обмоток управления, пространственно смещенных относи­тельно друг друга; - коэффициент, определяемый способом включения фазных обмоток управления (при раздельном включе­нии = 1, при раздельно-совместном — = 2).

Уменьшение шага способствует повышению устойчивости и точности работы ШД Для уменьшения шага увеличивают число полюсных выступов на роторе . Так, если в рассматриваемом двигателе применить ротор крестообразного сечения ( =4), то при шеститактной коммутации шаг = 15°.

Шаговые двигатели с активным ротором (с обмоткой возбуждения или постоянными магнитами на роторе) позволяют получить, большие значения вращающего момента, а также обеспечивают фиксацию ротора при отсутствии управляющего сигнала.

Один из важных параметров ШД — частота приемистости - максимальная частота следования управляющих импульсов, при которой ротор втягивается в синхронизм с места без потери шага. У шаговых двигателей реактивного типа частота приемистости при номинальной нагрузке достигает 1000 — 1300 Гц. С увеличе­нием шага частота приемистости уменьшается. Шаговый двигатель работает в комплекте с коммутатором — устройством, преобразующим заданную последовательность управляющих импульсов в -фазную систему прямоугольных импульсов напряжения.

При рассматривании принципа работы шагового двигателя влияние нагрузочного момента на валу двигателя не учитывалось. Если же на вал шагового двигателя действует нагрузочный момент , то при переключении управляющего импульса с одной фазы на другую МДС статора повернется на угол , а ротор двигателя, поворачиваясь за вектором МДС, будет отставать от него на угол называемый углом статической ошибки шагового двигателя, эл. град:

где — максимальный статический момент, соответствующий углу смещения ротора относительно вектора МДС статора = 90 эл. град.

Быстродействие шаговых двигателей определяется скоростью протекания электромагнитных процессов при переключении управляющих импульсов напряжения с одной фазы статора на другую. Скорость протекания этих процессов оценивается элек­тромагнитной постоянной времени, с

,

где — индуктивность обмотки одной фазы статора, Гн; - активное сопротивление обмотки одной фазы статора, Ом.

Для повышения быстродействия шагового двигателя в обмот­ки фаз статора последовательно включают резисторы , тогда

Энергетическим показателем шагового двигателя является значение потребляемой мощности . Частота вращения шагового двигателя регулируется изменением частоты подачи управляющих импульсов напряжения на фазы обмотки статора.

⇐ Предыдущая58596061626364656667Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Асинхронные исполнительные двигатели
2. Асинхронные конденсаторные двигатели
3. Винтовые забойные двигатели.
4. Двигатели общего назначения: типы, устройство, принцип действия
5. Двигатели с короткозамкнутым ротором - регулирование координат.
6. Двигатели с фазным ротором - регулирование координат
7. Действующие на ГАМК-реактивные синапсы
8. Индукторные синхронные машины
9. Исполнительные двигатели постоянного тока
10. Короткозамкнутые асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми характеристиками
11. Линейные асинхронные двигатели
12. При каком напряжении на шинах РУ, в целях обеспечения долговечности, использовать электродвигатели не рекомендуется?