6.8 Синхронные машины (см)

Как мы выяснили в п. 6.4.2, СМ в установившемся режиме имеет следующие особенности:

- ротор СМ как в двигательном, так и в генераторном режимах вращается с постоянной скоростью, равной частоте вращающегося магнитного поля, т.е. n = n₁;

- частота ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря (т.е. статора), пропорциональна частоте вращения ротора;

- ЭДС в обмотке ротора не индуцируется, МДС этой обмотки определяется только током возбуждения ОВ.

6.8.1 Синхронный генератор (СГ)

СГ так же, как и Г=Т, бывают с независимым возбуждением и с самовозбуждением. В зависимости от назначения подразделяются на:

а) СГ промышленной частоты (50 Гц);

б) СГ повышенной частоты;

в) синхронные тахогенераторы (СТг)

Внешняя характеристика СГ – это зависимость U_г = f(I_г) при n = const, I_в = const, cos = const ( - угол между U_г и I_г, зависит от характера нагрузки генератора). Она описывается более сложными соотношениями, чем у Г=Т. Это связано с тем, что у СГ частота выходной ЭДС является функцией скорости вращения ротора. Следовательно, реактивная составляющая комплексного сопротивления нагрузки z_н и индуктивное сопротивление самой обмотки при изменении скорости вращения изменяются. Поэтому зависимость U_г = f(n) нелинейна. Поэтому СГ не используются в качестве тахогенераторов в автоматических системах.

Генераторы повышенной частоты - это СГ, вырабатывающие напряжение с частотой свыше 50 Гц. Использование повышенной частоты позволяет уменьшить габариты и массу электрических машин, использовать высокоскоростные асинхронные двигатели в электроприводах.

Частота напряжения на выходе СГ f = pn , где р – число пар полюсов. Увеличение n ограничено механической прочностью ротора, увеличение р ведет к увеличению габаритов, поскольку при этом возрастает объем, требуемый для размещения обмоток. Поэтому в качестве таких Г помимо СМ обычной конструкции применяют и другие конструкции.

а) Генератор с когтеобразными полюсами. Устройство такого СГ показано на рисунке .При возбуждении индуктора (обмотки ротора) линии образующегося магнитного поля сцепляются с обмоткой статора и наводят в ней ЭДС. Благодаря большому числу когтеобразных полюсов, размещенных на роторе (р велико), частота ЭДС статора также велика. Достоинства такого СГ - простая конструкция ОВ; недостатком является значительное поле рассеяния.

Существует и разновидность конструкции такого СГ – с неподвижной ОВ, т.е. на роторе такой машины отсутствуют контактные кольца.

б

Рис. 63-4. Устройство синхронной машины с когтеобразными полюсами.

1 - диск с системой северных полюсов индуктора; 2 - ярмо индуктора; 3 - диск с системой южных полюсов индуктора; 4 - обмотка возбуждения; 5 - магнитопровод якоря; 6 - обмотка якоря.

) Индукторные генераторы. В индукторной СМ ОВ и обмотка якоря (ОЯ) расположены на статоре, т.е. неподвижны. Ротор представляет собой цилиндрический магнитопровод с равномерно распределенными по его окружности зубцами и пазами (без каких либо обмоток). Электромеханическое преобразование энергии в такой машине происходит благодаря изменению взаимной индуктивности М_вя между ОЯ и ОВ, которое происходит при перемещении зубцов магнитопровода ротора относительно зубцов магнитопровода статора. Действительно, ЭДС обмотки якоря e_я = - dΨ_я/dt. Поскольку потокосцепление якоря Ψ_я = М_вяi_в, то

e_я = - d(М_вяi)_в/dt = - i_в (dМ_вя/dt).

Частота изменения М_вя во времени пропорциональна числу зубцов ротора z: f = zn, такова же и частота ЭДС e_я.

Существуют две конструктивные разновидности таких машин: разноименнополюсные (ротор при вращении перемагничивается, см. рисунок ), и одноименнополюсные, в которых ротор не перемагничивается.

Рис. 63-7. Индукторная синхронная машина в разноимённополюсном исполнении.

Достоинство таких СГ – простота конструкции (нет обмотки на роторе) и, следовательно, высокая надежность. К сожалению, габариты и масса их велики, поскольку поток возбуждения изменяется от Ф_макс до Ф_мин, а не от –Ф_м до + Ф_м).

6.8.2 Синхронные двигатели (СД)

В зависимости от устройства электромагнитной системы СД подразделяются на следующие типы:

а) СД с постоянными магнитами;

б) СД с электромагнитным возбуждением;

в) реактивные СД;

г) индукторные СД;

д) импульсные СД;

е) шаговые СД.

СД широко используются в промышленных установках, работающих с постоянной скоростью (насосы, прокатные стоны и т.п.), а также в системах автоматического управления.

6.2.1 СД с постоянными магнитами (СДс=М). В них роль ОВ выполняет блок постоянных магнитов. Статор имеет обычную конструкцию. В его пазах располагается одно-, двух- или трехфазная обмотка.

На роторе, помимо блока постоянных магнитов, размещают пусковую (или демпферную) обмотку, выполненную в виде "беличьей клетки", поскольку СД без ПО имеет нулевой пусковой момент из-за большой инерционности ротора по сравнению со скоростью вращения магнитного поля статора.

Пуск СДс=М осуществляют обычно прямым способом, т.е. непосредственно включают в сеть. Разгон осуществляется за счет асинхронного вращающего момента М_ас, возникающего в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля с током пусковой обмотки ротора. При пуске кроме М_ас имеется еще и тормозящий момент, образующийся из-за наличия постоянных магнитов: при их вращении в процессе разгона в обмотке статора наводится переменная ЭДС, начинают протекать токи (переменные), которые, взаимодействуя с потоком ротора, создают тормозящий момент М_т. Результирующая м еханическая характеристика такого СД показана на рисунке , она имеет участок неустойчивой работы.

Вход в синхронизм происходит при скорости вращения ротора n, близкой к частоте тока статора n₁ (момент М_вх, развиваемый при этом двигателем, называется моментом входа в синхронизм). При увеличении момента на валу выше момента М_вых (момента выхода их синхронизма) СД «выпадает» из синхронизма и начинает работать как АД.

СДс=М имеют высокий КПД и высокую стабильность скорости вращения n. К недостаткам их можно отнести высокую стоимость, а также значительный пусковой ток.

6.8.2.2 СД с электромагнитным возбуждением. Он устроен аналогично СД=М, но на роторе вместо постоянных магнитов имеется ОВ. К ОВ на период пуска подключают специальное пусковое сопротивление R_п, а после входа в синхронизм вместо него подключают источник постоянного напряжения. В САУ такие СД используются редко.

6.8.2.3 Реактивный СД. Это СД с явно выраженными полюсами на роторе без ОВ и постоянных магнитов. Магнитный поток создается переменным током обмотки статора. Вращающий момент возникает из-за различия магнитных проводимостей ротора по продольной и поперечной осям (рисунок ).

При этом явно выраженные полюсы ротора стремятся занять в поле статора такое положение, чтобы магнитное сопротивление для силовых линий поля было минимальным (а поток через ротор - максимальным, см. раздел 1). При этом на ротор воздействуют тангенциальные силы магнитного тяжения F_Т, появляется вращающий момент, и если поле статора вращается, то ротор вращается в том же направлении и с той же скоростью n₁.

Ротор может иметь различные конструкции. В нем обязательно имеется пусковая обмотка типа «беличьей клетки», т.к. к. без нее пусковой момент М_п = 0. Чаще всего ротор представляет собой алюминиевый цилиндр, внутри которого залиты стальные полосы, создающие асимметричную магнитную систему (рисунок ).

Несмотря на простоту конструкции и высокую надежность, такой СД имеет низкий пусковой момент М_п и малый cos.

6.8.2.4 Гистерезисные СД (ГСД). В ГСД вращающий момент создается за счет явления гистерезиса при перемагничивании ферромагнитного материала ротора. Ротор представляет собой стальной цилиндр из магнитотвердого материала (с широкой петлей гистерезиса). При синхронной частоте вращения ротор намагничивается под действием поля статора (рисунок ). При этом из-за явления гистерезиса (межмолекулярного трения) ось намагничивания ротора отстает от оси вращающегося поля на угол , из-за чего возникают тангенциальные составляющие F_Т сил взаимодействия между полюсами ротора и полем статора, создающие вращающий гистерезисный момент М_г.

Угол  определяется только материалом ротора, поэтому F_Т и М_г не зависят от частоты вращения. Чем шире петля гистерезиса, тем больше угол  и М_г.

При пуске ГСД n  n₁, поэтому на ротор кроме М_г воздействует и асинхронный момент М_ас, возникающий как результат взаимодействия вращающегося поля статора с вихревыми токами, индуктируемыми этим полем в роторе.

ГСД, как и рассмотренный выше РСД, отличается простотой конструкции, высокой надежностью. Кроме того, пусковой ток его I_п невелик. Недостатком является высокая стоимость обработки магнитных материалов якоря.

6.8.2.5 Индукторные СД (редукторные СД). Такие СД позволяют получать очень низкие синхронные скорости вращения ротора при питании от сети со стандартной частотой без использования механического редуктора. Схематическое устройство такой машины показано на рисунке

На статоре и роторе имеются полукруглые пазы, между ними - зубцы. Количество зубцов на окружности ротора Z_p больше, чем на поверхности статора Z_c. На статоре укладывается 3-х или 2-х фазная обмотка, предназначенная для создания вращающегося магнитного поля.

Пусть в данный момент времени вектор В_с, созданной током обмотки статора, направлен вверх (положение А). Реактивный вращающий момент установит ротор в положение наибольшей магнитной проводимости, т.е. совместятся зубцы (1 и 1^', 5^' и 4). При перемещении В_с в положение Б (по оси зубцов статора 2 – 5, т.е. на угол α_с =360/Z_c) ротор повернется в положение, когда совместятся зубцы 2-2', 5-6^', т.е. угол поворота ротора составит α_р = 360/Z_c – 360/Z_p. Следовательно, угловая скорость вращения ротора  меньше скорости вращения поля ротора ₁ в α_с/α_р= (360/Z_c)/(360/Z_c - 360/Z_p) = Z_cZ_p/Z_c(Z_p - Z_c) = Z_p/(Z_p- Z_c) раз, т.е. отношение скоростей вращения поля статора и ротора ₁/ = Z_p/(Z_p- Z_c) больше единицы. Таким образом, машина остается синхронной, т.к. ее скорость жестко связана со скоростью поля, но одновременно выполняет роль понижающего редуктора, поскольку ее механическая скорость может быть получена намного меньше скорости поля, определяемого частотой питающей сети:

 = Z_p/(Z_p- Z_c)₁.

6.8.2.6 Импульсные СД (шаговые, ШД). Это синхронные микродвигатели, у которых питание фаз обмотки якоря производится не синусоидальными токами, а путем подачи многофазных (т.е. сдвинутых относительно друг друга во времени) импульсов тока от какого-либо распределителя импульсов.

Под воздействием каждого импульса ротор совершает угловое перемещение, называемое шагом. Устройство, называемое коммутатор, преобразует управляющую последовательность импульсов в m-фазную систему прямоугольных импульсов управления, подаваемых соответственно на m статорных обмоток такого СД.

Если поочередно питать фазы СД импульсами тока, то ротор будет скачкообразно (пошагово) перемещаться в положения, при которых его ось совпадает с осями фазных обмоток (т.е. с линиями максимальной индукции). Таким образом, за 1 полный оборот ротор будет иметь m устойчивых положений.

Для повышения синхронизирующего момента распределитель импульсов формирует сигналы, подаваемые одновременно на 2, 3 и более фаз.

Используются такие СД в механизмах, где требуется старт–стопное движения, в станках с ЧПУ, лентопротяжных механизмы, в приводах гибких и жестких дисков ЭВМ, для поворота роторов сельсинов-датчиков на фиксированные углы, и т.п.

Конструкция ротора таких СД может быть двух типов: а) с постоянными магнитами; б) в реактивных импульсных СД ротор выполняется из магнитомягкого материала. Примеры таких машин приведены на рисунках и .

Рабочие свойства ШД характеризуются следующими параметрами:

- цена шага (величина измеряется в градусах или радианах, может достигать долей градуса);

- статический синхронизирующий момент, т.е. момент, устанавливающий ротор в согласованное положение с вектором индукции статора В_с;

- пусковой момент. Для создания М_п > 0 число обмоток управления должен быть  3;

- устойчивость – способность работать без потерь шагов, то есть способность ротора занимать устойчивое положение, соответствующее положению вектора В_с;

- частота приемистости – это наибольшая частота следования управляющих импульсов, при которой ротор втягивается в синхронизм при пуске без потери шага.

6.9. Вентильный двигатель (ВД) (бесколлекторный двигатель постоянного тока)

Ф актически это синхронный двигатель, питающийся от сети постоянного тока через полупроводниковый силовой инвертор (полупроводниковый коммутатор, ПК). По принципу действия он аналогичен ранее рассмотренному ШД, но работает в непрерывном режиме, а не в дискретном. Для того, чтобы характеристики ВД приближались к характеристикам коллекторных Д=Т, ВД имеют встроенный датчик положения ротора (ДПР), который и осуществляет управление инвертором (см. рисунок ). При этом переключение питания обмоток производится при положениях ротора, обеспечивающих максимальный момент.

Простейший ВД – это трехфазный СД с ДПР. ДПР может иметь различные исполнения (трансформаторный, оптический и т.п.).

Основное достоинство ВД – при сохранении положительных свойств СД достаточно легко осуществляется регулирование скорости вращения изменением частоты f₁, при этом устойчивость (невозможность выпадения из синхронизма) повышается.

6.10 Коллекторные машины переменного тока (КМТ)

КМТ - это по своим свойствам асинхронная машина особого исполнения, на роторе которой размещается замкнутая якорная обмотка, присоединенная к коллекторным пластинам так же, как у машин постоянного тока.

Механический преобразователь частоты (коллектор и щетки) служит в этой машине для преобразования тока одной частоты, имеющегося в якорной обмотке, в ток другой частоты в цепи, присоединенной к щеткам (подобно тому, как в М=Т переменный ток якоря с частотой вращения преобразуется в постоянный за щетками).

Существует большое число разновидностей КМТ, однако применение их в промышленности ограничено по следующим причинам:

- плохие условия коммутации;

- конструктивная сложность;

- высокая стоимость.

Однако несомненным достоинством таких машин является широкий диапазон регулирования скорости за счет введения в цепь ротора дополнительной ЭДС частоты скольжения (см. способы регулирования скорости АД).

Наиболее широко в промышленности и в быту используются однофазные коллекторные двигатели. Конструкция ОКД аналогична конструкции Д=Т. На роторе ОКД имеется замкнутая якорная обмотка, присоединенная к коллектору. Магнитопровод статора может иметь явнополюсное или неявнополюсное исполнение. На полюсах (или в пазах) статора располагается сосредоточенная или распределенная однофазная обмотка переменного тока. Для уменьшения потерь от вихревых токов статор выполняется шихтованным (набирается из пластин электротехнической стали).

В ОКД обмотки статора и якоря включаются последовательно. При таком включении поток полюсов Ф и ток якоря i являются переменными и изменяются по синусоидальному закону. Из-за потерь в стали и наличия короткозамкнутых коммутируемых витков обмотки якоря поток Ф и ток i сдвинуты по фазе на небольшой угол α. Поэтому большую часть периода знак вращающего момента М не изменяется (вспоминаем соотношение М = с_М0IФ), а величина его пульсирует с двойной частотой тока (см. рисунок ). Так как ротор двигателя обладает значительной механической инерцией, то скорость его вращения практически постоянна, т.е. двигатель реагирует только на среднюю величину вращающего момента М_ср. Механическая характеристика (МХ) ОКД при питании постоянным и переменным током имеет вид, аналогичный МХ Д=Т с последовательным возбуждением (см. рисунок ).

Условия коммутации в ОКД хуже, нежели в М=Т. Это связано с тем, что помимо реактивной е_реакт и ЭДС вращения е_вр (см. подраздел "коммутация М=Т") в коммутируемой секции якоря М  Т наводится еще и трансформаторная ЭДС, вызванная изменением потока полюсов с частотой тока сети. Поэтому полностью устранить искрение под щетками ОКД не удается применением мер, используемых в М=Т (сдвиг щеток с геометрической нейтрали, введение добавочных полюсов и КО).

Часто ОКД используются для работы как на постоянном токе, так и на переменном. Поэтому ОКД называются универсальными (УКД). Характеристика УКД при работе на переменном токе несколько мягче, чем на постоянном. Поэтому, чтобы сблизить эти характеристики, ОВ УКД выполняется секционированной, причем при работе на постоянном токе включается вся обмотка (см. рисунок , а на переменном токе – часть ее (w_в < w_в=). При этом Ф_в < Ф_в=, и при одном и том же моменте нагрузки М_ = М₌ (см. пунктирную кривую на механической характеристике).

Схема включения УКД приведена на рисунке К достоинствам УКД относятся следующие:

- возможность работы от источников постоянного и переменного тока;

- при работе от любого источника УКД допускает возможность простого и плавного регулирования скорости в широком диапазоне изменением подводимого к якорю напряжения или шунтированием якоря или ОВ;

- УКД позволяют получать очень высокую скорость вращения при промышленной частоте (до 30 000 об/мин).