2025
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Воронежский государственный технический университет
КОНОНЕНКО Е.В. СИТНИКОВ Н.В.
СТАТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, РА-
БОТАЮЩИХ ОТ ОДНОФАЗНОЙ СЕТИ
Учебное пособие
Воронеж 1997
2
УДК 621.313.323
Кононенко Е.В., Ситников Н.В. Статическая устойчивость синхронных двигателей, работающих от однофазной сети: Учеб. пособие. Воронеж. гос. техн. ун-т. Воронеж, 1997. 97 с.
В учебном пособии рассматриваются вопросы моделирования и анализа статической устойчивости синхронных двигателей , работающих от однофазной сети.Пособие предназначено для студентов специальности 180100 “Электромеханика” дневного и заочного обучения , изучающих курс “Математическое моделирование электрических машин” и может быть использовано студентами других специальностей электромеханического профиля и аспирантами занимающимися изучением и исследованием переходных процессов в электромеханических системах с синхронными двигателями.
Рукопись набрана в текстовом редакторе WORD 6.0 и записана на магнитный диск в следующие файлы:
Введение-VVED.DOC , первая глава - GL1.DOC,вторая глава - GL2.DOC , третья глава - GL3.DOC, четвертая главаGL4.DOC, литература -
LITER.DOC , приложение - PRIL.DOC, содержание - SODER.DOC.
Ил. 22 прил. 3 табл. 4 библ. 10 назв.
Печатается по решению редакционно - издательского совета Воронежского государственного технического университета.
Научный редактор к. т. н. , доцент Ю.В. Писаревский
Рецензенты: кафедра электротехники Воронежского государственного аграрного университета;
к.т.н., доцент Воронежской государственной технологической академии Хомяк В.А.
Издательство Воронежского государственного технического университета
3
Введение
Синхронные двигатели (СД) малой мощности получают все более широ-
кое применение. Обычно они используются в устройствах , где требуется синхронная частота вращения . В большинстве случаев СД малой мощности работают от однофазной сети . Наиболее распространенными синхронными двигателями малой мощности являются синхронные реактивные двигатели
(СРД) и двигатели с постоянными магнитами (СДПМ).
Для создания пускового момента на роторе таких двигателей выполня-
ют короткозамкнутую пусковую обмотку , а на статоре , кроме основной об-
мотки , располагают дополнительную , сдвинутую в пространстве относи-
тельно основной на угол 90 эл. град. . Для сдвига токов в обмотках во времени последовательно с дополнительной обмоткой включают фазоздвигающий элемент . В качестве последнего обычно используется конденсатор. Двигате-
ли , в которых дополнительная обмотка остается включенной и при нормаль-
ной работе , называются конденсаторными.
Конденсаторные двигатели в общем случае являются двухфазными не-
симметричными двигателями. К обмоткам статора их подводится несиммет-
ричная система напряжений. Такие двигатели являются общей формой двига-
теля , работающего от однофазной сети , а однофазный двигатель является их частным случаем.
Одной из особенностей синхронных двигателей является то, что при определенном соотношении параметров в них возникают самовозбуждаю-
щиеся колебания скорости вращения ротора , известные под названием “са-
мораскачивание” . Частота этих колебаний значительно меньше частоты вра-
щения ротора , поэтому их возникновение при работе недопустимо.
В СД, работающих от однофазной сети , это явление изучено недоста-
точно полно . При исследовании самораскачивания трехфазных СД рассмат-
ривается статическая устойчивость установившегося синхронного режима
4
работы и рассчитываются границы устойчивой работы на основе линеаризо-
ванных уравнений. В отличие от трехфазных СД уравнения однофазных и не-
симметричных двухфазных СД содержат периодические составляющие. По-
этому электромагнитный момент таких двигателей в установившемся син-
хронном режиме имеет периодические составляющие , изменяющиеся с удво-
енной частотой напряжения сети. Все это не позволяет исследовать уравнения конденсаторных СД методами применяемыми в трехфазных двигателях. В
связи с изложенным , моделирование и анализ статической устойчивости СД,
работающих от однофазной сети нуждается в дополнительных исследовани-
ях. Результаты этих исследований , выполненных на кафедре электромехани-
ческих систем ВГТУ излогаются в настоящем учебном пособии.
В качестве базового двигателя при изучении статической устойчивости выбран конденсаторный синхронный двигатель с постоянными магнитами.
Как будет показано ниже математическая модель конденсаторного СДПМ яв-
ляется обобщенной и универсальной , так как включает в себя модели одно-
фазных и конденсаторных СРД, и позволяет проводить анализ статической устойчивости данных синхронных двигателей , а также трехфазных СРД и СДПМ.
Данное учебное пособие адресовано студентам специальности 180.100 “Электромеханика” дневного и заочного обучения, изучающих курс “ Мате-
матическое моделирование электрических машин” и может быть использова-
но студентами других специальностей электромеханического профиля и ас-
пирантами занимающихся изучением и исследованием переходных процессов
вэлектромеханических системах с синхронными двигателями.
1.ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
Синхронные двигатели с постоянными магнитами применяются в электроприводах с постоянной частотой вращения: лентопротяжных механизмах, аппаратах звуко и видеозаписи, программно-управляющих приборах, устройствах связи. По сравнению с другими типами синхронных двигателей, СДПМ обладают бо-
лее высокими энергетическими показателями .
5
Положительными свойствами СДПМ являются также повышенная устойчивость работы в синхрон-
ном режиме, высокая стабильность частоты вращения, способность синхронного вращения в групповых при-
водах.
Широкое распространение двигателей с постоянными магнитами сдерживается высокой стоимо-
стью постоянных магнитов. В то же время этот недостаток может быть устроен двумя путями: снижением стоимости высокоэффективных магнитных материалов, а также за счет экономии энергии при использовании данного типа двигателей .
Синхронные двигатели с постоянными магнитами в большинстве случаев работают от однофазной сети. Для создания пускового момента на роторе таких двигателей выполняют короткозамкнутую пусковую обмотку, а на статоре кроме основной обмотки располагают дополнительную, сдвинутую в пространстве от-
носительно основной на угол 90 эл.градусов. Для сдвига токов в обмотках во времени последовательно с до-
полнительной обмоткой включают фазосдвигающий элемент. Наиболее эффективным и часто применяемым,
фазосдвигающим элементом является конденсатор. Двигатели, в которых дополнительная обмотка с конден-
сатором остается включенной и в рабочем режиме, называются конденсаторными .
Существует большое число схем включения синхронных электродвигателей в однофазную сеть .
Наиболее часто применяющиеся схемы включения показаны на рис.1.1.
К настоящему времени разработано много разнообразных конструкций СД, работающих от одно-
фазной сети. Конструкция статора СДПМ такая же, как и у других типов машин переменного тока. Роторы же электродвигателей имеют различное исполнение, определяемое магнитными и технологическими свойствами магнитотвердых сплавов, а также назначением и мощностью двигателя. В зависимости от взаимного распо-
ложения на роторе постоянных магнитов и короткозамкнутой обмотки СДПМ подразделяются на двигатели с радиальным расположением постоянных магнитов и пускового устройства и двигатели с аксиальным распо-
ложением постоянных магнитов и пускового устройства.
Магнитная система ротора СДПМ радиальной конструкции представлена на рис.1.2. Данная конст-
рукция разработана Д.С.Уриновcким . Особенностью представленного ротора является наличие широких полюсных башмаков, что позволяет выполнить пусковую беличью клетку с полным числом стержней и уве-
личить проводимость рассеяния между полюсами ротора. Таким образом, магниты защищаются от размагни-
чивания реакцией якоря, а при пусковом режиме увеличивается магнитная связь обмоток статора и ротора.
6
Рис.1.1. Схемы включения обмоток конденсаторных СДПМ
7
Рис.1.2. Ротор СДПМ конструкции Д.C.Уриновского
1- стальной вал; 2- постоянные магниты; 3- шихтованные полюсные наконечники; 4- к.з. обмотка.
Рис.1.3. Ротор СДПМ конструкции Ф.В.Мерилл
1-вал; 2- магнит “звездочка”; 3- роторное кольцо;
4- алюминиевая втулка.
На рис.1.3 показана другая конструкция ротора с радиальным расположением магнитной системы.
Предложенная конструкция имеет глубокие радиальные прорези в области межполюсных участков роторного кольца. Это позволяет получать оптимальное рассеяние магнита, выбором ширины междуполюсной прорези и
8
высоты остающейся стальной перемычки. Наличие соединительных перемычек в роторном кольце обеспечи-
вает хорошую механическую прочность конструкции ротора и позволяет применять ее в двигателях с высокой частотой вращения.
Конструкции роторов с аксиальным расположением постоянных магнитов и пускового устройства применяются в основном для двигателей небольшой мощности (до нескольких ватт) с малым диаметром рас-
точки статора. Роторы СДПМ с максимальным расположением магнитной системы могут иметь постоянные магниты, намагниченные в радиальном, осевом или тангенциальном направлениях.
а) б) в)
Рис.1.4. Конструкции роторов с аксиальным расположением магнитной системы и намагниченными в ради-
альном направлении постоянными магнитами
.
Типичные конструкции роторов с аксиальным расположением магнитной системы и намагничен-
ными в радиальном направлении постоянными магнитами представлены на рис.1.4. Конструкция ротора на рис.1.4а имеет недостаток, заключающийся в возможности возникновения осевых сил тяжения в случае раз-
личных величин магнитной индукции в зонах расположения постоянного магнита и короткозамкнутой обмот-
ки. Схемы роторов на рис.1.4 б,в, лишены данного недостатка . Приведенные конструкции технологически очень просты, изготовление короткозамкнутой обмотки может проводиться по той же технологии, что и в асинхронных двигателях.
Большой интерес в настоящее время вызывают разработки электродвигателей сочетающих в себе характеристики синхронного двигателя с постоянными магнитами и синхронного реактивного двигателя.
Такие двигатели получили название гибридных . Постоянные магниты в таких конструкциях создают потоки,
направленные по продольной оси. Такие двигатели также имеют улучшенные условия синхронизации. На рис.1.5 показана одна из возможных конструкций ротора гибридного двигателя.
9
Рис.1.5. Pотор гибридного электродвигателя
1-проводящий материал; 2-магнит; 3-сердечник ротора; 4-стержни ротора.
Промышленностью разработано и выпускается несколько типов синхронных двигателей с постоян-
ными магнитами, технические характеристики некоторых из них приведены в табл.1.1.
В табл.1.2 приводятся данные СДПМ, разработанных НИИ электромеханики и кафедрой электриче-
ских машин МЭИ. Двигатели предназначены для работы от трехфазной и однофазной сети промышленной частоты с напряжением 220 В .
Таблица 1.1
Тип двигателя |
m |
f , |
nн , |
Uн, |
Pн, |
Iн, |
, |
cos |
Mвх |
Mвых |
Mп |
Cр, |
Мас- |
|
|
Гц |
об/мин |
В |
Вт |
А |
% |
|
/Mн |
/Mн |
/Mн |
мкФ |
са,кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДС-22-1500 |
3 |
50 |
1500 |
380 |
16 |
0,14 |
50 |
0,5 |
1,15 |
1,44 |
2,88 |
- |
3,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДС-22-750 |
3 |
50 |
750 |
380 |
10 |
0,13 |
39 |
0,53 |
1,23 |
1,38 |
2,3 |
- |
3,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДС-10-1500 |
3 |
50 |
1500 |
220 |
13 |
0,17 |
40 |
0,44 |
- |
2 |
3,5 |
- |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДС-10-1500 |
2 |
50 |
1500 |
220 |
10 |
0,2 |
28 |
0,82 |
- |
1,8 |
1,25 |
3 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДС-12 |
2 |
50 |
3000 |
127 |
0,25 |
0,03 |
7,2 |
0,92 |
1,75 |
1,88 |
1,75 |
0,6 |
0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДС-12А |
2 |
50 |
3000 |
40 |
0,25 |
0,12 |
7,2 |
0,73 |
1,75 |
1,88 |
1,75 |
0,8 |
0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДС-12Б |
2 |
50 |
3000 |
115 |
0,25 |
0,03 |
7,2 |
0,99 |
2 |
2,15 |
2 |
0,5 |
0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
За рубежом также проявляется большой интерес к разработке и производству синхронных двигате-
лей с возбуждением от постоянных магнитов.
Французской фирмой Cie Electro-Mecanique разработана серия синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов марки Recoma. Двигатели типа Isosyn имеют диапазон мощностей 0,37-18,5 кВт,
Таблица 1.2.
10
Тип двигателя |
ДС-1 |
|
ДС-2.5 |
|
ДС-6 |
|
ДС-10 |
|
ДС-25 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Число фаз |
3 |
1 |
3 |
|
1 |
3 |
1 |
3 |
|
1 |
3 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P2 , Вт |
1,5 |
1 |
3 |
|
2,5 |
8 |
6 |
13 |
|
10 |
30 |
|
25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iн , А |
0,06 |
0,08 |
0,09 |
|
0,11 |
0,13 |
0,6 |
0,18 |
|
0,2 |
0,31 |
|
0,31 |
, % |
10 |
7,7 |
15 |
|
14,3 |
32 |
20,7 |
44 |
|
27,7 |
56 |
|
49 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos |
0,62 |
0,72 |
0,61 |
|
0,,4 |
0,63 |
0,84 |
0,44 |
|
0,82 |
0,47 |
|
0,75 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Mвых/Mн |
1,7 |
3 |
1,2 |
|
1,3 |
2 |
1,8 |
2 |
|
1,8 |
2 |
|
1,7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Mп/Mн |
1,9 |
1,, |
2 |
|
1,9 |
3,8 |
2 |
3,5 |
|
1,3 |
2,6 |
|
2,2 |
Iп/Iн |
1,5 |
1,5 |
1,8 |
|
2 |
3,5 |
2,5 |
3,5 |
|
2,5 |
3 |
|
3,5 |
Cр/Cп , мкФ |
- |
1 |
- |
|
1,25 |
- |
2,5 |
- |
|
3 |
- |
|
3/8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
предназначены для использования в групповом электроприводе металлургической промышленности и в про-
изводстве химического волокна, в вентиляторах, насосах, кондиционерах. Сравнение данных двигателей с асинхронными показало, что синхронные двигатели имеют более высокие КПД и cos . Снижение потерь и увеличение КПД на 4-13 % позволяет существенно экономить электроэнергию, что полностью оправдывает затраты на дорогостоящие постоянные магниты. Данные этих двигателей в сравнении с асинхронными той же мощности приведены в табл.1.4, причем синхронные двигатели выполнены на те же высоты вращения, что и асинхронные.
По устройству и принципу действия синхронные двигатели малой мощности разделяются на три ос-
новные группы: реактивные, гистерезисные и двигатели с постоянными магнитами. Разработка и массовый выпуск синхронных двигателей малой мощности начались с реактивных, а затем гистерезисных двигателей.
Синхронные двигатели с постоянными магнитами получают широкое распространение в настоящее время.
|
|
|
Таблица 1.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тип двигателя |
Асинхронные двигатели |
|
Синхронные двигатели |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Мощность , кВт |
Частота враще- |
cos |
КПД |
Частота вра- |
cos |
КПД |
|
ния, об/мин |
|
% |
щения, об/мин |
|
% |
|
|
|
|
|
|
|
0.37 |
1360 |
0,69 |
63 |
1500 |
0,8 |
73 |
|
|
|
|
|
|
|
0.75 |
1400 |
0,75 |
73 |
1500 |
0,85 |
79 |
|
|
|
|
|
|
|
1.5 |
1410 |
0,78 |
75 |
1500 |
0,85 |
82 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
1410 |
0,8 |
78 |
1500 |
0,88 |
85 |
|
|
|
|
|
|
|
4.5 |
1420 |
0,83 |
79,5 |
1500 |
0,9 |
86 |
|
|
|
|
|
|
|
5.5 |
1430 |
0,84 |
83,5 |
1500 |
0,9 |
88 |
|
|
|
|
|
|
|
7.5 |
1430 |
0,84 |
85 |
1500 |
0,9 |
90 |
|
|
|
|
|
|
|
11 |
1450 |
0,83 |
86,2 |
1500 |
0,9 |
91 |
|
|
|
|
|
|
|
15 |
1450 |
0,85 |
87,5 |
1500 |
0,9 |
91,5 |
|
|
|
|
|
|
|
18.5 |
1450 |
0,85 |
88 |
1500 |
0,9 |
92 |
|
|
|
|
|
|
|