Мощность Р Н, Вт | Напряжение U Н,В | Частота вращения, об/мин | Номинальный ток, А | КПД, % | cos | Частота питания, Гц | Вес, кг | ||||
постоянного тока | переменного тока | постоянного тока | переменного тока | постоянный | переменный | постоянного тока | переменного тока | ||||
1,5 | 54-56 | 49-51 | 0,71-0,73 | 4,5 |
Величина тока статора I универсальных двигателей при работе от сети переменного тока больше, чем при работе этого же электродвигателя от сети постоянного тока, так как переменный ток, помимо активной составляющей, имеет еще и реактивную составляющую.
Рис. 6.4. Универсальный коллекторный двигатель серии УМТ
КПД универсальных двигателей при переменном токе ниже, чем при постоянном, что вызвано повышенными магнитными потерями. Области применения универсальных коллекторных двигателей достаточно широки: они применяются в автоматике, для привода различного электроинструмента, бытовых электроприборов и т. п.
6.4. Репульсионный двигатель
с двумя обмотками на статоре
|
|
В репульсионном двигателе электрическая связь между обмотками статора и якоря заменена трансформаторной связью. На статоре двигателя имеется две обмотки (рис. 6.5): обмотка возбуждения ОВи компенсационнаяобмотка ОК. Обмотки сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 90° (на рис. 6.5 предполагается конструкция с числом пар полюсов р = 1).
На коллекторе репульсионного двигателя имеются щетки, но они замкнуты накоротко (на рис. 6.5 показаны условные щетки).
При включении двигателя в сеть переменного тока обе обмотки статора создадут пульсирующие магнитные потоки. Для объяснения взаимодействия этих потоков с обмоткой якоря эта обмотка условно изображена в виде катушки, концы которой замкнуты щетками. При этом ось щеток одновременно является осью обмотки якоря.
Рис. 6.5. Репульсионный двигатель с двумя обмотками на статоре
Магнитный поток обмотки возбуждения направлен перпендикулярно оси обмотки якоря, а поэтому не наводит в обмотке якоря ЭДС. Магнитный поток компенсационной обмотки направлен вдоль оси обмотки якоря и наводит в этой обмотке ЭДС Е т, называемую трансформаторной. Так как щетки двигателя замкнуты, то ЭДС Е 1создаст в обмотке якоря ток Iа. В остальном работа репульсионного двигателя, в принципе, не отличается от работы однофазного коллекторного двигателя последовательного возбуждения: токи в активных проводниках обмотки якоря взаимодействуют с магнитным потоком обмотки возбуждения и создают на якоре электромагнитный момент М, величина которого с некоторым приближением равна
|
|
Отсутствие электрической связи между обмотками статора и ротора в репульсионном двигателе обеспечивает более надежную работу щеточного контакта. Дело в том, что обмотка якоря двигателя может быть выполнена на любое низкое напряжение, независимо от напряжения в питающей сети, что значительно облегчает процесс коммутации.
6.5. Репульсионный двигатель
с одной обмоткой на статоре
В отличие от предыдущего этот двигатель имеет одну статорную обмотку, при этом короткозамкнутые щетки на якоре (см. рис. 6.6) могут поворачиваться относительно статорной обмотки. Взаимное положение осей обмоток статора и якоря определяется углом . При обмотки статора и якоря взаимно перпендикулярны (рис. 6.6, а). В этом случае трансформаторная ЭДС обмотки якоря равна нулю, соответственно чему ток якоря Iа и вращающий момент М равны нулю.
При обмотки статора с числом витков и якоря с числом витков располагаются по одной оси, при этом в обмотке якоря индуктируется трансформаторная ЭДС. Однако якорь будет оставаться неподвижным, так как взаимодействие тока в проводниках обмотки якоря с потоком возбуждения не создает в данном случае вращающего момента (см. рис. 6.6, б). Указанное положение щеток называется положением короткого замыкания. Рабочий режим двигателя соответствует значениям 0 < < 90°. В этом случае рассматриваемый репульсионный двигатель с одной статорной обмоткой может быть приведен к репульсионному двигателю с двумя статорными обмотками:
- обмоткой возбуждения с числом витков ;
- компенсационной обмоткой с числом витков .
а б в
Рис. 6.6. Репульсионный двигатель с одной обмоткой на статоре
При этом предполагается, что в каждой из обмоток ток равен I 1. Магнитные потоки, создаваемые НС этих обмоток, соответственно равны и . Величина электромагнитного момента рассматриваемого двигателя равна
.
Если магнитная система машины не насыщена, то магнитный поток обмотки статора пропорционален НС этой обмотки
,
где коэффициент пропорциональности;
– величина тока в обмотке статора.
Подставив полученное выражение, получим
.
Токи в обмотке якоря и компенсационной обмотке статора, имеющих трансформаторную связь, обратно пропорциональны числам витков этих обмоток
Следовательно,
Подставив выражение тока якоря в формулу момента, получим
,
где .
Таким образом, электромагнитный момент репульсионного двигателя с одной обмоткой на статоре пропорционален квадрату тока, потребляемого двигателем из сети. Если при сдвиге щеток менять напряжение так, чтобы ток , оставался неизменным, то согласно полученному выражению наибольший электромагнитный момент будет соответствовать значению = 45°. Но двигатель работает обычно при = const, поэтому поворот щеток сопровождается изменением тока . В этом случае наибольшее значение электромагнитного момента соответствует = 70-80° (см. рис. 6.7).
Рис. 6.7. Графики ) и ) репульсионного двигателя
с одной обмоткой на статоре
Так как репульсионный двигатель работает при изменяемом положении щеток на коллекторе, то применение в нем добавочных полюсов с целью улучшения коммутации невозможно.
6.6. Трехфазный коллекторный двигатель.
Регулирование частоты вращения и
асинхронного двигателя введением в цепь
ротора добавочной ЭДС
Трехфазный коллекторный двигатель представляет собой трехфазный асинхронный двигатель с вращающимся магнитным полем, в фазный ротор которого вводится добавочная ЭДС частотой . Поэтому прежде чем переходить к изучению работы трехфазного коллекторного двигателя, рассмотрим процессы, происходящие в нормальном асинхронном двигателе при введении в цепь ротора добавочной ЭДС.
Как следует из принципа работы асинхронного двигателя, обмотка ротора не имеет электрической связи с обмоткой статора. Между этими обмотками существует только магнитная связь, и энергия из одной обмотки передается в другую посредством магнитного поля. В этом отношении асинхронный двигатель подобен трансформатору, в котором обмотка статора является первичной, а обмотка ротора – вторичной.
|
|
В процессе работы асинхронного двигателя токи в обмотках статора и ротора создают в машине две намагничивающие силы: НС статора и НС ротора. Совместным действием этих НС в двигателе создается результирующий магнитный поток, вращающийся относительно статора с синхронной скоростью . Так же, как и в трансформаторе, этот магнитный поток можно рассматривать состоящим из основного потока Ф, сцепленного как с обмоткой статора, так и с обмоткой ротора, и двух потоков рассеяния: потока рассеяния обмотки статора и потока рассеяния обмотки ротора .
Рассмотрим, какие ЭДС наводятся в обмотках двигателя.
Обмотка статора. Основной магнитный поток Ф, вращающийся со скоростью , наводит в неподвижной обмотке статора ЭДС Е 1,величина которой определяется выражением
,
где К 1 – обмоточный коэффициент обмотки ротора;
– число последовательно соединенных витков одной фазы обмотки статора.
Магнитный поток рассеяния статора наводит в обмотке статора ЭДС рассеяния, величина которой определяется индуктивным падением напряжения в обмотке статора , где – индуктивное сопротивление рассеяния одной фазы обмотки статора. Кроме того, ток в обмотке статора создает падение напряжения в активном сопротивлении , где – активное сопротивление одной фазы обмотки статора. Таким образом, напряжение сети , подведенное к обмотке статора, уравновешивается суммой ЭДС, наведенных в этой обмотке:
Последнее выражение представляет собой уравнение ЭДС обмотки статора асинхронного двигателя.
Обмотка ротора. В процессе работы двигателя ротор вращается в сторону вращения магнитного поля статора со скоростью п 2. Поэтому частота вращения поля статора относительно ротора равна разности частот вращения . Основной магнитный поток Ф обмотки статора, обгоняя ротор с частотой вращения , индуктирует в обмотке ротора ЭДС:
|
|
,
где К 2 – обмоточный коэффициент обмотки ротора;
– число последовательно соединенных витков одной фазы обмотки ротора;
– частота ЭДС E 2 S.
Частота определяется частотой вращения магнитного поля статора относительно ротора и числом пар полюсов обмотки статора, т. е. пропорциональна скольжению:
.
Для большинства асинхронных двигателей эта частота невелика и при f = 50 Гцона не превышает нескольких герц. Так, при скольжении s = 0,05 и f = 50 Гцчастота ЭДС в обмотке ротора равна f 2 = 2,5 Гц.
Подставив полученное для частоты выражение в формулу для ЭДС, получим
.
Здесьпредставляет собой ЭДС, наведенную в обмотке ротора при скольжении , т. е. при неподвижном роторе.
Поток рассеяния ротора индуктирует в обмотке ротора ЭДС рассеяния Е Р2, величина которой определяется индуктивным падением напряжения в этой обмотке:
,
где – индуктивное сопротивление рассеяния обмотки при неподвижном роторе (s = l).
Так как в процессе работы двигателя обмотка ротора замкнута накоротко, то сумма ЭДС в цепи ротора равна нулю, т. е.
,
где – активное сопротивление цепи ротора.
Разделив все члены последнего равенства на s, получим уравнение ЭДС для цепи обмотки ротора
.
Учитывая, что скольжение асинхронного двигателя обычно очень мало, получим при первом приближении, приняв из уравнения ЭДС цепи ротора
.
Отсюда скольжение асинхронного двигателя при отсутствии в цепи ротора добавочной ЭДС ()
.
При введении в цепь ротора добавочной ЭДС Е Д частоты f 2 уравнение ЭДС изменится следующим образом:
.
Если Е Д направлена согласно Е 2, то , т. е. скольжение двигателя после введения в цепь ротора добавочной ЭДС Е Д становится меньше первоначального скольжения s на величину и частота вращения ротора при этом увеличивается. Если же Е Д направлена встречно Е 2, то , т. е. скольжение двигателя увеличивается по сравнению со скольжением s. Частота вращения ротора при этом уменьшается.
Добавочная ЭДС в цепи ротора Е Д частоты влияет на коэффициент мощности двигателя. Чтобы убедиться в этом, построим векторную диаграмму асинхронного двигателя (рис. 6.8) для случая введения в цепь ротора добавочной ЭДС , сдвинутой по фазе относительно Е 2 на угол . Направление вектора , как это видно из диаграммы, определяется положением вектора , построенного на основании уравнения. С изменением фазы или величины ЭДС Е Д меняется направление вектора , а следовательно, и . При этом увеличению обычно соответствует опережающий угол , когда добавочная ЭДС Е Д опережает по фазе ЭДС Е 2.
Рис. 6.8. Векторная диаграмма асинхронного двигателя
при введении в цепь ротора добавочной ЭДС
6.7. Трехфазный коллекторный двигатель
с параллельным возбуждением
На роторе этого двигателя имеется две обмотки (см. рис. 6.9, а): трехфазная обмотка 1, каждая фаза которой присоединена к контактному кольцу, и обмотка 2, выполненная аналогично якорной обмотке машины постоянного тока и присоединенная к коллектору. На статоре двигателя расположена трехфазная обмотка 3, каждая фаза которой присоединена к паре щеток, наложенных на коллектор. Двигатель имеет устройство, позволяющее в процессе работы сдвигать или раздвигать все щетки на коллекторе относительно друг друга, а также смещать всю систему щеток против направления вращения или по направлению вращения ротора.
Трехфазная обмотка ротора 1, включенная в сеть, создает вращающееся магнитное поле, которое, вращаясь с синхронной частотой вращения (относительно этой обмотки), индуктирует в обмотке статора 3ЭДС Е 2. Так как обмотка 3замкнута, то в ней появляется ток, который, взаимодействуя с вращающимся полем обмотки ротора, создает на проводах обмотки статора электромагнитную силу F ЭМ, направленную в сторону вращающегося поля (см. рис. 6.9, б).
а б
Рис. 6.9. Схема трехфазного коллекторного двигателя параллельного
возбуждения
При этом на проводники обмотки ротора начинает действовать сила , направленная против вращающегося поля. В итоге ротор и создаваемое им магнитное поле вращаются в противоположные стороны. При этом ротор вращается с асинхронной частотой вращения п 2, а ЭДС статора имеет частоту . Вращающееся поле ротора, создаваемое обмоткой 1, индуктирует в обмотке 2 ЭДС частоты сети независимо от того, находится ли ротор в покое или же вращается, потому что активные стороны этой обмотки уложены в тех же пазах, что и активные стороны обмотки 1 (см. рис. 6.9, б). ЭДС обмотки 2через коллектор и щетки создает на зажимах фазных обмоток статора напряжение, имеющее такую же частоту, как и частота ЭДС Е 2, индуктируемая в фазных обмотках статора вращающимся полем обмотки 1.
Таким образом, в цепь статора вводится добавочная ЭДС Е Д, которая совместно с ЭДС статора Е 2 вызывает ток I 2. Взаимодействие этого тока с током ротора определяет величину вращающего момента, а следовательно, и скорость вращения двигателя.
Уравнение равновесия ЭДС цепи статора имеет вид
,
где Z 2 – полное сопротивление цепи статора.
Знак «плюс» в этом равенстве соответствует согласному направлению ЭДС Е Д и Е 2, а знак «минус» – их встречному направлению.
ЭДС статорной обмотки
.
Если между щетками каждой фазы находится витков обмотки 2, то ЭДС этих витков (добавочная ЭДС)
.
Пренебрегая малым значением , получим или, подставив значения и ,
.
Отсюда скольжение двигателя
.
Здесь знак «плюс» соответствует встречному направлению ЭДС, а знак «минус» – согласному направлению этих ЭДС.
Из рис. 6.10 видно, что величина wx зависит от угла раствора щеток .
При совмещении щеток (см. рис. 6.10, а). В этом случае двигатель работает как обычный асинхронный двигатель с частотой вращения в режиме холостого хода, с некоторым уменьшением частоты вращения по мере возрастания нагрузки. При увеличении угла (см. рис. 6.10, б) количество витков wx возрастает, и в фазных обмотках статора начинает действовать добавочная ЭДС. Предположим, что Е Д действует встречно относительно ЭДС Е 2. Тогда скольжение становится положительным (знак «плюс» в формуле), и двигатель работает с частотой вращения ниже синхронной. При положении щеток, показанном на рис. 6.10, в, добавочная ЭДС Е Д изменит свое направление и будет действовать согласованно с ЭДС Е 2. В этом случае скольжение становится отрицательным (знак «минус» в формуле). Частота вращения увеличивается и становится выше синхронной. Регулирование частоты вращения двигателя при изменении скольжения в диапазоне -0,5 < s < +0,5 возможно в пределах 3:1.
а б в г
Рис. 6.10. Регулирование частоты вращения и коэффициента мощности
трехфазного коллекторного двигателя параллельного возбуждения
Для улучшения коэффициента мощности двигателя, особенно при низких частотах вращения, не изменяя угла раствора щеток у каждой фазы, сдвигают всю щеточную систему на угол (см. рис. 6.10, г) навстречу вращающемуся ротору. В результате добавочная ЭДС Е Д начинает опережать по фазе ЭДС Е 2 на угол , что способствует повышению двигателя. При пуске двигателя в ход щетки раздвигают на наибольший угол при встречном направлении ЭДС Е Д, что соответствует минимальной частоте вращения. В этих условиях добавочная ЭДС ограничивает величину пускового тока, а пусковой момент сохраняет значительную величину.
Серьезным недостатком рассматриваемого двигателя является подача напряжения на щетки, что ограничивает допускаемую величину подводимого к двигателю напряжения, которое практически не может превышать 500 В.
Наличие в двигателе коллектора, контактных колец и двух обмоток на роторе снижает КПД двигателя, который даже в двигателях большой мощности не превышает 85%.
Трехфазные коллекторные двигатели применяются в электроприводах переменного тока при необходимости регулирования частоты вращения в широких пределах.
Глава 7. Фазокомпенсатор
Фазокомпенсатор служит для повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей с контактными кольцами. Фазокомпенсатор (ФК) имеет статор 1 без обмотки, который является только магнитопроводом машины, и ротор 2 с обмоткой и коллектором. На коллекторе 3расположены три неподвижные щетки под углом 120° относительно друг друга (см. рис. 7.1).Подведенный от обмотки ротора асинхронного двигателя (АД) ток I 2 (см. рис. 7.2) создает в ФК вращающийся магнитный поток , частота вращения которого зависит от частоты тока в роторе I 2. Посредством вспомогательного двигателя (ВД) ротор фазокомпенсатора вращают с частотой вращения в направлении вращения потока . При этом в роторной обмотке ФК индуктируется ЭДС
где – частота вращения ротора фазокомпенсатора.
При ЭДС отстает по фазе от потока на 90°, а при ЭДС опережает на 90°. Если вспомогательный двигатель имеет такое же число полюсов, что и главный двигатель, то благодаря тому, что АД работает практически без нагрузки, частота вращения его ротора будет больше, чем у главного двигателя, , а следовательно, .
Рис. 7.1.Устройство фазокомпенсатора
Рис. 7.2. Схема включения асинхронного двигателя
с фазокомпенсатором
Таким образом, ЭДС компенсатора опережает по фазе поток на угол 90°. Но так как поток создается током I 2 и совпадает с ним по фазе, то ЭДС является опережающей по отношению к току ротора I 2. ЭДС вводится в обмотку ротора асинхронного двигателя, т. е. является добавочной ЭДС в цепи ротора. Известно, что введение в цепь ротора асинхронного двигателя добавочной ЭДС, опережающей по фазе ток I 2, вызывает увеличение двигателя. Фазокомпенсатор повышает главного двигателя только при его нагрузке, так как при холостом ходе , а частота вращения ротора асинхронного двигателя становится такой же, что и частота вращения компенсатора ().
В результате частоты и оказываются одинаковыми, а ЭДС = 0, т. е. компенсатор бездействует. На рис. 7.3 представлены кривые изменения при работе асинхронного двигателя с фазокомпенсатором (кривая 1) и без него (кривая 2), из которых видно, что начиная с нагрузки 30% от номинальной двигателя с компенсатором значительно повышается. При нагрузке свыше 60% от номинальной двигатель с фазокомпенсатором работает при = l.
Рис. 7.3. Кривые асинхронного двигателя
с фазокомпенсатором
Следует отметить, что КПД асинхронного двигателя, работающего с фазокомпенсатором, при некоторых нагрузках может быть даже выше, чем у асинхронного двигателя без фазокомпенсатора. Что же касается мощности вспомогательного двигателя, то ее активная составляющая чрезвычайно мала и определяется лишь величиной механических потерь в фазокомпенсаторе, так как он отдает в цепь ротора асинхронного двигателя чисто реактивную мощность.
Глава 8. Синхронные параметрические
(реактивные) двигатели (СРД)
Явнополюсная СМ при отсутствии возбуждения способна развивать в соответствии с угловой характеристикой добавочный электромагнитный момент и добавочную электромагнитную мощность. Невозбужденная явнополюсная СМ применяется в режиме синхронного параметрического реактивного двигателя, электромагнитный момент в котором возникает лишь при неравенстве его параметров, т.е. .
Простота конструкции и высокая надежность, связанные с отсутствием скользящих контактов – главные преимущества СРД по сравнению с СД с электромагнитным возбуждением классического исполнения. Основным недостатком СРД является потребление из сети значительной реактивной мощности, что снижает энергетические показатели (КПД и ). Электродвигатели этого типа применяются в схемах синхронной связи, звукозаписи, аппаратуре документальной связи, радиолокации и других устройствах.
При прочих равных условиях максимум мощности СРД будет при . Поэтому конструкцию ротора стремятся выполнить таким образом, чтобы получить максимальную степень явнополюсности . Явнополюсный ротор обычной конструкции (см. рис. 8.1, а) для этой цели выполняют с . Более высокую степень явнополюсности имеет слоистый ротор (см. рис. 8.1, б). Слои пластин электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью, ориентированные по продольной оси ротора, разделены слоями алюминия, образующими короткозамкнутую клетку, которая выполняет роль демпферной и пусковой обмотки. Такая конструкция существенно увеличивает магнитное сопротивление для магнитного потока по поперечной оси, что приводит к снижению Xq и повышению степени явнополюсности. Для пуска СРД, так же как и для возбужденных СД, может применяться частотный и асинхронный способы пуска.
а б
Рис. 8.1. Роторы реактивного синхронного двигателя:
а – традиционной конструкции; б – слоистой (с повышенным отношением )
Рабочие статические характеристики в функции полезной мощности Р 2 определяют свойства СРД в установившемся синхронном режиме и аналогичны рабочим характеристикам СД с возбуждением. Однако значения и для СРД значительно ниже, чем СД с возбуждением. Кривая монотонно возрастает, так как СРД является предельным случаем недовозбужденного СД (), и при холостом ходе потребляемый ток является практически реактивным намагничивающим током. Активная составляющая тока лишь компенсирует потери холостого хода. При номинальной нагрузке СРД тем больше, чем больше степень явнополюсности .
8.1. Конструкции и принцип действия
реактивных микродвигателей
Синхронными реактивными называют микродвигатели с переменным вдоль окружности воздушного зазора магнитным сопротивлением и невозбужденным ротором. Вращающееся магнитное поле таких микродвигателей создается только МДС статора. Электромагнитный момент возникает в результате изменения энергии магнитного поля в зазоре при рассогласовании осей поля и ротора.
Изменение магнитного сопротивления вдоль окружности воздушного зазора двигателя осуществляют путем выбора соответствующей формы и материала ротора.
Роторы, схематически изображенные на рис. 8.2, а и б, отличаются от обычного короткозамкнутого ротора типа «беличьей клетки» асинхронного микродвигателя только наличием внешних открытых (явнополюсная конструкция, рис. 8.2, а) или внутренних (неявно-полюсная конструкция, рис. 8.2, б) пазов, которые обеспечивают изменение магнитного сопротивления вдоль окружности. У ротора, показанного на рис. 8.2, в, такой же эффект получают за счет выполнения его из двух разнородных по магнитным свойствам материалов.
а б в
Рис. 8.2. Конструкции роторов синхронных реактивных микродвигателей:
1 – сердечник из электротехнической стали; 2 – стержни короткозамкнутой обмотки
На рис. 8.3 представлен синхронный реактивный микродвигатель СД-09М с ротором, соответствующим рис. 8.2, а.
Принцип действия реактивного микродвигателя рассмотрим на статической модели рис. 8.4. Вращающееся поле статора заменим постоянным магнитом. Угол между осью МДС статора и продольной осью d ротора обозначим . Будем считать, что на модели направления МДС и потока статора Ф1 совпадают.
Рис. 8.3. Синхронный реактивный микродвигатель СД-09М:
1 – статор с двухфазной обмоткой; 2 – ротор; 3 – подшипниковый щит
На рис. 8.4, а показано положение ротора в том случае, когда угол между осями ротора и потока статора, т. е. угол рассогласования = 0. Магнитные силовые линии проходят по пути наименьшего сопротивления и не деформируются.
Реактивный вращающий момент М Р = 0. Ротор занимает положение устойчивого равновесия. Если принудительно повернуть ротор на угол по часовой стрелке (см. рис. 8.4, б), то магнитные силовые линии изогнутся. Деформация магнитного поля вызовет вследствие упругих свойств силовых линий реактивный вращающий момент, стремящийся повернуть ротор против часовой стрелки. Очевидно, что ротор установится под таким углом к оси потока статора, при котором внешний момент уравновесится реактивным моментом двигателя.
При устранении внешнего момента ротор снова вернется в положение устойчивого равновесия, при котором = 0. При повороте ротора на 90° (см. рис. 8.4, в) силовые линии поля будут вновь проходить прямолинейно, не изгибаясь, но магнитное сопротивление в этом случае больше, чем при = 0. Реактивный момент М р = 0, т. е. ротор находится в равновесии.
а б в
Рис. 8.4. Принцип действия реактивного микродвигателя
Между положениями равновесия при = 0 и = 90° имеется существенное различие. В первом случае равновесие устойчиво, так как при всяком отклонении от него ротор стремится вернуться в первоначальное положение, а во втором случае равновесие неустойчиво и достаточно малейшего возмущения, чтобы ротор вернулся в устойчивое положение максимальной магнитной проводимости, показанное на рис. 8.4, а или отличающееся от него на 180°.
Таким образом, реактивный момент всегда стремится установить ротор в положение минимального магнитного сопротивления на пути потока двигателя. Положение устойчивого равновесия ротора будет при = 0, или = 180° и неустойчивого – при = 90 или 270° (электрических).
В реальных синхронных реактивных микродвигателях обмотки статора 1 создают магнитное поле, вращающееся в пространстве с постоянной или переменной скоростью, а ротор 2 увлекается реактивным моментом вслед за полем и вращается со скоростью поля (рис. 8.5).
Аналитические выражения реактивного момента через угол весьма громоздки. Поэтому при расчетах используют угол между пространственной волной напряжения статора и поперечной осью q ротора, величина которого тоже зависит от момента нагрузки.
Рис. 8.5. Модель синхронного реактивного микродвигателя
Вид угловой характеристики реактивного двигателя определяется законом изменения магнитного сопротивления вдоль окружности статора. Момент, соответствующий основной (второй) гармонике переменной составляющей магнитного сопротивления, без учета активного сопротивления обмотки статора находят по формуле, известной из общей теории явнополюсных электрических машин
где Xd и Xq —синхронные индуктивные сопротивления соответственно по продольной и поперечной осям.
Реактивный вращающий момент М Р в отличие от активного изменяется в функции угла по закону (сплошная линия на рис. 8.6). Установившийся режим в микродвигателе наступает при определенном угле , обеспечивающем равенство М Р = М СТ, где М СТ – статический момент сопротивления на валу двигателя.
Рис. 8.6. Угловая характеристика синхронного
реактивного микродвигателя
У реальных синхронных микродвигателей активное сопротивление обмотки статора R 1 относительно велико и соизмеримо с Xd и Xq. Поэтому для расчета реактивного момента нужно пользоваться уточненными формулами.
Максимум момента смешается с 45° в сторону меньших углов = (30-40°) (пунктирная линия на рис. 8.6).
Угловые характеристики не синусоидальны, но при углах = 0, 90, 180 и 270° момент M Р = 0. При неравенстве частот вращения ротора и поля угол становится периодической функцией времени и среднее значение реактивного момента равно нулю. Поэтому у синхронных реактивных микродвигателей применяют асинхронный метод пуска. В качестве пусковой служит либо обмотка типа «беличьей клетки» (см. рис. 8.2, а и б), либо алюминиевые части ротора (см. рис. 8.2, в). В двигателях с ротором, изображенным на рис. 8.2, б, сохранение полного комплекта стержней обмотки приводит к улучшению пусковых свойств, в частности к повышению момента входа в синхронизм.
У реактивных микродвигателей в процессе пуска вследствие изменения магнитного сопротивления появляется переменная составляющая магнитного потока, наводящая добавочную ЭДС в обмотке статора. Как у двигателей с постоянными магнитами, создается тормозной момент М Т. Однако влияние этого момента на пусковые свойства реактивного микродвигателя обычно значительно слабее, так как ротор невозбужденный.
Синхронные реактивные микродвигатели имеют невысокие энергетические показатели. Причиной низкого значения коэффициента мощности является то, что магнитный поток реактивного микродвигателя создается исключительно намагничивающим током статора, который имеет индуктивный характер. Увеличению намагничивающего тока способствует повышенное сопротивление магнитной цепи из-за наличия впадин на роторе. Соответственно низок и КПД реактивных двигателей за счет значительных электрических потерь мощности в обмотках статора.
Таким образом, усиление неравенства магнитных и индуктивных сопротивлений по осям d и q способствует увеличению момента М Р, но ухудшает энергетические характеристики двигателя. Практически у синхронных реактивных микродвигателей отношение ширины полюсной дуги ротора к полюсному делению выполняют примерно равным 0,5-0,6, а максимального воздушного зазора к минимальному – 10-12.
Глава 9. Синхронные двигатели (СД)
с пониженной частотой вращения
Существует проблема получения низких частот вращения ротора у синхронных микродвигателей стандартной частоты без применения промежуточных механических редукторов. Синхронные микродвигатели классического типа при стандартной частоте напряжения питания 50, 400 и 1000 Гц развивают частоту вращения ротора порядка 1 тыс. об/мин и более. В автоматических системах и приборах частота вращения часто требуется только в несколько единиц или десятков оборотов в минуту. Применение для снижения частоты вращения механических редукторов со значительным передаточным отношением усложняет систему привода, снижает общую надежность, повышает уровень звуковых шумов, габариты и вес. Кроме того, при работе в ряде устройств, например в условиях вакуума или высоких температур, надежность микродвигателей, имеющих быстровращающиеся подшипники, резко падает. В синхронных микродвигателях, рассматриваемых в настоящей главе, частота вращения ротора не равна, а меньше частоты вращения поля статора в определенное число раз. При этом соотношение частот вращения в синхронном режиме не зависит от внешних факторов (момента нагрузки, напряжения и т. д.). Такое редуцирование частоты вращения достигается либо за счет внутренних возможностей синхронных машин (редукторные двигатели, двигатели с катящимся ротором), либо в результате выполнения синхронного микродвигателя в виде гармоничной комбинации электрической машины и редуктора (волновые двигатели).
Синхронные микродвигатели с пониженной частотой вращения ротора по системе возбуждения бывают в основном двух типов:
- индукторные – с подмагничиванием ротора со стороны статора постоянным магнитным потоком;
- реактивные – с невозбужденным ротором.
9.1. Редукторные микродвигатели
В синхронных редукторных микродвигателях осуществляется электромагнитное редуцирование частоты вращения ротора по отношению к частоте вращения первой гармоники поля статора. Это достигается путем использования в качестве рабочих не первой, а высших, зубцовых гармоник магнитного поля, которые усиливаются за счет определенной конфигурации поверхностей статора и ротора. Как известно, число полюсов поля высшей пространственной гармоники прямопропорционально, а частота вращения обратнопропорциональна ее порядку. Машины такого типа называют редукторными.
Особенность конструкции и принципа действия синхронных редукторных микродвигателей наиболее удобно рассмотреть на примере машины реактивного типа (см. рис. 9.1). Ротор 1 и статор 2 набирают из листов электротехнической стали. Статор выполняется в виде кольца и имеет полукруглые пазы на внутренней поверхности; ротор – в виде диска и имеет такие же пазы на внешней поверхности. Числа зубцов статора ZC и ротора ZР различны; причем обычно ZР > ZC. На статоре укладывается обмотка, предназначенная для питания от трехфазной или однофазной сети и создающая вращающееся магнитное поле ФС.
Природа возникновения вращающего момента в реактивных двигателях известна. Если в определенный момент времени поток ФС занимает положение А, то реактивный вращающий момент заставит повернуться ротор в положение наибольшей магнитной проводимости, т. е. против статорных зубцов 1 и 4 будут находиться роторные зубцы 1' и 5'. При перемещении потока ФС в положение Б,т. е. на угол 360°/ZC, ротор под действием реактивного момента повернется на такой угол, чтобы магнитная проводимость снова стала наибольшей. Это наступит тогда, когда против зубцов статора 2 и 5 встанут зубцы ротора 2' и 6', т. е. ротор повернется на угол .
Рис. 9.1. Схема конструкции синхронного реактивного
редукторного микродвигателя
Следовательно, угловая частота вращения ротора меньше угловой частоты вращения поля статора в раз. Это значит, что
,
где ;
f – частота напряжения сети;
р С – число пар полюсов обмотки статора.
Для двигателя, изображенного на рис. 9.1,
.
Если выбрать ZP = 100 и ZC = 98, то
.
Следует иметь в виду, что число зубцов, которое можно разместить на окружности определенного диаметра, ограничено минимальной по технологическим соображениям толщиной зубца.
Из уравнения видно, что чем меньше разность чисел зубцов ZP – ZC, тем меньше при данном ZP частота вращения ротора. Наибольшее редуцирование скорости происходит при ZP – ZC = l, но в этом случае точно друг против друга могут находиться только по одному зубцу статора и ротора, что приводит к уменьшению магнитной проводимости зазора и ухудшению использования двигателя. Поэтому для получения возможно меньшего магнитного сопротивления разность ZP – ZC выбирают обязательно четной и равной 2p C k, где k = 1, 2, 3,....
Реактивные редукторные микродвигатели, являясь простыми по конструкции, имеют в то же время недостатки, характерные для всех синхронных реактивных микродвигателей по сравнению с активными: малый вращающий момент, низкие энергетические и весовые показатели. Эти показатели существенно выше у редукторного микродвигателя индукторного типа (см. рис. 9.2), у которого конструкция статора и ротора в основном такая же, как у реактивного редукторного микродвигателя. Однако в торце двигателяна статоре расположен кольцевой постоянный магнит с осевой намагниченностью.
Рис. 9.2. Схема конструкции синхронного редукторного микродвигателя индукторного типа
Постоянный магнитный поток подмагничивания ФП замыкается по ротору в осевом направлении, а в воздушном зазоре между статором и ротором – в радиальном. Этот поток униполярный, т. е. имеет одно направление по всей окружности ротора, но величина индукции в различных точках зазора разная и зависит от магнитного сопротивления. На рис. 9.3 показано, как влияет на величину индукции зубчатость хотя бы одной из поверхностей (статора или ротора). Результатом влияния являются высшие гармоники поля ротора, которые во взаимодействии с высшими гармониками вращающегося поля статора ФС создают вращающий момент при пониженной (относительно ) частоте вращения ротора.
Синхронные редукторные двигатели индукторного типа имеют хорошие рабочие характеристики при четной и нечетной разности чисел зубцов статора и ротора, т. е. можно выбирать ZP – ZC = p C k, где k = 1, 2, 3. Это означает, что при одинаковом с реактивными числе зубцов и соответственно диаметре ротора они могут обеспечить вдвое больший коэффициент редуцирования скорости. КПД таких микродвигателей ниже, чем у синхронных двигателей без редуцирования скорости, что естественно при работе не на основной, а на высших гармониках поля.
Рис. 9.3. Влияние зубчатости поверхности статора или ротора
на величину индукции
Амплитуда угловых качаний роторов редукторных микродвигателей несколько меньше, чем у синхронных микродвигателей непрерывного вращения, так как они являются как бы многополюсными за счет работы на высших пространственных гармониках. При частоте вращения ротора 100-200 об/мин она составляет 1-5 угл. минут. Однако сильный состав высших гармоник приводит одновременно к тому, что раскачивание ротора происходит с высокой частотой. Уменьшается отношение периода качаний к времени одного оборота, что приводит к повышению нестабильности N мгновенной скорости вращения ротора. У реактивных редукторных микродвигателей нестабильность достигает N = (40-80).
9.2. Синхронные двигатели
с катящимся ротором (ДКР)
Синхронные ДКР имеют частоту вращения в соответствии с соотношением , где – синхронная частота вращения поля, – коэффициент редукции частоты вращения.
При достаточно высокой частоте питающей сети и малом значении коэффициента представляется возможным получать низкие частоты вращения вала без применения внешних механических редукторов. В этом смысле ДКР выполняет функцию редукторного двигателя и обладает рядом преимуществ: хорошие пусковые свойства, высокое быстродействие при включении и реверсе, самоторможение и др. Синхронные ДКР могут использоваться как реактивные и шаговые двигатели.
На рис. 9.4 представлена конструктивная схема синхронного ДКР с катушками осевого униполярного подмагничивания. В пазах статора 1 располагается двухполюсная m -фазная распределенная обмотка 2, питающаяся от сети переменного тока. По торцам пакета статора расположены две тороидальные катушки 3, обтекаемые постоянным током и создающие осевой униполярный магнитный поток. Магнитопровод поперечного униполярного потока состоит из двух шихтованных пакетов 6, расположенных на торцах статора, двух шихтованных пакетов 5, расположенных на сердечнике ротора, и корпуса магнитопровода 7. Ротор 8 представляет собой пакет, набранный из листов электротехнической стали и насаженный на сердечник 4 из магнитомягкого материала, и не имеет обмоток. В отличие от обычных электрических машин ротор ДКР расположен эксцентрически относительно расточки статора, т.е. оси ротора и расточки статора не совпадают.
При включении обмотки униполярного подмагничивания (катушек 3) на постоянное напряжение вследствие эксцентриситета возникает сила одностороннего магнитного притяжения, направленная в сторону минимального воздушного зазора, которая прижимает ротор к статору. При включении т -фазной обмотки статора в m -фазную сеть переменного тока происходит сложение магнитных полей и возникает результирующая сила одностороннего магнитного притяжения, вектор которой будет вращаться синхронно с магнитным полем статорной m -фазной обмотки переменного тока.
Рис. 9.4. Конструктивная схема ДКР
Под действием этой силы ротор начнет обкатывать внутреннюю поверхность статора. Скорость обкатывания (скорость перемещения места соприкосновения ротора со статором) равна синхронной скорости поля . Синхронно с полем будет вращаться и ось ротора О2 вокруг оси симметрии статора О1. Вместе с относительно быстрым обкатыванием поверхности статора ротор будет медленно поворачиваться вокруг своей оси в противоположную сторону. Это медленное вращение ротора определяется синхронной скоростью поля и разностью длин окружностей ротора и статора. При повороте поля на 360°, когда точка соприкосновения обежит статор, ротор повернется вокруг своей оси в противоположную сторону на угол
,
где и – диаметры статора и ротора.
Соответственно, угловая скорость вала ДКР будет равна
,
где – коэффициент редукции скорости.
При нагрузке ДКР вектор результирующей силы одностороннего магнитного притяжения F в любой момент времени образует с осью, проходящей через центр системы и положением минимального зазора, некоторый угол. Этот вектор может быть разложен на две составляющие: Fx и Fy. Сила Fх определяет электромагнитное давление на опору, a сила Fy создает электромагнитный вращающий момент относительно оси, перпендикулярной плоскости рисунка и проходящей через место соприкосновения статора и ротора. Точка А на плоскости является мгновенным центром вращения, который перемещается синхронно с полем.
При обкатывании ротором внутренней поверхности статора электромагнитный вращающий момент на валу двигателя определяется как .
Поскольку ось симметрии ротора вращается вокруг оси статора синхронно с полем, электромагнитный момент относительно оси статора численно равен электромагнитному моменту на расточке
,
где , – энергия магнитного поля воздушного зазора;
– угол между осью х и осью МДС обмотки переменного тока статора.
Ось x, жестко связанную с синхронной скоростью вращающейся точкой соприкосновения поверхностей ротора и статора А, можно рассматривать как продольную ось d, а ось у – как поперечную ось q. При этом угол можно рассматривать как угол между осью поля ротора, создаваемого униполярным подмагничивающим потоком, и осью поля статора, создаваемого МДС m -фазной статорной обмотки.
Таким образом, угол ДКР является аналогом рабочего угла синхронной машины, если униполярный поток ДКР считать аналогом основного потока возбуждения Ф0 синхронной машины. Электромагнитный момент ДКР, действующий внутри статора, аналогичен электромагнитному моменту возбужденной неявнополюсной синхронной машины.
Момент на валу многократно возрастае