8.Синхронные машины автоматических устройств

8.СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

8.1. Назначение и особенности рабочего режима

Синхронные машины малой мощности применяют в различных устройствах (в том числе автоматических), где требуется поддерживать постоянную частоту вращения: электрических часовых механизмах, лентопротяжных механизмах самопишущих приборов, радиоаппаратуре, программных устройствах и т. д.

При всем конструктивном многообразии синхронные машины малой мощности состоят из неподвижной части – статора, в пазах которого размещается трехфазная или двухфазная обмотка переменного тока, и вращающейся части – ротора, который у большинства двигателей имеет явновыраженные полюсы.

Микродвигатели с электромагнитным возбуждением, характерным для крупных синхронных машин, практически не применяются из-за сложности размещения обмотки возбуждения в малом объеме полюсов ротора, а также необходимости в источнике постоянного тока для ее питания.

Основные конструкции ротора следующие: с постоянными магнитами, реактивные, гистрезисные.

В схемах автоматики широко применяют тихоходные синхронные двигатели, либо работающие на одной из высших гармоник магнитного поля, либо со встроенными редукторами. Их выпускают как на промышленную частоту 50 Гц, так и на повышенные частоты 400, 500, 1 000 Гц.

Кроме двигателей непрерывного вращения в связи с развитием цифровых систем управления второе рождение получили импульсные – шаговые двигатели. Шаговый двигатель совместно с коммутатором составляет систему частотного регулирования угловой скорости синхронного двигателя, отличающуюся дискретным питанием обмоток прямоугольными импульсами напряжения и возможностью фиксации углового положения ротора.

Принцип действия и особенности конструкции тихоходных и шаговых двигателей подробно излагаются в литературе по специальным типам электрических машин [20] и здесь не приводятся.

Основные уравнения синхронных машин малой мощности имеют много общего с уравнениями крупных машин. Тем не менее, некоторые особенности следует указать.

Здесь также напряжение, приложенное к фазе обмотки, уравновешивается ЭДС, наводимой в обмотке статора результирующим магнитным потоком в воздушном зазоре, и падением напряжения на сопротивлении обмотки

365

8. Синхронные машины автоматических устройств

статора. В отличие от крупных синхронных машин в рассматриваемых машинах необходимо учитывать активное сопротивление, соизмеримое с реактивным сопротивлением. Поэтому уравнение напряжения записывают по (7.137), с учетом индуктивных сопротивлений рассеяния, реакции якоря по продольной и поперечной осям и активного сопротивления обмотки якоря.

Вращающий момент синхронного двигателя (7.94) является суммой двух моментов: электромагнитного, возникающего за счет взаимодействия вращающегося поля статора с магнитным полем возбуждения полюсов ротора, и реактивного, обусловленного неравенством магнитных проводимостей машины по продольной и поперечной осям.

Полученное таким же образом, как и равенство (7.94), но с учетом активного сопротивления выражение электромагнитного момента как аналитическая зависимость его от внутреннего угла нагрузки после преобразований имеет вид

М =

P

=

mU 2ε

(x

x2

− r2x

+ 2r2x

)sinθ + r

(x2

+ r2

+ x x

)cosθ

−

Ω1

Ω1 (r2 + xd xq )

d q

1 q

1 d

1

q

1

d

q

2	2	mU	2	(x	− x )		2
				d	q
−εr1(xd	+ xq ) +	2Ω				(xd xq − r1		)sin2θ+ r1(xd	+ xq ) +
				(r2 + x x )2
					d q				(8.1)
							= Мε + Мdq + Мεт,
	+r1(xd + xq )cos2θ− r1(xd − xq )

где ε = EU0 – степень возбуждения машины.

М,о.е.

0,8		М = f (θ)
	Мε
0,6
0,4
0,2	Мdq
0	Мт	θ,град
	90	180

Рис. 8.1. Электромагнитный момент двигателя с магнитоэлектрическим возбуждением

366

8. Синхронные машины автоматических устройств

Вращающий момент явно полюсного синхронного двигателя (рис. 8.1) является суммой трех слагаемых: основного электромагнитного момента Mε, зависящего от степени возбужденности ε реактивного момента Mdq, определяемого разностью магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям, и тормозного момента Mεт, причиной которого являются электрические потери в обмотке статора. Первые два слагаемых являются гармоническими функциями, зависящими от внутреннего угла активной нагрузки. Тормозной момент зависит от возбуждения полюсов

изатрачивается на покрытие потерь на активном сопротивлении обмотки статора.

Усинхронных двигателей с электромагнитным возбуждением xd > xq

иреактивный момент при малых углах θ положителен (см. рис. 7.30 для активной мощности). У двигателей с магнитоэлектрическим возбуждением (постоянными магнитами на роторе) вследствие большого магнитного со-

противления материала постоянных магнитов, (xd < xq) и реактивный момент при малых углах θ отрицателен (рис. 8.1).

	8.2. Особенности конструкции
	синхронных микродвигателей
	с постоянными магнитами
	По способу пуска синхронные микродвигатели выпускают самоза-
	пускающиеся двигатели и с асинхронным пуском.
	Самозапускающиеся двигатели (рис. 8.2) получили широкое распро-
	странение в схемах автоматики и используются в часовых механизмах, ре-
	ле, программных устройствах. Их мощность обычно составляет от долей
	до нескольких Ватт, а частота вращения не превышает 375 об/мин.
	Двигатели часто рассчитывают					5 6	7	11
	на работу от однофазной сети пере-				4 10
	менного тока. Пуск двигателя проис-							4
	ходит, как правило, за полпериода из-				3
					2			3
	менения переменного напряжения за
								2
	счет пульсирующего момента, поэтому				1
	их пускают на холостой ход или мало-							8
	инерционную нагрузку. Иногда двига-
	тели снабжаются устройствами, ис-							9
	ключающими обратный ход (пружины,
	храповики и т. п.).				Рис. 8.2. Самозапускающийся
	Самозапускающиеся двигатели с
					синхронный двигатель
	постоянными	магнитами	на	роторе
								367

8. Синхронные машины автоматических устройств

имеют относительно большой диаметр и малую активную длину (рис. 8.2). Обмотку статора 7 выполняют в виде кольцевой катушки. Справа и слева к катушке прилегают магнитопроводы 4, имеющие клювообразные полюсы 6 определенной длины, направленные аксиально, полученные неполной выштамповкой и отгибом частей 10 правого и левого магнитопроводов. Полюсы одного магнитопровода располагаются между полюсами другого магнитопровода.

Магнитопроводы служат одновременно подшипниковыми щитами, в их центральных отверстиях располагают подшипники скольжения 2.

Медные пластины 3 особой конфигурации прилегают изнутри к правому и левому магнитопроводам и выполняют роль короткозамкнутых витков, что обеспечивает при питании обмотки статора переменным током через зажимы 9 создание вращающегося в пространстве эллиптичного магнитного поля.

Магнитный поток, созданный обмоткой статора, замыкаясь вокруг нее, проходит по левому магнитопроводу, его клювообразным полюсам, цилиндрическому магниту ротора 8, клювообразным полюсам правого магнитопровода, правому магнитопроводу и замыкается по внешнему магнитопроводу 11, соприкасающемуся с обоими магнитопроводами.

Цилиндрический ротор двигателя состоит из кольцевого ферритобариевого магнита 8, опрессованного сополимером на стальном валу 1. Цилиндрический магнит ротора имеет 12 и более полюсов, полученных путем радиального намагничивания. У двигателя закрытое исполнение с одним выходом вала. Подшипниковые щиты, которыми являются торцевые магнитопроводы, и внешний магнитопровод закрепляются на основной части – катушке, залитой литьевой пластмассой с помощью пластмассовых выступов 5. Конструкция двигателя весьма технологична, а следовательно, дешева, что очень важно при массовом производстве.

Выпускают конденсаторные синхронные двигатели, статор которого состоит из двух одинаковых модулей, каждый из них является независимой фазной системой. Конструкция такой системы аналогична конструкции предыдущего двигателя, и сдвинута одна относительно другой на 90º. Ротор двигателя аналогичен однофазному самозапускающемуся двигателю. Двигатели также выпускают с механическими редукторами.

Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами с асинхронным пуском отличаются от других типов синхронных двигателей с постоянными магнитами конструкцией ротора (рис. 8.3). Ротор этого двигателя состоит из постоянного магнита 1, создающего магнитный поток возбуждения ротора и обеспечивающего возникновение электромагнитного момента в синхронном режиме, и короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» 3, уложенной в сердечник 2 из электротехнической стали. Обмотка обеспечивает пусковой электромагнитный момент и способствует стаби-

368

8. Синхронные машины автоматических устройств

лизации его частоты вращения – демпфированию качаний ротора при резких изменениях нагрузки.

Наибольшее распространение получили синхронные двигатели двух конструкций ротора: с радиальным (рис. 8.3, а) и аксиальным (рис. 8.3, б) расположением постоянного магнита.

Впервом случае кольцевой пакет стали ротора 2 с расположенной

внем короткозамкнутой обмоткой 3 напрессован на постоянный магнитзвездочку 1.

При аксиальном расположении магнитов на роторе пакет ротора и его короткозамкнутая обмотка не отличаются от ротора асинхронного двигателя. Постоянный магнит 4 располагают на валу ротора рядом с пакетом ротора 3. Статор такого двигателя не отличается от статоров асинхронных двигателей и состоит из обмотки 1, уложенной в пазы сердечника 2 (рис. 8.3, б).

Вдвигателях с асинхронным пуском наличие короткозамкнутой обмотки снижает размагничивающий эффект реакции якоря, уменьшая размагничивание постоянного магнита.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском имеют существенные преимущества перед синхронными реактивными и гистерезисным двигателями: более высокие энергетические показатели, высокую удельную мощность, повышенную перегрузочную способность и т. д.

При асинхронном пуске синхронный микродвигатель в процессе разгона до скорости, близкой к синхронной, работает как асинхронный. Вращающееся магнитное поле статора во взаимодействии с токами, наведенными этим полем в короткозамкнутой обмотке ротора, создает асин-

хронный момент Ма, зависимость которого от скольжения приведена на рис. 8.4.

3

1

2

3

4

		2
	N	1	N
S		S
	N

а

б

Рис. 8.3. Синхронные двигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском

369

8. Синхронные машины автоматических устройств

			М							Особенностью пуска таких
										двигателей по сравнению с двига-
					M а					телями с электромагнитным воз-
					M					буждением заключается в том. Что
										он происходит при наличии потока
								M к		возбуждения ротора. Этот поток
Мвх					Мmin					при вращении ротора наводит в
						sкт		s		обмотках статора ЭДС, частота ко-
			0							торой не равна частоте напряжения
					Мт			1		питания. Под действием ЭДС в це-
										пи обмоток статора проходят токи,
				Рис. 8.4. Асинхронный пуск						которые во взаимодействии с вы-
					синхронного двигателя					звавшим их потоком ротора созда-
										ют тормозной момент Мт, направ-

ленный встречно к асинхронному вращающему моменту Ма, поскольку вращающийся возбужденный ротор и короткозамкнутую обмотку статора можно рассматривать как обращенную асинхронную машину, скольжение которой равно нулю при n = 0 и единице при n = nc.

На результирующей характеристике М = f (s) появляются провалы, ухудшающие условия пуска. Например, при моменте сопротивления Мc > Мmin (рис. 8.4) ротор будет вращаться со скоростью, соответствующей скольжению sкт. Эта угловая скорость далека от синхронной, и синхронизация ротора с полем статора не наступит.

В синхронном режиме (s = 0) момент Мт является рассмотренной оставляющей Мεт электромагнитного момента (8.1), зависящей от степени возбуждения двигателя.

Оптимальной является степень возбуждения двигателя, обеспечивающая наилучшие характеристики в синхронном режиме при заданных пусковых характеристиках.

8.3. Особенности конструкции и принципа действия синхронного реактивного двигателя

Синхронные реактивные двигатели отличаются от двигателей с явновыраженными возбужденными полюсами тем, что у них отсутствует возбуждение (Е0 = 0). Вращающий момент реактивного двигателя создается за счет разности магнитных проводимостей ротора по продольной (λd ~ xd) и поперечной (λq ~ xq) осям.

370

8. Синхронные машины автоматических устройств

Сталь

	Алюминий
а	б
Рис. 8.5. Роторы синхронных реактивных двигателей
Статор реактивного	двигателя аналогичен статорам синхронного

и асинхронного двигателей трехфазных, двухфазных и однофазных. Применимы схемы и способы пуска синхронных микродвигателей. Роторы реактивных двигателей имеют различную конструкцию. Часть из них по конструкции аналогичны роторам асинхронных двигателей и отличаются от них наличием впадин – вырезов на цилиндрической поверхности ротора, с помощью которых образуются явно выраженные полюсы, необходимые для работы двигателя в синхронном режиме (рис. 8.5, а).

Принцип действия заключается в следующем. Ротор двигателя разгоняется до подсинхронной скорости, а затем втягивается в синхронизм за счет синхронизирующего момента, возникающего вследствие разности магнитной проводимости по продольной и поперечной осям.

Величина пускового момента Мк при пуске (в асинхронном режиме) определяется основным асинхронным моментом Ма и моментом обратного поля, возникающего вследствие несимметрии сопротивления его короткозамкнутой обмотки.

Основные уравнения синхронного реактивного двигателя могут быть получены из уравнений двигателя с возбужденными полюсами (7.136), если в них принять Е0 = 0:

U = jx I	+ jx	I	+ rI .	(8.2)
d d	q	q

Электромагнитный момент для синхронной машины без возбуждения запишется:

Μdq =

mU 2

(xd − xq )

(xd xq − r12 )sin 2θ + r1(xd + xq ) + r1

(xd + xq )cos 2θ

−

2Ω (r2 + xd xq )2

(8.3)

mU 2

(xd − xq )

2

−

′

2Ω

(r

2

+ xd xq )

2

= Mdq − Mdqт.

371