8. Синхронные машины автоматических устройств

Реактивный момент Мdq, как и электромагнитный, представлен в виде разности двух моментов: момента М′dq, зависящего от нагрузки (угла θ), и момента Мdqт – постоянного тормозного момента, не зависящего от нагрузки. Реактивный момент изменяется по закону синуса двойного угла.

Особенностью реактивного двигателя является зависимость его момента в синхронном и асинхронном режимах от квадрата приложенного напряжения. Это обусловливает высокую чувствительность двигателя к колебаниям напряжения сети.

Для увеличения разности проводимостей по осям необходимо увеличивать впадины в роторе. Это приводит к увеличению эквивалентного воздушного зазора и возрастанию намагничивающего тока, повышению потерь мощности и снижению КПД.

В современных синхронных реактивных двигателях применяют ротор иной конструкции. В них значительно улучшены пусковые и рабочие свойства двигателей.

Разность магнитных проводимостей, а следовательно, и синхронных индуктивных сопротивлений по продольной и поперечной осям создается за счет внутренних вырезов в пакете стали ротора (рис. 8.5, б), позволяющих получить значительную разность этих сопротивлений при сравнительно небольших величинах воздушного зазора. Пакеты стали таких роторов обычно заливаются сплавами алюминия, которые, скрепляя их, одновременно выполняют функции проводника токов ротора, проходящих не только по стержням наружных пазов.

Благодаря сравнительно высоким энергетическим показателям и пусковым свойствам, несколько превосходящим равновеликие асинхронные двигатели, синхронные реактивные двигатели с усовершенствованным ротором находят все большее применение на практике.

8.4. Синхронные гистерезисные двигатели

Статор гистерезисного двигателя аналогичен статорам синхронных и асинхронных двигателей. Ротор представляет собой сплошной или шихтованный цилиндр из магнитотвердого материала, имеющего широкую петлю гистерезиса, т. е. обладающего большим остаточным магнетизмом.

Потери мощности на гистерезис в роторе определяют значение гистерезисного вращающего момента, зависящего от материала ротора, соотношения его геометрических размеров.

При асинхронном вращении материал ротора непрерывно перемагничивается. В момент времени, когда вектор магнитного потока статора Ф1 занимает положение, указанное на рис. 8.6, а, а элементарные магнитики ро-

372

8. Синхронные машины автоматических устройств

тора ориентируются вдоль этого потока, силы взаимодействия f элементарных магнитиков с магнитным потоком статора Ф1 направлены вдоль этого потока и вращающего момента не создают. При перемещении потока статора в положение, показанное на рис. 8.6, б, в том же направлении поворачиваются и элементарные магнитики.

Вследствие явления гистерезисного запаздывания магнитики не повернутся на тот же угол, что и поток Ф1, между ними образуется угол гистерезисного запаздывания γ. У сил взаимодействия f появляется тангенци-

альные составляющие ft , которые создают гистерезисный момент Мг асинхронного режима.

При перемагничивании ротора в асинхронном режиме в нем возникают потери на гистерезис и вихревые токи. Потери на гистерезис пропорциональны частоте перемагничивания, потери на вихревые токи – квадрату этой частоты. Так как частота перемагничивания ротора (f2 = f1s) прямо пропорциональна скольжению s, то потери в роторе pr, равные сумме потерь на гистерезис pг и вихревые токи pвх, равны:

pr = pг + pвх = spгк + s2 pвхк ,

(8.4)

где pгк и pвхк – соответственно потери на гистерезис и вихревые токи в неподвижном роторе, когда s = 1.

Электромагнитная мощность, передаваемая вращающимся магнитным полем ротору, зависит от потерь мощности в роторе и скольжения

Pэм = pr /s = pг /s + pвх /s = pгк + spвхк .

(8.5)

f = fN						+ М
N Φ1		fN	f	Тормоз Двигатель			Генератор
						МR
S		N	ft
N		S
						Мг
N		N		−n			nс	+n
						Мвх
S		S
								Мвх
	ft	N
S		S						Мг
	f	fN
f = fN						− М		МR
а		б				в

Рис. 8.6. Принцип действия и механические характеристики гистерезисного двигателя

373

8. Синхронные машины автоматических устройств

Вращающий момент, развиваемый ротором, равен электромагнитной мощности, деленной на угловую скорость:

М = pгк /Ωs + spвхк /Ωs = M г + Мвх .

(8.6)

Таким образом, момент от вихревых токов пропорционален скольжению и равен нулю при s = 0 (синхронная скорость).

Гистерезисный момент

Мг = pгк/Ωs

(8.7)

не зависит от скольжения, а следовательно, от скорости вращения. На рис. 8.6, в представлена механическая характеристика двигателя, имеющего и момент от вихревых токов. Вследствие большого активного сопротивления ротора механическая характеристика от вихревых токов практически линейная sк > 1. Механическая характеристика двигателя с гистерезисным моментом Мг абсолютно жесткая (рис. 8.6, в). В отличие от синхронных микродвигателей других типов у гистерезисного двигателя есть собственный пусковой момент, равный моменту при синхронной угловой скорости ротора.

Всинхронном режиме магнитное поле статора и ротор вращаются

содинаковой угловой скоростью и перемагничивания материала ротора не

происходит. Магнитный поток ротора Фгост сохраняется вследствие остаточного магнетизма и вращается вместе с ротором с синхронной угловой скоростью. Двигатель работает как обычный синхронный двигатель с постоянными магнитами на роторе. Отличие состоит в том, что угол отставания оси поля ротора, принимаемый за его продольную ось, от оси поля статора гистерезисного двигателя γ не может превысить угла гистерезис-

ного запаздывания γг, так как при этом начинается перемагничивание ротора – переход в асинхронный режим, неэкономичный из-за больших потерь на его перемагничивание.

Достоинствами гистерезисных двигателей являются существенный пусковой момент, способность входить в синхронизм при большом моменте инерции нагрузки плавно, без рывков, благодаря практически постоянному значению пускового гистерезисного момента на протяжении всего пуска от s = 1 до s = 0. Двигатели надежны в работе, просты по конструкции, обладают низким уровнем шумов, большой механической прочностью, что позволяет создавать высокоскоростные двигатели, в том числе гиродвигатели.

Кнедостаткам синхронных гистерезисных двигателей следует отнести низкий коэффициент мощности, качания ротора при резких изменениях нагрузки, высокую стоимость магнитотвердых материалов при большом

374

8. Синхронные машины автоматических устройств

разбросе их характеристик Повышения выходных характеристик добиваются кратковременным подмагничиванием ротора. Такой ротор берет на себя большую долю в создании основного магнитного потока, разгружая обмотку статора от намагничивающего тока.

Вопросы и задания для самоконтроля

1.Назовите область применения и основные достоинства синхронных микродвигателей.

2.Напишите уравнение напряжения синхронного двигателя с возбужденными полюсами и объясните величины, входящие в это уравнение.

3.Расскажите о достоинствах и недостатках двигателей с постоянными магнитами на роторе.

4.За счет чего возникает электромагнитный момент в синхронных реактивных двигателях? Какой способ пуска применяют в этих двигателях?

5.Какие вращающие моменты различают в гистерезисных двигателях?

375