Pakhomov_A_N__Krivenkov_M_V_Elektricheskiy_privod_uchebnoe_posobie

131

вать от вектора напряжения Uɺс на тот же угол θ (рис. 4.22, в). Это справедливо лишь для двухполюсной машины ( p = 1). В общем случае эл. угол на векторной диаграмме θэ = pθгеом , где θгеом – геометрический угол в пространстве между осями d и кругового магнитного поля статора.

					Uɺc		Uɺc		ɺ
	≈								U q
Uc					ω0			θ	− Eɺ
									в
									Iɺ
	Rв								1
			+						ϕ
	M			Uв					d
					ω		Eɺ
							в
			а		ɺ	б			в
					Eв
	Uc			ось поля d			ось поля		d
				статора			статора
ϕ	θ I1q	jX q I1q		ω0	S		ω0	S
I1d			q
							ω
	Eв jX		I
d ψ					N
	I1		d 1d	ω		q		N
			г						е
						д			q
					Рис. 4.22
Под действием			Uɺ = Uɺ	+ Eɺ	потечет ток Iɺ		, отстающий от Uɺ практи-
			с	в		1

чески на четверть периода (π/2) вследствие большого индуктивного сопротивления статорной цепи X с.

Электромагнитные силы притяжения между статором и ротором уравновешивают момент сопротивления M с и ротор продолжает вращаться с син-

хронной скоростью ω0 . Скорость вращения ротора в случае изменения момента нагрузки на валу до максимально допустимого значения M max остается

постоянной и равной угловой синхронной скорости: ω = ω0 = 2πf1 . p

В результате механическая характеристика СД (рис. 4.24, а) имеет вид горизонтальной прямой линии с β = ∞ до M max . Если момент нагрузки превы-

сит значение M max , то СД может выпасть из синхронизма, т. е. будет работать в асинхронном режиме со скоростью ротора ω < ω0 .

Для определения максимального момента СД M max служит угловая характеристика M (θ), которую можно получить на основании векторной диаграммы явнополюсного СД (рис. 4.22, г). Реактивное сопротивление статора

132

X с представлено в виде двух сопротивлений X d и X q , обусловленных нера-

венством зазора между якорем и индуктором машины по продольной и поперечной осям ( X d > X q ) (магнитная несимметрия ротора).

При пренебрежении потерями мощности в магнитопроводе и обмотке якоря электромагнитная мощность равна мощности, потребляемой из сети:

Pэм ≈ mUI cos ϕ = mUI cos(ψ + θ) = mUI (cos θcos ψ − sin θsin ψ) ;

Pэм mU (I1q cos θ − I1d sin θ) .

(4.47)

Составляющие тока якоря Id

и Iq

можно выразить через Uc , E и θ , ис-

ходя из векторной диаграммы:

I1q X q = Uc sin θ I1q =

Uc sin θ

= Uc cos θ − E I1d

=

Uc

cos θ − E

; I1d X d

.

X q

X d

Подставляя последние равенства в выражение (4.47), получим:

U

c

cos θsin θ

U

c

cos θsin θ − E sin θ

P = mU

−

эм

X q

X d

или

mUE

mU

2

1

1

P

=

sin θ +

c

−

sin 2θ .

эм

X d

2

X q

X d

Электромагнитный момент двигателя соответственно равен:

P

mUE

mU 2

1

1

M =

эм

=

sin θ +

c

−

sin 2θ = M

sin θ + M

sin 2θ . (4.48)

X ω

2ω

X

ω

X

син max

р max

0

d 0

0

q

d

Как следует из полученной формулы, электромагнитный момент СД состоит из двух составляющих:

1)синхронного момента, пропорционального ЭДС и sin θ ;

2)реактивного момента, возникающего в двигателе без возбуждения изза наличия явнополюсного типа ротора. В неявнополюсных СД X q = X d = X c

иреактивный момент равен нулю.

133

Синхронный

момент

воз-

M

MСД

растает с увеличением угла рас-

согласования

θ

и

достигает

M max

максимального

значения

M

синmax

при

θ = 900 . При даль-

нейшем увеличении θ > 900

мо-

M син

мент M син падает. Таким обра-

зом, устойчивая работа возмож-

на при углах θ < 900 . Учитывая

π / 2

π

возможность

толчков нагрузки,

0

θmax

θ

номинальный

угол

должен

ле-

жать

в

пределах

θн

= 20

0

− 30

0

.

M р

При этих условиях перегрузоч-

Рис. 2

ная способность СД равна:

Рис. 4.23

λ

СМ

= sin 900

≈ 2 ÷ 3 .

sin θн

Зависимость электромагнитного момента и его составляющих из формулы (4.48) – синхронного и реактивного моментов – от угла нагрузки θ показана на рис. 4.23. Нетрудно видеть, что у явнополюсных СД максимальный

момент M max имеет место при θмакс ≈ 780 ÷ 800 < 900 . Электромагнитный мо-

мент СД практически линейно зависит от напряжения. Поэтому они менее чувствительны (более устойчивы) к снижению напряжения сети, чем АД ( M АД ≡ Uc2 ). Кроме того, устойчивость и перегрузочная способность СД мож-

но повысить увеличением возбуждения.

Если обмотку статора возбужденного СД, не имеющего на роторе массивных полюсов или пусковой обмотки, включить в трехфазную сеть переменного тока, то ротор вследствие своей инерционности останется неподвижным. Это связано с тем, что за один период изменения тока статора электромагнитный момент СД меняет свое направление, поэтому средний момент будет равен нулю.

Следовательно, для пуска СД приходится применять специальные спо-

собы:

1)пуск при помощи вспомогательного двигателя;

2)частотный пуск;

3)асинхронный пуск.

Вспомогательным двигателем разворачивают ротор СМ до скорости, близкой к синхронной, и включают двигатель в сеть. Этот способ применим только для СД, пускаемых без нагрузки, поэтому мощность вспомогательных

134

двигателей составляет 0,03-0,05 от номинальной мощности СД. Для пуска нагруженного СД необходим вспомогательный двигатель со соизмеримой с ним мощностью, что экономически нецелесообразно.

Частотный пуск возможен, если обмотку якоря СД включить на выход СГ или ПЧ, позволяющих плавно регулировать частоту питающего СД напряжения f . При небольшой частоте вращения магнитного поля (2-4 Гц)

возбужденный ротор СД легко втягивается в синхронизм. Постепенно увеличивая f до номинального значения ( f = 50 Гц) ротор разгоняют до синхрон-

ной скорости ω0 . Частотный пуск можно применять для нагруженных СД.

Другой способ пуска без наличия ПЧ возможен, если ротор СД снабжен специальной короткозамкнутой (пусковой) обмоткой, аналогичной АД. При таком способе СД пускают в ход как АД, поэтому его называют «асинхронным». Обычно эту обмотку выполняют из материалов повышенного сопротивления (латунь) для ограничения пускового тока. Стержни пусковой обмотки размещают в полюсных наконечниках явнополюсных СД. В неявнополюсных СД в ее массивных полюсах при пуске возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в КЗ обмотке. Пусковой момент, создаваемый взаимодействием магнитного потока статора и токов в пусковой обмотке ротора, разгоняет ротор до скорости, близкой к синхронной ω = (0,95 ÷ 0,98)ω0 . Затем обмотку возбуждения подключают к источнику по-

стоянного тока и СД втягивается в синхронизм. После этого пусковая обмотка выполняет функцию успокоительной, ограничивая качание ротора.

С увеличением нагрузочного момента на валу вхождение СД в синхронизм затрудняется. Наибольший нагрузочный момент, при котором ротор СД еще втягивается в синхронизм, называют моментом входа двигателя в синхронизм M вх . Таким образом, при увеличении пускового момента M п за счет

большего сопротивления пусковой обмотки, происходит уменьшение момента входа СД в синхронизм и наоборот, при M п ↓ M вх − (рис. 4.24, а). Выбор

вида пусковой механической характеристики определяются конкретными условиями работы СД.

В процессе асинхронного пуска ОВ нельзя оставлять разомкнутой, так как магнитный поток статора, пересекающий ее в начальный момент пуска с синхронной скоростью, наводит в ней ЭДС. Вследствие большого числа витков ОВ эта ЭДС достигает значений, опасных как для целости изоляции самой обмотки, так и для обслуживающего персонала. Для предотвращения этого ОВ на период разгона ротора замыкают на активное сопротивление, больше в 8-12 раз сопротивления обмотки возбуждения (ОВ).

Замыкание накоротко ОВ на время пуска СД нежелательно, так как при этом в роторе образуется однофазный замкнутый контур, ток которого создает пульсирующее магнитное поле. Это поле, по аналогии с несимметрией ротора АД, можно разложить на две составляющие, создающие соответственно

	135
прямой и обратный асинхронные дополнительные моменты M пр и M обр . Эти
моменты, складываясь с асинхронным моментом пусковой обмотки M ас , соз-
дают в кривой результирующего пускового момента M ∑ провал при частоте
вращения, равной половине синхронной (рис. 4.24, б). Этот провал будет тем
больше, чем больше ток в обмотке возбуждения. Очевидно, что включение
сопротивления в цепь ОВ на период пуска уменьшает ток в этой обмотке и
улучшает форму кривой пускового момента.
ω		ω
ω0	0	ω0
0,95ω0
	1	M пр
	2		M ∑
		M обр
			M ас
M вх2 M п1 M вх1 M п2	M		M
а		б
	Рис. 4.24
При прямом асинхронном пуске СД от номинального напряжения сети
Uн возникает значительный пусковой ток ( 5 ÷ 6Iн ). При большой мощности
СД применяют пуск от пониженного напряжения (реакторный, автотранс-
форматорный, комбинированный), аналогично пуску АД.
Синхронный двигатель может работать во всех основных энергетиче-
ских режимах – двигательном и генераторном при параллельной и последо-
вательной работе с сетью и независимо от сети. При этом режим генератора
последовательно с сетью (торможение противовключением) используется
редко из-за того, что перевод СД в этот режим сопровождается значительны-
ми бросками тока и требует применения сложных схем управления.
Для торможения СД чаще всего используется генераторный режим при
работе независимо от сети (динамическое торможение). Для реализации этого
режима обмотка статора СД отключается от сети и замыкается на дополни-
тельное сопротивление R1дт (рис. 4.25, б), а ОВ остается подключенной к сети
постоянного тока.

136

ω

Iв > Iв′

R1дт	R1дт
>
′	+
R1дт	Rв
M

Iв

M

а б

Рис. 4.25

Механические характеристики СД в такой схеме включения подобны характеристикам АД при динамическом торможении. При изменении сопротивления R1дт и тока возбуждения Iв получаются различные характеристики

динамического торможения СД (рис. 4.25, а).

4.9. Электропривод с шаговым двигателем

Шаговый двигатель (ШД) является разновидностью СД (рис. 4.26, а), на обмотки статора которого подаются импульсы напряжения с помощью электронного коммутатора (ЭК). Под воздействием каждого такого импульса ротор СД совершает определенное угловое перемещение, называемое шагом [9].

	fу
Uп	ЭК
1н 1к	2н	2к
	N						N
	S	S	N			S	S
				S	N
							N
	N						N
	S						S
а			б				в
		Рис. 4.26

137

Электронный коммутатор преобразует заданную последовательность импульсов fу в m-фазную систему однополярных или разнополярных прямо-

угольных импульсов напряжения амплитудой Uп .

Статор ШД имеет явно выраженные полюсы, вокруг которых размещается обмотка управления. Последняя может быть двух-, трехили четырехфазной. Ротор ШД выполняется активным (в виде постоянного магнита или с обмоткой возбуждения) или пассивным (из магнитно-мягкого материала).

В ШД с двухфазной обмоткой управления при последовательной подаче импульсов напряжения будет происходить скачкообразное перемещение оси магнитного потока на 900 (рис. 4.26, б). В результате под действием момента притяжения разнополярных полюсов (синхронизирующего момента) при каждом импульсе ротор ШД с одной парой полюсов поворачивается на

900.

Порядок переключения (коммутации) фаз обмотки управления можно представить на временных диаграммах токов Iу1 и Iу2 (рис. 4.27). Такая схема

переключения называется схемой четырехтактной разнополярной (симметричной) коммутации.

Для изменения направления вращения ротора (реверса) следует изменить полярность включения одной из фаз обмотки управления ШД.

Шаг двигателя представляет собой угол поворота ротора за один такт:

αш = 2π , pрn

где pр – число пар полюсов ротора, n – число переключений (тактов) в цикле.

Iу1

t

Iу2

t

Рис. 4.27

Для уменьшения шагов (в более точных приводах) увеличивают число тактов за счет применения трехили четырехфазной обмотки управления, ли-

138

бо за счет использования несимметричной схемы коммутации, при которой подключаются одна или сразу две обмотки управления (рис. 4.26, в).

Другой способ уменьшения шага заключается в применении многополюсного ротора (до 5-6 пар полюсов).

Частота вращения ротора ШД зависит от частоты f1 подачи импульсов напряжения на обмотку управления:

w = f1 × aш .

Пуск ШД осуществляется скачкообразным или постепенным увеличением частоты управляющих импульсов от нуля до номинального значения, а торможение – снижением f1 до нуля.

Максимальная частота f1 , при которой возможен пуск ШД из неподвижного состояния без выпадения из синхронизма (без пропуска шагов), на-

зывается частотой приемистости f1пр .
Обычно ШД с активным ротором имеют α	ш	= 15 ÷ 900	и

f1пр = 70 ¸ 500 Гц в связи с массивностью и трудностями изготовления ротора

с малым полюсным делением. Для получения небольших единичных перемещений и больших частот приемистости используют ШД с пассивным ротором, которые делятся на реактивные и индукторные. Работа таких двигателей основана на взаимодействии магнитного поля статора и ферромагнитного тела ротора.

Статор и ротор реактивного ШД имеют явно выраженные полюсы, называемые зубцами. Шаг таких двигателей определяется выражением [12]:

αш = 2π − 2π , zс zр

где zс и zр – число зубцов статора и ротора, причем zс < zр .

Уменьшая разность zр − zс можно снизить шаг ротора. Реактивные ШД просты по конструкции с малым αш = 1,5 ÷ 90 и большой f1пр = 250 ÷1200 Гц,

но имеют существенный недостаток – незначительную мощность и малый синхронизирующий момент. Этот недостаток отсутствует в индукторных ШД, в которых для увеличения синхронизирующего момента ротор подмагничивается со стороны статора с помощью постоянных магнитов или дополнительной обмотки возбуждения.

Для ШД характерны несколько режимов работы [9]. Статический режим возникает при прохождении по одной обмотке управления постоянного тока, создающего неподвижное магнитное поле. Этот режим характеризуется статической угловой характеристикой – зависимость электромагнитного мо-

139

мента от угла θ близка к синусоидальной. Поскольку при θ = 0 M ≡ sin θ = 0 , то под действием момента нагрузки M c характерно отставание ротора ШД от

МДС статора на угол статической ошибки:

	Δθ	ст	= arcsin	M c	,
				M max

где M max – максимальное значение синхронизирующего момента.

Так, при номинальной нагрузке и шаге αш = 1,50 Δθст = 0,50 .

Квазистатический режим характеризуется тем, что импульсы управления подаются с такими интервалами, которые обеспечивают появление кратковременных устойчивых статических режимов работы ШД.

Установившийся режим ШД характеризуется постоянной частотой управляющих импульсов.

Переходные режимы ШД сопровождают его пуск, торможение, реверс, наброс и сброс нагрузки и другие процессы изменения скорости вращения ротора.

Основными характеристиками ШД являются предельные механические и динамические характеристики (рис. 4.28).

Предельная механическая характеристика представляет собой зависи-

мость частоты f1 от величины максимального момента нагрузки на валу M c max , при котором происходит выпадение ШД из синхронизма.

Предельная динамическая характеристика представляет собой зависи-

мость частоты приемистости f1пр от момента M c max в динамическом режиме пуска из неподвижного состояния.

f, Гц

1000

500

Mc max

M н

1	2	3
	Рис. 4.28

Применение ШД целесообразно для механизмов, имеющих стартстопный (циклический, дискретный) режим работы или механизмов с непрерывным движением при управлении дискретными сигналами (последователь-

140

ностью импульсов) – лентопротяжные устройства, счетчики, приводы станков с числовым программным управлением (ЧПУ), роботы и манипуляторы и др.

4.10. Принцип действия и характеристики вентильных двигателей

Вентильный двигатель (ВД) представляет собой электромеханическую систему, состоящую из синхронной машины, датчика положения ротора (ДПР) и внешнего электронного коммутатора (ЭК), выполняющего роль коллектора обычного ДПТ. Поэтому его также называют бесколлекторным ДПТ. Упрощенная принципиальная схема ВД представлена на рис. 4.29.

ЭК состоит из распределителя импульсов (РИ) управления, поступающих на полупроводниковые ключи K1-K6 инвертора (тиристоры с узлами принудительной коммутации или транзисторы).

Принцип работы ВД поясняют диаграммы фазных напряжений (рис. 4.30). Если ротор находится в условном положении «00», то будут открыты ключи K1, K3 и K6. На обмотках статора A и C будет напряжение + Uп/3, а на обмотке B – напряжение – 2 Uп/3, где Uп – постоянное напряжение на входе инвертора. При повороте ротора на угол 600 (фиксируется ДПР) закрывается ключ K1 и открывается K2. В результате на обмотках B и C будет напряжение

– Uп/3, а на обмотке A – + 2Uп/3.

+

Uп K1 K2

K3	K4	6
		K
		1
		K

K5 K6

	A
B	N	C

S

Рис. 4.29

UA

ЭК			pωt
600	1200	2400	3000

РИ UB

pωt

600		1800		2400		3600

UC
			pωt
1200	1800	2400	3600
ДПР

Рис. 4.30

Таким образом, неизменное значение фазных напряжений сохраняется в течение времени поворота вала двигателя на угол 600. Следовательно, в ВД происходит так называемая «самосинхронизация» вращения магнитного поля статора с вращением ротора ω , при этом двигатель в принципе не может вы-