4.2.4. Синхронные двигатели

Синхронные двигатели относятся к двигателям переменного тока. Различают:

– синхронные двигатели с электромагнитным возбуждением (СД), питающиеся от трехфазной сети переменного тока;

– синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ), питающиеся от трех- или однофазной сети переменного тока.

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. В синхронном двигателе частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля, создаваемого током статора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка – кольцо), в маломощных – постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники).

Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб).

Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора.

СДПМ прост по конструкции, не имеет потерь на возбуждение и обладает высокой стабильностью скорости ротора. Эти качества выделяют его из ряда всех остальных машин и обеспечивают ему применение в системах автоматики, приводах подачи станков, прецизионных системах слежения, а также системах, где стабильность скорости является первостепенным требованием, предъявляемым к технологическому процессу.

Постоянное удешевление магнитных материалов, в частности, внедрение сплавов редкоземельных металлов, совершенствование аппаратной базы управления делают возможным использование этого типа двигателей в тех областях, где традиционно применялись двигатели постоянного тока (ДПТ) или асинхронные двигатели (АД).

Большинство синхронных электродвигателей малой мощности (СДПМ) отличается от машин нормального исполнения только конструкцией ротора, который, как правило, не имеет обмотки возбуждения, контактных колец и прижимающихся к ним щеток. Для возникновения вращающего момента ротор выполняют из магнитно-твердого сплава с последующим однократным намагничиванием его в сильном импульсном магнитном поле, в результате чего в дальнейшем полюсы сохраняют остаточную намагниченность. При этом ротор содержит короткозамкнутую пусковую обмотку.

В момент пуска СДПМ работает как асинхронный и его начальный вращающий момент создается за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с наведенными им токами в короткозамкнутой обмотке ротора. Поскольку двигатель пускается в ход в возбужденном состоянии, то магнитное поле постоянных магнитов вращающегося ротора наводит в обмотке статора э.д.с. переменной частоты, а это вызывает токи, из-за которых возникает тормозной момент.

Результирующий момент на валу двигателя определяется суммой моментов, обусловленных короткозамкнутой обмоткой и тормозным эффектом, т.е. который зависит от скольжения. В процессе разгона ротора этот момент достигает минимального значения, которое при правильном выборе пусковой обмотки должно быть больше номинального момента. Когда скорость приблизится к синхронной, ротор, в результате взаимодействия поля постоянных магнитов с вращающимся магнитным полем статора втягивается в синхронизм и далее вращается с синхронной скоростью. Схема и механические характеристики пуска однофазного СДПМ приведены на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Схема и механические характеристики пуска однофазного СДПМ

Рабочие характеристики синхронного двигателя с постоянными магнитами мало отличаются от аналогичных характеристик синхронного двигателя с обмоткой возбуждения ротора. Недостатком СДПМ является сравнительно низкий коэффициент мощности и сложность изготовления ротора.

Модификациями маломощных СДПМ, применяемых в СУИМ, являются синхронные реактивные и синхронные гистерезисные двигатели. Первые нашли крайне малое применение в силу низкого коэффициента мощности (не более 0,5) и низкого КПД (не более 0,7). Различие между синхронными двигателями с постоянными магнитами и синхронными гистерезисными двигателями состоит в том, что у первых ротор при изготовлении машин подвергается предварительному намагничиванию в сильном импульсном магнитном поле, а у вторых он намагничивается вращающимся магнитным полем статора. Синхронные гистерезисные двигатели отличаются большим начальным пусковым моментом, плавностью входа в синхронизм, незначительным изменением тока в пределах 20 - 30 % при переходе от холостого хода к режиму короткого замыкания.

Ниже приведены некоторые технические характеристики двух СДПМ из достаточно широкой линейки двигателей, выпускаемых корпорацией Siemens.

Тип - 1FU8073-4TA2:

Габарит – 71.

Число полюсов – 4.

Класс нагрева – F.

Класс защиты - IP 55.

Число фаз статора – 3.

Напряжение и частота питания – 100 В, 50 Гц.

Ток статора – 2,7 А.

Вращающий момент – 2 Нм.

Мощность 0, 31 кВт.

Тип - 1FU8167-6TD8:

Габарит – 160.

Число полюсов – 6.

Класс нагрева – F.

Класс защиты – IP 55.

Число фаз статора – 3.

Напряжение и частота питания – 400 В, 50 Гц.

Ток статора – 13,5 А.

Вращающий момент – 59,6 Нм.

Мощность 6, 24 кВт.

СД большой мощности с электромагнитным возбуждением работают с постоянной скоростью вращения в продолжительном по нагреву режиме работы. В СУИМ нашли крайне малое применение.

СДПМ малой и средней мощности, напротив, нашли широкое применение в качестве приводов ЭИМ. При этом маломощные одно- и трехфазные СДПМ могут работать как в режиме постоянной, так и переменной скорости. Трехфазные СДПМ средней мощности функционируют, как правило, в режиме переменной скорости.

Для реализации пуско-тормозных режимов СУИМ постоянной скорости применяют реверсивные бесконтактные пускатели. Математическиe модели СДПМ в этом случае представляют в виде

, (4.22)

или , (4.23)

где – номинальная частота напряжения питания обмотки статора;

, – текущее и номинальное значения скорости вращения двигателя;

– коэффициент передачи СДПМ;

– постоянная времени двигателя, определяемая по кривой разгона.

Для регулирования скорости вращения СДПМ в СУИМ переменной скорости применяют реверсивные частотные преобразователи. В этом случае модель двигателя представляют передаточной функцией вида

, (4.24)

где – регулируемая частота питания обмотки статора.