Угловая характеристика реактивно синхронного двигателя

Угловая характеристика реактивно синхронного двигателя

Общим свойством синхронных микродвигателей является равенство в рабочем режиме скорости вращения ротора и скорости вращения магнитного поля статора.

Эти двигатели находят широкое применение в устройствах, где требуется строгое постоянство скорости вращения ротора в определенном диапазоне изменения момента нагрузки на валу машины: электрочасах, лентопротяжных механизмах и т.п.

Статоры и обмотки статоров синхронных микродвигателей выполняются также как и у асинхронных двигателей из условия обеспечения вращающегося магнитного поля. Обмотки статоров могут быть либо трёхфазными, либо двухфазными.

В зависимости от конструкции ротора, устройство и материал которого в значительной степени определяют природу возникновения электромагнитного момента и характеристики двигателя, синхронные микродвигатели непрерывного вращения можно разделить на три большие группы:

Синхронные микродвигатели с активным ротором.

Синхронные реактивные микродвигатели.

Синхронные гистерезисные микродвигатели .

Синхронные микродвигатели с активным ротором.

Активный ротор содержит элементом своей конструкции постоянные магниты, которые могут быть расположены радиально и аксиально .

В первом случае (рис.5.1,а) блок постоянных магнитов 2 насаживается непосредственно на вал ротора 4 .

Пакет стали ротора 1 выполнен в виде кольца, напрессованного на блок постоянных магнитов. В пакете имеются прорези, разделяющие полюсы разной полярности. В пазах пакета стали ротора располагаются стержни короткозамкнутой обмотки типа “беличья клетка”. Эта обмотка играет роль пусковой обмотки.

При аксиальной конструкции кольцевой пакет стали 1 насаживается непосредственно на вал ротора 4 . По краям пакета (с торцевых сторон) устанавливается один или два блока постоянных магнитов 2 , выполненных в виде дисков (рис. 5.1,б).

В пазах пакета ротора, как и в предыдущем случае, уложены стержни короткозамкнутой обмотки 3 .

Основное комплексное уравнение машины аналогично уравнению трансформатора

U’ 1 – напряжение на фазе статора,

İ 1 – ток в фазе статора,

R 1 – активное сопротивление фазы статора,

Ė – ŻÄ С, индуктируемая рабочим потоком машины в фазе статора.

Результирующий поток машины в установившемся режиме работы складывается из вращающихся синхронно потока статора Ф 1 и потока полюсов ротора Ф 0 . Поэтому ЭДС Е 0 можно представить в виде суммы Ė =Ė 1 + Ė 0, где Ė 1 – ЭДС, наводимая в фазе статора вращающимся магнитным потоком статора Ф 1 , Ė 0 – ЭДС, наводимая в фазе статора вращающимся потоком полюсов ротора Ф 2 . Действующее значение этой ЭДС определяется формулой

Е 0 = 4,44ω 1 f 1 K об1 Ф 2 ,

где ω 1 – число витков фазы статора, K об1 – обмоточный коэффициент фазы, f 1 – частота питающей сети.

Поскольку ЭДС Е 1 пропорциональна потоку статора Ф 1 , и, следовательно, току в фазе статора, то её можно рассматривать как ЭДС самоиндукции, т.е.

где X 1 – индуктивное сопротивление фазы машины, обусловленное магнитным потоком статора (или синхронное сопротивление).

Если предположить, что R 1 1 , что, вообще говоря, справедливо лишь для машин достаточно большой мощности, то основное комплексное уравнение машины можно приближенно записать в виде

U’ 1 =jİ 1 X 1 – Ė 0

-U’ 1 =Ė 0 – jİ 1 X 1

Электромагнитный момент машины образуется в результате взаимодействия потока полюсов ротора с активной составляющей тока в фазах статора, т.е.

М эм =С м Ф 2 I 1акт =С м Ф 2 I 1 cosφ 1

где I 1 cosφ 1 – активная составляющая в фазе статора, φ 1 – фазовый сдвиг между током и напряжением в фазе.

При работе двигателя в режиме ХХ ось потока полюсов ротора совпадает с осью вращающегося потока статора (рис.5 .2,а), ток в фазе является практически реактивным, как это следует из векторной диаграммы (рис. 5.2,б) и электромагнитный момент машины равен 0 (М эм =0).

С появлением момента нагрузки на валу машины ротор двигателя начнет притормаживаться и ось потока его начнет отставать от оси потока статора на некоторый угол θ (рис.5.3,а) .

Проводники фазы статора будут позже пересекаться соответствующими силовыми линиями магнитного поля ротора, т.е. вектор ЭДС Ė 0 будет отставать от вектора напряжения на некоторый угол θ, как показано на рис. 5.3,б .

При этом возрастает значение cosφ 1 , активная составляющая тока в фазе статора İ 1акт и электромагнитный момент машины М эм , стремящийся вернуть ротор в прежнее положение. Режим установится при некотором угле θ, когда электромагнитный момент машины уравновесит момент нагрузки на её валу, т.е. условие М эм =М. Таким образом, всякое увеличение момента нагрузки на валу машины, и следовательно, полезной мощности на валу (в пределах области устойчивой работы) сопровождается увеличением активной мощности, потребляемой двигателем от сети.

Читайте также:  Как выбрать авто с хорошим двигателем

Для двигателя с ротором аксиальной конструкции величина электромагнитного момента определяется выражением

,

где m 1 – число фаз обмотки статора, ω 1 =2πf 1 –угловая частота питающей сети.

Зависимость электромагнитного момента, развиваемого машиной от угла θ , называется угловой характеристикой двигателя. Для микромашины с аксиальной конструкцией ротора угловая характеристика имеет вид синусоиды (рис.5.4).

Максимум электромагнитного момента имеет место при угле θ =90°.

Угловая характеристика имеет важное значение для оценки статической устойчивости двигателя. Под статической устойчивостью понимается способность двигателя сохранять синхронную скорость вращения при изменении момента нагрузки на валу. Для обеспечения устойчивости работы необходимо, чтобы с ростом момента нагрузки, и, следовательно, угла θ βξ зрастал бы электромагнитный момент М эм развиваемый машиной. Условием устойчивости работы является условие

Это условие выполняется здесь лишь в диапазоне углов |θ| . При больших углах машина выпадает из синхронизма, либо останавливается. При номинальной нагрузке обычно θ=(20-30)Ί .

Величина максимального электромагнитного момента машины М эм мах носит название момента выхода из синхронизма. При моментах нагрузки М>М эм мах ротор выходит из синхронизма.

Величина момента входа в синхронизм зависит от пусковых свойств двигателя. Для того, чтобы ротор втянулся в синхронизм обычно бывает достаточно выполнения условия

где Мэм.ас(0 , 05) — момент развиваемый пусковой обмоткой при скольжении S=0 ,05.

Для двигателя с аксиальной конструкцией ротора величина реактивного сопротивления фазы статора практически не зависит от углового положения ротора относительно геометрической оси фазы, т.е. сопротивление магнитному потоку фазы не зависит от углового ротора. Для двигателя с радиальной конструкцией ротора сопротивление магнитному потоку фазы зависит от углового положения ротора относительно геометрической оси фазной катушки. В этом случае электромагнитный момент, развиваемый машиной можно представить в виде суммы двух составляющих

М эм =М эм . осн +М реакт ,

где М осн – основная составляющая, обусловленная взаимодействием потока ротора с активной составляющей тока в фазах статора, М реакт – реактивный момент, обусловленный стремлением ротора ориентироваться по оси результирующео поля машины.

Для двигателей с радикальной конструкцией ротора величина реактивного момента зависит от угла θ и от разницы синхронных сопротивлений по продольной и поперечной осям Х d и Хq, т.е.

Синхронным сопротивлением по продольной оси Xd называется индуктивное сопротивление фазы обмотки статора при таком положении ротора, когда ось потока его полюсов совпадает с геометрической осью фазы (или продольной осью dd , как показано на рис. 5.5,а).

где λd –магнитная проводимость по продольной оси, w-число витков фазной катушки.

Синхронным сопротивлением по поперечной оси Xq называется индуктивное сопротивление фазы обмотки статора при таком положении ротора, когда ось потока его полюсов перпендикулярна геометрической оси фазной катушки статора (или совпадает с поперечной осью qq, как показано на рис. 5.5,б) . При этом

Xq=ωLq, a Lq= w 2 λq,

где λq – магнитная проводимость по поперечной оси.

Нетрудно видеть, что Xq > Xd , т.к. сопротивление магнитному потоку в первом случае (рис. 5.5,а) больше, чем во втором (рис. 5.5,б) из–за наличия воздушного зазора, разделяющего полюса постоянного магнита ротора.

Из–за наличия реактивного момента результирующая зависимость Мэм (θ ) для синхронного микродвигателя с радиальной конструкцией ротора отлична от синусоиды и приближенно может быть изображена в виде графика, приведенного на рис. 5.4, где кривая 1 представляет зависимость Мосн(θ ) , кривая 2 – зависимость Мреакт(θ ) , кривая 3-результирующую зависимость Мэм(θ ) .

На рис. 5.6 приведены рабочие характеристики микродвигателей с активным ротором n 2 (Р 2 ), I 1 (Р 2 ), M 2 (Р 2 ), где Р 2 – полезная мощность на валу машины.

Синхронные реактивные микродвигатели.

Реактивным двигателем называется синхронный двигатель с явно полюсным ротором без постоянных магнитов на нём. Вращающий электромагнитный момент в таком двигателе возникает из-за различия в магнитных проводимостях по продольной и поперечной осям. Это различие достигается соответствующим конструктивным выполнением ротора.

Поперечный разрез простейшего двухполюсного ротора реактивного двигателя приведен на рис. 5.7.

Он выполнен из нескольких пакетов листовой электротехнической стали 1 , залитых алюминием 2 . Видно, что магнитное сопротивление ротора в радиальных направлениях неодинаково: магнитное сопротивление по оси dd меньше, чем по оси qq , и, следовательно, ось dd является осью лёгкого намагничивания ротора.

Читайте также:  От чего бензиновый двигатель работает как дизельный

Для выяснения принципа действия синхронного реактивного двигателя и природы реактивного момента представим двигатель в виде модели, приведенной на рис. 5.8 .

Здесь вращающееся магнитное поле статора представлено полем полюсов постоянных магнитов, вращающихся с синхронной скоростью n 1 по часовой стрелке, а ротор представляет собой стальной цилиндр, срезанный по боковой поверхности вдоль оси dd (оси лёгкого намагничивания ротора).

Пока момент нагрузки на валу двигателя равен 0 (M=0), ось лёгкого намагничивания ротора dd совпадает с осью полюсов статора ( q =0), поле не деформируется (рис.5.8,а ), реактивный момент двигателя равен 0.

При появлении момента нагрузки на валу ось лёгкого намагничивания ротора начинает отставать от оси полюсов статора на угол q , как показано на рис.5.8,б. (При этом поле и ротор вращаются синхронно с частотой n 1 ). При повороте магнитного поля относительно оси ротора магнитные силовые линии стремятся замкнуться по пути наименьшего сопротивления, то есть вдоль оси лёгкого намагничивания ротора dd. При этом, обладая упругостью согласно гипотезе Фарадея, силовые линии деформируются или растягиваются, вследствие чего на ротор действуют тангенциальные силы.

Совокупность сил, действующих на каждый полюс ротора и создаёт реактивный момент M эм , направленный в сторону вращения поля. Процесс возрастания угла q и электромагнитного момента машины будет происходить до тех пор, пока при некотором угле q электромагнитный момент не уравновесит момент нагрузки на валу и не наступит новый установившийся режим.

Электромагнитный момент синхронного реактивного двигателя определяется по той же формуле, что и реактивная составляющая момента синхронного микродвигателя с радикальным расположением постоянных магнитов на роторе при условии отсутствия основного момента, то есть при нулевом потоке полюсов ротора

и зависит от q , от квадрата фазного напряжения U 1 и от разности синхронных сопротивлений по продольной и поперечной осям. Обычно отношение Х d ¤ Х q =2-3. Увеличение этого отношения приводит к увеличинию момента, но одновременному ослаблению основного потока машины и к ухудшению энергетических характеристик машины.

Угловая характеристика синхронного реактивного двигателя, построенная по приведенному выражению, представлена кривой 1 на рис.5.9.

Очевидно, что диапозон устойчивой работы этого двигателя( – 4 5 ° q 4 5 ° ) меньше, чему рассмотренных выше двигателей с активным ротором. Однако приведенное выражение не учитывает активного сопротивления обмотки статора R 1 , которое в микродвигателях довольно значительно. Под его влиянием угловая характеристика двигателя становится несинусоидальной (кривая 2 на рис.5.9 ) и максимум электромагнитного момента имеет место при углах q 4 5 ° .

Рабочие характеристики синхронного реактивного двигателя имеют вид, приведенный на рис.5.10.

Пусковой момент синхроного реактивного двигателя формируется за счёт взаимодействия вращающегося потока полюсов статора с токами, индуктируемыми этим потоком либо в алюминиевой заливке ротора (вихревыми токами) при конструкции его, приведенной на рис.5.7, либо в стержнях короткозамкнутой обмотки специально выполняемой для целей пуска. В обоих случаях имеет место асинхронный пуск синхронного реактивного двигателя.

Достоинствами синхронных реактивных двигателей являются простота конструкции и связанные с этим обстоятельством надёжность в работе и невысокая стоимость относительно ранее рассмотренных двигателей с активным ротором.

К недостаткам реактивных двигателей следует отнести: сравнительно небольшой максимальный момент, низкий КПД (0,2 — 0,4), низкий коэффициент мощности. Последнее обстоятельство объясняется тем, что магнитный поток двигателя (при отсутствии собственного потока ротора) создаётся только засчёт реактивного тока в фазах статора, величина которого из-за повышенного сопротивления магнитной цепи машины довольно велика. При одной и той же мощности на валу габаритные размеры этих двигателей больше, чем размеры рассмотренных ранее двигателей с активным ротором.

Синхронные гистерезисные двигатели.

Гистерезисным называется синхронный микродвигатель, электромагнит-ный момент которого создаётся за счёт явления гистерезиса при перемагничивании ферромагнитного материала ротора.

Конструктивно этот двигатель, как и все ранее рассмотренные, состоит из статора и ротора. Статор выполняется как в обычной машине переменного тока, из условия обеспечения вращающегося магнитного поля.

Ротор двигателя (рис.5-11) выполнен в виде кольца из магнитотвёрдого материала 1, напрессованного на стальную или алюминиевую втулку 2 и вместе с нею на вал 1 . На роторе нет ни пазов, ни полюсов, ни обмотки, поэтому воздушный зазор между статором и ротором равномерен и может быть выполнен достаточно малым из условия обеспечения малого намагничивающего тока. В качестве материала кольца 1 используются сплавы типа ”викаллой” или “альни” с широкой почти прямоугольной пятлёй Гистерезиса ( с большой коэрцитивной силой H с ).

Читайте также:  Сколько рабочая температура двигателя ваз 2110

В синхронном режиме магнитное поле статора и ротор вращаются с одинаковой скоростью и перемагничивания материала ротора не происходит. В этом случае гистерезисный двигатель работает также, как синхронный двигатель с активным ротором при аксиальной его конструк-ции.Электромагнитный момент его является результатом взаимодействия потока ротора Ф 2 , обусловленного остаточной намагниченностью материала ротора, с активной составляющей тока в фазе статора и определяется соотношением

Мэм=

где E 0 – ЭДС в фазе статора, обусловленная остаточным потоком ротора Ф2 .

Однако, угол отставания оси остаточного потока ротора от оси вращающегося потока статора не может превышать угла гистерезисного запаздывания g г , определяемого шириной петли гистерезиса материала кольца ротора. Величина этого угла обычно не превышает 20° — 25° .

Если q>g г , то двигатель выходит из синхронизма и начинается процесс перемагничивания материала и появлется так называемый гистерезисный момент, величина которого не зависит от скорости вращения ротора и определяется выражением

M г =kФ 1 Ф 2 sin g г

где Ф1 – поток статора машины, k -коэффициент, зависящий от параметров машины (конструктивный коэффициент).

Для выяснения природы гистерезисного момента рассмотрим физические процессы в заторможенном роторе (рис.5.12,а), помещенном в поле полюсов постоянных магнитов.

Здесь ротор условно показан в виде постоянных магнитиков, способных переориентироваться под действием внешнего поля. Если внешнее поле неподвижно, то элементарные магнитики ротора ориентируются так, что северному полюсу внешнего магнита соответствует южный полюс элементарного магнитика ротора, ось потока полюсов внешнего поля совпадает с осью потока элементарных магнитиков ротора, сила взаимодействия элементарных магнитиков ротора с полюсами внешних магнитов направлена по оси полюсов.

Если повернуть ось потока внешних полюсов на некоторый угол g относительно первоначального положения (рис.5.12,б), то и частицы магнито-твёрдого материала ротора, представляющие собой элементарные магнитики, стремятся ориентироваться в соответствии с внешним полем.

Однако повороту оси элементарных магнитиков в магнитотвёрдых материалах препятствуют внутренние силы молекулярного трения. Для изменения ориентации оси элементарных магнитиков ротора нужна определённая намагничивающая сила, которая появляется лишь в том случае, если между осью полюсов внешнего поля и осью полюсов элементарных магнитиков ротора образуется угол g > g г .

Таким образом, поворот внешнего поля относительно исходного положения (рис.5.12,а ) на угол g g г не вызывает переориентацию элементарных магнитиков ротора, направление потока ротора Ф 2 остаётся неизменным. Поворот внешнего поля относительно исходного состояния на угол g > g г приводит к переориентации элементарных магнитиков ротора, причём к такой, что угол между потоком полюсов внешнего поля Ф 1 и ротора Ф 2 остаётся постоянным и равным g г независимо от скорости перемещения внешнего поля относительно ротора. Вот почему гистерезисный момент

M г =kФ 1 Ф 2 sin g г

являющийся и пусковым моментом для синхронного двигателя данного типа, не зависит от скорости вращения ротора.

Величину гистерезисного момента можно определить исходя из баланса мощностей в роторе. Мощность потерь на гистерезис в неподвижном роторе

где R уд -удельные потери на гистерезис за 1 цикл перемагничивания в единице объёма, V -объём магнитотвёрдого материала ротора, ¦ 1 — частота питающей сети.

При вращении ротора со скольжением S частота перемагничивания ротора и потери на гистерезис в роторе падают пропорционально скольжению, т.е. ¦ 2 =s ¦ 1 , R гs =s R гп .

Разница мощностей R гп и R гs соответствует полной механической мощности, развиваемой двигателем

R мех = R гп – R гs = R гп (1 – S)

Гистерезисный вращающий момент равен

где w 2 и w 1 соответственно угловые частоты вращения ротора и потока полюсов статора в рад ¤ сек.

К преимуществам синхронных гистерезисных двигателей следует отнести: простоту конструкции, надёжность в работе, наличие собственного пускового момента, бесшумность в работе, плавность при входе в синхронизм, сравнительно высокий КПД (до 60%).

Недостатки: высокая стоимость магнитотвёрдых материалов и трудность их обработки, склонность к качаниям ротора при резких изменениях нагрузки.

Выпускаются гистерезисные двигатели с мощностью до 2000 Вт при частоте питающей сети 50, 400 и 500 Гц в трёхфазном и двухфазном исполнении.

Источник

Adblock
detector