1.2.4. Синхронный двигатель

Синхронным двигателем называют двухобмоточную электрическую машину переменного тока, на одну из обмоток которой подается переменное напряжение частотой f, а на другую – постоянное напряжение. Статор (неподвижная часть) синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Подвижная часть, состоящая из сердечника с уложенной в нем токопроводящей обмоткой, носит название якоря. Конструкция якоря синхронной машины может быть как явнополюсная (рис. 1.16, а), так и неявнополюсная (рис. 1.16, б).

Как и в асинхронном двигателе, обмотка статора синхронной машины создает вращающееся магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля с полем обмотки якоря возникает электромагнитный момент, под действием которого якорь и приводится во вращение.

Механические характеристики синхронного двигателя приведены на рис. 1.17. Вращение якоря происходит синхронно со скоростью вращения потока статора во всем диапазоне допустимых нагрузок на валу двигателя

, . (1.43)

С учетом, что , уравнение механической характеристики синхронного двигателя имеет вид

. (1.44)

Благодаря именно этому факту машина и получила название синхронного двигателя.

Регулирование скорости синхронного двигателя также как и асинхронного осуществляют путем изменения частоты питающего обмотки статора напряжения. Чем ниже частота, тем меньше скорость вращения якоря.

1.2.5. Обратимость электрических машин углового движения

Неоспоримым достоинством электрических машин, позволяющим повысить энергетическую эффективность мехатронной системы в целом, является их обратимость. Под обратимостью понимается возможность работы любой электрической машины как в двигательном режиме, так и в режиме генератора. В двигательном режиме электрическая машина потребляет электроэнергию из сети и преобразует ее в механическую, а в генераторном режиме наоборот – подводимую к валу двигателя механическую энергию преобразует в электрическую и отдает ее в питающую сеть.

Так, в качестве примера, рассмотрим движение транспортного средства, имеющего электрический привод на участке в гору и с горы (рис. 1.18). При подъеме необходимо затратить энергию для преодоления сил трения качения между его колесами и поверхностью дороги, а также изменение потенциальной энергии, вызванной подъемом массы на высоту

. (1.45)

При спуске произойдет обратное изменение величины потенциальной энергии и выражение (1.45) примет вид

. (1.46)

В результате величина энергии, затраченной транспортным средством после преодоления горы, составит

. (1.47)

Избыток энергии при спуске может быть преобразован механическими тормозами в тепло, и тогда величина затраченной электроэнергии с учетом к.п.д. η транспортного средства как мехатронной системы составит

(1.48)

или, при преобразовании избытка энергии обратно в электрическую и возвращении ее в сеть, а также с учетом, что

(1.49)

составит

. (1.50)

В выражении (1.49): – масса транспортного средства; – ускорение свободного падения;– высота горы.

Рис. 1.18. К пояснению принципа повышения энергетической эффективности транспортной мехатронной системы при возможности работы исполнительного электродвигателя в генераторном режиме

При каких же условиях электрическая машина перейдет из двигательного режима работы в генераторный? Ответ следует из анализа механических характеристик электрических машин, приведенных ранее на рис. 1.10, 1.15 и 1.17.

Механическая энергия на валу двигателя, определяемая как

, (1.51)

может изменить свое направление при изменении знака момента или скорости, что происходит, например, при пересечении механической характеристики любого двигателя через ось абсцисс (см. рис. 1.19). Справа от этой оси машина работает как двигатель, слева – как генератор. Та же ситуация имеет место при пересечении механической характеристики оси ординат. Электрическая машина меняет направление вращения при неизменном направлении момента и переходит из двигательного режима (выше оси ординат) в генераторный (ниже оси ординат). Следовательно, в первом и третьем квадранте механических характеристик электрическая машина работает как двигатель, а во втором и четвертом – как генератор.

При подъеме транспортного средства исполнительный электродвигатель, работая на выделенной механической характеристике, развивает момент и вращается со скоростью(рабочая точкаА). Пройдя вершину горы, под действием силы тяжести, транспортное средство начнет разгоняться. Рабочая точка при этом переместится по действующей механической характеристике из точки А в точку В. При этом момент на валу двигателя изменит свое направление, а сам электродвигатель перейдет из двигательного режима работы в генераторный.

Следует отметить, что для того чтобы передать электроэнер­гию от двигателя в сеть необходимо также обеспечить соответст­вующий режим работы силового преобразователя мехатронной сис­темы (см. рис. В.3).