6.2. Электропривод с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения

В традиционной синхронной машине (рис. 5.1) магнитная система возбуждается обмоткой, установленной на роторе и по которой пропускают постоянный ток. Но в явнополюсной машине роль обмотки возбуждения может выполнить и обмотка, размещенная в пазах статора, если, во-первых, ее витки находятся напротив межполюсного промежутка ротора и, во-вторых, эта обмотка имеет полный шаг. Так, если по обмоткам 1 – 1 и 2 – 2 (рис. 6.4) пропустить ток, то он создаст поток по продольной магнитной оси машины. Если теперь по обмоткам 3 – 3, 4 – 4, 5 – 5 и 6 – 6, расположенным над полюсами ротора, пропустить ток, то создается электромагнитный момент.

В описываемом реактивном (с явно выраженными полюсами) двигателе при вращении ротора каждая обмотка (пара диаметрально расположенных проводников) работает попеременно или как обмотка возбуждения, или как обмотка якоря (создает вращающий момент). Токи в обмотках возбуждения, расположенных над межполюсными промежутками ротора, и токи в якорных обмотках, расположенных над полюсами ротора, могут регулироваться независимо и переключаться в функции положения ротора. По этим обмоткам нет необходимости пропускать синусоидальный ток. Более эффективной оказывается прямоугольная форма тока, как в секциях обмотки двигателя постоянного тока. На рис. 6.5 изображены упрощенные диаграммы тока и ЭДС одной фазы такого двигателя. Двигатель работает как многофазный, ток и ЭДС каждой последующей фазы сдвинуты на   m электрических градусов, где m – число фаз двигателя. Так, на рис. 6.4 m = 6.

 В каком режиме (двигательном или генераторном) работает двигатель, если очередность следования токов возбуждения и якоря в каждой фазе соответствует осциллограммам, изображенным на рис. 6.5?

Кривые магнитной индукции в воздушном зазоре этого двигателя, определенные экспериментально для разных режимов включения обмоток, очень напоминают аналогичные кривые в электрических машинах постоянного тока. Когда в шестифазном двигателе, ротор которого расположен, как на рис. 6.4, пропускается постоянный ток только через обмотки 1 – 1 и 2 – 2, расположенные напротив межполюсных промежутков, то картина поля в воздушном зазоре имеет трапецеидальную форму. Если же пропускать ток только через обмотки 3 – 3, 4 – 4, 5 – 5 и 6 –6, расположенные над полюсами, то имеем поле реакции якоря. Когда в том же положении ротора пропускают ток через все шесть обмоток статора, то картина магнитного поля в зазоре искажается, уменьшаясь под одним краем и увеличиваясь под другим.

К ак у всех синхронных реактивных двигателей, угловая характеристика описываемого двигателя имеет два периода на оборот (рис. 6.6, кривая 1). Эта характеристика снимается при питании обмоток статора от источников постоянного тока, величи­на тока которых при измен­е­нии угла поворота ротора остается неизменной. Так как длина полюсной дуги ротора больше межполю­сного промежутка, то изменение момента в диапазоне от +М_МАКС до – М_МАКС происходит на большем отрезке, чем от – М_МАКС до + М_МАКС. Нуль момента на более крутых участках угловой характеристики наступает при нуле МДС возбуждения (из-за встречных токов в обмотках, расположенных в межполюсных промежутках), а на более пологих – при нуле МДС обмоток якоря (из-за встречных токов обмоток, расположенных над полюсами). Обычно соотношение величин полюсной дуги ротора и межполюсного промежутка подбирают так, чтобы в точке номинального режима двигателя токи возбуждения и якоря совпадали или были близки. Это достигается при относительной длине межполюсного промежутка 0,3...0,4 от длины полюсного деления машины.

При вращении вала реально работающего шестифазного двигателя через каждые 30, соответствующие ширине его фазной зоны, происходит переключение знака тока в одной из фазных обмоток, переходящей из зоны возбуждения в зону якоря, поэтому кривая электромагнитного момента в функции угла поворота вала ротора идет по огибающей семейства угловых характеристик, смещенных друг относительно друга на величину фазной зоны статора (кривая 2 на рис. 6.6).

Э лектроприводы с синхронными реактивными двигателями (FRRM) требуют датчиков положения ротора, но схемы управления отличаются крайней простотой реализации. На рис. 6.7 приведен один из возможных вариантов функциональной схемы электропривода. Здесь статорные обмотки питаются от шести независимых источников тока, которые могут быть выполнены на транзисторных или тиристорных преобразователях. Задание на ток якорных обмоток (напряжения +U_РС и –U_РС) подается с выходов регулятора скорости РС и инвертора И1 через узел формирования фазных токов УФФТ. Нерегулируемое задание на ток возбуждения (напряжения +U_В и –U_В) подается с выходов потенциометра RP1 и инвертора И2. Желаемое значение скорости n_З вращения электропривода поддерживается с помощью контура регулирования скорости, который настраивается на заданные показатели качества регулятором скорости РС. Допустимое значение тока фазных обмоток двигателя (и электромагнитного момента) ограничивается максимальным напряжением на выходе РС, которое устанавливается блоком ограничения БО, как в обычной схеме подчиненного регулирования.

У ФФТ управляет токами источников тока в цепях фазных обмоток в функции угла поворота вала ротора _Р так, чтобы были реализованы диаграммы токов (рис. 6.5). Наиболее наглядно идею работы этого узла иллюстрирует вариант контактного (коллек­торного) УФФТ (рис. 6.8). Здесь на валу ротора двигателя установлены че­­­тыре контактных коль­ца К1...К4, к которым через щетки подаются напряжения +U_РС и –U_РС, а также +U_В и –U_В. Эти кольца соединены элект­ри­чески с четырьмя коллекторными пласти­нами П1...П4. Длина дуги коллекторной пластины соответствует или по­люсной дуге ротора (пластины П2 и П4, на них подаются напряжения +U_РС и –U_РС), или ширине межполюсного промежутка (пластины П1 и П3, на них подаются +U_В и –U_В). На щеткодержателе вдоль окружности коллектора через каждые 30 (в шестифазном двигателе) установлено шесть щеток, с которых снимаются сигналы задания для всех шести источников тока. При вращении вала двигателя входная управляющая клемма источника тока каждой фазной обмотки статора подключается поочередно к соответствующему напряжению задания: +U_РС, +U_В, –U_РС и –U_В (как на рис. 6.5). Когда необходимо сменить знак электромагнитного момента двигателя (при реверсе или торможении), производится смена знака напряжения на выходе регулятора скорости РС (например, изменением напряжения на выходе задатчика интенсивности). Это приводит к смене последовательности чередования знаков напряжений задания на входах УФФТ, знаков токов в фазных обмотках статора и к изменению знака момента. По аналогии с двигателем постоянного тока, здесь возможны два варианта управления: в первом случае устанавливается очередность: –U_РС, +U_В, +U_РС и –U_В (в двигателе постоянного тока этому случаю соответствовал бы реверс момента изменением знака тока якоря при неизменном знаке тока возбуждения), во втором – очередность: +U_РС, –U_В, –U_РС и +U_В (этому случаю соответствовал бы реверс изменением знака тока возбуждения при неизменном направлении тока якоря). На рис. 6.7 приведена схема, реализующая первый вариант реверса момента.

 Для цепи какой из фазных обмоток статора (от первой до шестой) изображены кривые процессов на рис. 6.5? Начальное положение ротора можно считать соответствующим рис. 6.4.

Конечно, в реальных электроприводах сегодня используются бесконтактные датчики положения ротора. Но описанный контактный датчик наиболее наглядно иллюстрирует идею работы УФФТ: необходимо в функции угла поворота ротора _Р переключать четыре управляющих сигнала (+U_В и –U_В , +U_РС и –U_РС), подавая их в заданной последовательности на управляющие входы источников тока в цепях обмоток статора.

Представленная на рис. 6.7 функциональная схема электропривода является, пожалуй, наиболее простой, но не единственной. Во-первых, она может быть изменена в зависимости от схемы силовых цепей источников тока. Так, возможно питание статорных обмоток от двух типовых мостовых трехфазных транзисторных автономных инверторов (обмотки 1, 3 и 5 от одного и 2, 4 и 6 – от другого), имеющих 180-градусную проводимость вентилей, управляемых от одного датчика положения ротора и реализующих наиболее простую прямоугольную (а не привычную синусоидальную) форму тока ключей.

Во-вторых, система управления может иметь несколько вариантов. Например, она может быть выполнена как схема двухзонного регулирования (рис. 6.9 а). Здесь контур регулирования скорости выполнен так же, как на рис. 6.7, но возбуждение контролируется контуром регулирования напряжения на статоре двигателя. При напряжениях на статоре двигателя меньших номинального (U  U_Н) регулятор напряжения РН насыщен, а ток возбуждения двигателя определяется уставкой блока ограничения БО2 и максимален. При увеличении скорости выше основной происходит уменьшение напряжения на выходе РН и ослабление потока двигателя при постоянной амплитуде напряжения на статоре. Предельная механическая характеристика электропривода совпадает в этом случае с аналогичной характеристикой в электроприводе постоянного тока с двухзонным регулированием.

В электроприводах с большим диапазоном изменения момента нагрузки возможно включение синх­ронного реактивного дви­гателя по схеме двигателя с последо­вательным воз­буждением (рис. 6.9 б). В этом случае ток воз­буждения изменяется про­порционально абсо­лютной величине напря­жения U_РС, для чего приме­нен функ­циональный преобразо­ватель ФП, нап­ря­жение на выходе ко­торого пропор­ционально модулю U_РС. Тем самым достигается два эффекта. В зоне малых моментов нагрузки дости­гается снижение потерь в электроприводе за счет сни жения тока возбуж­дения. В зоне же пере­грузок ослаблено размагни­чивающее влияние реакции якоря, а двигатель спосо­бен выдерживать кратко­временные перегрузки по моменту (до 10 и более), существенно большие, чем в электроприводах асинх­ро­н­ных или постоянного тока.

Рис. 6.10. Зависимость момента от тока якоря при разных законах возбуждения: I_В = const (кривая 1); I_В = I_А (кривая 2)

Сказанное подтверждают экспериментальные зависимости момента от тока якоря при работе электропривода на упор (рис. 6.10). Номинальному току I_Н = 5 А в обоих случаях соответствует одинаковый момент. В зоне больших токов в схеме с постоянным током возбуждения наблюдается снижение приращений момента при увеличении тока якоря (кривая 1), что следует объяснить размагничивающим влиянием реакции якоря. При последовательном возбуждении (кривая 2) в зоне больших токов сохраняется линейность характеристики (что косвенно указывает на насыщение магнитной системы), а предельное значение момента ограничено лишь перегревом обмотки двигателя и силовых элементов источника питания.

Рассматриваемый двигатель имеет повышенные удельные моменты. Так, опытный экземпляр двигателя FRRM, выполненный в корпусе асинхронного короткозамкнутого двигателя мощностью 4 кВт, имел номинальный момент в длительном режиме на 40% больше, чем прототип.

Дадим физическое объяснение высоким удельным и перегрузочным моментам рассматриваемого электропривода, для чего рассмотрим картину магнитных полей в явнополюсных двигателях разного типа.

В электродвигателе постоянного тока (рис. 6.11 а) на магнитное поле, создаваемое токами обмотки возбуждения, накладывается поле реакции якоря F_А, в результате под одним краем полюса индукция в зазоре увеличивается, а под другим – уменьшается (соответствует жирно обведенным участкам кривой F_А). Строгое совпадение физической и геометрической нейтралей в двигателе постоянного тока приводит (при неучете насыщения магнитной системы) к равным величинам приращений магнитного потока под обоими краями полюса. В результате в ненасыщенной электрической машине постоянного тока увеличение тока якоря не вызывает увеличения магнитного потока.

В синхронном реактивном двигателе независимого возбуждения картина взаимодействия магнитных полей остается в принципе такой же, как в двигателе постоянного тока, но с одним весьма существенным отличием (см. рис. 6.11 б). Так как в этом двигателе нет ограничений по условиям коммутации, то физическую нейтраль сдвигают с геометрической на край полюса. В этом случае удается направить действие намагничивающей составляющей реакции якоря по продольной оси полюса, а размагничивающей – по поперечной оси, т.е. в межполюсный промежуток. В результате в FRRM с ростом нагрузки происходит увеличение магнитного потока. То, что основная доля размагничивающего действия реакции якоря в FRRM приходится на межполюсный промежуток, а намагничивающего – на полюс, позволяет добиться высоких удельных моментов, не применяя компенсационную обмотку, т.е. сохраняя простую конструкцию электрической машины и не увеличивая расход обмоточной меди.

 На основании рис. 6.2 и 6.11 изобразите картину магнитной индукции в зазоре для двигателей постоянного тока и FRRM. Покажите, как она выглядит при разных значениях момента двигателя.

Бесконтактное исполнение в сочетании с «холодным» не содержащим обмоток ротором, облегчающим тепловой режим работы подшипников, резко увеличивают эксплуатационную привлекательность электроприводов с синхронными реактивными двигателями независимого возбуждения. При такой же токовой линейной нагрузке статора, как у асинхронного короткозамкнутого двигателя, рассматриваемый двигатель развивает удельный момент на 30...40% больший, а благодаря простоте конструкции ротора и малым затратам меди оказывается на 15...25% дешевле. Возможность реализации больших перегрузочных моментов и высоких угловых скоростей, эффективное использование активных материалов при простой системе управления делает электропривод с синхронными реактивными двигателями независимого возбуждения серьезным конкурентом лучшим традиционным регулируемым электроприводам переменного тока. По мере развития и совершенствования полупроводниковой элементной базы сфера применения этого электропривода будет постоянно расширяться.

Бесконтактное исполне­ние в сочетании с «холодным» не содержащим обмоток ротором, облегчающим тепловой режим работы подшипников, резко увеличивают эксплуатационную привлекательность электроприводов с синхронными реактивными двигателями независимого возбуждения. При такой же токовой линейной нагрузке статора, как у асинхронного короткозамкнутого двигателя, рассматриваемый двигатель развивает удельный момент на 30... 40% больший, а благодаря простоте конструкции ротора и малым затратам меди оказывается на 15...25% дешевле. Возможность реализации больших перегрузочных моментов и высоких угловых скоростей, эффективное использование активных материалов при простой системе управления делает электропривод с синхронными реактивными двигателями независимого возбуждения серьезным конкурентом лучшим традиционным регулируемым электроприводам переменного тока.