Контрольные вопросы:

1. Назовите способы возбуждения?

2. Нарисуйте механическую характеристику двигателя параллельного возбуждения?

3. Нарисуйте механическую характеристику двигателя последовательного возбуждения?

4. Нарисуйте механическую характеристику двигателя смешанного возбуждения?

5. Для чего предназначены регулировочные сопротивления?

Лекция 14 Синхронные машины.

Способы пуска синхронного двигателя.

Векторная диаграмма и основные характеристики синхронного генератора.

Принцип действия и устройство синхронного явнополюсного двигателя.

Характерный признак синхронного двигателя – вращение ротора с синхронной частотой

n₁ =f₁60/p, независимо от нагрузки на валу. Поэтому синхронные двигатели используются в системах автоматики для приводов механизмов, требующих строго стабильной частоты вращения.

Синхронный двигатель, как и асинхронный, состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором. Существуют конструктивные разновидности исполнения синхронных двигателей малой мощности, отличающихся устройством ротора:

- явнополюсные с электромагнитным возбуждением,

- явнополюсные с возбуждением постоянными магнитами,

- явнополюсные реактивные (с невозбужденным ротором),

- неявнополюсные гистерезисные.

Т рехфазный синхронный двигатель имеет неявнополюсный статор с распределенной трехфазной обмоткой двигателя — явнополюсной конструкции с электромагнитным воз­буждением. При этом на полюсах ротора 2 располагают полюсные катушки 3 (рис. 1), которые при последова­тельном соединении об­разуют обмотку воз­буждения (ОВ). При подключении ОВ к ис­точнику постоянного тока возникает магнит­ный поток возбуждения Ф_В, силовые линии ко­торого сцеплены с об­моткой статора 1. При включении обмотки ста­тора в трехфазную сеть создается вращающееся с синхронной частотой n₁ магнитное поле с таким же числом полюсов, как на роторе. Благодаря взаимодействию полей статора и ротора возникает электромагнитный момент, вращающий ротор с синхронной частотой. В результате

Рис. 1

электрическая энер­гия сети преобразуется в механическую энергию вращения.

Рис. 2. Явнополюсный ротор (а) и пусковая обмотка (б) синхронного

двигателя

Предположим, что ротор двигателя вращается с частотой, отличающейся от частоты вращения поля статора, тогда в некоторые моменты времени возбужденные полюса ротора окажутся под одноименными полю­сами поля статора, возникнут силы магнитного отталкивания. Суммарный электромагнитный момент станет равным нулю и ротор остановится.

На рис. 2, а показана конструкция ротора синхрон­ного двигателя с явно выраженными полюсами. Ротор состоит из вала 1, на котором укреплены сердечники полюсов с полюсными катушками 3. Каждый сердечник. заканчивается полюсным наконечником 4. В полюсных наконечниках имеются пазы (рис. 2,б), в которых расположены стержни 1 пусковой обмотки, замкнутые с двух сторон кольцами 2. Для подключения вращаю­щейся обмотки возбуждения к источнику постоянного тока на валу ротора находятся два изолированных от вала и друг от друга контактных кольца 2 (рис. 2,а), по которым скользят щетки, вставленные в специальные щеткодержатели. От щеток сделаны выводы И1 и И2, через которые обмотка возбуждения соединяется с источником постоянного тока (рис. 3) и в цепи обмотки

Рис. 3. Электромагнитная схема синхронного двигателя

протекает ток возбуждения I_B, который создает МДС F_B = I_Bw_B. В магнитопроводе двигателя появляется поток возбуждения Ф_в. В качестве источника постоянного тока в синхронных двигателях обычно используют полупроводниковые выпрямительные устройства. Например, в двигателях средней и большой мощности применяют тири- сторные возбудительные устройства. Подключение двигателя к трехфазной сети осуществляется через выводы обмотки статора С1, С2, СЗ.

2. Пуск синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением

Синхронный двигатель при подключении его обмоток к источнику питания не развивает пускового момента. Ротор, по причине своей инерционности не может мгно­венно достичь частоты вращения, равной частоте враще­ния магнитного поля статора, которая устанавливается почти одновременно с включением обмотки статора в сеть. Поэтому между полюсами возбужденного ротора и вращающегося поля статора не возникает устойчи­вой магнитной связи, создающей синхронный вращаю­щий момент.

Для пуска синхронного двигателя необходимо пред­варительно привести ротор во вращение с частотой, близкой частоте вращения поля статора.

Существует несколько способов пуска синхронного двигателя, но практическое применение получил асин­хронный способ. Для его реализации в пазах полюсных наконечников ротора располагают стержни пусковой короткозамкнутой обмотки, выполненной аналогично об­мотке короткозамкнутого ротора. Обычно стержни этой обмотки делают из латуни или меди и за­мыкают с двух сторон медными кольцами (см. рис. 4, б) .

Для пуска синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением замыкают обмотку возбуждения ОВ на резистор r (рис.4, а), подключают к трехфазной сети обмотку статора. Вращающееся поле статора на­водит в пусковой обмотке ЭДС, которая создает в стержнях обмотки токи. В результате взаимодействия этих токов с вращающимся полем статора на каждый стержень ротора действует электромагнитная сила F_ЭM (рис.4,б). Совокупность таких сил создает асинхронный электромагнитный момент М_а, под действием которого ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и поле статора. После разгона ротора до частоты враще­ния, близкой к синхронной (n₂ = 0,95n₁), обмотку воз­буждения ОВ подключают к источнику постоянного тока. При этом двигатель возбуждается (полюса ротора на­магничиваются), между вращающимся полем статора и полюсами ротора устанавливается устойчивая магнитная связь, создающая синхронный электромагнитный мо­мент М, и двигатель втягивается в синхронизм, т. е. его ротор начинает вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем. В пусковой обмотке ротора больше не наводится ЭДС, асинхронный момент равен М_а= 0.

Рис.4 Асинхронный пуск синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением

С ростом нагрузки на валу двигателя вхождение в синхронизм затрудняется. Максимальный момент нагрузки на валу синхронного двигателя, при котором ротор еще втягивается в синхро­низм, называется моментом входа в синхронизм М_ВХ.

Не допускается пуск синхронного двигателя с под­ключенной к источнику постоянного тока обмоткой возбуждения, так как в этом случае магнитный поток возбуждения Ф_В при разгоне ротора будет наводить в обмотке статора ЭДС. В результате взаимодействия проходящего на обмотке статора тока, вызванного этой ЭДС, с полем возбуждения возникает тормозящий мо­мент, ухудшающий пусковые свойства синхронного дви­гателя.

При пуске синхронного двигателя обмотку возбуж­дения следует замкнуть на резистор с активным сопро­тивлением r, примерно в 10 раз превышающим актив­ное сопротивление обмотки возбуждения. Если оставить обмотку возбуждения разомкнутой, то вращающееся поле статора, обгоняя ротор с большой скоростью, на­ведет в его обмотке значительную ЭДС, способную вы­звать пробой межвитковой изоляции обмотки возбуж­дения.

Потери и КПД.

Потери подразделяются на основные и добавочные. Основные потери складываются из магнитных Р_М1 и электрических потерь Р_Э1 в статоре, потерь на возбуждение и механических. Магнитные Р_М1 и электрические потери Р_Э1 и добавочные потери определяются также как и для асинхронных двигателей. Потери на возбуждение:

Р_В= I²_вr_в+ΔU_щI_в

Где r_в – активное сопротивление обмотки возбуждения, приведенное к рабочей температуре, Ом; ΔU_щ =2В - падение напряжения в щетках цепи возбуждения.

Механические потери P_Mex состоят из потерь на тре­ние в подшипниках и контактных кольцах и потерь на вентиляцию.

Суммарные потери в синхронном двигателе, Вт,

ΣР = Р_м1 + Р_Э1 + Р_В + Р_мех + Р_доб.

Коэффициент полезного действия синхронного двига­теля зависит от нагрузки на валу Р₂ и коэффициента мощности cos φ₁. Для синхронных двигателей мощностью до 100 кВт КПД при номинальной нагрузке составляет 80—90%.

Электромагнитный момент. Электромагнитная мощ­ность синхронного двигателя, Вт,

Р_ЭМ= Р₁ - ( Р_Э1 +Р_М1)

затрачивается в основном на создание электромагнит­ного момента, Н·м,

Анализ (5.5) показывает, что электромагнитный мо­мент синхронного двигателя с явнополюсным ротором и электромагнитным возбуждением представляет собой сумму двух составляющих:

Основного момента М_осн ≈ ,

Реактивного момента

М_Р≈

Лекция 15. Электропривод.

Тепловой режим и выбор электрических двигателей. Нагрев и охлаждение электрических машин. Закон изменения температуры в электрической машине. Выбор мощности двигателей при длительной нагрузке, при кратковременном и повторно-кратковременном режимах.

Производственные машины и механизмы, как правило, приво­дятся в движение с помощью электрического привода, который включает в себя электрические двигатели, систему передачи и аппаратуру управления. Выбор рода тока и величины питающего напряжения приводного электродвигателя зависит от ряда фак­торов. Применение электродвигателей постоянного тока в системе электрического привода обусловливается необходимостью регу­лирования частоты вращения производственного механизма. Они характеризуются сложной технологией изготовления, более дорогие и менее надежны в эксплуатации по сравнению с элек­тродвигателями переменного тока. Мощность электродвигателя должна соответствовать мощности производственного механизма, так как занижение мощности электродвигателя способствует преждевременному выходу его из строя, а завышение приво­дит к снижению КПД η и коэффициента мощности cos φ, повы­шению стоимости и массогабаритных показателей установленно­го электрооборудования. В большинстве случаев электродвига­тель выбирают по нагреву и проверяют по перегрузочной спо­собности, при этом они должны иметь достаточный пусковой момент М_ПУС для обеспечения нормального пуска.

При длительном режиме работы электродвигателя и неизмен­ной нагрузке (рис. 14.1.1, а) превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды определяется уравнением: τ = τ_у(1— е^-t/Tн) где τ_у — установившаяся температура электро­двигателя, °С; t — текущее время, с; T_н — постоянная времени нагрева, с.

При длительном режиме (t = ∞) значение установившейся

температуры электродвигателя: τ = τ_у = Q/A, где Q — количест­во теплоты, выделяемой электродвигателем в единицу времени, Дж/с;

А — теплоотдача электродвигателя, Дж/с·град.

Постоянная времени нагрева электродвигателя определяется отношением: T_н = С/А, где

С — его теплоемкость, т. е. количест­во теплоты, необходимой для повышения температуры двигателя на 1°С.

Для производственных механизмов, предназначенных для ра­боты в длительном неизменном режиме, мощность электродвига­теля выбирают по каталогу исходя из значения мощности, необ­ходимой для приведения в движение механизма при данной частоте его вращения п_м. При этом должно удовлетворяться условие Pном ≥ Р_м, где Рном и Р_м — номинальная мощность элект­родвигателя и расчетная мощность механизма.

В данном случае нет необходимости проверки электродвига­теля по нагреву, так как при номинальной нагрузке нагрев его всегда находится в допустимых для данного класса используемой изоляции пределах. При этом, поскольку режим работы длитель­ный с неизменной нагрузкой, выбранный электродвигатель на перегрузочную способность по максимальному моменту также не проверяется.

Эквивалентное (среднеквадратичное) значение тока, потребляе­мого электродвигателем при переменном режиме работы (рис.14.1.1 б, в ) опре­деляют по формуле:

где I₁, I₂ и т.д. – значение токов электродвигателя в промежутки времени t₁, t₂ и т.д., соответствующие участкам графика с неизменной нагрузкой. I_пуск, t_T , t_о — средние значения тока элект­родвигателя соответственно во время пуска, торможения и пау­зы; К₁ — коэффициент, учитывающий уменьшение теплоотдачи электродвигателя при пуске и торможении (принимается равным 0,75 для двигателей постоянного тока и 0,5 — для асинхронных двигателей); К₂— коэффициент, учитывающий уменьшение теп­лоотдачи электродвигателя во время паузы (принимается равным 0,5 для двигателей постоянного тока и 0,25 для асинхронных двигателей). По значению эквивалентного тока выбирают по каталогу соответствующий электродвигатель исходя из условия, что Iном ≥ Iэк, где Iном — номинальный ток двигателя. Выбранный таким образом электродвигатель удовлетворяет условиям допус­тимого нагрева, так как двигатели для продолжительного режима работы имеют номинальную мощность, указываемую в ката­логе, без ограничения времени его работы. Далее электродвига­тель проверяют по перегрузочной способности исходя из условия: λ ≥ I_M/I_H0M, где I_M- наибольший ток рабочего промежутка вре­мени, который находят исходя из диаграммы нагрузки двигателя.

Требуемую мощность электродвигателя (на основании нагру­зочной диаграммы при длительной переменной нагрузке, задан­ной в виде графика эквивалентного момента в функции времени) определяют по формуле:

P_ЭК=

Номинальная мощность электродвигателя определяется по значению эквивалентного момента по формуле: Р_ном = М_ЭК · n_ном/9550, где n_ном — номинальная частота вращения двига­теля. Мощность двигателя выбирается либо по эквивалентному моменту

М_ЭК= ,

либо по эквивалентному току

I_ЭК =

Проверку электродвигателя по условиям допустимой пере­грузки производят исходя из условия: М_тах/М_Ном ≥ λ_м,, где λ_м — кратность максимального момента соответствующего электро­двигателя по каталогу; M_max — максимальный момент двигателя. Электродвигатель проверяется также по достаточности разви­ваемого им пускового момента из условия:

М_пуск /М_ном ≤ λ_пуск, где λ_пуск - кратность пускового момента двигателя по каталогу; М_пуск — пусковой момент электродвигателя.

Принцип действия и устройство синхронного явнополюсного двигателя.

Характерный признак синхронного двигателя – вращение ротора с синхронной частотой

n₁ =f₁60/p, независимо от нагрузки на валу. Поэтому синхронные двигатели используются в системах автоматики для приводов механизмов, требующих строго стабильной частоты вращения.

Синхронный двигатель, как и асинхронный, состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором. Существуют конструктивные разновидности исполнения синхронных двигателей малой мощности, отличающихся устройством ротора:

- явнополюсные с электромагнитным возбуждением,

- явнополюсные с возбуждением постоянными магнитами,

- явнополюсные реактивные (с невозбужденным ротором),

- неявнополюсные гистерезисные.

Т рехфазный синхронный двигатель имеет неявнополюсный статор с распределенной трехфазной обмоткой двигателя — явнополюсной конструкции с электромагнитным воз­буждением. При этом на полюсах ротора 2 располагают полюсные катушки 3 (рис. 1), которые при последова­тельном соединении об­разуют обмотку воз­буждения (ОВ). При подключении ОВ к ис­точнику постоянного тока возникает магнит­ный поток возбуждения Ф_В, силовые линии ко­торого сцеплены с об­моткой статора 1. При включении обмотки ста­тора в трехфазную сеть создается вращающееся с синхронной частотой n₁ магнитное поле с таким же числом полюсов, как на роторе. Благодаря взаимодействию полей статора и ротора возникает электромагнитный момент, вращающий ротор с синхронной частотой. В результате

Рис. 1

электрическая энер­гия сети преобразуется в механическую энергию вращения.

Рис. 2. Явнополюсный ротор (а) и пусковая обмотка (б) синхронного

двигателя

Предположим, что ротор двигателя вращается с частотой, отличающейся от частоты вращения поля статора, тогда в некоторые моменты времени возбужденные полюса ротора окажутся под одноименными полю­сами поля статора, возникнут силы магнитного отталкивания. Суммарный электромагнитный момент станет равным нулю и ротор остановится.

На рис. 2, а показана конструкция ротора синхрон­ного двигателя с явно выраженными полюсами. Ротор состоит из вала 1, на котором укреплены сердечники полюсов с полюсными катушками 3. Каждый сердечник. заканчивается полюсным наконечником 4. В полюсных наконечниках имеются пазы (рис. 2,б), в которых расположены стержни 1 пусковой обмотки, замкнутые с двух сторон кольцами 2. Для подключения вращаю­щейся обмотки возбуждения к источнику постоянного тока на валу ротора находятся два изолированных от вала и друг от друга контактных кольца 2 (рис. 2,а), по которым скользят щетки, вставленные в специальные щеткодержатели. От щеток сделаны выводы И1 и И2, через которые обмотка возбуждения соединяется с источником постоянного тока (рис. 3) и в цепи обмотки

Рис. 3. Электромагнитная схема синхронного двигателя

протекает ток возбуждения I_B, который создает МДС F_B = I_Bw_B. В магнитопроводе двигателя появляется поток возбуждения Ф_в. В качестве источника постоянного тока в синхронных двигателях обычо используют полупроводниковые выпрямительные устройства. Например, в двигателях средней и большой мощности применяют тири- сторные возбудительные устройства. Подключение двигателя к трехфазной сети осуществляется через выводы обмотки статора С1, С2, СЗ.

Лекция 12. Шаговые двигатели.