3.16. Шаговый режим работы синхронного электромеханического преобразователя

Важной особенностью синхронного двигателя является возможность фиксации положения его ротора путем подключения обмоток фаз статора к источнику постоянного напряжения. Для анализа этой возможности удобно использовать схему модели синхронного двигателя, приведенную на рис.3.46,б, приняв, что обмотка статора по оси а подключена к источнику напряжения U_1п и в ней протекает постоянный ток I_1=I_1п, а обмотка 1 отключена и i_1=0. Создаваемое обмоткой 1 поле статора направлено по оси  (_0эл=0, _0эл=0), и в результате взаимодействия с ним возбужденного ротора возникает синхронизирующий момент. Определим зависимость синхронизирующего момента от угла поворота ротора с помощью последнего уравнения системы (3.114):

Так как в осях ,  i_1=I_1п; i_1=0, то преобразованные к осям d, q с помощью формул (2.15). Потокосцепления обмоток статора

токи статора имеют значения:

Подставив выражения токов и потокосцеплений в (3.125)

Режим фиксации представлен на рис.3.51 зависимостями М от _эл, соответствующими участку, где _0эл=0. На рисунке также показаны значения токов I_1а=I_1п, I_1=0, а также определяемая по (3.126) зависимость синхронизирующего момента М=f(_эл) (кривая 1). Если при этих условиях отклонить ротор от точки _эл=0 в любую сторону, возникнет момент М, направленный в соответствии с (3.126) противоположно перемещению, т.е. стремящийся возвратить систему в исходное состояние. Таким образом, при возбуждении статора постоянным током ротор синхронного двигателя фиксируется в положение, определяемое направлением результирующего вектора тока статора, с точностью, зависящей от нагрузки на валу и от электромагнитной жесткости угловой характеристики (3.126) с_эм.

Примем, что М_с=0 и в статическом режиме ротор занимает положение, соответствующее ф_эл=0. Если в этом положении, как показано на рис.3.51, отключить обмотку 1 и включить на напряжение U_1п обмотку 1_, результирующий вектор I₁ скачком повернется на угол ф_ш=90°, значение ф_0эл изменится и станет равным ф_ш, при этом возникнет синхронизирующий момент, определяемый кривой 2, который будет стремиться вновь совместить ось ротора с вектором поля статора и вызывать поворот ротора в сторону новой точки фиксации. Зависимость М=f(ф_эл) для участка, где ф_0эл=ф_ш, показана на рис.3.51 (кривая 2). Кривая 2 определяется (3.126) при подстановке вместо ф_эл угла

f_0эл-f_эл=f_ш-f_эл.

Рассматривая рис.3.51, можно видеть, что указанное переключение обмоток определяет поворот ротора на один шаг ф_ш. Отключением обмотки 1_ и включением обмотки 1 на напряжение –U_1n вектор поля статора скачком поворачивается еще на один шаг, ротор занимает положение ф_эл=2ф_ш и т. д. Таким путем можно задавать дискретные перемещения ротора двигателя, соответствующие определенному числу шагов. Средняя скорость перемещения при этом определится частотой импульсов тока, подаваемых в обмотки статора:

_cp=_0ср=f_ш/t_ш=f₁_ш (3.127)

К ривая М=f(ф_эл) на рис.3.51 свидетельствует о том, что среднее по пройденному пути значение электромагнитного момента меньше, чем максимум момента по угловой характеристике, и зависит от угла, при котором осуществляется коммутация токов. Наибольшее значение среднего момента соответствует коммутации в точках пересечения кривых 1-8, обозначенных a1-а8, при этом средний за один шаг момент определяется соотношением

где m - число фаз двигателя.

Средний момент во времени может несколько отличаться от (3.128) в сторону уменьшения в связи с пульсациями скорости ротора. При f₁=const статическая механическая характеристика в шаговом режиме при малых значениях f₁ имеет вид, показанный на рис.3.52,а (1).

С ледовательно, в шаговом режиме при постоянной частоте f₁ статическая механическая характеристика двигателя подобна рассмотренной выше для случая питания двигателя от сети. Отличием шагового режима является дискретный характер вращения вектора поля статора. Это наглядно показывают зависимость _0эл=f(ф_эл) на рис.3.51 и приведенные там же диаграммы, характеризующие дискретные положения вектора тока статора. Ступенчатая зависимость ф_0эл=f(ф_эл) определяет пульсации скорости ротора и снижение перегрузочной способности двигателя, определяемой (3.128).

Проведенный анализ работы синхронного двигателя в шаговом режиме при питании обмоток статора от источника напряжения справедлив только для небольших частот коммутации токов. При изменении частоты в широких пределах для строгого описания механической характеристики двигателя следует использовать систему уравнений (3.114) в записи для шагового режима:

Особенностью (3.129) является ступенчатый характер изменения ф_0эл(t). Необходимость решения системы для каждого шага двигателя усложняет задачу, поэтому анализ динамики шагового режима обычно осуществляется с помощью ЭВМ. Он показывает, что при питании от источника напряжения с возрастанием частоты f₁ увеличивается ЭДС статорных обмоток E₁ и ток I_1п снижается. Возрастающее влияние электромагнитной инерции приводит к изменению формы токов i_1 и i_1, показанных на рис.3.51. Эти факторы определяют снижение момента М_срmах, поэтому перегрузочная способность двигателя с ростом частоты уменьшается, как показано на рис.3.52,а.

В более широком диапазоне частот проведенный с помощью (3.126) анализ справедлив для шагового режима при питании всех обмоток двигателя от источников тока. В этом случае I_в=const, токи статора имеют форму, близкую к показанной на рис.3.51, и угловая характеристика определяется (3.126) при замене ф_эл на ф_оэл-ф_эл:

Семейство механических характеристик, соответствующих этим условиям, представлено на рис.3.52,б. Здесь перегрузочная способность двигателя в широком частотном диапазоне остается практически неизменной.

Таким образом, в шаговом режиме синхронный двигатель способен отрабатывать перемещения, задаваемые числом электрических импульсов, коммутирующих токи статора в требуемой последовательности. Жесткая связь между числом шагов перемещения ротора и числом электрических импульсов является замечательным свойством этого двигателя, широко используемым в практике дискретного электропривода с цифровым управлением. Для этих целей разработаны и выпускаются промышленностью серии специальных синхронных двигателей, называемых шаговыми электродвигателями.

Шаговые электродвигатели имеют небольшую (до 4 кВт) мощность и исполняются с различным числом фаз (m=3, 4, 5...) и числом пар полюсов р_п> 2. От этих параметров зависит значение шага:

Значение шага определяет точность отработки перемещений при показанном на рис.3.51 способе коммутации токов. На практике используются более сложные законы дискретного управления токами фаз статора, которые позволяют получать ряд промежуточных положений вектора /,, т. е. дробить шаг (3 125) на более мелкие дискреты и увеличивать точность управления движением электропривода.

Конструктивно шаговые двигатели имеют ряд исполнений по способу возбуждения (возбуждение ротора постоянным током, возбуждение с помощью постоянных магнитов, реактивные двигатели с I_в=0) и по характеру движения (двигатели с вращательным движением ротора, двигатели с линейным движением ротора, двигатели с многокоординатным линейным движением ротора).

Схема модели синхронного двигателя на рис.3.46,б при соответствующем законе коммутации токов обмоток статора полностью соответствует реальным шаговым двигателям различного исполнения. Поэтому проведенный анализ шагового режима работы отражает особенности шаговых двигателей. В частности, показанные на рис.3.51 зависимости наиболее близко соответствуют шаговым двигателям с питанием обмоток статора от источников тока и постоянными магнитами на роторе при рассмотренном законе импульсного возбуждения статора (без дробления шага).