9.3. Асинхронные и синхронные двигатели

Двигатели переменного тока (а.с. motor), как правило, применяются в тяжелых эксплуатационных условиях, однако они находят все большее распространение в системах промышленного управления, например в качестве сервомоторов. Некоторые преимущества двигателей переменного тока перечислены ниже:

экономичность;

надежная и простая конструкция;

высокая эксплуатационная надежность;

простое энергопитание;

отсутствие коммутатора;

практическое отсутствие дуговых явлений (поскольку нет коммутаторов).

Отрицательными чертами двигателей переменного тока являются более низкий момент начала движения, чем у двигателей постоянного тока, и более сложные цепи управления. Однако преимущества систем привода переменного тока таковы, что они успешно конкурируют с двигателями постоянного тока в роботах, манипуляторах и других промышленных системах силового привода.

Широкое применение двигателей переменного тока в качестве сервомоторов стало возможным по мере развития силовой электроники в сочетании с новыми методами управления. Применение микроэлектроники обеспечивает вполне приемлемое управление частотой питающего напряжения. Вращающий момент двигателя нельзя измерить так же просто, как у двигателей постоянного тока, однако существуют способы его оперативной (on-line) оценки. Из-за жестких временных требований для управления должны использоваться микропроцессоры со специальной архитектурой, обеспечивающей очень высокую скорость вычислений, - цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processors — DSP).

У асинхронного (индукционного) двигателя магнитное поле статора не постоянно, в отличие от двигателя постоянного тока. В простейшей (двухполюсной) машине имеются три статорные обмотки, расположенные вокруг статора под углом 120° друг относительно друга. Когда по ним подается трехфазное переменное напряжение, результирующий магнитный поток статора вращается с частотой приложенного наложения. Поскольку к обмотке ротора не подводится никакого внешнего питания (она короткозамкнута), то нет необходимости в щеточных коммутирующих устройствах.

Вращающееся поле статора пересекает обмотки ротора и индуцирует в них ток. Результирующий поток ротора взаимодействует с вращающимся потоком статора и создает вращающий момент в направлении вращения поля статора. Этот момент и есть рабочий момент двигателя. Из-за потерь на трение ротор не может даже на холостом ходу достичь так называемой синхронной частоты вращения, т. е. точного значения частоты вращения поля статора. Вращающий момент образуется именно из-за разности частот вращения ротора и поля статора. Относительная разность частот вращения называется скольжением ротора (slip)

где ωs - частота вращения поля статора (синхронная частота), а ωm — частота вращеия ротора. Очевидно, что при s= 0 вращающий момент равен нулю.

Ротор синхронного двигателя движется синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым обмотками статора (статор синхронного двигателя в принципе такой как у асинхронного). В отличие от асинхронного, обмотки ротора синхронного двигателя возбуждаются от внешнего источника постоянного тока. Полюса возникающего магнитного поля ротора занимают фиксированное положение относительно вращающегося поля статора и вращаются вместе с ним; следовательно, скорости вращения ноля статора и ротора идентичны и скольжение равно нулю. Синхронные двигатели часто используются в тех случаях, когда необходима постоянная скорость вращения при переменной нагрузке. В сочетании с современными преобразователями частоты синхронные двигатели могут работать с переменной скоростью вращения. Большое распространение приобретают синхронные двигатели с постоянными магнитами. Шаговые двигатели можно рассматривать как специальный тип синхронного двигателя.