3.5.2 Проблема пуска, способы ее решения.

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока, электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т. е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как его ротор, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

Применяют две основные схемы пуска синхронного двигателя. При схеме, изображенной на рис. 6.48, б,обмотку возбуждения сначала замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого R_доб превышает в 8 — 12 раз активное сопротивление R_в обмотки возбуждения. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (при s ≈ 0,05), обмотку возбуждения отключают от гасящего резистора и подключают к источнику постоянного тока (возбудителю), вследствие чего ротор втягивается в синхронизм. Осуществить пуск двигателя с разомкнутой обмоткой возбуждения нельзя, так как во время разгона ротора при s > 0 в ней вращающимся магнитным    полем    индуцируется    ЭДС    Е_в = 4,44f₂w_вФ_m = 4,4f₁sw_вФ_m , где f₂ = f₁s — частота изменения тока в обмотке возбуждения; w_в — число витков обмотки возбуждения; Ф_m — амплитуда магнитного потока вращающегося поля.

В начальный момент пуска при s = 1 из-за большого числа витков обмотки возбуждения ЭДС Е_в может достигать весьма большого значения и вызвать пробой изоляции. При схеме, изображенной на рис. 6.48, в, обмотка возбуждения постоянно подключена к возбудителю, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением R_в весьма мало, поэтому эту обмотку в режиме асинхронного пуска можно считать замкнутой накоротко. С уменьшением скольжения до s = 0,3 ÷ 0,4 возбудитель возбуждается и в обмотку возбуждения подается постоянный ток, обеспечивающий при s ≈ 0,05 втягивание ротора в синхронизм. Различие пусковых схем обусловлено тем, что не во всех случаях может быть применена более простая схема с постоянно подключенной к возбудителю обмоткой возбуждения (рис. 6.48, в), так как она имеет худшие пусковые характеристики, чем более сложная схема, приведенная на рис. 6.48,б. Главной причиной ухудшения пусковых характеристик является возникновение одноосного эффекта — влияние тока, индуцируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.

Рис. 6.48. Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя (о) и схемы его асинхронного пуска (б и в): 1 - обмотка возбуждения; 2 - пусковая обмотка; 3 - ротор; 4 - обмотка якоря; 5 - гасящее сопротивление; 6 - якорь возбудителя; 7 - кольца и щетки

3.6.1 Синхронный гистерезисный двигатель.

Принцип действия и устройство. Гистерезисным двигателем называют синхронный двигатель, вращающий момент которого создается за счет явления гистерезиса при перемагничивании ферромагнитного материала ротора. Статор в гистерезисном двигателе (рис. 7.12, а) выполняется так же, как и в других машинах переменного тока; обмотка статора может быть трех- или двухфазной (с конденсатором в одной из фаз). Ротор двигателя (рис. 7.12,б) представляет собой стальной цилиндр, выполненный из магнитно-твердого материала (имеющего широкую петлю гистерезиса) без обмотки. Применение обычной электротехнической стали для изготовления ротора не позволяет получить достаточно большой электромагнитный момент, поэтому используют специальные магнитно-твердые сплавы. Для экономии дорогих специальных сплавов роторы гистерезисных двигателей выполняют сборными: в виде массивного или шихтованного (из отдельных изолированных пластин) кольца из кобальтовой стали, насаженного на стальную или алюминиевую втулку.

Ротор гистерезисного двигателя намагничивается под действием магнитного поля статора. При синхронной частоте вращения ротор неподвижен относительно вращающегося магнитного поля статора и ось магнитного поля ротора отстает от оси поля статора на угол θ_г , вследствие чего возникают тангенциальные составляющие f_т сил взаимодействия между ротором и статором (рис. 7.13, а) и вращающий момент М_г . Таким образом, режим работы гистерезисного двигателя при синхронной частоте вращения не отличается от режима аналогичного синхронного двигателя с постоянными магнитами. Максимальное значение угла θ_г , определяется только свойствами материала ротора; этим же определяется и значение максимального момента М_г в синхронном режиме. Чем шире петля гистерезиса ферромагнитного материала ротора, тем больше угол θ_г и гистерезисный момент М_г . При асинхронном режиме ротор перемагничивается — при неизменном угле θ_г и неизменном гистерезисном моменте.

При пуске двигателя, когда частота вращения ротора не равна п₁ , кроме гистерезисного момента М_г появляется также асинхронный момент М_ас , возникающий в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля с вихревыми токами индуцируемыми этим полем в роторе. Так как ротор имеет большое активное сопротивление, то зависимость М_ас = f(s) близка к линейной, и асинхронный момент имеет максимальное значение при s = 1, т. е. так же, как и в  асинхронном

Рис. 7.12. Устройство гистерезисного двигателя: 1— корпус;2 — пакет статора; 3 — обмотка статора; 4 — кольцо из магнитно-твердого материала; 5— ротор; 6 — вал;  7—фланец; 8— запорное кольцо

Рис. 7.13. Схема возникновения гистерезисного момента (а) в зависимость моментов гистерезисного двигателя от скольжения (б)

исполнительном двигателе с массивным ферромагнитным ротором. Результирующий момент

(7.10)

Мрез = Мг + Мас .

Согласно (4.20) электромагнитный момент М при асинхронном режиме пропорционален потерям в роторе ΔР_эл2, поделенным на разность угловых скоростей (ω₁ — ω₂ ):

(7.11)

М_рез = ΔР_эл2/(ω₁ — ω₂) = ΔР_эл2/(ω₁s)= ΔР_г /(ω₁s) + ΔР_вихр /(ω₁s),

где ΔР_г — потери от перемагничивания ротора (гистерезисные потери), которые пропорциональны частоте его перемагничивания f₂ = f₁s; ΔР_вихр — потери от вихревых токов в роторе, которые пропорциональны f₂², т. е. s².

Следовательно.

(7.12)

Mг = sΔРг.н /(ω1s) = ΔРг.н /ω1 ;

(7.13)

Мас = s2ΔРвихр.н /(ω1s) = sΔРвихр.н /ω1 ,

где ΔР_г.н и ΔР_вихр.н - значения ΔР_г и ΔР_вихр при неподвижном роторе (при s = 1).

Из (7.12) и (7.13) следует, что момент М_ас зависит от скольжения, а момент М_г не зависит от скольжения (рис. 7.13,б); наибольшего значения вращающий момент М_рез достигает в начальный момент пуска, т. е. при s = 1.

Гистерезисные двигатели могут работать как в синхронном, так и в асинхронном режиме. Однако работа двигателя в асинхронном режиме неэкономична, так как при этом возникают значительные потери энергии в роторе:

(7.14)

ΔР = Р_г + ΔР_вихр = sΔР_г.н + s²ΔР_вихр.н .

Следовательно, при переходе гистерезисного двигателя в асинхронный режим его КПД резко уменьшается. Одной из разновидностей гистерезисного двигателя является двигатель с экранированными полюсами. Этот двигатель (рис. 7.14) имеет явнополюсный статор с однофазной катушечной обмоткой. На полюсах статора расположены экранирующие короткозамкнутые витки, охватывающие половину каждого полюса. Экранирующие витки создают сдвиг пo фазе между магнитными потоками, проходящими через экранированную и неэкранированную части полюсов, в результате чего в двигателе создается вращающееся магнитное поле (см. § 4.17).

Ротор состоит из нескольких кольцевых дисков с перемычками, выполненных из магнитно-твердого материала. Кольцевой ротор позволяет получить асинхронный и гистерезисный моменты. Диаметральная перемычка в роторе обеспечивает

Рис. 7.14. Устройство гистерезисного двигателя с экранированными полюсами: 1 — статор; 2 — обмотка статора; 3 — экранирующие витки; 4 — ротор

возникновение реактивного момента. При пуске двигателя на ротор действуют асинхронный и гистерезисный моменты. По окончании пуска ротор вращается с синхронной частотой под действием гистерезисного и реактивного моментов.

Ротор в рассматриваемом двигателе вращается в одну сторону — от экранированной части полюса к неэкранированной. Вал двигателя сочленен с редуктором, понижающим частоту вращения. Выпускаются также реверсивные двигатели, у которых каждая половина полюса охватывается катушкой (см. рис. 4.65, в). Замыкая ту или иную пару катушек, можно изменять направление вращения двигателя.