Электрические машины. Давидчук, Лебедев. Конспект лекций

- строго постоянную частоту вращения независимо от нагрузки на ва-

лу;

-меньшие добавочные потери в роторе, что обусловлено большей, чем

уАД величиной воздушного зазора.

С другой стороны, конструкция СД значительно сложнее, чем у АД с короткозамкнутым ротором. Кроме того, синхронная машина должна иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. А это приводит к удорожанию машины, а также к снижению её надёжности в эксплуатации. Следует также отметить, что пуск и регулирование частоты вращения у СД сложнее чем у АД.

Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели, до мощностей 200 300кВт. При более высоких мощностях, когда особенно важно иметь высокий cos , синхронные двигатели предпочтительней асинхронных.

4.4 Специальные типы синхронных машин

Синхронные машины с магнитоэлектрическим возбуждением (с

постоянными магнитами (ПМ)) не имеют обмотки возбуждения, а нерегулируемый поток возбуждения создается ПМ, расположенными на роторе.(рис.4.11.а и б). В синхронных двигателях малой мощности (микродвигателях) на роторе кроме блока постоянных магнитов устанавливают

Рис.4.11. Конструкция СДПМ с радиальным (а) и аксиальным (б) расположением ПМ и графики (в) асинхронных (пусковых) моментов СДПМ.

1 – статор , 2 – ротор, 3 – постоянные магниты собранный из листовой стали пакет, в пазах ,которого размещают пуско-

вую короткозамкнутую обмотку типа “беличья клетка”. Статор имеет обычную конструкцию с m-фазной обмоткой. СД с ПМ (СДПМ) могут быть с радиальным (рис. 4.11.а) и аксиальным (рис. 4.11.б) расположением ПМ.

Независимо от конструктивного исполнения при пуске СДПМ возникает два момента (рис.4.11.в): асинхронный от взаимодействия вращающегося поля статора с токами пусковой клетки и тормозной от взаимодействия потока возбуждения ПМ с токами статора. В результате суммар-

141

ная кривая моментов имеет глубокий провал в начале разгона и при наличии большого статического момента на валу СДПМ может застрять при пуске в зоне малой скорости. Вход в синхронизм происходит при скольжении sвх , когда развивается достаточно большой момент M .

Электромагнитные процессы в СДПМ протекают также как и в синхронных машинах с электромагнитным возбуждением. Однако на величину магнитного потока от ПМ сильное воздействие оказывает поле реакции якоря особенно в режиме пуска.

Машины с радиальным расположением ПМ имеют меньшие габариты и стоимость чем при аксиальном. Но если в машинах с радиальной конструкцией ПМ лучше экранируются пусковой обмоткой ротора от поля реакции якоря при пуске , то в машинах с аксиальным расположением ПМ – в рабочих режимах.

Двигатели с постоянными магнитами по сравнению с другими типами синхронных машин обладают более высокими энергетическими показателями (КПД и cos ) и высокой стабильностью частоты вращения. Недостатком их являются большая кратность пусковых токов и повышенная стоимость, обусловленная дороговизной постоянных магнитов.

Синхронные реактивные двигатели (СРД) также не имеют обмот-

ки возбуждения на роторе и работают на явлении возникновения параметрического момента (см. (4.3)) в явнополюсных СМ, обусловленного разни-

«бочке ротора» (рис. 4.12.б), то есть прорезях в стальных листах ротора, залитых алюминием .

Реактивные двигатели проще по конструкции, надёжнее в работе и дешевле синхронных двигателей с обмоткой возбуждения на роторе или с ПМ. Недостатками синхронных реактивных двигателей являются небольшой пусковой момент и низкий cos , не превышающий обычно 0,5.

Синхронные гистерезисные двигатели (СГД) работают на исполь-

зовании явления магнитного запаздывания при перемагничивании магни-

142

тотвердых материалов (например, кобальтовой стали и т.п.). Ротор СГД (рис.4.13.а) имеет массивное или шихтованное кольцо из магнитотвердого материала с широкой петлёй гистерезиса, размещенное на втулке. Статор в гистерезисном двигателе имеет обычную для двигателей переменного тока конструкцию с трехфазной или двухфазной обмоткой, в одну из фаз которой включена ёмкость.

Рис 4.13. Конструкция ротора (а), возникновение гистерезисного момента (б) и графики (в) асинхронных (пусковых) моментов СГД.

При работе СГД его ротор намагничивается под действием магнитного поля статора . При этом под действием молекулярного трения возникает магнитное запаздывание (гистерезис) и ось поля ротора отстаёт от оси поля статора (вращающегося магнитного поля) на некоторый угол Г (рис.

4.13.б). В следствии этого появляется тангенциальная составляющая fТ

сил взаимодействия между потоками полей статора и ротора. Так как уголГ определяется только свойствами материала кольца ротора, то величины

fТ и создаваемого ей гистерезисного момента M Г не зависят от частоты

вращения . Чем шире петля гистерезиса материала кольца ротора , тем больше угол Г и гистерезисный момент M Г .

Поскольку магнитотвердые материалы обладают высоким электрическим сопротивлением, то кривая асинхронного момента при пуске (рис. 4.13.в) будет постоянно падающей от s 1 до s 0 (мягкая механическая характеристика). Гистерезисный момент M Г не зависит от скольжения (от

частоты перемагничивания), поэтому кривая суммарного момента обеспечивает высокий пусковой момент (при s 1 ) и

плавное втягивание в синхронизм(при s 0 ).

СГД имеют относительно высокий КПД и малую кратность пускового тока ( IП / Iн 1,3 1, 4 ),а их недостатками являются – низкий коэффициент

мощности ( cos 0, 4 0,5 ) и высокая стоимость. Эти двигатели выпускаются на мощности до 2000 Вт и частоты 50,400 и 500Гц.

143

Синхронные индукторные машины имеют зубчатую структуру ротора без обмотки возбуждения. В синхронном индукторном генераторе

(СИГ), представленном на рис.4.14.а, обмотка возбуждения 2 расположена на статоре, запитывается постоянным током и её поток В замыкается в

осевом направлении через ротор. Данная конструкция имеет сдвоенные статоры и роторы, причем зубцы ротора в левой и правой частях (рис. 4.14.б) сдвинуты на половину зубцового деления, что обеспечивает постоянство общего магнитного потока при вращении ротора.

В кривой индукции магнитного поля возбуждения в воздушном зазоре кроме постоянной составляющей из-за, в основном, зубчатости ротора появится и переменная составляющая зубцового

порядка. Причем, конструкцией паза ротора добиваются как можно большего приближения к синусоиде этой переменной составляющей.

При вращении ротора постоянная составляющая поля не будет наводить в статорной обмотке ЭДС,

а переменная составляющая, движущаяся вместе с ротором, наведёт в ней переменную ЭДС с частотой f z2 n60 Гц, где z2 - число зубцов ротора.

Поскольку суммарный поток в СИГ при работе меняться не будет, то в обмотке возбуждения не будет наводиться ЭДС

Достоинствами индукторного генератора являются высокая надежность, технологичность изготовления и ремонта, простота обслуживания и возможность получения промышленной частоты 50 Гц при очень низкой частоте вращения ротора и, самое главное, генерирование напряжения высокой частоты 400 30000 Гц. С ростом частоты вращения индукторная машина переходит в режим высокочастотного генератора и из-за эффекта вытеснения тока в проводниках обмотки статора КПД ее начинает снижаться.

Широкое применение синхронных индукторных генераторов обусловило и большое разнообразии их конструкций. Кроме рассмотренного примера с осевым возбуждением используется также СИГ с радиальным возбуждением, с постоянными магнитами, с гребенчатыми выступами на статоре и т.д. [1,4].

Синхронные индукторные двигатели (СИД) могут быть без возбуж-

дения (реактивные) или с электромагнитным возбуждением (на статоре

144

или роторе), с постоянными магнитами . В зависимости от размещения обмотки возбуждения или постоянных магнитов различают СИД с осевым и радиальным возбуждением . Статорная m-фазная обмотка подключена к сети и создает вращающееся магнитное поле.

Ротор имеет зубчатую структуру, такую же как у индукторного генератора. Аналогично СРД в СИД возникает параметрический момент, обусловленный различной магнитной проводимостью по осям пазов и зубцов. Синхронная частота вращения индукторных двигателей n 60 f1 z2 , тогда

как частота вращения магнитного поля n1 60 f1 p . Отношение n1 n z2 p k р называют коэффициентом редукции [4], который показы-

вает во сколько раз частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля. Таким образом с помощью СИД можно без применения редуктора понизить частоту вращения, поэтому эти машины называют двигателями с электромагнитной редукцией частоты вращения.

Шаговые двигатели (ШД) с реактивным ротором представляют из себя широкорегулируемый по частоте вращения СРД, обмотка статора которого подключена к электронному коммутатору. Режим пошагового движения (шаг – остановка) позволяет перейти к явнополюсной конструкции статора (рис. 4.15) (повысить эффективность параметрической состав-

Рис.4.15. Синхронный шаговый двигатель.

ляющей момента). Обязательное условие работы электронного коммутатора – последовательное переключение питания управляющими импульсами явнополюсной системы (иначе – выпадение из синхронизма). Реверс осуществляется путем изменения направления переключения полюсной системы статора (изменение направления тока в обмотке статора не влияет на направление вращения реактивного ротора). При наличии существенной нагрузки на валу переходят к схеме с активным ротором, имеющим обмотку возбуждения (или ПМ), добавляющую к параметрической основную составляющую момента (4.3) . Различают раздельное (полюсное) включение фазных обмоток (k=1) и раздельно-совместное (при одновре-

145

менном включении соседних полюсов ротор занимает промежуточное положение между ними, k=2 ). Шаг двигателя ШД 3600 / km12 p2 . Снижение

шага повышает устойчивость работы ШД. Важный параметр ШД – частота приемистости – максимальная частота следования управляющих импульсов, при которой ротор втягивается в синхронизм без потери шага. Обычно эта величина находится на уровне 1000-1300 Гц. Для повышения быстродействия ШД в обмотки фаз статора включают добавочные активные сопротивления, чем снижают постоянную времени электромагнитных процессов при переключении управляющих импульсов с одной фазы обмотки статора на другую.

146