Статическая устойчивость синхронных двигателей, работающих от однофазной сети. Кононенко Е.В., Ситников Н.В

2

УДК 621.313.323

Кононенко Е.В., Ситников Н.В. Статическая устойчивость синхронных двигателей, работающих от однофазной сети: Учеб. пособие. Воронеж. гос. техн. ун-т. Воронеж, 1997. 97 с.

В учебном пособии рассматриваются вопросы моделирования и анализа статической устойчивости синхронных двигателей , работающих от однофазной сети.Пособие предназначено для студентов специальности 180100 “Электромеханика” дневного и заочного обучения , изучающих курс “Математическое моделирование электрических машин” и может быть использовано студентами других специальностей электромеханического профиля и аспирантами занимающимися изучением и исследованием переходных процессов в электромеханических системах с синхронными двигателями.

Рукопись набрана в текстовом редакторе WORD 6.0 и записана на магнитный диск в следующие файлы:

Введение-VVED.DOC , первая глава - GL1.DOC,вторая глава - GL2.DOC , третья глава - GL3.DOC, четвертая главаGL4.DOC, литература -

LITER.DOC , приложение - PRIL.DOC, содержание - SODER.DOC.

Ил. 22 прил. 3 табл. 4 библ. 10 назв.

Печатается по решению редакционно - издательского совета Воронежского государственного технического университета.

Научный редактор к. т. н. , доцент Ю.В. Писаревский

Рецензенты: кафедра электротехники Воронежского государственного аграрного университета;

к.т.н., доцент Воронежской государственной технологической академии Хомяк В.А.

Издательство Воронежского государственного технического университета

3

Введение

Синхронные двигатели (СД) малой мощности получают все более широ-

кое применение. Обычно они используются в устройствах , где требуется синхронная частота вращения . В большинстве случаев СД малой мощности работают от однофазной сети . Наиболее распространенными синхронными двигателями малой мощности являются синхронные реактивные двигатели

(СРД) и двигатели с постоянными магнитами (СДПМ).

Для создания пускового момента на роторе таких двигателей выполня-

ют короткозамкнутую пусковую обмотку , а на статоре , кроме основной об-

мотки , располагают дополнительную , сдвинутую в пространстве относи-

тельно основной на угол 90 эл. град. . Для сдвига токов в обмотках во времени последовательно с дополнительной обмоткой включают фазоздвигающий элемент . В качестве последнего обычно используется конденсатор. Двигате-

ли , в которых дополнительная обмотка остается включенной и при нормаль-

ной работе , называются конденсаторными.

Конденсаторные двигатели в общем случае являются двухфазными не-

симметричными двигателями. К обмоткам статора их подводится несиммет-

ричная система напряжений. Такие двигатели являются общей формой двига-

теля , работающего от однофазной сети , а однофазный двигатель является их частным случаем.

Одной из особенностей синхронных двигателей является то, что при определенном соотношении параметров в них возникают самовозбуждаю-

щиеся колебания скорости вращения ротора , известные под названием “са-

мораскачивание” . Частота этих колебаний значительно меньше частоты вра-

щения ротора , поэтому их возникновение при работе недопустимо.

В СД, работающих от однофазной сети , это явление изучено недоста-

точно полно . При исследовании самораскачивания трехфазных СД рассмат-

ривается статическая устойчивость установившегося синхронного режима

4

работы и рассчитываются границы устойчивой работы на основе линеаризо-

ванных уравнений. В отличие от трехфазных СД уравнения однофазных и не-

симметричных двухфазных СД содержат периодические составляющие. По-

этому электромагнитный момент таких двигателей в установившемся син-

хронном режиме имеет периодические составляющие , изменяющиеся с удво-

енной частотой напряжения сети. Все это не позволяет исследовать уравнения конденсаторных СД методами применяемыми в трехфазных двигателях. В

связи с изложенным , моделирование и анализ статической устойчивости СД,

работающих от однофазной сети нуждается в дополнительных исследовани-

ях. Результаты этих исследований , выполненных на кафедре электромехани-

ческих систем ВГТУ излогаются в настоящем учебном пособии.

В качестве базового двигателя при изучении статической устойчивости выбран конденсаторный синхронный двигатель с постоянными магнитами.

Как будет показано ниже математическая модель конденсаторного СДПМ яв-

ляется обобщенной и универсальной , так как включает в себя модели одно-

фазных и конденсаторных СРД, и позволяет проводить анализ статической устойчивости данных синхронных двигателей , а также трехфазных СРД и СДПМ.

Данное учебное пособие адресовано студентам специальности 180.100 “Электромеханика” дневного и заочного обучения, изучающих курс “ Мате-

матическое моделирование электрических машин” и может быть использова-

но студентами других специальностей электромеханического профиля и ас-

пирантами занимающихся изучением и исследованием переходных процессов

вэлектромеханических системах с синхронными двигателями.

1.ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

Синхронные двигатели с постоянными магнитами применяются в электроприводах с постоянной частотой вращения: лентопротяжных механизмах, аппаратах звуко и видеозаписи, программно-управляющих приборах, устройствах связи. По сравнению с другими типами синхронных двигателей, СДПМ обладают бо-

лее высокими энергетическими показателями .

5

Положительными свойствами СДПМ являются также повышенная устойчивость работы в синхрон-

ном режиме, высокая стабильность частоты вращения, способность синхронного вращения в групповых при-

водах.

Широкое распространение двигателей с постоянными магнитами сдерживается высокой стоимо-

стью постоянных магнитов. В то же время этот недостаток может быть устроен двумя путями: снижением стоимости высокоэффективных магнитных материалов, а также за счет экономии энергии при использовании данного типа двигателей .

Синхронные двигатели с постоянными магнитами в большинстве случаев работают от однофазной сети. Для создания пускового момента на роторе таких двигателей выполняют короткозамкнутую пусковую обмотку, а на статоре кроме основной обмотки располагают дополнительную, сдвинутую в пространстве от-

носительно основной на угол 90 эл.градусов. Для сдвига токов в обмотках во времени последовательно с до-

полнительной обмоткой включают фазосдвигающий элемент. Наиболее эффективным и часто применяемым,

фазосдвигающим элементом является конденсатор. Двигатели, в которых дополнительная обмотка с конден-

сатором остается включенной и в рабочем режиме, называются конденсаторными .

Существует большое число схем включения синхронных электродвигателей в однофазную сеть .

Наиболее часто применяющиеся схемы включения показаны на рис.1.1.

К настоящему времени разработано много разнообразных конструкций СД, работающих от одно-

фазной сети. Конструкция статора СДПМ такая же, как и у других типов машин переменного тока. Роторы же электродвигателей имеют различное исполнение, определяемое магнитными и технологическими свойствами магнитотвердых сплавов, а также назначением и мощностью двигателя. В зависимости от взаимного распо-

ложения на роторе постоянных магнитов и короткозамкнутой обмотки СДПМ подразделяются на двигатели с радиальным расположением постоянных магнитов и пускового устройства и двигатели с аксиальным распо-

ложением постоянных магнитов и пускового устройства.

Магнитная система ротора СДПМ радиальной конструкции представлена на рис.1.2. Данная конст-

рукция разработана Д.С.Уриновcким . Особенностью представленного ротора является наличие широких полюсных башмаков, что позволяет выполнить пусковую беличью клетку с полным числом стержней и уве-

личить проводимость рассеяния между полюсами ротора. Таким образом, магниты защищаются от размагни-

чивания реакцией якоря, а при пусковом режиме увеличивается магнитная связь обмоток статора и ротора.

6

Рис.1.1. Схемы включения обмоток конденсаторных СДПМ

8

высоты остающейся стальной перемычки. Наличие соединительных перемычек в роторном кольце обеспечи-

вает хорошую механическую прочность конструкции ротора и позволяет применять ее в двигателях с высокой частотой вращения.

Конструкции роторов с аксиальным расположением постоянных магнитов и пускового устройства применяются в основном для двигателей небольшой мощности (до нескольких ватт) с малым диаметром рас-

точки статора. Роторы СДПМ с максимальным расположением магнитной системы могут иметь постоянные магниты, намагниченные в радиальном, осевом или тангенциальном направлениях.

а) б) в)

Рис.1.4. Конструкции роторов с аксиальным расположением магнитной системы и намагниченными в ради-

альном направлении постоянными магнитами

.

Типичные конструкции роторов с аксиальным расположением магнитной системы и намагничен-

ными в радиальном направлении постоянными магнитами представлены на рис.1.4. Конструкция ротора на рис.1.4а имеет недостаток, заключающийся в возможности возникновения осевых сил тяжения в случае раз-

личных величин магнитной индукции в зонах расположения постоянного магнита и короткозамкнутой обмот-

ки. Схемы роторов на рис.1.4 б,в, лишены данного недостатка . Приведенные конструкции технологически очень просты, изготовление короткозамкнутой обмотки может проводиться по той же технологии, что и в асинхронных двигателях.

Большой интерес в настоящее время вызывают разработки электродвигателей сочетающих в себе характеристики синхронного двигателя с постоянными магнитами и синхронного реактивного двигателя.

Такие двигатели получили название гибридных . Постоянные магниты в таких конструкциях создают потоки,

направленные по продольной оси. Такие двигатели также имеют улучшенные условия синхронизации. На рис.1.5 показана одна из возможных конструкций ротора гибридного двигателя.

10

предназначены для использования в групповом электроприводе металлургической промышленности и в про-

изводстве химического волокна, в вентиляторах, насосах, кондиционерах. Сравнение данных двигателей с асинхронными показало, что синхронные двигатели имеют более высокие КПД и cos . Снижение потерь и увеличение КПД на 4-13 % позволяет существенно экономить электроэнергию, что полностью оправдывает затраты на дорогостоящие постоянные магниты. Данные этих двигателей в сравнении с асинхронными той же мощности приведены в табл.1.4, причем синхронные двигатели выполнены на те же высоты вращения, что и асинхронные.

По устройству и принципу действия синхронные двигатели малой мощности разделяются на три ос-

новные группы: реактивные, гистерезисные и двигатели с постоянными магнитами. Разработка и массовый выпуск синхронных двигателей малой мощности начались с реактивных, а затем гистерезисных двигателей.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами получают широкое распространение в настоящее время.