Elektrichesky_privod_Kosmatov_V_I_2012

Наличие постоянного тока возбуждения I в приводит к возник-

новению собственного магнитного поля ротора, неподвижного относительно ротора. Это поле сцепляется с вращающимся полем статора и заставляет ротор вращаться с той же скоростью, что и поле статора («магнитная пружина»), отставая в двигательном режиме или опережая в генераторном (тормозном) режиме на угол , зависящий от электромагнитного момента (рис. 5.11,а). Поэтому скорость двигателя в устано-

вившемся режиме всегда равна синхронной скорости 0 , которая однозначно определяется значением частоты напряжения питания и числом пар полюсов обмотки статора, т.е. равна 0эл / р .

Синхронные двигатели в зависимости от их конструктивного исполнения подразделяются на двигатели с явнополюсным и неявнополюсным роторами. В первом случае полюса ротора изготавливаются отдельно от заготовки ротора. На сердечники из электротехнической стали устанавливаются катушки обмотки возбуждения, и затем готовые полюса с катушками крепятся на роторе.

Во втором случае в листах электротехнической стали, из которых собирается магнитопровод ротора, предусматриваются радиальные вырезы. После сборки ротора на его поверхности образуются продольные пазы, в которые укладываются катушки обмотки возбуждения. Кроме того, на роторе укладывается специальная демпферная обмотка, наподобие пусковой беличьей клетки. Она необходима для осуществления пуска синхронного двигателя методом асинхронного пуска, а также для демпфирования качаний ротора при резкопеременной или пульсирующей нагрузке.

Различают также реактивные синхронные двигатели, у которых ротор выполнен как у явнополюсного СД, но без обмотки возбуждения. Широко в настоящее время применяются вентильные двигатели, это синхронная машина с постоянными магнитами, а также бесконтактные двигатели постоянного тока с электронными коммутаторами.

Фаза статора неявнополюсной синхронной машины (p=1), если пренебречь активным сопротивлением обмотки статора, может быть представлена схемой замещения на рис. 5.11,б. Уравнение равновесия

. . .

такой цепи запишется в виде U E j I xs , а векторная диаграмма представлена на рис. 5.12,а.

110

. .

Для синхронной машины очень важен угол между U и E , или, что то же между осью поля статора и осью ротора – он, как уже указывалось, характеризует степень растянутости «магнитной пружины».

Основные соотношения между электрическими и механическими величинами находим, воспользовавшись формулой

a)

Рис. 5.12. Векторная диаграмма (а), угловая (б), механическая (в) характеристики и V-образные кривые синхронной машины (г)

111

Из вспомогательного треугольника АВС определим

cos( ) AB U sin

AC Ixs

и получим

U cos E U sin .

Ixs

Окончательно имеем

напряжении и частоте пропорционален ЭДС статора Е. Перегрузочная

где x1q , x1d - индуктивные сопротивления рассеяния по продольной и

поперечной осям.

Второе слагаемое в (5.55) свидетельствует о дополнительном моменте (реактивном), обусловленным явнополюсным ротором. Из анализа (5.55) следует, что явнополюсной синхронный двигатель может развивать некоторый момент и без возбуждения. Это так называемый реактивный СД. Это объясняется тем, что магнитное поле статора стремится удержать вращающийся ротор в таком положении, когда магнит-

112

ное сопротивление потоку минимально. На рис. 5.11 это будет соответствовать совпадению оси главных полюсов N-S с продольной осью ротора. Реактивный момент изменяется с двойной частотой (штриховая

линия 5.12,б) и смещает в сторону меньших значений максимальный момент явнополюсного СД.

Синхронная машина имеет характерные зависимости тока статора I от тока возбуждения I в - это так называемые V-образные кривые

(рис. 5.12,е). Их форма связана с тем, что при изменении тока возбуждения меняются реактивная составляющая тока статора и еѐ знак. Это позволяет использовать СД как управляемый компенсатор реактивной

f (M ) является абсолютно жѐсткой характеристикой (рис. 5.12,в),

что и предопределило его применение в нерегулируемых электроприводах. В настоящее время, в связи с появлением частотных преобразователей от маломощных до мощных силовых преобразователей с современными методами цифрового управления в корне изменилась ситуация и синхронный ЭП занял ведущие позиции в станкостроении, робототехнике, металлургии и т.п.

Особое место в ряду множества новых электроприводов, обязанных своим появлением успехам электронной техники, занимает дискретный электропривод, осуществляющий преобразование электрического сигнала (кода, цифры) в дозированное угловое или линейное перемещение (шаговые двигатели), а также силовая версия этого электропривода – вентильно – индукторный электропривод ВИД, получивший

в90-е годы прошлого столетия интенсивное развитие.

Вотличие от асинхронных и синхронных двигателей, в ВИД электромагнитный момент создаѐтся не в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с токами ротора (в АД), а за счѐт несимметричности магнитной системы. Принцип действия ВИД на примере четырѐхфазной машины поясняет рис. 5.13. На каждом из двух находящихся друг против друга полюсов явнополюсного статора располагаются катушки, соединѐнные последовательно и согласно. Две пар-

ные катушки образуют фазные обмотки А1-А2, В1-В2, С1-С2, и D1-D2. Они получают питание от источника постоянного тока (рис. 5.13) с на-

пряжением Ud через вентильный силовой коммутатор (1), каждая фаза которого обеспечивает протекание тока через катушку от плюса к минусу

113

источника. Ротор зубчатый, обмотки на роторе нет. Характерной особенностью ВИД является то, что число зубцов его ротора не равно числу полюсов статора.

Число полюсов статора определяется выражением Zc 2к1m ,

где к1 - целое число, m – число фаз.

Число полюсов (зубцов) ротора Z р не может выбираться произвольно и определяется в соответствии с формулой

Z р 2(к2m 1) ,

где к2 - целое число.

В двигателе, показанном на рис. 5.13, число фаз равно 4, коэффициент к1 , также как и к2 , принят равным 1, в результате чего число полюсов статора равно 8. Число зубцов ротора в зависимости от выбранного знака в формуле для Z р может быть 6 (см. рис. 5.13) либо 10.

На рис. 5.13 показано положение ротора, при котором ток от источника протекает через транзисторные ключи VT3, VT4 фазы В коммутатора и обмотки В1 и В2 полюсов статора, а ось ротора совпадает с осью этих обмоток. Другие фазы статора током не обтекаются. Магнитные силовые линии замыкаются через два полюса статора, обмотки которых в данный момент обтекаются током, два зубца и тело ротора и далее через ярмо магнитной системы статора. Если теперь закрыть транзисторные фазы В и открыть транзисторы VT1, VT2 фазы А, то током будут обтекаться обмотки А1 и А2, что соответствует повороту вектора потока статора на 45˚ по часовой стрелке. Ротор под действием поля статора будет поворачиваться до совпадения оси ближайшей пары зубцов ротора с осью обмотки А1 и А2. Эта пара зубцов ротора на рисунке помечена точками. Ротор повернѐтся на 15˚ в сторону, противоположную направлению поворота вектора магнитного поля статора.

Если после фазы В открыть транзисторы фазы С, то вектор магнитного поля статора повернѐтся против часовой стрелки на 45˚, а ротор по часовой стрелке на угол 15˚. Таким образом ВИД обладает электромагнитной редукцией, т.е. скорости поля статора и ротора не равны. В

рассматриваемом случае коэффициент редукции К р 3 .

114

115

Рис. 5.13 Структура вентильно – индукторного электропривода: 1 - силовой коммутатор, 2 – двигатель, 3 – датчик положения ротора, 4 - система управления, 5 - выпрямитель

Для того, чтобы ротор двигателя совершал непрерывное вращение, необходимо последовательно подключить к источнику питания обмотку смежных полюсов статора по специальному алгоритму с использованием датчика положения ротора ДПР.

Основные достоинства вентильно – индукторного привода : простота конструкции двигателя, что определяет низкую стоимость по сравнению с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором; простота преобразователя, от которого питается двигатель, представляющий собой силовой вентильный коммутатор с односторонней проводимостью тока.

116

Глава шестая. Электрическая часть силового канала

электропривода

Электрическая часть силового канала ЭП включает в себя преобразователи электрической энергии и электромеханический преобразователь ЭМП. Благодаря преобразователям электрической энергии электропривод приобретает новые электромеханические свойства: пусковые, регулировочные и тормозные.

Преобразователи электрической энергии подразделяются на электромеханические и статические. Электромеханические – это мотор

– генераторные установки, включая и дизельные. Статические преобразователи это преобразователи с магнитными усилителями, ртутно – преобразовательные агрегаты и, наконец, преобразователи с полупроводниковыми приборами – выпрямители, инверторы.

6.1. Электромашинные преобразователи электрической энергии. Система Г - Д

В20-м столетии в регулируемом электроприводе нашли широкое применение электромашинные преобразователи для питания двигателей постоянного тока независимого возбуждения, так называемые системы Г-Д (рис. 6.1). Примерами применения таких систем можно назвать электроприводы мощных обжимных прокатных станов (слябинги, блюминги), станы холодной прокатки, электроприводы основных механизмов конверторных цехов и т.п.

Всхеме рис. 6.1. генератор постоянного тока независимого возбуждения приводится во вращение асинхронным или синхронным дви-

гателем М с г const . Якорные цепи генератора Г и двигателя Д

соединены непосредственно, а обмотки их возбуждения питаются от возбудителей В1, В2, как правило выполненных на вентильных преобразователях.

ЭДС генератора определяется по формуле

Eг кгФг г ,

117

где кг рг N г / 2 аг – конструктивный коэффициент генератора.

Рис. 6.1. Принципиальная схема включения двигателя по системе Г-Д

Т.к. г const , то ЭДС генератора пропорциональна магнит-

ному потоку Фг , который определяется величиной тока возбуждения

Iв г .

Для силовой цепи Г-Д можно составить уравнение равновесия

ЭДС

а с учѐтом того, что Eд кФ

Eг кФ I я (Rяг Rяд ) .

Откуда угловая скорость двигателя Д определяется уравнением

118

где Rяг , Rяд – соответствующее сопротивление генератора и двигателя.

Так как М кФi я , то уравнение механической характеристики системы г-д запишется в виде

ратора (тока возбуждения ) без учѐта реакции якоря представляют собой семейство линейных характеристик с одинаковым модулем жѐсткости

и которые представлены на рис.6.2.

Механические характеристики двигателя в системе Г - Д, показанные на рис. 6.2 при Ф2 <Ф1 < Фн , полученных для различных токов возбуждения двигателя, обладают меньшей жѐсткостью, чем естественная, а скорость идеального х.х. двигателя 0 Ег / кФ определяется

величиной ЭДС генератора и величиной магнитного потока двигателя. Таким образом, в системе Г - Д имеются два канала управления

скоростью двигателя.

Двигатель, включенный по системе Г - Д, может работать и в тормозных режимах. Режим динамического торможения осуществляет-

ся при Ег 0 . Соответствующая этому режиму характеристика проходит через начало координат.

противовключения лежат в зоне между осью абсцисс и характеристикой динамического торможения (заштрихованная область на рис. 6.2).

119