экзамен / 38,40

38. Синхронные реактивные двигатели

Отличительная особенность синхронных реактивных двигателей (СРД) — отсутствие у них возбуждения со стороны ротора. Основной магнитный поток в этом двигателе создается исключительно за счет МДС обмотки статора. В двух- и в трехфазных СРД эта МДС является вращающейся.

Для выяснения принципа действия СРД обратимся к выражению электромагнитного момента явнополюсной синхронной шины, из которого следует, что если отключить обмотку возбуждения (), то основная составляющая момента становится равной нулю и на ротор машины продолжает действовать лишь реактивная составляющая момента.

Принцип действия СРД заключается в следующем. При включении обмотки статора в сеть возникает вращающееся магнитное поле.

Рис. 23.4. Принцип действия синхронного реактивного двигателя

Как только ось этого поля займет положение в пространстве расточки статора, при котором она будет смещена относительно продольной оси невозбужденных полюсов ротора на уголв сторону вращения (рис. 23.4, а), между полюсами этого поля и выступающими полюсами невозбужденного ротора возникнет реактивная сила магнитного притяжения полюса ротора к полюсу вращающегося поля статора. Вектор этой силы

смещен относительно продольной оси ротора также на угол Л поэтому силаимеет две составляющие: нормальную , на направленную по продольной оси ротора, и тангенциальнуюнаправленную перпендикулярно продольной оси полюсов ротора. Совокупность тангенциальных составляющих реактивных сил на всех полюсах невозбужденного ротора создаст вращающий реактивный момент, который будет вращать ротор с синхронной частотой. С ростом механической нагрузки на вал СРД угол увеличивается и моментрастет.

Однако при значении углареактивный момент

Такая зависимость моментаот углаявляется принципиальной для реактивного момента, отличающей его от основной составляющей электромагнитного момента синхронного двигателя с возбужденным ротором, который приимеет максимальное значение. Из рис. 23.4, б видно, что при реактивные силы магнитного притяжения,

действующие на каждый полюс невозбужденного ротора, взаимно уравновешиваются и реактивный момент. Максимальное значение реактивного моментанаступает при значении угла . Поэтому зависимость реактивного момента от угла определяется выражением

Непременное условие создания реактивного момента— явнополюсная конструкция ротора, так как только в этом случае

Мощность СРД и развиваемый им момент меньше, чем у синхронного двигателя с возбужденными полюсами ротора. Объясняется это тем, что у СРД из-за отсутствия магнитного потока ротора ЭДС, поэтому основная составляющая электромагнитного момента и электромагнитный момент СРД определяется лишь реактивной составляющей (). Поэтому при одинаковых габаритах синхронного двигателя с возбужденными полюсами ротора и СРД мощности на валу и развиваемый момент у СРД намного меньше.

К недостаткам СРД следует также отнести невысокие значения коэффициента мощности и КПД. Объясняется это значительным намагничивающим током статора, так как возбуждение СРД происходит за счет магнитного поля статора.

В СРД применяют асинхронный пуск. Для этого ротор снабжают короткозамкнутой пусковой клеткой. На рис. 23.5, а показана традиционная конструкция ротора СРД, отличающаяся от ротора асинхронного двигателя лишь наличием впадин, обеспечивающих ротору явнополюсную конструкцию. Чем больше эти впадины, тем больше отношение, а следовательно, и реактивный момент . Однако с увеличением впадин растет средняя величина воздушного зазора, что ведет к повышению намагничивающего тока статора, а следовательно, к снижению энергетических показателей двигателя - коэффициента мощности и КПД. Кроме того, с увеличением впадин сокращаются размеры пусковой клетки, что ведет к уменьшению асинхронного момента. т. е. к уменьшению пускового момента и момента входа в синхронизм.

Наилучшие результаты дает следующее соотношение размеров ротора:

В этом случае удается добиться отношения

Более совершенна секционированная конструкция ротора СРД, представляющая собой цилиндр, в котором стальные полосы 2 залиты алюминием 1 (рис. 23.5, б).

Рис. 23.5. Конструкция роторов синхронного реактивного двигателя

Такая конструкция ротора позволяет получить отношение. За счет этого существенно возрастает моментпри сохранении намагничивающего тока на допустимом уровне.

На торцах секционированного ротора имеются отлитые из алюминия кольца, замыкающие алюминиевые прослойки ротора, образуя короткозамкнутую пусковую клетку.

Простота конструкции и высокая эксплуатационная надежность обеспечили СРД малой мощности широкое применение в устройствах автоматики для привода самопишущих приборов, в устройствах звуко- и видеозаписи и других установках, требующего строгого постоянства частоты вращения.

40. Гистерезисные двигатели

Работа гистерезисного двигателя основана на действии гистерезисного момента. На рис. 23.6, а показаны два полюса постоянного магнита (поле статора); между ними расположен цилиндр (ротор) из магнитно-твердого материала. Под действием внешнего магнитного поля ротор намагничивается. На стороне, обращенной к северному полюсу постоянного магнита, возбуждается южный полюс, а на стороне ротора, обращенной к южному полюсу постоянного магнита, — северный полюс. На ротор начинают действовать силы, направленные радиально к его поверхности. Если полюсы постоянного магнита вращать вокруг ротора, то вследствие явления магнитного запаздывания (гистерезиса) активная часть ротора не будет перемагничиваться одновременно с изменением направления вращающегося магнитного поля и между осью поля ротора и осью внешнего поля появится угол

Рис. 23.6. К понятию о гистерезисном моменте

Силы, действующие на ротор, также изменят свое направление на угола тангенциальные составляющие этих силсоздадут гистерезисный момент(рис. 23.6, б),

Явление магнитного запаздывания заключается в том, что частицы ферромагнитного материала (помещенного во внешнее магнитное поле), представляющие собой элементарные магниты, стремятся ориентироваться в соответствии с направлением внешнего поля. Если внешнее поле изменит свое направление, то элементарные частицы меняют свою ориентацию. Однако повороту элементарных частиц препятствуют в магнитно-твердых материалах внутренние силы молекулярного трения. Для изменения направления этих частиц необходима определенная МДС, вследствие чего перемагничивание ротора несколько отстает от изменения направления внешнего поля. Это отставание (магнитное запаздывание) характеризуется углом гистерезисного сдвигамежду вектором магнитного потока ротораи вектором магнитного потока обмотки статора (рис. 23.6, в). Этот угол зависит исключительно от магнитных свойств материала ротора.

На преодоление сил молекулярного трения расходуется часть подводимой мощности, которая составляет потери на гистерезис. Величина этих потерь зависит от частоты перемагничивания ротора, а следовательно, от скольжения:

где— потери на гистерезис при неподвижном роторе (при) т. е. в режиме к. з.

Так как электромагнитная мощность, передаваемая ротору, равна потерям в роторе, деленным на скольжение:

а вращающий момент — электромагнитной мощности, деленной на синхронную угловую скорость:

то, очевидно, величина гистерезисного момента не зависит от частоты вращения ротора (скольжения). График представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс (рис. 23.7).

Угол гистерезисного сдвига зависит от ширины петли гистерезиса: чем шире петля гистерезиса магнитного материала, тем больше угол гистерезисного сдвига. На рис. 23.8, а представлены две петли гистерезиса: обычной стали (кривая 2) и сплава викаллой (кривая 7).

Применение обычной стали для изготовления ротора не обеспечивает гистерезисного момента достаточной величины. Только магнитно-твердые материалы, например такие, как викаллой, дают возможность получить большой гистерезисный момент. Роторы гистерезисных двигателей обычно делают сборными. Магнитно-твердая часть выполняется в виде шихтованного или массивного кольца 1, размещенного на втулке 2 (рис. 23.8, 6). Последняя жестко посажена на вал 3.

]

В машинах с нешихтованным (массивным) ротором вращающееся поле статора наводит в роторе вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с полем статора возникает электромагнитный момент, значение которого пропорционально скольжению:

где- потери на вихревые токи в роторе при, т. е. в режиме к.з., Вт;- угловая синхронная скорость, рад/с.

Наибольшего значения моментдостигает при неподвижном роторе (), т. е. в момент пуска электродвигателя. Затем по мере возрастания частоты вращения (уменьшении скольжения) моментубывает (см. рис. 23.7), при синхронной частоте он становится равным нулю.

Таким образом, электромагнитный вращающий момент гистерезисного двигателя создается совместным действием моментов от вихревых токови гистерезисного:

На рис. 23.7 представлена зависимость результирующего момента гистерезисного двигателя от скольжения: . Характер этой кривой зависит от соотношения моментови

Гистерезисный двигатель может работать с синхронной и асинхронной частотами вращения. Однако работа двигателя в асинхронном режиме неэкономична, так как связана со значительными потерями на перемагничивание ротора, величина которых возрастает с увеличением скольжения.

Достоинства гистерезисных двигателей - простота конструкции, бесшумность и надежность в работе, большой пусковой момент, плавность входа в синхронизм, сравнительно высокий КПД, малое изменение кратности тока от пуска до номинальной нагрузки ( =1,3-1,4).

Недостатки гистерезисных двигателей - низкий коэффициент мощности ( = 0,4-0,5) и сравнительно высокая стоимость. Кроме того, при резких колебаниях нагрузки гистерезисные двигатели склонны к качаниям, что создает неравномерность хода (вращения). Объясняется это отсутствием у гистерезисных двигателей пусковой клетки, которая при резких изменениях нагрузки оказывает на ротор успокаивающее (демпфирующее) действие. Наиболее сильные качания наблюдаются у шихтованного ротора, к котором вихревые токи сильно ограничены. Вызываемая качаниями неравномерность вращения ограничивает области применения гистерезисных двигателей.