1.2. Исполнительные синхронные двигатели

Синхронный двигатель применяется в системах автоматики,

требующих строго стабильной частоты вращения. Характерный признак

синхронного двигателя - вращение ротора с синхронной частотой n₁ = f₁60/p независимо от нагрузки на валу. Поэтому синхронные двигатели используют в системах автоматики для привода механизмов, требующих строго стабильной частоты вращения.

Синхронный двигатель, как и асинхронный, состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором (у синхронных двигателей этот зазор несколько больше) (рис. 1.10). Существуют конструктивные разновидности исполнения синхронных двигателей малой мощности, отличающиеся в основном устройством ротора: явнополюсные с электромагнитным возбуждением, явнополюсные с возбуждением постоянными магнитами, явнополюсные реактивные (с невозбужденным ротором).

Принцип действия синхронного явнополюсного двигателя с электромагнитным возбуждением

Для изучения принципа действия синхронного явнополюсного двигателя с электромагнитным возбуждением используем модель, представляющую собой две разделенные воздушным зазором магнитные системы с явно выраженными полюсами: внешнюю (статор) и внутреннюю (ротор). Если внешняя система полюсов неподвижна, то благодаря силам магнитного притяжения внутренняя система полюсов расположится так, что ее полюсы будут находиться под полюсами внешней системы противоположной полярности. При этом силы F_м магнитного притяжения, действующие на внутреннюю систему, не будут создавать электромагнитного момента, так как они направлены радиально (по оси полюсов).

Если внешнюю систему полюсов вращать с небольшой частотой n₁ то в начальный момент времени эта система сместится относительно внутренней на некоторый угол Θ (рис. 1.11). При этом вектор силы магнитного притяжения F_м также повернется относительно оси полюса ротора.

Теперь эта сила состоит из двух составляющих: F_м = F_n + Ft, причем нормальная составляющая Fn направлена по оси полюса ротора, а тангенциальная Ft - перпендикулярно оси полюса. Совокупность составляющих Ft, действующих на все полюсы ротора, создает на роторе электромагнитный вращающий момент М, приводящий ротор во вращение с синхронной частотой n₁ т. е. синхронно вращению внешней системе полюсов (рис. 1.11).

Устройство синхронного двигателя

Ротор синхронного двигателя имеет явнополюсную конструкцию с электромагнитным возбуждением (рис. 1.12). Он состоит из вала, на котором укреплены сердечники полюсов с полюсными катушками, соединенными последовательно и образующими обмотку возбуждения. Каждый сердечник заканчивается полюсным наконечником. Для подключения вращающейся обмотки возбуждения к источнику постоянного тока на валу ротора находятся два изолированных от вала и друг от друга контактных кольца, по которым скользят щетки, вставленное в специальные щеткодержатели. От щеток сделаны выводы,

через которые обмотка возбуждения соединяется с источником постоянного тока. В качестве источника постоянного тока используют полупроводниковые выпрямительные устройства.

Асинхронный способ пуска исполнительного синхронного

двигателя

Для его реализации в пазах полюсных наконечников ротора располагают стержни пусковой короткозамкнутой обмотки. Обычно стержни этой обмотки делают из латуни или меди и замыкают с двух сторон медными кольцами. Для пуска синхронного двигателя обмотку возбуждения замыкают на резистор с активным сопротивлением, примерно в 10 раз превышающим активное сопротивление обмотки возбуждения. Вращающееся поле статора наводит в пусковой обмотке ЭДС, которая создает в стержнях обмотки токи. В результате взаимодействия этих токов с вращающимся полем статора на каждый стержень ротора действует электромагнитная сила F_ЭМ. Совокупность таких сил создает асинхронный электромагнитный момент М_n, под действием которого ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и поле статора. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной (n₂ ~ 0,95n₁), обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. При этом полюса ротора намагничиваются, создается синхронный электромагнитный момент М, и двигатель втягивается в синхронизм.

Переход ротора от частоты вращения n₂ < n₁ к синхронной происходит скачком. Не допускается пуск синхронного двигателя с подключенной к источнику постоянного тока обмоткой возбуждения, так как магнитный поток будет наводить в обмотке статора дополнительную ЭДС, а это приведет к возникновению тормозящего момента. Если оставить обмотку возбуждения разомкнутой, то вращающееся ноле статора, обгоняя ротор с большой скоростью, наведет в его обмотке значительную ЭДС, способную вызвать пробой межвитковой изоляции обмотки возбуждения.

Электромагнитный момент синхронного двигателя

Электромагнитный момент синхронного явнополюсного двигателя с электромагнитным возбуждением, Н*м,

(30)

где E_о - ЭДС, наведенная в обмотке фазы статора магнитным потоком

обмотки возбуждения Ф_в, В;

x_d и х_q - индуктивные сопротивления обмотки статора соответственно по продольной и поперечной осям, Ом.

Неравенство индуктивных сопротивлений х_q > х_q, обусловлено неравномерностью воздушного зазора явнополюсного синхронного двигателя: по продольной оси dd воздушный зазор намного меньше зазора по поперечной оси qq. Поэтому магнитные сопротивления вращающемуся магнитному потоку статора Ф₁ по указанным осям также неодинаковы: магнитное сопротивление по продольной оси dd меньше магнитного сопротивления по поперечной оси qq. Электромагнитный момент синхронного двигателя с явнополюсным ротором и электромагнитным возбуждением представляет собой соответственно сумму двух составляющих основного и реактивного моментов.

Реактивный момент не зависит от потока возбуждения Ф_в, но прямо пропорционален квадрату напряжения питания U₁. Следовательно, реактивный момент действует на ротор явнополюсного двигателя даже при отключенном возбуждении (Iв = 0).

Возникновение реактивного момента обусловлено разностью

магнитных сопротивлений магнитопровода явнополюсной синхронной машины по продольной и поперечной осям. Даже при отсутствии возбуждения в синхронном явнополюсном двигателе магнитное поле статора за счет магнитного притяжения явно выраженных полюсов ротора создает билу. С появлением на роторе нагрузочного момента между осями поля статора и полюса ротора появляется угол. При этом возникает тангенциальная составляющая силы, которая стремится повернуть ротор в положение, при котором вращающийся магнитный поток статора испытывает минимальное магнитное сопротивление. Совокупность сил, действующих на каждый полюс ротора, создает реактивный момент М, направленный в сторону вращения поля статора.

Потери и КПД синхронного двигателя

В синхронном двигателе, как и в любой электрической машине, преобразование электрической энергии в механическую сопровождается потерями. Потери разделяются на основные и добавочные. Основные потери синхронного двигателя складываются из магнитных и электрических потерь в статоре, потерь на возбуждение и механических. Магнитные потери в сердечнике статора P_M1 электрические потери в обмотке статора Р_Э1 добавочные потери Р_ДОБ и КПД определяют так же, как и для асинхронных двигателей. Потери на возбуждение, Вт:

Р_В = I²_Br_B + ΔU_ЩI_B (31)

где r_B - активное сопротивление обмотки возбуждения, приведенное к рабочей температуре, Ом;

ΔU_Щ - падение напряжения в щетках цепи возбуждения.

Механические потери P_мех состоят из потерь на трение в подшипниках и контактных кольцах и потерь на вентиляцию.

Суммарные потери в синхронном двигателе, Вт:

(32)

Коэффициент полезного действия синхронного двигателя зависит от нагрузки на валу Р₂ и коэффициента мощности соsφ₁. Для синхронных двигателей мощностью до 100 кВт КПД при номинальной нагрузке составляет 80-90%.