16.3 Принцип действия и устройство реактивного двигателя

Реактивный двигатель, в отличие от рассмотренного двигателя, не имеет обмотки возбуждения. Его основной магнитный поток создается за счет намагничивающего тока обмотки статора. В двух- и трехфазных двигателях обмотка статора создает вращающееся магнитное поле.

Анализ выражения

(16.1)

показывает, что при отсутствии магнитного потока возбуждения полюсов ротора (Е₀=0) первое слагаемое, представляющее собой основной момент, равно нулю.

Таким образом, в реактивном двигателе действует лишь реактивный момент (второе слагаемое),

(16.2)

который и приводит ротор двигателя во вращение с синхронной частотой вращения n₁.

Необходимым условием возникновения реактивного момента является неравенство индуктивных сопротивлений обмотки статора по продольной и поперечной осям (x_d>x_q), что имеет место лишь при явнополюсном роторе. Следовательно, ротор реактивного двигателя обязательно должен быть явнополюсным.

Конструктивно реактивный двигатель отличается от асинхронного лишь ротором. Наиболее часто в реактивных двигателях применяется ротор, устройство которого представлено на рис. 16.3, а.

Этот ротор отличается от короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя лишь наличием впадин-вырезов на цилиндрической поверхности, образующих явно выраженные полюсы. Короткозамкнутая обмотка ротора, выполненная по типу беличьей клетки, обеспечивает асинхронный пуск реактивного двигателя.

Рис. 16.3 Типы роторов реактивных двигателей

В реактивных двигателях, предназначенных для работы в схемах синхронной связи, ротор изготовляют из алюминия 2, в который при отливке закладывают полосы из стали 1 (рис. 16.3, б). В системах автоматики часто применяют однофазные реактивные двигатели. Обмотку статора этих двигателей выполняют такой же, как и у асинхронных конденсаторных электродвигателей, и включают по аналогичным схемам (см. л.№8).

Лекция №17

17.1 Вращающий момент реактивного двигателя

Вращение ротора реактивного двигателя осуществляется под действием реактивного момента, причина возникновения которого была рассмотрена ранее [см. л.№16, (16.2)]. Из выражения, определяющего величину реактивного момента, следует, что максимальное значение момента M_{р max} наступает при нагрузке, соответствующей углу =45° (рис. 17.1, кривая 1).

17.1

Однако выражение для реактивного момента не учитывает влияния активного (сопротивления обмотки статора на зависимость М_р=f( ), которое в реактивных двигателях малой мощности довольно значительно. Под влиянием активного сопротивления обмотки статора максимальное значение реактивного момента наступает при <45° ( =30÷40⁰). Это увеличивает крутизну кривой М_р=f( ), в ее начальной части (рис. 17.1, кривая 2), а следовательно, повышает величину удельного синхронизирующего момента М_уд.

Удельный синхронизирующий момент — это момент, приходящийся на 1° угла .

и определяющий устойчивость работы реактивного двигателя.

Максимальный момент реактивного двигателя принято называть моментом выхода из синхронизма. Дело в том, что если нагрузка на валу двигателя! достигнет значения, при котором угол > , произойдет «выпадение» двигателя из синхронизма. В этом случае ротор двигателя либо останавливается, либо продолжает вращаться асинхронно под действием электромагнитного момента, создаваемого токами пусковой короткозамкнутой обмотки.

Из выражения реактивного момента видно, что его величина пропорциональна квадрату подводимого к двигателю напряжения М_рU₁², Следовательно, реактивные двигатели весьма чувствительны к колебаниям напряжения сети.

Представим индуктивные сопротивления обмотки статора по продольной x_d и поперечной x_q осям в виде

x_d=2f₁L_d; x_q = 2f₁L_q, (17.1)

где L_d и L_q — индуктивности обмотки статора по продольной и по перечной осям:

(17.2)

причем и — магнитные проводимости по продольной и поперечной осям машины.

П одставив выражения (17.1) и (17.2) в (16.2), получим формулу реактивного момента:

, (17.3)

где и —магнитные сопротивления по поперечной и продольной осям машины.

Из формулы (17.3) следует, что реактивный момент пропорционален разности магнитных сопротивлений по поперечной R_Mq и продольной R_Md осям машины.

С углублением впадин на роторе (см. рис. 16.3, а) возрастает разность магнитных сопротивлений по поперечной и продольной осям, и реактивный момент увеличивается, а следовательно, увеличивается и момент выхода из синхронизма.

Однако углубление впадин на роторе целесообразно лишь до определенного предела, так как с увеличением глубины впадин возрастает средняя величина воздушного зазора. Это ведет к уменьшению вращающего момента в пусковом асинхронном режиме. Последнее приводит к снижению пускового момента и момента входа двигателя в синхронизм — наибольшего момента сопротивления, при котором ротор двигателя еще втягивается в синхронизм. Для втягивания в синхронизм необходима частота вращения ротора не менее 0,95n₁, т. е. скольжение s0,05.

На рис. 17.2 показан ряд зависимостей электромагнитного момента от скольжения при разных значениях активного сопротивления пусковой клетки, причем .

Величина момента входа в синхронизм определяется скольжением s=0,05. Из сделанных на рисунке построений видно, что чем больше активное сопротивление пусковой клетки, тем меньше момент входа в синхронизм.

Установлено, что наилучшие соотношения между максимальным моментом (моментом выхода из синхронизма), начальным пусковым моментом и моментом входа в синхронизм получаются при следующих отношениях полюсной дуги b_п к полюсному делению  и максимального воздушного зазора _mах к минимальному _min (см. рис. 16.3, а):

Рис. 17.2. Влияние пусковой клетки реактивного двигателя на М_пуск и М_вх

Существенный недостаток реактивных двигателей — низкий коэффициент мощности, что обусловлено значительной величиной намагничивающей составляющей тока статора.

Напомним, что в реактивном двигателе магнитный поток создается исключительно током статора; кроме того, среднее значение воздушного зазора из-за наличия впадин на роторе достаточно велико, что ведет к повышению сопротивления магнитной цепи машины. Указанные обстоятельства являются также причиной низкого КПД, который в двигателях мощностью в несколько десятков Ватт обычно составляет 30÷40%, а в двигателях мощностью до 10 Вт — не превышает 20%.

По габаритам реактивные двигатели больше синхронных и асинхронных двигателей обычного типа, что объясняется низким КПД, малым cosφ₁ и небольшой величиной реактивного момента.

В последнее время появились синхронные реактивные двигатели, у которых значительная разность магнитных сопротивлений по поперечной и продольной осям создается не за счет глубины межполюсных впадин, а за счет внутренних вырезов 1 в шихтованном сердечнике 2 ротора (рис. 17.3). Эти вырезы обычно заливаются алюминием. Такие двигатели обладают повышенными пусковыми и рабочими свойствами.

Рис. 17.3. Ротор реактивного двигателя с внутренними вырезами