3.16. Шаговый режим работы синхронного электромеханического преобразователя

Важной особенностью синхронного двигателя является воз­можность фиксации положения его ротора путем подключения обмоток фаз статора к источнику постоянного напряжения. Для анализа этой возможности удобно использовать схему модели синхронного двигателя, приведенную на рис. 3.46,6, приняв, что обмотка статора по оси αподключена к источ­нику напряжения U_1Пи в ней протекает постоянный токi_1α=I_1П, а обмотка 1βотключена иi_1β=0. Создаваемое об­моткой 1αполе статора направлено по оси α(ω_эл=0,φ_0ЭЛ=0), и в результате взаимодействия с ним возбужденного ротора возникает синхронизирующий момент. Определим за­висимость синхронизирующего момента от угла поворота ротора с помощью последнего уравнения системы (3.114):

(3.125)

Так как в осях α, βi_1α=I_1П; i_1β=0, то преобразованные к осямd, qс помощью формул (2.15) токи статора имеют значения:

Потокосцепления обмоток статора

Подставив выражения токов и потокосцеплений в (3.125),

(3.126)

Режим фиксации представлен на рис. 3.51 зависимостями Μот φ_ЭЛ,соответствующими участку, где_0эл=0. На рисунке также показаны значения токов i_1α=I_1П; i_1β=0, а также опре­деляемая по (3.126) зависимость синхронизирующего моментаΜ=f(φ_ЭЛ)(кривая 1).Если при этих условиях отклонить ротор от точки φ_ЭЛ=0 в любую сторону, возникнет момент М, направленный в соответствии с (3.126) противоположно перемещению, т< е. стремящийся возвратить систему в исход­ное состояние. Таким образом, при возбуждении статора постоянным током ротор синхронного двигателя фиксируется в положение, определяемое направлением результирующего вектора тока статора, с точностью, зависящей от нагрузки на валу и от электромагнитной жесткости угловой характе­ристики (3.126) с_ЭМ.

Примем, что М_С== 0 и в статическом режиме ротор зани­мает положение, соответствующее φ_ЭЛ=0. Если в этом поло­жении, как показано на рис. 3.51, отключить обмотку 1α и включить на напряжениеU_1Побмотку 1β,результирующий вектор I₁скачком повернется на угол Δ_Ш=90°, значение (_0элизменится и станет равным Δφ_Ш,при этом возникнет синхро­низирующий момент, определяемый кривой 2, который будет стремиться вновь совместить ось ротора с вектором поля статора и вызывать поворот ротора в сторону новой точки фиксации. Зависимость Μ=f(_эл) для участка, где_0эл=Δ_Ш, показана на рис. 3.51 (кривая 2). Кривая 2 определяется (3.126) при подстановке вместо φ_ЭЛугла_0ЭЛ-_ЭЛ=Δ_Ш—_ЭЛ.

Рассматривая рис. 3.51, можно видеть, что указанное пере­ключение обмоток определяет поворот ротора на один шаг Δ_Ш.Отключением обмотки 1βи включением обмотки 1α на напряжение —U_1Пвектор поля статора скачком поворачи-

Рис.3.51. К пояснению работы шагового двигателя

вается еще на одни шаг, ротор занимает положение_эл= 2_ши т.д. Таким путем можно задавать дискретные перемещения ротора двигателя, соответствующие определенному числу ша­гов. Средняя скорость перемещения при этом определится частотой импульсов тока, подаваемых в обмотки статора:

_ср = _0ср = _ш /t_ш= f₁_ш (3.127)

Кривая М = f(_эл)на рис. 3.51свидетельствует о том, что среднее по пройденному пути значение электромагнитного момента меньше, чем максимум момента по угловой харак­теристике, и зависит от угла, при котором осуществляется коммутация токов. Наибольшее значение среднего момента соответствует коммутации в точках пересечения кривых 1—8, обозначенныхa₁—a₈, при этом сре.ч.ний за один шаг момент определяется соотношением

М_срmax= (2М_max m/)sin(/2m),(3.128)

где m —число фаз двигателя.

Средний момент во времени может несколько отличаться от (3.128)в сторону уменьшения в связи с пульсациями ско­рости ротора. При f₁ = constстатическая механическая харак­теристика в шаговом режиме при малых значенияхf₁имеет вид, показанный на рис. 3.52,a(1).

Рис. 3.52. Механические характеристики синхронного двигателя в шаговом режиме.

Следовательно, в шаговом режиме при постоянной частоте f₁статическая механическая характеристика двигателя подобна рассмотренной выше для случая питания двигателя от сети. Отличием шагового режима является дискретный характер вращения вектора поля статора. Это наглядно показывают зависимость_0эл= f(_эл) на рис. 3.51и приведенные там же диаграммы, характеризующие дискретные положения вектора тока статора. Ступенчатая зависимость_0эл= f(_эл) определяет пульсации скорости ротора и снижение перегрузочной способ­ности двигателя, определяемой (3.128).

Проведенный анализ работы синхронного двигателя в шаго­вом режиме при питании обмоток статора от источника напряжения справедлив только для небольших частот комму­тации токов. При изменении частоты в широких пределах для строгого описания механической характеристики двигателя следует использовать систему уравнений (3.114)в записи для шагового режима:

U_1пcos(_0эл-_эл) = R₁i_1d+ d_1d/dt -_эл_1q;

-U_1пsin(_0эл-_эл) = R₁i_1q+ d_1q/dt +_эл_1d;

u_2d= R_вi_в+ d_в/dt;

М = p_п(_1di_1q -_1qi_1d).

Особенностью (3.123)является ступенчатый характер изменения_0ЭЛ(t). Необходимость решения системы для каждого шага двигателя усложняет задачу, поэтому анализ динамики шагового режима обычно осуществляется с помощью ЭВМ.

В более широком диапазоне частот проведенный с помощью(3.126)анализ справедлив для шагового режима при питании всех обмоток двигателя от источников тока. В этом случае I_в =const, токи статора имеют форму, близкую к показанной на рис. 3.51,и угловая характеристика определяется (3.126)при замене_эл на_0эл -_эл:

М =p_п [L_12d­I_вI_1пsin(_0эл -_эл) +

+ 0,5I²_1п(L_1d - L_1q)sin2(_0эл - _эл)]. (3.130)

Семейство механических характеристик, соответствующих этим условиям, представлено на рис. 3.52,б.Здесь перегрузоч­ная способность двигателя в широком частотном диапазоне остается практически неизменной.

Таким образом, в шаговом режиме синхронный двигатель способен отрабатывать перемещения, задаваемые числом элект­рических импульсов, коммутирующих токи статора в требуе­мой последовательности. Жесткая связь между числом шагов перемещения ротора и числом электрических импульсов явля­ется замечательным свойством этого двигателя, широко ис­пользуемым в практике дискретного электропривода с цифро­вым управлением. Для этих целей разработаны и выпуска­ются промышленностью серии специальных синхронных двига­телей, называемыхшаговыми электродвигателями.

Шаговые электродвигатели имеют небольшую (до 4кВт) мощность и исполняются с различным числом фаз (m = 3, 4, 5...)и числом пар полюсов р_п > 2. От этих параметров зависит значение шага:

_ш =/mp_п.(3.131)

Значение шага определяет точность отработки перемещений при показанном на рис. 3.51способе коммутации токов, На практике используются более сложные законы дискретного управления токами фаз статора, которые позволяют получать ряд промежуточных положений вектора , т. е. дробить шаг(3.125)на более мелкие дискреты и увеличивать точность управления движением электропривода.

Конструктивно шаговые двигатели имеют ряд исполнений по способу возбуждения (возбуждение ротора постоянным током, возбуждение с помощью постоянных магнитов, реак­тивные двигатели с I_в = 0)и по характеру движения (двига­тели с вращательным движением ротора, двигатели с линей­ным движением ротора, двигатели с многокоординатным ли­нейным движением ротора).

Схема модели синхронного двигателя на рис. 3.46,бпри соответствующем законе коммутации токов обмоток статора полностью соответствует реальным шаговым двигателям раз­личного исполнения. Поэтому проведенный анализ шагового режима работы отражает особенности шаговых двигателей. В частности, показанные на рис. 3.51зависимости наиболее близко соответствуют шаговым двигателям с питанием обмо­ток статора от источников тока и постоянными магнитами на роторе при рассмотренном законе импульсного возбужде­ния статора (без дробления шага).