Сравнение исполнительных двигателей при различных методах управления

 

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:

а) линейность механических и регулировочных характеристик выше всего при фазовом управлении. Амплитудно-фазовое управление дает наибольшее отклонение от прямой линии.

б) Мощность управления при амплитудном и амплитудно-фазовом управлении практически одинакова и пропорциональна квадрату коэффициента сигнала.

в) степень использования (электромагнитная мощность при круговом поле и неподвижном роторе) для всех трех способов управления одинакова, если одинаково напряжение возбуждения.

г) наиболее простым является амплитудно-фазовое управление (конденсаторная схема), при котором не требуется никаких дополнительных устройств для сдвига фаз между напряжениями управления и возбуждения. Это обстоятельство и объясняет широкое применение его в автоматике.

 

 

3. Синхронные электрические машины.

3.1. Общие сведения

 

Электромагнитная схема синхронной машины имеет вид (рис3.1):

 

 

Рис. 3.1. Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б).

 

 

Важным отличием синхронной машины от асинхронной является то, что главный магнитный поток в ней создается НС постоянного тока возбуждения I_в , который машина получает от источника U_в, т. е. в машине имеет место раздельное питание обмоток статора и ротора.

Статор машины выполнен аналогично статору асинхронной машины. На нем расположена -фазная (обычно трехфазная) обмотка. Обмотка ротора 4 состоит из одной или нескольких катушек, образующих многополосную систему с тем же числом пар полюсов р, что и обмотка статора 3. Обмотка ротора соединяется с внешним источником питания U_в посредством контактных колец 5 и щеток 6.

При вращении ротора со скоростью n₂ в обмотке статора индуктируется ЭДС , изменяющаяся с частотой

f₁=(pn₂)/60, (3.1.1)

где

p – число пар полюсов машины.

При подключении обмотки статора к какой-либо нагрузке в ней протекает многофазный ток, который создает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля:

n₁=(60f₁)/p. (3.1.2)

Из приведенных выше выражений следует n₁=n₂, т. е. магнитные поля ротора и статора вращаются с одинаковой скоростью. Поэтому рассматриваемая машина получила название синхронной. В синхронной машине результирующий магнитный поток Ф_рез создается совместным действием намагничивающих сил обмотки возбуждения и обмотки статора и вращается с той же скоростью, что и ротор.

Часть электрической машины, в которой индуктируется ЭДС, принято называть якорем, поэтому в синхронной машине статор является якорем, а ротор – индуктором. Синхронная машина может работать в качестве автономного генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, а так же подключаться параллельно к сети, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т.е. работать генератором или двигателем. В результате взаимодействия тока ротора I_в с вращающимся магнитным полем, создается электромагнитный момент, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а в генераторном – тормозящим.

Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности:

- ротор машины, как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной скоростью, равной скорости вращения магнитного поля;

- частота изменения ЭДС Е₁, индуктируемой в обмотке статора, пропорциональна скорости вращения ротора;

- в обмотке ротора ЭДС не индуктируется, а магнитное поле создается постоянным током, подводимым от внешнего источника, или постоянными магнитами.

Постоянство скорости вращения ротора синхронной машины обусловливает область ее применения: в качестве генераторов промышленной частоты на подстанциях или в дизель – генераторах, а в качестве двигателей в тех случаях, когда необходимо постоянство скорости вращения выходного вала машины.

В случае параллельной работы с другими синхронными машинами для включения синхронной машины в общую сеть требуется предварительная синхронизация, т. е. частота выходного напряжения должна быть строго равна частоте сети, а ЭДС машины – равной по величине и противоположной по фазе напряжению сети. При идеальной синхронизации машины с сетью токи в обмотках статора после подключения машины к сети, будут равны нулю. В таких условиях синхронная машина не отдает энергию в сеть и не потребляет ее, т. е. по отношению к сети она не является ни генератором, ни двигателем. Собственные потери синхронной машины, механические и магнитные, при этом покрывает первичный двигатель.

Если увеличивать момент, приложенный первичным двигателем к валу машины, то под действием возросшего момента ротор машины сместится вперед, и если раньше середина полюса ротора находилась против проводников данной фазы статора как раз в тот момент, когда напряжение сети на этой фазе достигло своего максимума, то теперь это условие нарушается, и так как ЭДС ротора и напряжение сети уже взаимно не уравновешиваются, то в обмотках статора возникает ток, создаваемый результирующим напряжением. Взаимодействие этого тока с полем машины создает тормозящую силу, воздействующую на ротор. При посредстве этой силы механическая мощность первичного двигателя будет превращаться в электрическую мощность, отдаваемую генератором в сеть. Поле ротора будет как бы вести за собой поле статора.

Если затем уменьшать вращающий момент на валу синхронной машины, то под действием тормозящего момента электромагнитных сил поле ротора будет уменьшать свой угол опережения по отношению к полю статора, и вместе с уменьшением угла между осями полей будет уменьшаться и тормозящая сила взаимодействия токов статора и поля машины.

Наконец, когда напряжение сети будет уравновешиваться ЭДС статора, тогда машина перестанет отдавать энергию в сеть, ток в обмотке статора, а, следовательно, и тормозящая электромагнитная сила, становится равной нулю.

Если теперь приложить к валу машины вместо вращающего тормозящий момент механической нагрузки, то ротор сместится по отношению к вращающему полю в сторону отставания. Вновь возникнут токи в обмотках статора и создадут электромагнитные силы взаимодействия токов статора и поля ротора, но на этот раз силы будут стремиться сместить ротор вперед, т. е. создадут вращающий момент, при посредстве которого электрическая мощность сети превращается в механическую мощность на валу машины; таким путем синхронная машина переходит к работе двигателем. Режим машины меняется от генераторного к двигательному и обратно в зависимости от механического воздействия на вал машины, причем электромагнитные силы играют роль своеобразной упругой связи между полем ротора и полем статора. Можно сравнить их с пружинами, связывающими два шкива А и В – ведущий и ведомый (рис. 3.2).

 

 

 

а) б) в)

 

Рис. 3.2. Механическая модель образования синхронного момента в виде двух шкивов, соединенными пружинами ((а) – нет передачи энергии; (б) – передача энергии от шкива А к шкиву В; (в) – передача энергии от шкива В к шкиву А).

 

 

Шкив изображает в такой модели поле ротора, шкив В – поле статора. Всякое изменение механической силы на валу шкива А вызывает изменение относительного положения шкивов и изменение направления и степени натяжения пружин. При (рис. 3.2а) пружины свободны, т. к. нет передачи энергии между шкивами; при происходит передача энергии от шкива А к шкиву В, поэтому пружины натянуты от шкива А к шкиву В (рис. 3.2б); при происходит обратный обмен энергией, поэтому пружины натянуты в обратную сторону (рис. 3.2в).

Таким образом, при параллельной работе синхронной машины с сетью скорость вращения машины жестко определяется частотой сети; изменение момента на валу меняет лишь угол между осями полей ротора и статора, в то время как в асинхронной машине в таких условиях меняется скорость вращения ротора (скольжение).

 

Реакция якоря в синхронном генераторе. Магнитное поле нагруженной синхронной машины возбуждается не только НС ротора, на это поле действует НС обмотки якоря, обтекаемой нагрузочным током.

В асинхронной машине ток статора изменяется автоматически вслед за изменение тока ротора и, таким образом, сохраняется практически постоянным поток в воздушном зазоре. В синхронной машине изменение тока статора не вызывают автоматического изменения постоянного тока возбуждения. Поэтому результирующее магнитное поле синхронной машины изменяется с изменением нагрузки, меняется относительное положение вращающегося поля статора к вращающемуся полю ротора, а, следовательно, и характер реакции якоря. Если рассматривать синхронный генератор, то при активной нагрузке ток в фазе статора достигает максимума в тот момент, когда против этой фазы находится середина полюса (3.3а).

 

 

 

a) б) в)

 

Рис. 3.3. Реакция якоря и кривые распределения индукций в неявнополюсной машине при различных условиях нагрузки.

 

Поле статора будет в этом случае поперечным, ось потока полюсов ротора перпендикулярна оси поля статора – у набегающего конца полюса оно направлено против поля ротора и ослабляет это поле, а у сбегающего конца поля оно усиливает поле ротора. Реакция якоря в случае активной нагрузки генератора вызывает смещение оси результирующего поля в сторону вращения. Результирующий поток при этом несколько изменяется вследствие влияния насыщения, а именно, он ослабляется у набегающего конца полюса больше, чем усиливается у сбегающего.

В идеальном случае чисто индуктивной нагрузке генератора (3.3б) величина тока в фазе статора будет достигать своего максимального значения только тогда, когда соответствующий полюс ротора уйдет вперед на 90 градусов; при индуктивной нагрузке поток статора направлен вдоль полюса ротора против потока ротора. Следовательно, при индуктивной нагрузке НС тока статора стремится возбудить размагничивающий продольный поток.

В идеальном случае чисто емкостной нагрузке генератора (3.3в) ток статора будет достигать максимума тогда, когда соответствующий полюс ротора будет находиться еще на расстоянии 90 градусов от середины фазы. В этом случае поток ротора будет намагничивающим продольным.

Условие синусоидальности распределения поля статора вдоль окружности статора существенно нарушается в случае явнополюсных роторов, у которых распределение поля статора вдоль окружности статора далеко не синусоидально.

Следовательно, в синхронной машине реакция якоря вызывает изменение магнитного поля машины и в результате – изменение ее ЭДС. В машинах с явными полюсами это явление еще осложняется искажением кривой ЭДС. Для синхронных генераторов подобное влияние величины тока и сдвига фаз нагрузки на напряжение машины весьма нежелательно. Чтобы свести влияние реакции якоря к минимуму, необходимо, чтобы НС якоря была мала по сравнению с НС ротора. Для осуществления этого условия необходимо увеличить магнитное сопротивление машины.

Лучше и проще всего повышение магнитного сопротивления осуществляется путем увеличения воздушного зазора машины. Однако при этом необходимо соответствующее увеличение НС ротора, но в синхронной машине это увеличение намагничивающего тока допустимо, т. к. энергия магнитного поля ротора остается неизменной, а возбудитель синхронной машины должен давать энергию только для покрытия тепловых потерь в цепи ротора. В асинхронной машине условия иные, там намагничивающий ток должен поддерживать колебания энергии магнитного поля машины – он является реактивным током, ухудшающим cosφ установки, и желательно сделать его возможно меньшим.

Явление реакции якоря относится и к синхронным двигателям, но, т. к. в этих двигателях форма кривой ЭДС практически малосущественна, то реакция якоря в них имеет второстепенное значение.

 

3.1.1. Векторные диаграммы синхронного генератора

 

Результирующий магнитный поток в синхронном генераторе можно разложить на поток ротора, поток рассеяния статора и поток реакции якоря. Поток рассеяния статора является частью потока статора, замыкающегося помимо ротора поперек пазов статора. Этот поток проходит значительную часть своего пути в воздухе, поэтому его можно считать пропорциональным току статора и совпадающим с этим током по фазе.

Если не учитывать влияние насыщения стали, то поток реакции якоря, так же как и поток рассеяния пропорционален току якоря (статора) . В действительности это справедливо только для ненасыщенной машины.

При принятых допущениях ЭДС , индуктируемая потоком ротора, складывается из напряжения на зажимах машины , напряжения , уравновешивающего ЭДС рассеяния , напряжения , уравновешивающего ЭДС реакции якоря и, наконец, из падения напряжения в активном сопротивлении статорной обмотки

Следовательно,

. (3.1.3)

Величина x=x_p+x_я носит название синхронного индуктивного сопротивления. У ненасыщенной машины это – относительно постоянная величина.

 

Рис. 3.4. Векторная диаграмма синхронной машины в режиме генератора.

 

Поток ротора направим влево по оси абсцисс (рис. 3.4). Вектор ЭДС , индуктируемой потоком ротора , отстает от него на 90 градусов. Вектор тока статора отстает от вектора на угол ψ, определяемый выражением:

, (3.1.4)

где

x_H и R_H – индуктивное и активное сопротивление цепи нагрузки генератора.

Чтобы определить положение вектора , опустим из конца вектора перпендикуляр на направление вектора . На этом перпендикуляре, чтобы вычесть из реактивное напряжение , отложим это реактивное напряжение вниз. Затем влево из полученной точки, параллельно вектору отложим активное напряжение . Соединив полученную точку с началом координат, мы найдем вектор напряжения . Соединив ту же точку с концом вектора , получим треугольник внутренних падений напряжения генератора с гипотенузой .

 

3.1.2. Электромагнитный момент синхронной машины

 

Для получения выражения электромагнитного момента синхронной машины рассмотрим ее векторную диаграмму в несколько упрощенном виде (рис 3.5):

 

 

 

Рис. 3.5. К определению электромагнитного момента синхронной машины.

 

Построение упрощенной векторной диаграммы начнем с вектора напряжения сети , направив его вниз по оси ординат. Это напряжение уравновешивается частью ЭДС, индуктируемой потоком ротора в обмотке статора (якоря). Эту часть ЭДС обозначим , она равна по величине и противоположна по направлению вектору напряжения сети . В действительности на зажимах машины существует только одно напряжение , но построение условного вектора делает диаграмму машины более наглядной. Если пренебречь небольшим активным падением напряжения , то можно записать:

=+. (3.1.5)

Положение вектора потока ротора определится опережением его на 90 градусов вектора . Напряжение, т.е. равно сумме ЭДС, индуктируемых потоками рассеяния и реакции якоря. Следовательно, можно записать:

, (3.1.6)

т. е. напряжение равно сумме ЭДС, индуктируемых в обмотке якоря тремя потоками машины. Но физически эти потоки образуют один результирующий магнитный поток (собственно поток в воздушном зазоре между ротором и статором). Следовательно, можно рассматривать как ЭДС, индуктируемую результирующим магнитным потоком машины в ее обмотке якоря (статора). Это определяет положение вектора – он опережает векторна 90 градусов.

Угол между векторами потока ротора и потока в воздушном зазореравен углу сдвига фаз θ между и . Временному сдвигу фаз между векторами потоков соответствует пространственный сдвиг на θ/р между осями полюсов ротора и направлением результирующего поля машины.

Мощность синхронной трехфазной машины:

(3.1.7)

Из прямоугольного треугольника, гипотенузой которого является вектор, а частью катета – , можно записать:

. (3.1.8)

На основании той же векторной диаграммы

. (3.1.9)

Это дает возможность представить электрическую мощность синхронной машины в

виде:

. (3.1.10)

Электромагнитный момент синхронной машины:

. (3.1.11)

Эта зависимость носит название угловой характеристики синхронной машины (рис. 3.6).

 

Рис. 3.6. Угловая характеристика синхронной машины.

 

Если θ>0, то мощность и момент положительны, машина работает в режиме генератора и отдает электрическую мощность, а электромагнитный момент при этом является тормозящим моментом, который преодолевает первичный двигатель. Работа, совершаемая первичным двигателем, преобразуется в электрическую работу, отдаваемую генератором в сеть. При увеличении создаваемого первичным двигателем вращающего момента, ротор машины, вследствие сообщаемого ему ускорения, увеличивает угол θ и после нескольких колебаний около синхронной скорости восстанавливается равновесие вращающегося момента первичного двигателя и тормозящего электромагнитного момента генератора. Таким же образом восстанавливается это равновесие при уменьшении вращающего момента первичного двигателя посредством уменьшения угла θ и вызываемого этим снижения тормозящего электромагнитного момента.

Работа синхронного генератора устойчива при изменении угла θ в пределах от 0 до 90 градусов.

Кривая М_э.м.=F(θ) за точкой θ=90 соответствует области неустойчивой работы синхронного генератора. В этих условиях вращающий момент первичного двигателя превышает максимальный тормозящий момент генератора, т. к. увеличение θ свыше 90 приводит к уменьшению тормозящего электромагнитного момента М_э.м. Избыток вращающего момента создает дальнейшее ускорение ротора, что обуславливает дальнейшее возрастание θ и новое уменьшение тормозящего момента и т. д. пока генератор не выпадет из синхронизма. В таком случае нарушается автоматическая связь между частотой сети и скоростью вращения ротора; ЭДС машины и напряжение сети перестают уравновешивать друг друга, и токи в обмотках статора могут достигнуть весьма больших значений токов короткого замыкания, т. к. мгновенные значения ЭДС статора и напряжение сети могут теперь складываться, а не вычитаться, как при нормальной работе. При выпадении генератора из синхронизма его отключают от сети приборы автоматической защиты.

Уменьшение вращающего момента первичного двигателя вызывает соответствующее уменьшение угла θ, и когда θ станет равным нулю, тогда первичный двигатель будет лишь покрывать потери синхронной машины; в этих условиях при θ=0 машина не будет отдавать энергию в сеть как генератор и потреблять ее из сети как двигатель. Этот режим является промежуточным между режимами генератора и двигателя.

Если приложить к валу синхронной машины тормозящий момент, то он вызовет некоторое замедление вращения ротора, вследствие чего угол θ станет отрицательным. Это значит, что ротор отстанет на угол θ/р от результирующего поля машины, и последнее станет ведущим, а ротор – ведомым. Перемена знака θ вызовет изменение знака электрической мощности Р и электромагнитного момента М_э.м.; машина переходит в режим двигателя; она потребляет энергию из сети, ее электромагнитный момент стал вращающим моментом, уравновешивающим механический тормозящий момент, приложенный к валу машины.

В этом случае для построения упрощенной векторной диаграммы синхронного двигателя удобно использовать векторы и (3.7).

 

 

Рис. 3.7. Упрощенная векторная диаграмма синхронного двигателя.

 

Будем считать, что возбуждение машины при переходе от генераторного режима к двигательному осталось неизменным, и поэтому сохраним в диаграмме двигателя, как и в диаграмме генератора, ту же длину вектора , но отложим теперь отстающим от на угол θ. Направление вектора определяется условием . Чтобы определить направление вектора продолжим (полученное вычитанием из вектора вектора ) и на эту прямую опустим перпендикуляр из начала координат и отложим на нем . Теперьотстает от более чем на 90 градусов. Положительную мощность ток создает не с , а с напряжением сети . Векторы потоков и строим каждый под углом 90 градусов к вектору индуктируемой ими ЭДС (т е. к и).

Режим двигателя устойчив при изменении θ в пределах от 0 до -90 и неустойчив при θ<-90 градусов, когда возрастание θ не увеличивает, а уменьшает вращающий момент. Если механический тормозящий момент, приложенный к валу двигателя, превзойдет максимальное значение вращающего электромагнитного момента М_э.м.max, то произойдет выпадение двигателя из синхронизма – ротор постепенно уменьшит скорость и, наконец, остановится, ЭДС в обмотке уменьшится до 0, а токи достигнут весьма больших значений, во много раз превышающих номинальные. Автоматическая защита отключит двигатель от питания сети.

Работающая параллельно с сетью синхронная машина нагружается как в режиме двигателя, так и в режиме генератора, путем изменения момента, приложенного к валу. Практически используется только кратковременный переход двигателя в режим генератора для быстрого торможения двигателя.

Величина

(3.1.12)

называется синхронизирующей мощностью, а величина

(3.1.13)

- синхронизирующим моментом.

Практически синхронная машина работает сравнительно далеко от предела статической устойчивости, соответствующего θ=90 градусов. У синхронных генераторов угол θ при номинальной нагрузке не превышает 20 градусов, а у двигателей, как менее ответственной машины, этот угол достигает 30 градусов.

Форма угловой характеристики синхронной машины объясняется картиной взаимодействия потоков Ф_в и Ф в синхронной машине (рис. 3.8).

 

 

 

Рис. 3.8. Картина взаимодействия потоков и в синхронной машине: (а) – при

, (б) – при , (в) – при .

 

 

При θ=0 (рис.3.8а) между ротором и статором существует только сила притяжения (между двумя магнитами). Тангенциальная составляющая силы равна 0, Поэтому электромагнитный момент равен 0 . При θ>0 (рис.3.8б) ось потока возбуждения опережает ось результирующего потока на угол θ, вследствие чего тангенциальная составляющая силы создает тормозной момент для внешнего двигателя, приводящего во вращение ротор синхронного генератора. Максимум тормозного момента соответствует θ=90 градусов, когда ось полюсов ротора расположена между осями полюсов статора. При θ<0 (рис.3.8в) (режим двигателя) ось потока возбуждения отстает от оси результирующего потока. Поэтому, возникающие при этом тангенциальные силы создают вращающий момент, который приводит во вращение ротор синхронной машины.

 

Подключение синхронной машины к сети. При подключении синхронного генератора применяют два способа: точная синхронизация и самосинхронизация.

Первый способ требует предварительную синхронизацию включаемого генератора, которая осуществляется следующим образом (рис. 3.9).

 

 

Рис. 3.9. Схема подключения синхронного генератора к сети с помощью лампового синхроноскопа.

 

Скорость машины Г доводится примерно до синхронного числа оборотов и ее возбуждение регулируется так, чтобы вольтметр на ее зажимах показал значение, равное напряжению сети. При этом последовательность фаз машины должна соответствовать последовательности фаз сети. Перед подключением машины к сети необходимо более точное регулирование частоты вращения машины и фазы ее ЭДС. Для этой цели используют синхроскопы. В простейшем случае синхроскоп составляется из ламп накаливания. Чем меньше частота генератора отличается от частоты сети, тем медленнее будут происходить колебания света фазных ламп. Достигают совпадения частот, при котором промежутки времени между следующими друг за другом вспышками ламп будут не менее 3…5 сек. Затем в момент полного затухания ламп замыкается рубильник.

Сущность метода самосинхронизации состоит в том, что генератор включается на сеть без возбуждения, когда его скорость отличается от синхронной на 2…3%. Обмотка ротора во время такого включения должна быть замкнута накоротко или на некоторое сопротивление. Сейчас же после включения генератора на сеть в ротор подается постоянный ток возбуждения, и генератор сам доходит до синхронной скорости под действием электромагнитных сил.

Вращающий момент синхронного двигателя при пуске равен 0, поэтому пуск двигателя состоит из двух этапов: первый этап – синхронный пуск с помощью короткозамкнутой обмотки, расположенной на роторе, и второй этап – втягивание в синхронизм после включения постоянного тока возбуждения. Во время первого этапа асинхронного пуска обмотка возбуждения отключается от источника постоянного тока и замыкается на активное сопротивление, превышающее активное сопротивление обмотки возбуждения в 10…15 раз. Не следует оставлять обмотку возбуждения разомкнутой, т. к. вращающееся поле может индуктировать в ней весьма значительную ЭДС, опасную для изоляции. Но с другой стороны, нецелесообразно было бы замыкать эту обмотку накоротко, т. к. в ней возникает значительный однофазный ток, который будет тормозить ротор по достижении им половины синхронной скорости.

 

 

3.2. Реактивный двигатель

Реактивным двигателем называется синхронный двигатель без обмотки возбуждения и без постоянных магнитов. Вращающий момент в таких двигателях возникает вследствие различия магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям машины (рис. 3.10).

 

 

Рис. 3.10. Схема, иллюстрирующая возникновение реактивного момента.

 

Явно выраженные полюса ротора синхронного реактивного двигателя стремятся занять такое положение, чтобы магнитное сопротивление для силовых магнитных линий было минимальным. Вследствие этого появляется тангенциальная составляющая силы f_Т, которая заставляет вращаться ротор машины в направлении вращения поля и со скоростью его вращения.

Статор синхронной реактивной машины выполняется, так же как и статор обычной машины переменного тока.

 

Рис.3.11. Конструкции ротора

 

Ротор собирается из стальных листов специального профиля (рис.3.11). На его валу расположена короткозамкнутая обмотка для асинхронного пуска синхронного реактивного двигателя.

Электромагнитный момент синхронного реактивного двигателя выражается следующей зависимостью:

, (3.2.1)

 

где

x_d и x_q – синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям машины.

Начальный пусковой момент у этих двигателей равен 0. Поэтому в них применяется асинхронный способ пуска, для чего используется короткозамкнутая обмотка на роторе.

Реактивные двигатели проще по конструкции, дешевле и надежнее в эксплуатации, чем обычные синхронные машины с обмоткой возбуждения на роторе.

Основные недостатки двигателей: низкий cosφ и КПД, большие размеры, малая величина максимального момента. В двигателе мощностью несколько десятков ватт КПД составляет 0,3…0,4, а мощностью до 10 ватт – менее 0,2.

Так как момент двигателя пропорционален U², то двигатель чувствителен к колебаниям питающего напряжения.

Угловая характеристика реактивного двигателя изображена на рис. 3.12.

 

 

Рис. 3.12. Угловая характеристика реактивного двигателя.

 

3.3. Гистерезисный двигатель

 

Гистерезисным двигателем называется синхронный двигатель, в котором вращающий момент создается за счет явления гистерезиса при перемагничивания ферромагнитного материала ротора. Статор гистерезисного двигателя подобен статору обычной машины переменного тока. Ротор представляет собой стальной цилиндр из ферромагнитного магнитотвердого материала (имеющего широкую петлю гистерезиса) без обмотки. С целью удешевления ротор делают сборным: кольцо из ферромагнитного материала и немагнитная или магнитомягкая втулка (рис.3.13.а).

а) б)

 

 

Рис. 3.13. Устройство гистерезисного двигателя (а) и схема, иллюстрирующая возникновение гистерезисного момента (б).

 

В гистерезисном двигателе ротор, вращающийся с синхронной скоростью, представляет собой постоянный магнит. Ось магнита из-за явления гистерезиса отстает от оси вращающегося магнитного поля на угол θ_г гистерезисного сдвига, вследствие чего возникает тангенциальная составляющая f_г сил взаимодействия между полюсами ротора и потоком статора (рис. 3.13б). Величина силы f_г и создаваемый ею момент не зависят от скорости вращения, а определяются шириной петли гистерезиса ферромагнитного материала.

 

 

 

 

Рис.3.14. Зависимость моментов гистерезисного двигателя от скольжения.

 

Если нагрузочный момент больше М_г (рис.3.14), то двигатель перейдет в асинхронный режим работы, т.е. появится дополнительный асинхронный момент М_а. Асинхронный момент М_а есть результат взаимодействия вращающегося магнитного поля с вихревыми токами, которые индуктируются этим полем в сердечнике ротора. Т к. ротор имеет большое активное сопротивление, то характеристика М_а=f(s) практически линейна и асинхронный гистерезисный момент максимален при s=1.

 

(3.3.1)

; (3.3.2)

, (3.3.3)

где

П_2Н – потери на перемагничивание ротора при неподвижном роторе;

П_вихр.Н – потери на вихревые токи при неподвижном роторе;

 

Гистерезисные двигатели могут работать как в асинхронном, так и в синхронном режиме. Однако, в асинхронном режиме КПД двигателя резко уменьшается:

П=П_г+П_вихр=sП_2Н+s²П_{вихр.Н .} (3.3.4)

 

Достоинства гистерезисного двигателя: простота, надежность, плавность входа в синхронизм, бесшумность, малый пусковой ток, сравнительно высокий КПД (до 60%).

Недостатки: дороговизна, склонность к качаниям при резких изменениях нагрузки.

Мощность до 2000 Вт, частота f=50, 400 и 500 Гц.

 

3.4. Синхронные шаговые двигатели

 

В системах управления электроприводами с применением уже рассмотренных нами типов двигателей для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя (рис. 3.15).

 

 

 

Рис.3.15. Система отработки угла (положения) выходного вала двигателя с использованием датчика обратной связи.

 

Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.

Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.

Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота.

Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.

Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.

 

Шаговые синхронные двигатели активного типа. В отличие от синхронных машин

непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные

полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.

Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя (рис.3.16).

 

Рис. 3.16. Принципиальная схема управления шаговым двигателем.

 

Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.

При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления (рис. 3.17).

 

 

 

Рис.3.17. Симметричная система коммутации.

 

При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления (рис. 3.18).

 

 

Рис.3.18. Несимметричная система коммутации.

 

Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит (рис. 3.4.5), при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки» (рис. 3.4.6).

Число тактов К_Т системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления К_Т =4, а для несимметричной К_Т =8.

В общем случае число тактов К_Т зависит от числа обмоток управления (фаз статора) m_у и может быть посчитано по формуле:

(3.4.1)

где

n₁=1 при симметричной системе коммутации;

n₁=2 при несимметричной системе коммутации;

n₂=1 при однополярной коммутации;

n₂=2 при двуполярной коммутации.

 

а) б)

 

Рис. 3.19. Схемы, иллюстрирующие положения ротора шагового двигателя с постоянными магнитами при подключении к источнику питания одной (а) и двух обмоток (б).

 

При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении (рис. 3.19а); при двуполярной – в обеих (рис. 3.19б).

Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают.

Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1).

Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель (рис.3.20):

 

 

Рис. 3.20. Двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.

 

Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:

(3.4.2)

Чем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р= 4…6.

Величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.

Реактивные шаговые двигатели. У активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.

Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.

Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора (рис.3.21).

а) б)

 

Рис. 3.21. Принцип действия реактивного редукторного шагового двигателя: (а) – исходное положение устойчивого равновесия; (б) – положение устойчивого равновесия. cдвинутое на один шаг ().

 

Если зубцы ротора соосны с одной диаметрально расположенной парой полюсов статора, то они сдвинуты относительно каждой из оставшихся трех пар полюсов статора соответственно на ¼, ½ и ¾ зубцового деления.

При большом числе зубцов ротора Z_р его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.

Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:

(3.4.3)

В выражении для К_Т величину n₂ следует брать равной 1, т. к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.

Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.

Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.

Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов два, то этот сдвиг равен 1/2 зубцового деления, если три, то - 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают.

Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.

 

Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.

В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.

По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристики.

 

Линейные шаговые синхронные двигатели. При автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.

Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов (рис. 3.22).

 

 

Рис. 3.22. Схема, иллюстрирующая работу линейного шагового двигателя.

 

Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.

Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнитопровода ротора сдвинуты на половину зубцового деления τ/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления τ/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.

Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила F_С, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления τ/4.

, (3.4.4)

где

K_Т – число тактов схемы управления.

Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.

В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.

 

Режимы работы синхронного шагового двигателя. Шаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления

серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.

Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода следующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0 (рис. 3.23).

 

 

Рис.3.23. Процесс отработки шагов шаговым двигателем.

При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.

В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.

Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.

Предельная механическая характеристика- это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов (рис. 3.24).

 

 

Рис. 3.24. Предельная механическая характеристика шагового двигателя.

 

С увеличением частоты управляющих импульсов величина максимального момента падает, что объясняется действием демпфирующего момента (вызванного перечисленными выше потерями), и ЭДС самоиндукции становится соизмеримой с напряжением источника питания.

Приемистость- это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления (рис. 3.25, где по оси абсцисс откладывается момент сопротивления типа трения).

 

 

Рис.3.25. Предельная динамическая характеристика шагового двигателя.

 

Приемлемость падает с увеличением нагрузки.

.