Синхронные машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Синхронные машины используют главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока; их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на передвижных электростанциях и транспортных установках (тепловозах, автомобилях, самолетах). Синхронные машины широко используют и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для привода насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работающих при постоянной частоте вращения.

В электробытовых приборах (магнитофонах, проигрывателях, киноаппаратуре) и системах управления широко применяются различные синхронные микромашины--с постоянными магнитами, индукторные, реактивные, гистерезисные, шаговые.

Рис. 10-1 Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б)

Принцип действия. Статор 1 синхронной машины (рис.10-1,а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, питаемую от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6 (рис.10-1,б). При вращении ротора 2 с некоторой частотой п₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную ЭДС Е, изменяющуюся с частотой

f₁=pn₂/60. (10-1)

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то проходящий по этой обмотке многофазный ток 1_а создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

n₁ = 60f₁/p. (10-2)

Из (10-1) и (10-2) следует, что п₁=п₂, т.е. что ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Поэтому рассматриваемую машину называют синхронной. Результирующий магнитный поток Ф_рез синхронной машины создается совместным действием МДС обмотки возбуждения и обмотки статора, и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуцируется ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, -- индуктором. Следовательно, в приведенной машине (рис.10-1) статор является якорем, а ротор -- индуктором. Для принципа действия и теории работы машины не имеет значения -- вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой. Такую машину называют обращенной. Обращенные машины имеют сравнительно небольшую мощность.

При подключении обмотки статора к сети с напряжением U и частотой I₁ проходящий по обмотке ток создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (10-2). В результате взаимодействия этого поля с током I_в, проходящим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме -- тормозным. В рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной обычно на роторе. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой вращения п₁=п₂ независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Таким образом, для установившихся режимов работы синхронной машины характерны следующие особенности:

а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т. е. п₂ = п₁;

б) частота изменения ЭДС E, индуцируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения poтopa;

в) в установившемся режиме ЭДС в обмотке возбуждения не индyциpyeтcя; МДС этой обмотки определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы машины.

2. УСТРОЙСТВО СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем (рис.10-2,а). Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3..2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Синхронные машины небольшой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вращающимся якорем. В обращенной синхронной машине с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис.10-2,б) нагрузка подключается к обмотке посредством трех колец.

Рис. 10-2 Конструктивная схема синхронной машины с неподвижным (а) и вращающимся (б) якорем: 1 -- якорь; 2 --обмотка якоря; 3 -- полюсы индуктора; 4 -- обмотка возбуждения

Питание обмотки возбуждения. В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения.

При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис.10-3,а), либо отдельный вспомогательный генератор, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем. При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляемый выпрямитель -- обычно полупроводниковый (рис.10-3,б). Мощность, необходимая для возбуждения, сравнительно невелика и составляет 0,3...3% от мощности синхронной машины.

Рис. 10-3 Схемы возбуждения синхронной машины: 1 -- обмотка якоря; 2 -- ротор генератора; 3 -- обмотка возбуждения; 4 -- кольца; 5 -- щетки; 6 -- регулятор напряжения; 7--возбудитель; 8 -- выпрямитель; 9--обмотка якоря возбудителя; 10 -- ротор возбудителя; 11 -- обмотка возбуждения возбудителя; 12 -- подвозбудитель; 13 -- обмотка возбуждения подвозбудителя

В мощных генераторах кроме возбудителя обычно применяют подвозбудителъ -- небольшой генератор постоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя. Основным возбудителем в этом случае может служить синхронный генератор совместно с полупроводниковым выпрямителем. Регулирование тока возбуждения I_в осуществляется автоматически специальными регуляторами возбуждения, однако в машинах небольшой мощности применяется регулировка и вручную реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения.

В современных синхронных генераторах применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения (рис.10-3, в). При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя, снабженного регулятором напряжения.

При самовозбуждении ротор синхронной машины может вращаться синхронно с магнитным полем статора (синхронное возбуждение) или асинхронно с ним (асинхронное возбуждение).

3. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

При нагрузке обмотки якоря синхронной машины током она создает собственное магнитное поле, которое называется полем реакции якоря.

Реакция якоря синхронной машины оказывает весьма значительное влияние на характеристики и поведение синхронной машины как при установившихся, так и при переходных режимах работы.

Продольная и поперечная реакции якоря. Рассмотрим действие реакции якоря двухполюсной машины, работающей в режиме генератора, при установившемся режиме. На рис.10-4 каждая фаза обмотки изображена в виде одного витка с полным шагом (A-X, B-Y, C-Z), буквами N, S указана полярность поля возбуждения, а магнитные линии этого поля не показаны.

Рис. 10-4 Поперечная (а), продольная размагничивающая (б) и продольная намагничивающая (в) реакция якоря синхронной машины

Когда угол сдвига фаз ш между током якоря и ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря током или полем возбуждения, равен нулю (рис. 10-4,а), ротор вращается с угловой скоростью

,

и при положении ротора, изображенном на рис.10-4,а, ЭДС фазы А максимальна. Так как ш=0, то ток этой фазы также максимален и

i_a=I_m; i_b=i_c=-I_m.

Направления токов i_a, i_b, i_c нетрудно установить по правилу правой руки, и они указаны на рисунке крестиками и точками. При этих направлениях токов магнитные линии поля реакции якоря направлены, как показано на рис.10-4,а, поперек оси d. следовательно, поток реакции якоря Ф_а действует по поперечной оси. Такой характер поля реакции якоря при ш=0 сохраняется при любом положении вращающегося ротора, так как ротор и поле реакции якоря вращаются синхронно.

Следовательно, при ш=0 реакция якоря синхронной машины является чисто поперечной.

Поперечная реакция якоря вызывает искажение кривой поля в воздушном зазоре, как и в машинах постоянного тока, и вращающееся поле поперечной реакции индуктирует ЭДС в обмотке якоря.

Если ток отстает от ЭДС на ш=90⁰, то максимум тока в фазе А наступает по сравнению с предыдущем случаем, на четверть периода позднее, когда ротор повернется по часовой стрелке (рис. 10-4, б). Здесь токи фаз имеют такие же значения, как и на рис. 10-4, а, вследствие чего и ориентация магнитного потока якоря в пространстве является такой же.

Следовательно, при отстающем токе и ш=90⁰ реакция якоря действует по продольной оси и является по отношению к полю возбуждения чисто размагничивающей (продольная размагничивающая реакция якоря).

Если ток опережает ЭДС на ш=-90⁰, то максимум тока в фазе А наступает по сравнению со случаем на рис.10-4, а на четверть периода раньше и в этот момент времени ротор занимает по сравнению с первым случаем положение, повернутое на 90⁰ против направления вращения (рис.10-4,в). Токи фаз имеют такие же значения, как и ранее.

Следовательно, при опережающем токе и ш=-90⁰ реакция якоря также действует по продольной оси, но является по отношению к полю возбуждения чисто намагничивающей, т.е. она увеличивает поток по продольной оси машины (продольная намагничивающая реакция якоря).

В связи с изменением результирующего сопротивления воздушного зазора при различных режимах синхронной машины при анализе ее работы используют так называемый метод двух реакций. Согласно этому методу, МДС якоря F_a в общем случае представляют в виде суммы двух составляющих--продольной F_aq = F_asinш и поперечной F_aq = F_acosш, причем В соответствии с принятым методом ток якоря I_а, создающий МДС F_a, также представляют в виде двух составляющих -- продольной I_d и поперечной I_q

4. СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР. ВНЕШНИЕ И РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Основными характеристиками, определяющими свойства синхронного генератора, являются внешние и регулировочные.

Внешние характеристики. Зависимости напряжения U от тока нагрузки 1_а при неизменных токе возбуждения I_в, угле и частоте f_х (постоянной частоте вращения ротора п₂) называют внешними характеристиками генератора.

Рис. 10-5 Внешние характеристики синхронного генератора при различных видах нагрузки

На рис.10-5,а изображены внешние характеристики генератора при различных видах нагрузки, полученные при одинаковом для всех характеристик U_HOM. Однако для этого требуется устанавливать различные токи возбуждения, вследствие чего генератор будет иметь различные ЭДС (напряжения при холостом ходе). Если устанавливать одинаковое напряжение при холостом ходе U₀ = E₀ (рис.10-5,б), то при номинальном токе напряжения U_ном будут различными. При U=0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока I_к.

При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки изменение напряжения (%) характеризуется величиной

Обычно генераторы работают с cos ц = 0,9...0,85 при отстающем токе. В этом случае Дu = 25...35%.

Регулировочные характеристики. Зависимости тока возбуждения I_в от тока нагрузки 1_a при неизменных напряжении U, угле ц и частоте f_x называют регулировочными характеристиками (рис.10-6). Они показывают, как надо изменять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать его напряжение неизменным при изменении тока нагрузки. Очевидно, что с возрастанием нагрузки при ц>0 необходимо увеличивать ток возбуждения, а при ц<0--уменьшать его. Чем больше угол ц по абсолютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения.

Рис. 10-6 Регулировочные характеристики синхронного генератора при различных видах нагрузки

синхронный машина генератор нагрузка

Характеристики холостого хода и короткого замыкания. При опыте холостого хода определяют характеристику холостого хода E₀=f(l_B) при номинальной частоте вращения машины, изменяя ток возбуждения I_в.

При опыте короткого замыкания обмотки фазы якоря замыкают накоротко через амперметры, после этого ротор приводят во вращение с номинальной частотой и снимают характеристику короткого замыкания, т. е. зависимость тока якоря от тока возбуждения I_а=f(I_в). Эта характеристика (рис.10-7,а) имеет линейный характер, так как при R_a0 сопротивление цепи якоря является чисто индуктивным и ток к. з. I_K = I_d (рис.10-7,б) создает поток реакции якоря, размагничивающий машину. В результате магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной, т. е. ЭДС E₀ и ток I_к изменяются пропорционально току возбуждения I_в.

Можно определить синхронное индуктивное сопротивление машины по продольной оси как X_d = E₀/I_K, где ЭДС E_о и ток I_к должны быть взяты при одном и том же значении тока возбуждения (рис.10-7,а). Для прямолинейного участка характеристики холостого хода не имеет значения, при каком токе возбуждения определяется X_d, так как во всех случаях X_d = const. Это же значение сопротивления X_d получим при определении Е_о по спрямленной характеристике холостого хода Оа, соответствующей ненасыщенной машине.

Рис. 10-7 Характеристика холостого хода и короткого замыкания (а) и векторная диаграмма явнополюсной машины при коротком замыкании (б)

Если известны коэффициенты приведения k_d и k_q, то по значению X_d можно определить синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси X_q = (k_q/k_d)X_d. В неявнополюсных машинах X_d -- X_q = Х_сн, т.е. X_сн = E₀I_к. Если выразить синхронные индуктивные сопротивления в относительных единицах, то

(10-3)

где I_аном и U_ном -- номинальные значения фазных тока и напряжения.

В современных синхронных явнополюсных машинах средней и большой мощности X_d* = 0,6... 1,6, а X_q* =0,4...1. Сопротивление X_d, определяется в основном реакцией якоря. Сопротивления, выраженные в относительных единицах, характеризуют параметры машины, показывая относительную (относительно номинального напряжения) величину падения напряжения при номинальном токе. Кроме того, эти величины позволяют сравнивать свойства генераторов различной мощности.

Отношение короткого замыкания. Иногда в паспорте машины указывают величину, называемую отношением короткого замыкания. Это отношение установившегося тока короткого замыкания I_к0 при токе возбуждения, который при холостом ходе и n=n_ном дает Е=U_ном, к номинальному току якоря:

ОКЗ=,

здесь I_к0=U_ном/X_d, где X_d- насыщенное значение продольного синхронного сопротивления при Е=U_ном.

На основании выражений (10-3)

ОКЗ=,

т.е. ОКЗ равно обратному значению X_d*. У многих машин X_d*>1, и тогда ОКЗ<1, т.е. ток короткого замыкания в указанных условиях меньше номинального. Отсюда можно сделать вывод, что установившийся ток короткого замыкания синхронных генераторов вообще относительно не очень велик.

Величина ОКЗ определяет предельную величину нагрузки, которую способен нести генератор при установившемся режиме работы, причем, чем больше ОКЗ, тем больше предельная нагрузка. Поэтому ОКЗ является важным параметром синхронных машин.

Величина ОКЗ тем больше, чем больше величина зазора между статором и ротором. Поэтому машины с большим ОКЗ дороже.

5. ВЫПАДЕНИЕ ИЗ СИНХРОНИЗМА И СТАТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ

Под статической устойчивостью синхронной машины, работающей параллельно с сетью, понимают ее способность сохранять синхронное вращение (т. е. условие п₂ ⁼ п₁) при изменении внешнего вращающего или тормозного момента М_вн, приложенного к ее валу. Статическая устойчивость обеспечивается только при углах и < р/2. Угол и между векторами напряжения и ЭДС называют углом нагрузки. При работе синхронной машины в генераторном режиме напряжение U всегда отстает от ЭДС Е_о, в этом случае угол и считается положительным. Чем больше нагрузка генератора (отдаваемая им мощность), тем больше угол и.

В практике эксплуатации синхронных машин бывают случаи, когда отдельные машины выпадают из синхронизма и их роторы начинают вращаться относительно поля якоря (статора) асинхронно, с некоторым скольжением s. Это случается вследствие перегрузки машин, значительного падения напряжения в сети и потери возбуждения в результате каких-либо неисправностей в системе возбуждения или ошибочного срабатывания автомата гашения поля, в результате чего равновесие моментов, действующих на вал ротора, нарушается, ротор продолжает ускоряться, а угол нагрузки и возрастать. Вследствие этого ротор по инерции проскакивает устойчивое положение, при этом происходит выпадение из синхронизма, т. е. ротор начинает вращаться с частотой, отличающейся от частоты вращения магнитного поля статора.

Выпадение из синхронизма -- аварийный режим, так как сопровождается прохождением по обмотке якоря больших токов. Это объясняется тем, что ЭДС генератора Е и напряжение сети U_c при указанном режиме могут складываться по контуру «генератор -- сеть», а не вычитаться, как при нормальной работе.

Синхронная машина работает устойчиво при выполнении условия dM/dи > 0, и неустойчиво, если dM/dи < 0; чем меньше угол нагрузки и, тем больший запас по устойчивости имеет машина.

Если машина работает в установившемся режиме при некотором угле и, то малое отклонение Ди от этого угла сопровождается возникновением момента

ДМ=(d/М/dи)Ди, (10-4)

который стремится восстановить исходный угол и. Этот момент называют синхронизирующим. Ему соответствует понятие синхронизирующей мощности.

Производные dM/dи и dP_3M/dи называют соответственно удельным синхронизирующим моментом и удельной синхронизирующей мощностью (иногда их называют коэффициентами синхронизирующего момента и синхронизирующей мощности).

Статическая перегружаемостъ синхронной машины оценивается отношением

6. СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Синхронная машина, работающая параллельно с сетью, автоматически переходит в двигательный режим, если к валу ротора приложен тормозной момент. При этом машина начинает потреблять из сети активную мощность и возникает электромагнитный вращающий момент. Частота вращения ротора остается неизменной, жестко связанной с частотой сети по соотношению n₂ = n₁ = 6Of_l/p, что является важнейшим эксплуатационным свойством синхронных двигателей.

Достоинства и недостатки синхронного двигателя в сравнении с асинхронным. Синхронные двигатели имеют следующие достоинства:

а) к сокращению размеров двигателя, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности;

б) меньшую чувствительность к колебаниям напряжения, так как их максимальный момент пропорционален напряжению в первой степени (а не квадрату напряжения);

в) строгое постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.

Недостатки синхронных двигателей:

а) сложность конструкции;

б) сравнительная сложность пуска в ход;

в) трудности с регулированием частоты вращения, которое возможно только путем изменения частоты питающего напряжения.

Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели, при ограниченных мощностях до 100 кВт. Однако при более высоких мощностях, когда важно иметь уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных.

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т. е. средний момент за период равняется нулю. При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как его ротор, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

Метод асинхронного пуска. В настоящее время чаще всего применяют метод асинхронного пуска. При этом методе синхронный двигатель пускают как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка». При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током I_п в пусковой обмотке, создает электромагнитные силы F и увлекает за собой ротор. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

Рис. 10-8 Зависимость электромагнитного момента от скольжения при асинхронном пуске синхронного двигателя

В начальный момент пуска при s = 1 из-за большого числа витков обмотки возбуждения ЭДС Е_в может достигать весьма большого значения и вызвать пробой изоляции.

Главной причиной ухудшения пусковых характеристик является возникновение одноосного эффекта -- влияние тока, индуцируемого в обмотке возбуждения при пуске, на характеристику пускового момента.

Одноосный эффект. При асинхронном пуске двигателя в обмотке возбуждения индуцируется ЭДС с частотой f₂ =f₁s и по обмотке проходит переменный ток, создающий пульсирующее магнитное поле (обмотка возбуждения в этом случае является однофазной обмоткой переменного тока). Пульсирующее магнитное поле можно разложить на две составляющие: прямое и обратное вращающиеся магнитные поля ротора, которые характеризуются потоками Ф_пр и Ф_oбР.Частота вращения каждого из этих полей относительно ротора n_p=±60f₂/p=±60f_lslp=±n_ls.

Прямое поле вращается синхронно с полем статора n_р.пр -- n₁; образуемый этим полем с током статора электромагнитный момент М_пр изменяется в зависимости от скольжения так же, как и в трехфазном асинхронном двигателе (рис.10-8, кривая 2). Обратное поле ротора вращается относительно статора с частотой п_р.о6р = п₁ (1 -- 2s).

При частотах вращения ротора n₂<0,5n_l, т. е. при s>0,5, обратное поле перемещается относительно статора в сторону, противоположную направлению вращения ротора; при п₂ = 0,5п₁ это поле неподвижно относительно статора; при n₂>0,5 (т. е. при s<0,5) оно перемещается в ту же сторону, что и ротор.

В обмотке статора обратным полем индуцируется ЭДС с частотой f₁(1 --2л), для которого обмотка статора является короткозамкнутой. При этом по обмотке статора проходит соответствующий ток. Взаимодействуя с обратным полем ротора, этот ток создает электромагнитный момент М_обр. Так как направление момента зависит от направления вращения поля n_р.oбр относительно статора, то обратный момент является знакопеременным и изменение его направления происходит при s = 0,5 (рис.10-8, кривая 3).

Таким образом, ток, индуцируемый в обмотке возбуждения при пуске двигателя, создает электромагнитный момент, который при частоте вращения, меньшей 0,5n₁, является ускоряющим, а при большей частоте вращения -- тормозящим. Особенно резко проявляется действие обратного поля при n0,5n₁.

Наличие пусковой обмотки на роторе существенно уменьшает обратное магнитное поле и создаваемый им момент. Однако этот момент, складываясь с асинхронным моментом пусковой обмотки (кривая 7), создает в кривой результирующего пускового момента провал при частоте вращения, равной половине синхронной (кривая 4). Этот провал тем больше, чем больше ток в обмотке возбуждения. Очевидно, что включение гасящего сопротивления в цепь обмотки возбуждения на период пуска уменьшает ток в этой обмотке и улучшает форму кривой пускового момента.

Следует отметить, что если обмотку возбуждения при пуске не отключить от возбудителя, то по якорю возбудителя в период пуска проходит переменный ток, что может вызвать искрение щеток. Поэтому такую схему пуска применяют в случае небольшого нагрузочного момента -- не более 50% от номинального, при сравнительно небольшой мощности двигателя.

7. РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Частота вращения синхронного двигателя п₂ равна частоте вращающегося магнитного поля n_l=60f₁/p. Следовательно, ее можно регулировать путем изменения частоты питающего напряжения или числа полюсов 2р. Регулировать частоту вращения путем изменения числа полюсов в синхронном двигателе нецелесообразно, так как в отличие от асинхронного здесь требуется изменять число полюсов, как на статоре, так и на роторе, что приводит к значительному усложнению конструкции ротора. Поэтому практически используют лишь изменение частоты питающего напряжения.

Принципы регулирования. К синхронному двигателю применимы все основные положения теории частотного регулирования асинхронного двигателя, в том числе необходимость одновременного изменения как частоты, так и питающего напряжения. Однако в чистом виде частотное регулирование частоты вращения синхронных двигателей применяется только при очень малых мощностях, когда нагрузочные моменты невелики, а инерция приводного механизма мала. При больших мощностях такие условия имеются только в некоторых типах электроприводов, например в электроприводах вентиляторов.

Для синхронных двигателей, применяемых в электроприводах с большим моментом инерции приводного механизма, необходимо очень плавно изменять частоту питающего напряжения, чтобы двигатель не выпал из синхронизма. Особенно сложным является пуск в ход двигателя, когда начальная частота должна составлять доли герца, а затем постепенно повышаться до максимального значения. Для таких электроприводов наиболее пригоден метод частотного регулирования с самосинхронизацией, при котором двигатель в принципе не может выпасть из синхронизма.

Вентильный двигатель. Принцип частотного регулирования с самосинхронизацией заключается в том, что управление преобразователем частоты осуществляется от системы датчиков положения ротора, вследствие чего напряжение подается на каждую фазу двигателя при углах нагрузки и<90°. При таком регулировании автоматически обеспечиваются условия устойчивой работы двигателя и его перегрузочная способность определяется только перегрузочной способностью преобразователя частоты.

Синхронные двигатели, регулируемые путем изменения частоты с самосинхронизацией, называют вентильными двигателями; иногда их называют бесколлекторными двигателями постоянного тока. Однако первое название является более правильным, так как эти двигатели могут получить питание от сети как постоянного, так и переменного тока.

При питании вентильного двигателя от сети постоянного тока в преобразователе частоты должны применяться транзисторы или тиристоры с узлами принудительной коммутации. При питании вентильного двигателя от транзисторного преобразователя частоты, основанного на использовании автономного инвертора напряжения (рис. 10-9,а), преобразователь подключен к источнику постоянного тока и формирует трехфазное напряжение изменяющейся частоты, которое подается на фазы А, В и С обмотки якоря двигателя. К каждой фазе можно подвести положительное (транзисторами Т1, Т2 и ТЗ) и отрицательное (транзисторами Т4, Ф5 и Т6) напряжения.

Рис. 10-9 Схемы питания вентильного двигателя от транзисторного (а) и тиристорного (б) преобразователей частоты с инвертором напряжения

Если сначала пропускать ток через фазы А и В (открыты транзисторы Т1 и ТУ), затем -- через В и С (открыты транзисторы Т2 и Т6), потом -- через фазы С и А (открыты транзисторы ТЗ и Т4) и другие в указанной последовательности, то в машине создается вращающееся магнитное поле. При изменении частоты переключения транзисторов изменяется частота переменного напряжения, подаваемого на фазы обмотки якоря, а следовательно, и частота вращения ротора. Для замыкания реактивной составляющей тока якоря в преобразователе имеются диоды D1 -- D6, включенные параллельно транзисторам, но в обратном направлении.

В тиристорном преобразователе (рис. 10-9, б) переключение тока с одной фазы на другую требует применения в нем специальных коммутирующих узлов, так как тиристор является не полностью управляемым прибором. Для закрытия тиристора, включенного в цепь постоянного тока, необходимо кратковременно подать на него обратное напряжение определенного значения. В рассматриваемом преобразователе применены два узла принудительной (искусственной) коммутации -- по одному для всех тиристоров, присоединяемых соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника постоянного тока. Каждый узел состоит из контура L -- С и вспомогательных тиристоров Т11, Т12 и Т21 -- Т26.

Закрытие тиристоров Т1, Т2 и ТЗ, присоединенных к положительному полюсу, производится контуром L1 -- С1. При открытии вспомогательного тиристора Т11 конденсатор С1 заряжается через индуктивность L1 до двойного напряжения сети и запирает тиристор T11. Затем открываются вспомогательные тиристоры Т12, Т22 или Т23 и подают на тиристоры Т1, Т2 или ТЗ обратное (положительное) напряжение. При этом соответствующий тиристор запирается, а конденсатор С1 разряжается через нагрузку. Аналогично запираются тиристоры Т4, Т5 и Т6. Сначала открывается вспомогательный тиристор Т12 и через индуктивность L2 заряжает конденсатор С2. Затем открываются вспомогательные тиристоры Т24, Т25 или Т26 и присоединяются аноды тиристоров Т4, Т5 или Т6 к отрицательной обкладке конденсатора С2.

Напряжение, подаваемое к якорю вентильного двигателя от преобразователя частоты, является, так же как и при частотном регулировании асинхронного двигателя, несинусоидальным. Поэтому, чтобы уменьшить вредные воздействия высших гармонических напряжения, тока и потока, двигатель необходимо снабдить мощной демпферной обмоткой с малыми активными и индуктивными сопротивлениями. В этом случае высшие гармонические оказывают на синхронный двигатель сравнительно небольшое воздействие. При наличии такой обмотки режимы работы вентильного двигателя можно рассматривать с учетом только первых гармонических тока и напряжения.

Режим работы вентильного двигателя зависит не только от силы тока возбуждения и соотношения между напряжением и частотой. Большое значение имеют также моменты подачи напряжения на фазы двигателя и параметры преобразователя частоты.

При необходимости питания вентильного двигателя от сети трехфазного тока можно применять преобразователи частоты с непосредственной связью, т. е. без промежуточного выпрямителя. Преимущество таких преобразователей -- отсутствие узлов принудительной коммутации, так как тиристоры перестают проводить ток после изменения направления напряжения в соответствующей фазе А_с, В_с, С_с источника трехфазного тока. Однако достаточно хорошее приближение формы выходного напряжения к синусоиде и четкое прекращение тока (в необходимый момент) можно получить только в том случае, если источник трехфазного тока имеет частоту в 2...3 раза большую, чем выходная частота преобразователя.

Вентильные двигатели, как и асинхронные двигатели с частотным регулированием, являются весьма перспективными.

В настоящее время происходит быстрое совершенствование мощных тиристоров, интегральных схем и других полупроводниковых приборов, которое позволит обеспечить надежную работу преобразователя частоты.

8. ШАГОВЫЕ (ИМПУЛЬСНЫЕ) ДВИГАТЕЛИ

Шаговые двигатели питаются импульсами электрической энергии и под воздействием каждого импульса совершают угловое или линейное перемещение на некоторую, вполне определенную величину, называемую шагом. Эти двигатели применяются для автоматического управления и регулирования, например, в металлорежущих станках с программным управлением для подачи резца и т.д.

Рис. 10-10 Принцип устройства и работы шагового двигателя

На рис. 10-10 изображен простейший шаговый двигатель с тремя парами полюсов на статоре. При питании током обмотки полюсов индуктора 1-1 четырехполюсный ротор займет положение, показанное на рис. 10-10, а, а при питании полюсов 1-1 и 2-2 займет положение, показанное на рис. 10-10, б, отработав шаг 15⁰. Далее, при отключении обмотки 1-1 ротор повернется против часовой стрелки еще на 15⁰ (рис. 10-10, в) и т.д.

Уменьшение шага двигателя достигается увеличением числа полюсов или путем размещения на общем валу нескольких пар статоров и роторов, повернутых относительно друг друга на соответствующий угол. Вместо сосредоточенных обмоток (рис. 10-10) можно применять также распределенные обмотки. Существует целый ряд разновидностей шаговых двигателей вращательного (с шагом до 180⁰, до 1⁰ и менее) и поступательного движения. Предельная частота следования импульсов, при которой возможен пуск и остановка двигателя без потери шага и которая называется также приемистостью, составляет от 10 до 10000Гц.

Размещено на Allbest.ru