Параллельная работа синхронных генераторов с сетью (стр. 6 )

Наиболее широкое распространение получили СРД с асинх­ронным пуском. Для этого на их роторе предусмотрена пусковая короткозамкнутая обмотка, как и в обычных синхронных двига­телях. Статор СРД конструктивно не отличается от статора асин­хронного двигателя.

Рис. 17.1. Схема простого явнополюсного ротора четырехполюсного СРД:

1 – большие пазы

Конструкции ротора реактивных двигателей весьма разнооб­разны. До недавнего времени в основном применялся простой явнополюсный ротор, поперечный разрез которого показан на рис. 17.1. Явно выраженные полюсы в таком роторе получают вы­рубкой больших пазов 1 в межполюсном пространстве, а пуско­вую короткозамкнутую клетку — заливкой алюминием всех пазов (на рисунке они заштрихованы).

Наилучшее сочетание пусковых и рабочих свойств в таком Двигателе обеспечивает коэффициент полюсного перекрытиия αр= bр/τ = 0,5…0,6 при относительной высоте полюса hр/δ= 10…12. Однако даже при такой оптимальной геометрии ротора перегру­зочная способность этих СРД составляет всего 1,2…1,5 при крат­ности пускового тока ki = 5…7, а мощность — около 40 % мощно­сти асинхронного двигателя при равных габаритных размерах и суммарных потерях.

Рис. 17.2. Схемы усовершенствованных роторов четырехполюсного СРД:

а – с вутренними пазами; б – секционированный; 1 – дополнительные внутренние пазы

В настоящее время применяются усовершенствованные рото­ры СРД, в частности, с дополнительными внутренними пазами (рис. 17.2, a) и секционированные (рис. 17.2, б). Из рисунка вид­но, что у этих роторов существенно возрастает магнитное сопро­тивление потоку по поперечной оси, которое обеспечивает гораз­до большую разницу между индуктивными сопротивлениями хd и хq без ухудшения пусковых свойств двигателя. Синхронные реак­тивные двигатели с такими роторами по своим энергетическим и массогабаритным показателям приближаются к асинхронным дви­гателям.

17.2. Синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов

Существуют синхронные двигатели, в которых для создания потока возбуждения вместо обмотки возбуждения применяют по­стоянные магниты, размещенные на роторе. В результате отпадает необходимость в контактных кольцах и машина становится бес­контактной. Синхронные машины с возбуждением от постоянных магнитов широко используются как в качестве генераторов, так и в качестве двигателей.

Преимуществами машин с возбуждением от постоянных маг­нитов являются простота конструкции, обусловленная отсутстви­ем скользящих контактов и обмотки возбуждения, а также высо­кий КПД, обеспечиваемый благодаря отсутствию потерь на возбуждение и трение в скользящих контактах. Кроме того, такие машины не нуждаются в источнике постоянного тока для созда­ния потока возбуждения.

Одним из главных показателей, используемых при проектиро­вании данных машин, является степень возбужденности ε, равная отношению ЭДС холостого хода к напряжению сети:

ε = E10/U1.

Синхронные генераторы с постоянными магнитами рассчита­ны на мощности, не превышающие нескольких десятков киловатт. Широкое распространение получили синхронные микродви­гатели с возбуждением от постоянных магнитов и асинхронным пуском (СДПМ). Конструкция статоров таких машин аналогична конструкции статоров обычных машин переменного тока. При этом СДПМ подразделяют на два вида: с радиальным и аксиальным расположением на роторе постоянных магнитов и пусковой короткозамкнутой обмотки.

Рис. 17.3. Конструкция роторов СДПМ с радиальным расположением постоянных магнитов и пусковой обмоткой: а – со звездообразным магнитом; б – с мостиком насыщения; 1 – магнит; 2 – пазы; 3 – полюсные наконечники; 4 – мостики насыщения.

В СДПМ первого вида (рис. 17.3) магнит 1 имеет форму звездочки, на которую напрессовывают стальной кольцевой пакет с пазами 2 для стержней короткозамкнутой обмотки. В отличие от двигателей с электромагнитным возбуждением расстояние между соседними полюсными наконечниками 3 очень мало и представляет собой междуполюсные прорези (см. рис. 17.3, а), что обеспечивает увеличение магнитной проводимости рассеяния между полюсами ротора и предохраняет магниты от размагничивания при больших МДС обмотки якоря. Короткозамкнутая обмотка при та­кой конструкции ротора выполняется из меди и защищает постоянные магниты от размагничивания при пусках. Модификацией этой конструкции является ротор с насыщающимися мостиками 4 (см. рис, 17.3, б).

Рис. 17.4. Конструкция роторов СДПМ с аксиальным расположением постоянных магнитов и пусковой обмоткой: а – с одним торцевым магнитом; б – с двумя торцевыми магнитами; в – с двумя пусковыми клетками; 1 – постоянный магнит; 2 – пусковая клетка

В СДПМ второго вида (рис. 17.4) постоянные магниты 1 и пус­ковая клетка 2 располагаются вдоль вала ротора. При этом СДПМ имеет меньший диаметр по сравнению с радиальным расположе­нием магнитов и пусковой обмотки. Достоинством аксиальной конструкции является ее технологичность, поскольку пусковая обмотка может выполняться литой, как в асинхронных двигате­лях, а не сварной, как в радиальных СДПМ.

Пуск СДПМ осуществляется непосредственным включением обмотки статора (якоря) в сеть. В отличие от обычных синхронных двигателей, которые во время пуска развозбуждены (см. подразд. 16.4), пуск СДПМ происходит при наличии потока возбуждения от постоянных магнитов. Этот поток в процессе пуска наводит в обмотке якоря ЭДС Е1в, изменяющуюся с частотой f1в=f1(1 - s). Под действием этой ЭДС по обмотке якоря начинает протекать ток I1в, имеющий частоту f1в, отличную от частоты сети f1. Сеть в этом режиме является источником ЭДС, т. е. имеет нулевое внут­реннее сопротивление.

Таким образом, можно считать, что в пусковом режиме СДПМ как бы суммируются два режима:

асинхронный двигательный режим невозбужденной синхрон­ной машины, питающейся от сети с напряжением U1 и частотой f1. В этом режиме в результате взаимодействия потока статора и то­ков пусковой обмотки развивается асинхронный момент MU;

генераторный (тормозной) режим возбужденной синхронной машины при переменной скорости вращения и сопротивлении нагрузки, равной нулю (сеть). В этом режиме в результате взаимо­действия потока возбуждения ротора с токами I1в статора разви­вается тормозной момент Мв.

Следовательно, результирующий момент СДПМ в асинхрон­ном режиме

Мас= MU + Мв. (17.2)

Рис. 17.5. Механическая характеристи­ка СДПМ в пусковом режиме

Механическая характеристи­ка СДПМ в процессе пуска представлена на рис. 17.5. Из это­го рисунка видно, что пусковые свойства двигателя определяют­ся не только соотношением, но и характером изменения двига­тельного и тормозного момен­тов. Тормозной момент обуслов­ливает провал в пусковой харак­теристике и снижает крутизну результирующего момента Мас при скоростях, близких к синх­ронной. С одной стороны, для уменьшения провала момента, увеличения минимального пускового момента Мас min и обеспече­ния надежного пуска следует уменьшать тормозной момент МВ по­средством уменьшения степени возбужденности двигателя ε.

С другой стороны, уменьшение степени возбужденности при­водит к уменьшению максимального момента и перегрузочной способности СДПМ.

Таким образом, задача выбора степени возбужденности явля­ется комплексной и решается в процессе оптимизации характе­ристик двигателя.

17.3. Гистерезисные двигатели

Статор гистерезисных двигателей имеет такую же конструкцию, как статор машин переменного тока обычного исполнения. В пазах статора 1 размещается трехфазная или двухфазная обмотка 2, созда­ющая вращающееся магнитное поде (рис. 17.6). Ротор двигателей состоит из двух частей: насаженной на вал 6 магнитной или немагнитной втулки 5 и закрепленного на ней с помощью запорного кольца 4 сплошного или шихтованного кольца 3, которое выполнено из магнитотвердого материала, имеющего широкую петлю гистерезиса (обычно из сплава викаллой).

Рис. 17.6. Активная часть гистерезисного двигателя: 1 – статор; 2 – обмотка; 3,4 – кольца; 5 – втулка; 6 – вал

Гистерезисный двигатель может работать как в синхронном, так в асинхронном режиме. В асинхронном режиме его вращающий момент образуется в результате перемагничивания ротора и вклю-чает в себя две составляющие: асинхронный момент Мас, образую­щийся от вихревых токов, наводимых в кольце 3 полем статора, и гистерезисный момент Мг возникающий вследствие перемагничивания гистерезисного слоя ротора во вращающемся поле статора:

М= Мас + Мг.

Асинхронный момент Мас из-за большого активного сопро­тивления магнитотвердого материала достигает максимума при критических скольжениях sкр > 1, чем и отличается от момента обычного асинхронного двигателя.

Рис. 17.7. Схема образования гистерезисного момента

Вследствие магнитного (гистерезисного) запаздывания ось на­веденных полем статора полюсов ротора отстает от оси полюсов статора на угол θ (рис. 17.7). В результате возникает взаимодей­ствие между указанными полями и появляется тангенциальная сила Ft создающая гистерезистый момент Мг. Поскольку угол θ для гистерезисного двигателя определяется только свойствами ма­териала ротора, сила Ft и созданный ею момент Мг не зависят от частоты вращения ротора.

Рис. 17.8. Механическая характеристика гистерезисного двигателя в асинхронном режиме

На рис. 17.8 показана механиче­ская характеристика гистерезисного двигателя в асинхронном режиме, который используется главным об­разом при пуске. Из рисунка видно, что гистерезисные двигатели облада­ют большим пусковым моментом, и это является их главным преимуще­ством.

В синхронном режиме ротор дви­гателя не перемагничивается и поте­ри на гистерезис в нем отсутствуют. Чем шире петля гистерезиса материла, из которого изготовлен ротор, и больше его объем, тем больше создаваемый остаточный магнитный поток, а следовательно, больше вращающий момент Мг , развиваемый двигателем.

17.4. Шаговые двигатели

Шаговые двигатели (ШД) относятся к управляемым синхронным машинам, широко применяемым в системах автоматизированного электропривода. Это машины малой мощности, преобра­зующие импульсные электрические сигналы в пропорциональные числу этих сигналов дискретные (скачкообразные) угловые или линейные фиксированные перемещения (шаги) ротора.

Рис. 17.9. Функциональная схема шагового двигателя

Функциональная схема ШД, представленная на рис. 17.9, состоит из формирователя импульсов (ФИ), распределителя импуль­сов (РИ) и усилителя мощности (УМ), входящих в блок управления (БУ), и самого шагового двигателя. Блок управления преоб­разует входной сигнал Uвх в многофазную систему напряжений, питающих обмотки ШД. Формирователь импульсов преобразует входные импульсы произвольной формы в прямоугольные импульсы необходимой длительности. Распределитель импульсов преобразует сформированные импульсы в многофазную систему напряжений, подаваемых после усиления на обмотки ШД. Элект­рическая энергия поступает в блок управления от постороннего источника Uист постоянного тока. По своему функциональному назначению блок управления является статическим преобразователем частоты.

В большинстве случаев ШД выполняются многофазными и многополюсными без пусковой обмотки на роторе. Роторы шаговых двигателей, имеющие явнополюсное исполнение, могут быть как активными (с обмоткой возбуждения или постоянными магнитами), так и пассивными (невозбужденными). На статоре шагового двигателя расположены одна или несколько обмоток управ-ления, которые могут быть сосредоточенными или распределен­ными. Питание этих обмоток осуществляется в определенной последовательности блоком управления.

Существуют разнообразные шаговые двигатели, принцип работы которых рассмотрим на примере реактивного (с пассивным ротором) шагового двигателя с сосредоточенной обмоткой на статоре (рис. 17.10). На статоре этого двигателя расположены три обмотки 1—3, каждая из которых состоит из двух катушек, размещенных на диаметрально противоположных зубцах (полюсах) статора. Ротор в рассматриваемом двигателе имеет два зубца (полюса), выполненных из магнитомягкого ма­териала.