Принцип действия и виды синхронных двигателей.

Синхронные двигатели СД небольшой мощности применяются в системах автоматики. Поскольку в синхронных двигателях частота вращения жестко связана с частотой питания, такие двигатели применяются либо в системах, требующих строго постоянной частоты вращения, либо при частотном управлении скоростью.

В цифровых системах автоматики находят широкое применение шаговые двигатели, в обмотки статора которых поступают импульсы тока и при поступлении каждого импульсов происходит поворот ротора на определенный угол - двигатель совершает шаг. К группе синхронных двигателей можно отнести также двигатели, частота питания которых зависит от частоты вращения - это так называемые вентильные двигатели.

Статор синхронной машины выполнен аналогично статору асинхронной машины. На нем расположена -фазная (обычно трехфазная) обмотка.. Она создают вращающееся магнитное поле. У синхронной машины может быть ротор различного типа. В любом случае ротор СД создает постоянный по величине вектор магнитного потока, направление которого меняется в зависимости от положения ротора. Взаимодействие полей ротора и статор создает вращающий момент двигателя. Наибольший момент возникает тогда, когда угол между векторами полей ротора и статора близок к нулю. Ротор вращается синхронно с полем статора, поэтому двигатель называется синхронным.

n_р = n_с= (60f)/p                              (3.12)

где f – частота напряжения статора, а p – число пар полюсов.

1. У СД с обмоткой на роторе ротор состоит из сердечника с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения через контактные кольца подключается к источнику постоянного тока. Ток обмотки возбуждения создает магнитное поле, намагничивающее ротор. Роторы таких машин могут быть явнополюсными (с явновыраженными полюсами) и неявнополюсными (с неявновыраженными полюсами). Электромагнитная схема синхронной машины имеет вид (рис. 90):

Рис. 90. Электромагнитная схема СД (а), схема ее включения (б), характеристика (с).

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.

2. Синхронный двигатель, на роторе которого отсутствует обмотка возбуждения, называется синхронным реактивным двигателем. Ротор синхронного реактивного двигателя изготавливается из ферромагнитного материала и должен иметь явно выраженные полюсы. Рис. 91.

Рис. 91. Роторы синхронных реактивных микродвигателей

Вращающееся магнитное поле статора намагничивает ротор. Явнополюсный ротор имеет неодинаковые магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям полюса. Силовые линии магнитного поля статора изгибаются, стремясь пройти по пути с меньшим магнитным сопротивлением. Деформация магнитного поля вызовет, вследствие упругих свойств силовых линий, реактивный момент, вращающий ротор синхронно с полем статора. Если к вращающемуся ротору приложить тормозной момент, ось магнитного поля ротора повернется на угол θ относительно оси магнитного поля статора. С увеличением нагрузки этот угол возрастает. Если нагрузка превысит некоторое допустимое значение, двигатель остановится, выпадет из синхронизма. Рис 92..

Электромагнитный момент синхронного реактивного двигателя без учета активного сопротивления статора r₁ 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

Рис. 92. Принцип действия синхронного реактивного двигателя.

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.

3. СД постоянными магнитами. По способу пуска эти двигатели делятся: на самозапускающиеся двигатели и двигатели с асинхронным пуском. Самозапускающиеся двигатели выполняются на небольшие мощности (обычно доли ватта) и низкие частоты вращения (не более 400 об/мин). Они рассчитываются на работу от однофазной сети переменного тока. Их магнитное поле либо пульсирует, либо имеет резко выраженный эллиптический характер. Пуск этих двигателей происходит за полпериода изменения тока за счет всегда существующего в синхронных двигателях пульсирующего момента. Нагрузка должна быть малоинерционной. В противном случае они пускаются в холостую а затем нагружаются. Для пуска используются различные устройства, обеспечивающие вращение двигателя в заданном направлении, например . клювообразные полюса статора -. КПД таких двигателей невелик – 3÷5 % и менее.

Синхронные микродвигатели с асинхронным пуском имеют на роторе короткозамкнутую обмотку типа "беличьей клетки", которая выполняется в полюсных наконечниках. Эта обмотка во время пуска участвует в создании асинхронного момента и разгоняет двигатель до скорости, близкой к синхронной. В синхронном режиме она демпфирует колебания ротора при резких изменениях нагрузки.

4. Пуск и вход в синхронизм СД.

Недостатком СД является то, что управление скоростью возможно только через изменение частоты вращения поля, а следовательно, частоты питающего напряжения. Недостатком СД является то, что двигатель должен войти в синхронизм, недостатком является также малый пусковой момент, поэтому, чтобы запустить двигатель, необходимы дополнительные меры. У синхронных двигателей отсутствует пусковой момент. Это объясняется тем, что электромагнитный вращающий момент, воздействующий на неподвижный ротор, меняет свое направление два раза за период Т переменного тока. Из-за своей инерционности, ротор не успевает тронуться с места и развить необходимое число оборотов.

Подавляющее большинство синхронных микродвигателей пускается как асинхронные, для чего они или снабжаются пусковой обмоткой или используется схема включения СД с асинхронным запуском. Рис. 93.

Здесь, на роторе находится обмотка, которая в момент запуска замыкается либо накоротко, либо на внешнее сопротивление. В этом случае двигатель ведет себя как асинхронный и у него есть значительный пусковой момент. Когда ротор разгоняется до скорости, близкой к скорости поля, ключ переключается в другое положение и на ротор подается постоянное напряжение. Такой СД при пуске асинхронно разгоняется до 90-95% от скорости поля, затем входит в синхронизацию и далее ведет себя, как синхронный. Есть другая модификация, у которой на роторе есть дополнительная короткозамкнутая обмотка, например, беличья клетка. Эти обмотки работают лишь при запуске. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения поля, и двигатель вращается с синхронной скоростью, короткозамкнутая обмотка не перемещается относительно поля, вихревые токи в ней не индуктируются, асинхронный пусковой момент становится равным нулю

Рис. 93. Схема включения СД с асинхронным запуском.

Здесь, на роторе находится обмотка, которая в момент запуска замыкается либо накоротко, либо на внешнее сопротивление. В этом случае двигатель ведет себя как асинхронный и у него есть значительный пусковой момент. Когда ротор разгоняется до скорости, близкой к скорости поля, ключ переключается в другое положение и на ротор подается постоянное напряжение. Такой СД при пуске асинхронно разгоняется до 90-95% от скорости поля, затем входит в синхронизацию и далее ведет себя, как синхронный. Есть другая модификация, у которой на роторе есть дополнительная короткозамкнутая обмотка, например, беличья клетка. Эти обмотки работают лишь при запуске. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения поля, и двигатель вращается с синхронной скоростью, короткозамкнутая обмотка не перемещается относительно поля, вихревые токи в ней не индуктируются, асинхронный пусковой момент становится равным нулю.

Процесс входа в синхронизм является сложным и ответственным моментом в работе синхронных микродвигателей. Ротор, достигший скорости близкой к синхронной должен за счет взаимодействия полей статора и ротора (в двигателе с постоянными магнитами) или упругих свойств линий поля (в синхронном реактивном двигателе) скачком втянуться в синхронизм. Поэтому момент входа в синхронизм в сильной степени зависит от момента инерции ротора и момента нагрузки.