Схема подключения синхронного электродвигателя: Синхронный электродвигатель устройство и принцип действия — советы электрика

Содержание

Синхронный электродвигатель устройство и принцип действия - советы электрика

Принцип действия синхронного двигателя

Источник: https://electric-220.ru/news/princip_dejstvija_sinkhronnogo_dvigatelja/2013-12-05-465

Устройство и принцип работы электродвигателя

Электродвигатель – это электротехническое  устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Сегодня повсеместно применяются электромоторы в промышленности для привода различных станков и механизмов.

В домашнем хозяйстве они установлены в стиральной машине, холодильнике, соковыжималке, кухонном комбайне, вентиляторах, электробритвах и т. п. Электродвигатели приводят в движение, подключенные к ней устройства и механизмы.

В этой статье Я расскажу о самых распространенных видах и принципах работы электрических двигателей переменного тока, широко используемых в гараже, в домашнем хозяйстве или мастерской.

Как работает электродвигатель

Двигатель работает на основе эффекта, обнаруженного Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращение.

Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении  рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться.

В результате рамка повернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент.

На рисунке это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.

В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания  магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.

В быту же постоянные магниты используются в детских игрушках на батарейках.

В других же более мощных двигателях используются только электромагниты или обмотки. Вращающаяся часть с ними называется ротор, а неподвижная- статор.

Виды электродвигателей

Сегодня существуют довольно много электродвигателей разных конструкций и типов. Их можно разделить по типу электропитания:

  1. Переменного тока, работающие напрямую от электросети.
  2. Постоянного тока, которые работают от батареек, АКБ, блоков питания или других источников постоянного тока.

По принципу работы:

  1. Синхронные, в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
  2. Асинхронные, самый простой и распространенный вид мотора. В них нет щеток и обмоток на роторе.

Синхронный мотор вращается синхронно с магнитным полем, которое его вращает, а у асинхронного ротор вращается медленнее вращающегося магнитного поля в статоре .

Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателя

В корпусе асинхронного двигателя укладываются обмотки статора (для 380 Вольт их будет 3), которые создают вращающееся магнитное поле. Концы их для подключения выводятся на специальную клеммную колодку. Охлаждаются обмотки, благодаря вентилятору, установленному на вале в торце электродвигателя.

Ротор, являющиеся одним целым с валом, изготавливается из металлических стержней, которые замыкаются  между собой с обоих сторон, поэтому он и называется короткозамкнутым.
Благодаря такой конструкции отпадает необходимость в частом периодическом обслуживании и замене токоподающих щеток, многократно увеличивается надежность, долговечность и безотказность.

Как правило, основной причиной поломки асинхронного мотора является износ подшипников, в которых вращается вал.

Принцип работы. Для того что бы работал асинхронный двигатель необходимо, что бы ротор вращался медленнее электромагнитного поля статора, в результате чего наводится ЭДС (возникает электроток) в роторе.

Здесь важное условие, если бы ротор вращался с такой же скоростью как и магнитное поле, то в нем по закону электромагнитной индукции не наводилось бы ЭДС и, следовательно не было бы вращения.

Но в реальности, из-за трения подшипников или нагрузки на вал, ротор всегда будет вращаться медленнее.

Магнитные полюса постоянно вращаются в обмотках мотора, и постоянно меняется направление тока в роторе. В один момент времени, например направление токов в обмотках статора и ротора изображено схематично в виде крестиков (ток течет от нас) и точек (ток на нас). Вращающееся магнитное поле изображено изображено пунктиром.

Например, как работает циркулярная пила. Наибольшие обороты у нее без нагрузки. Но как только мы начинаем резать доску, скорость вращения уменьшается и одновременно с этим ротор начинает медленнее вращаться относительно электромагнитного поля и в нем по законам электротехники начинает наводится еще большей величины ЭДС.

Вырастает потребляемый ток мотором и он начинает работать на полной мощности. Если же нагрузка на вал будет столь велика, что его застопорит, то может возникнуть повреждение короткозамкнутого ротора из-за максимальной величины наводимой в нем ЭДС. Вот почему важно подбирать двигатель, подходящей мощности.

Если же взять большей, то неоправданными будут энергозатраты.

Скорость вращения ротора зависит от количества полюсов. При 2 полюсах скорость вращения будет равна скорости вращения магнитного поля, равного максимум 3000 оборотов в секунду при частоте сети 50 Гц. Что бы понизить скорость вдвое, необходимо увеличить количество полюсов в статоре до четырех.

Весомым недостатком асинхронных двигателей является то, что они подаются регулировке скорости вращения вала только при помощи изменения частоты электрического тока. А так не возможно добиться  постоянной частоты вращения вала.

Принцип работы и устройство синхронного электродвигателя переменного тока

Данный вид электродвигателя используется в быту там, где необходима постоянная скорость вращения, возможность ее регулировки, а так же если необходима скорость вращения более 3000 оборотов в минуту (это максимум для асинхронных).

Синхронные моторы устанавливаются в электроинструменте, пылесосе, стиральной машине и т. д.

В корпусе синхронного двигателя переменного тока расположены обмотки (3 на рисунке), которые также намотаны и на ротор или якорь (1). Их выводы припаяны к секторам токосъемного кольца или коллектора (5), на которые при помощи графитовых щеток (4) подается напряжение. При чем выводы расположены так, что щетки всегда подают напряжение только на одну пару.

Наиболее частыми поломками коллекторных двигателей является:

  1. Износ щетокили их плохой их контакт из-за ослабления прижимной пружины.
  2. Загрязнение коллектора.Чистите либо спиртом или нулевой наждачной бумагой.
  3. Износ подшипников.

Принцип работы. Вращающий момент в электромоторе создается в результате взаимодействия между током тока якоря и магнитным потоком в обмотке возбуждения. С изменением направления переменного тока будет меняться и направление магнитного потока одновременно в корпусе и якоре, благодаря чему вращение всегда будет в одну сторону.

Регулировка скорости вращения меняется методом изменения величины подаваемого напряжения. В дрелях и пылесосах для этого используется реостат или переменное сопротивление.

Изменение направления вращения происходит также как и у двигателей постоянного тока, о которых Я расскажу в следующей статье.

Источник: http://elektro-enot.ru/ustrojstvo-i-princip-raboty-elektrodvigatelya/

Принцип действия и устройство синхронного двигателя: преимущества, конструктивные особенности

Принцип действия синхронного двигателя выглядит практически так же, как и асинхронного. Однако у этого типа силовых установок имеются существенные отличия и особенности. И хоть доля асинхронных агрегатов в промышленности составляет 96% от общего количества электродвигателей, другие варианты, включая синхронный, тоже нашли своих потребителей.

В основном синхронные и асинхронные двигатели мало чем отличаются друг от друга. Ключевым отличием первых моделей является то, что вращение якоря осуществляется с такой же скоростью, как и вращение магнитного потока.

При этом внутри установки встроена проволочная обмотка, передающая переменное напряжение, а не короткозамкнутый ротор, как у асинхронных устройств.

Обратите внимание

Также отдельные конструкции оборудованы постоянными магнитами, но они существенно повышают стоимость двигателя.

При увеличении нагрузки скорость вращения ротора остается прежней. Именно такая особенность характеризует эту разновидность силовых установок. Ключевое требование к таким машинам выглядит следующим образом: количество полюсов у движущегося магнитного поля должно соответствовать числу полюсов электромагнита на роторе.

Конструкция синхронного устройства

Принцип работы и устройство синхронных машин остаются понятными даже для неопытных потребителей. К ключевым составляющим системы относят следующие узлы:

  1. Статор — представляет собой неподвижную часть установки, на которой расположено три обмотки. Они соединены по схеме «звезда» или «треугольник». В качестве материала для изготовления статора используются пластины из суперпрочной электротехнической стали.
  2. Ротор — подвижный элемент двигателя, оснащенный обмоткой. Во время работы установки эта обмотка пропускает определенное напряжение.

Между зафиксированной и подвижной частью системы находится небольшая воздушная прослойка, гарантирующая сбалансированную работу мотора и беспрепятственное воздействие магнитного поля на ключевые составляющие агрегата. Также в двигателе установлены подшипники, необходимые для вращения ротора, и клеммная коробка. Последняя находится в верхней части механизма.

Принцип работы

Изучая принцип работы синхронного двигателя, важно понимать, что, как и остальные разновидности силовых установок, они преобразуют один тип энергии в другой. Простыми словами, встроенные механизмы делают из электрической энергии механическую, а вся работа происходит по такому алгоритму:

  1. Сквозь обмотку на статоре пропускается переменное напряжение, в результате чего происходит образование магнитного поля.
  2. Затем аналогичное напряжение подается на роторные обмотки, что тоже создает магнитное поле. При наличии в конструкции постоянных магнитов такое поле имеется по умолчанию.
  3. При столкновении двух магнитных полей происходит их противодействие друг другу, т. е. одно толкает другое. Именно такой принцип вызывает передвижение ротора, помещенного на подшипники.

Устройство генераторов

Существует обратный вариант синхронных двигателей — синхронные генераторы. Они работают немного иначе:

  1. Обмотка неподвижного статора не пропускает напряжение. Наоборот, с нее оно снимается.
  2. Сквозь роторную обмотку подается переменное напряжение, при этом расход электрической энергии совсем небольшой.
  3. Движение генератора обусловлено дизельным или бензиновым двигателем. Также его может раскручивать сила воды или ветра.
  4. В статорной обмотке происходит индукция ЭДС, а на концах появляется разность потенциала. Это объясняется движущимся магнитным полем вокруг ротора.

В зависимости от конструктивных особенностей ротор может быть оборудован постоянными или электрическими магнитами или так называемыми полюсами. Что касается индукторов, то в синхронных установках они бывают:

  1. Явнополюсными.
  2. Неявнополюсными.

Отличаются эти типы друг от друга только взаимным расположением полюсов. Чтобы снизить сопротивление магнитного поля и улучшить проникновение тока, механизм оснащают сердечниками, которые выполнены из ферромагнетиков.

Сердечники находятся и в роторе, и в статоре, а для их изготовления задействуется исключительно электротехническая сталь.

Дело в том, что этот материал содержит в себе большое количество кремния, существенно снижающего вихревые токи и улучшающего электрическое сопротивление сердечника.

Запуск установки

При использовании синхронных двигателей возникает масса трудностей на этапе их запуска. Из-за этого они не пользуются особой популярностью и уступают асинхронным вариантам.

С момента появления на рынке работа синхронных агрегатов обеспечивалась специальным асинхронником, который механически соединялся с остальными узлами.

По сути, ротор разгонялся до нужной частоты с помощью второго типа моторов.

Современные асинхронники не нуждаются в подключении дополнительных механизмов, и все, что требуется для их работы, — соответствующее напряжение для статорной обмотки.

Как только система обеспечит нужную скорость вращения, разгонный двигатель будет отключен. При этом магнитные поля из электрического мотора выведут его на работу в синхронном режиме.

Чтобы разогнать установку, придется задействовать еще один мотор мощностью 10% от мощности синхронного двигателя. При разгоне электродвигателя на 1 кВт используют разгонную систему мощностью 100 Вт.

Как утверждают специалисты, таких показателей вполне хватает для сбалансированной работы машины в холостом режиме или с небольшой нагрузкой.

Сферы применения

Синхронный электродвигатель представляет собой важное изобретение для различных направлений промышленности. Но из-за сложной конструкции и высокой стоимости оборудования его используют в редких случаях.

Сферы применения электрических моторов синхронного типа очень ограничены. В большинстве случаев установку применяют для повышения показателей мощности в энергосистеме, что обусловлено их способностью функционировать при любых коэффициентах мощности и отличной экономичностью.

Источник: https://220v.guru/elementy-elektriki/dvigateli/princip-deystviya-i-ustroystvo-sinhronnogo-dvigatelya.html

Разбираемся в принципах работы электродвигателей: преимущества и недостатки разных видов

Электродвигатели – это устройства, в которых электрическая энергия превращается в механическую. В основе принципа их действия лежит явление электромагнитной индукции.

Однако способы взаимодействия магнитных полей, заставляющих вращаться ротор двигателя, существенно различаются в зависимости от типа питающего напряжения – переменного или постоянного.

Устройство и принцип действия электродвигателя постоянного тока

В основе принципа работы электродвигателя постоянного тока лежит эффект отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов и притягивания разноименных. Приоритет ее изобретения принадлежит русскому инженеру Б. С. Якоби. Первая промышленная модель двигателя постоянного тока была создана в 1838 году. С тех пор его конструкция не претерпела кардинальных изменений.

В двигателях постоянного тока небольшой мощности один из магнитов является физически существующим. Он закреплен непосредственно на корпусе машины. Второй создается в обмотке якоря после подключения к ней источника постоянного тока. Для этого используется специальное устройство – коллекторно-щеточный узел. Сам коллектор – это токопроводящее кольцо, закрепленное на валу двигателя.

К нему подключены концы обмотки якоря.

Чтобы возник вращающий момент, необходимо непрерывно менять местами полюса постоянного магнита якоря. Происходить это должно в момент пересечения полюсом так называемой магнитной нейтрали. Конструктивно такая задача решается разделением кольца коллектора на секторы, разделенные диэлектрическими пластинами.

Концы обмоток якоря присоединяются к ним поочередно.

Чтобы соединить коллектор с питающей сетью используются так называемые щетки – графитовые стержни, имеющие высокую электрическую проводимость и малый коэффициент трения скольжения.

Важно

В двигателях большой мощности физически существующих магнитов не используют из-за их большого веса. Для создания постоянного магнитного поля статора используется несколько металлических стержней, каждый из которых имеет собственную обмотку из проводника, подключенного к плюсовой или минусовой питающей шине. Одноименные полюса включаются последовательно друг другу.

Количество пар полюсов на корпусе двигателя может быть равно одной или четырем. Число токосъемных щеток на коллекторе якоря должно ему соответствовать.

Электродвигатели большой мощности имеют ряд конструктивных хитростей. Например, после запуска двигателя и с изменением нагрузки на него, узел токосъемных щеток сдвигается на определенный угол против вращения вала. Так компенсируется эффект «реакции якоря», ведущий к торможению вала и снижению эффективности электрической машины.

Также существует три схемы подключения двигателя постоянного тока:

  • с параллельным возбуждением;
  • последовательным;
  • смешанным.

Параллельное возбуждение – это когда параллельно обмотке якоря включается еще одна независимая, обычно регулируемая (реостат).

Такой способ подключения позволяет очень плавно регулировать скорость вращения и достигать ее максимальной стабильности. Его используют для питания электродвигателей станков и кранового оборудования.

Последовательная – в цепь питания якоря дополнительная обмотка включена последовательно. Такой тип подключения используется для того, чтобы в нужный момент резко нарастить вращающее усилие двигателя. Например, при трогании с места железнодорожных составов.

Двигатели постоянного тока имеют возможность плавной регулировки частоты вращения, поэтому их применяют в качестве тяговых на электротранспорте и грузоподъемном оборудовании.

Двигатели переменного тока — в чем отличие?

Устройство и принцип работы электродвигателя переменного тока для создания крутящего момента предусматривают использование вращающегося магнитного поля. Их изобретателем считается русский инженер М. О. Доливо-Добровольский, создавший в 1890 году первый промышленный образец двигателя и являющийся основоположником теории и техники трехфазного переменного тока.

Вращающееся магнитное поле возникает в трех обмотках статора двигателя сразу, как только они подключаются к цепи питающего напряжения. Ротор такого электромотора в традиционном исполнении не имеет никаких обмоток и представляет собой, грубо говоря, кусок железа, чем-то напоминающий беличье колесо.

Магнитное поле статора провоцирует возникновение в роторе тока, причем очень большого, ведь это короткозамкнутая конструкция. Этот ток вызывает возникновение собственного поля якоря, которое «сцепляется» с вихревым магнитным потом статора и заставляет вращаться вал двигателя в том же направлении.

Магнитное поле якоря имеет ту же скорость, что и статора, но отстает от него по фазе примерно на 8–100. Именно поэтому двигатели переменного тока называются асинхронными.

Принцип действия электродвигателя переменного тока с традиционным, короткозамкнутым ротором, имеет очень большие пусковые токи. Вероятно, многие из вас это замечали – при пуске двигателей лампы накаливания меняют яркость свечения. Поэтому в электрических машинах большой мощности применяется фазный ротор – на нем уложены три обмотки, соединенные «звездой».

Обмотки якоря не подключены к питающей сети, а посредством коллекторно-щеточного узла соединены с пусковым реостатом. Процесс включения такого двигателя состоит из соединения с питающей сетью и постепенного уменьшения до нуля активного сопротивления в цепи якоря. Электромотор включается плавно и без перегрузок.

Особенности использования асинхронных двигателей в однофазной цепи

Несмотря на то, что вращающееся магнитное поле статора проще всего получить от трехфазного напряжения, принцип действия асинхронного электродвигателя позволяет ему работать и от однофазной, бытовой сети, если в их конструкцию будут внесены некоторые изменения.

Для этого на статоре должно быть две обмотки, одна из которой является «пусковой». Ток в ней сдвигается по фазе на 90° за счет включения в цепь реактивной нагрузки. Чаще всего для этого используется конденсатор.

Совет

Запитать от бытовой розетки можно и промышленный трехфазный двигатель. Для этого в его клеммной коробке две обмотки соединяются в одну, и в эту цепь включается конденсатор. Исходя из принципа работы асинхронных электродвигателей, запитанных от однофазной цепи, следует указать, что они имеют меньший КПД и очень чувствительны к перегрузкам.

Электродвигатели этого типа легко запускаются, но частоту их вращения практически невозможно регулировать.

Они чувствительны к перепадам напряжения, а при «недогрузе» снижают коэффициент полезного действия, становясь источником непропорционально больших затрат электроэнергии. При этом существуют методы использования асинхронного двигателя как генератор.

Универсальные коллекторные двигатели — принцип работы и характеристики

В бытовых электроинструментах малой мощности, от которых требуются малые пусковые токи, большой вращающий момент, высокая частота вращения и возможность ее плавной регулировки, используются так называемые универсальные коллекторные двигатели. По своей конструкции они аналогичны двигателям постоянного тока с последовательным возбуждением.

В таких двигателях магнитное поле статора создается за счет питающего напряжения. Только немного изменена конструкция магнитопроводов – она не литая, а наборная, что позволяет уменьшать перемагничивание и нагрев токами Фуко. Последовательно включенная в цепь якоря индуктивность дает возможность менять направление магнитного поля статора и якоря в одном направлении и в той же фазе.

Практически полная синхронность магнитных полей позволяет двигателю набирать обороты даже при значительных нагрузках на валу, что и требуется для работы дрелей, перфораторов, пылесосов, «болгарок» или полотерных машин.

Если в питающую цепь такого двигателя включен регулируемый трансформатор, то частоту его вращения можно плавно менять. А вот направление, при питании от цепи переменного тока, изменить не удастся никогда.

Такие электромоторы способны развивать очень высокие обороты, компактны и имеют больший вращающий момент. Однако наличие коллекторно-щеточного узла снижает их моторесурс – графитовые щетки достаточно быстро истираются на высоких оборотах, особенно если коллектор имеет механические повреждения.

Электродвигатели имеют самый большой КПД (более 80 %) из всех устройств, созданных человеком. Их изобретение в конце XIX века вполне можно считать качественным цивилизационным скачком, ведь без них невозможно представить жизнь современного общества, основанного на высоких технологиях, а чего-либо более эффективного пока еще не придумано.

Синхронный принцип работы электродвигателя на видео

Источник: http://elektrik24.net/elektrooborudovanie/elektrodvigateli/princip-raboty-3.html

Синхронные электродвигатели. Работа и применение. Особенности

Особенностью работы двигателя является равенство скорости вращения ротора и скорости вращения магнитного потока. Поэтому скорость вала двигателя не зависит и не изменяется от величины подключаемой нагрузки. Это достигается за счет того, что индуктор синхронного электродвигателя является электромагнитом, в некоторых случаях постоянным магнитом.

Количество пар полюсов ротора одинаково с числом пар полюсов у движущегося магнитного поля. Взаимное воздействие этих полюсов дает возможность выравнивания скорости ротора. На валу в этот момент может быть любая по величине нагрузка. Она не влияет на скорость вращения индуктора.

Конструктивные особенности и принцип работы

Основными составными частями синхронного электродвигателя являются: статор, который неподвижен, и ротор, иными словами называемый индуктором. Статор имеет другое название – якорь, но от этого его суть не меняется. Эти части двигателя разделены прослойкой воздуха. Между пазами заложена трехфазная обмотка, которая чаще всего имеет соединение по схеме звезды.

Когда двигатель после запуска начал работать, токи якоря образуют движущееся магнитное поле, его вращение дает пересечение поля индуктора. В итоге такой работы двух полей возникает энергия. Магнитное поле статора по своей сути является полем его реакции. В работе генераторов такую энергию получают с помощью индукторов.

Обратите внимание

Полюсами являются электромагниты статора, работающие на постоянном токе. Статоры синхронных моторов могут выполняться по различным схемам: неявнополюсной, а также явнополюсной. Они отличаются положением полюсов.

Для снижения магнитного сопротивления и оптимизации условий прохода магнитного поля используют сердечники из ферромагнитного материала. Они находятся в роторе и якоре. Производятся они из электротехнической стали, которая содержит большое количество кремния. Это дает возможность снизить вихревые токи и увеличить электрическое сопротивление стали.

Синхронные электродвигатели имеют в своей основе принцип взаимодействия полюсов индуктора и статора. Во время пуска двигатель ускоряется до скорости вращения магнитного потока. Только при таком условии электродвигатель начинает действовать в синхронном режиме. При таком процессе магнитные поля образуют пересечение, возникает вход в синхронизацию

Долгое время для разгона мотора применяли отдельный пусковой двигатель. Его соединяли механическим путем с синхронным мотором. При запуске ротор мотора ускорялся и достигал синхронной скорости.

Далее мотор самостоятельно втягивался в синхронное движение. При выборе мощности пускового мотора руководствовались 15% мощности от номинала разгоняемого двигателя.

Этого резерва мощности было достаточно для запуска синхронного двигателя, даже при наличии небольшой нагрузки.

Такой метод разгона более сложный, значительно повышает стоимость оборудования. В современных конструкциях синхронные электродвигатели не имеют такой схемы разгона. Применяют другую систему разгона.

Реостатом замыкают обмотки индуктора по аналогии с асинхронным двигателем.

Для запуска на ротор монтируют короткозамкнутую обмотку, являющуюся также и успокоительной обмоткой, которая предотвращает раскачивание ротора при синхронизации.

При достижении ротором номинальной скорости, к индуктору подключают постоянный ток. Однако, для пуска моторов с постоянными магнитами не обойтись без применения пусковых внешних двигателей.

В криогенных синхронных электродвигателях применяется обращенная конструкция. В ней якорь и индуктор размещены наоборот, индуктор находится на статоре, а якорь расположен на роторе. У таких машин возбуждающие обмотки состоят из сверхпроводимых материалов.

Достоинства и недостатки

Синхронные двигатели имеют основное преимущество по сравнению с асинхронными моторами тот факт, что возбуждение от постоянного тока внешнего источника дает возможность работы при значительной величине коэффициента мощности. Эта особенность дает возможность увеличить значение коэффициента мощности для общей сети благодаря включению синхронного мотора.

Синхронные электродвигатели имеют и другие достоинства:

  • Электродвигатели синхронного типа работают с повышенным коэффициентом мощности, что создает уменьшение расхода энергии и снижает потери. КПД синхронного мотора выше при той же мощности асинхронного двигателя.
  • Синхронные электродвигатели имеют момент вращения, который прямо зависит от напряжения сети. Поэтому он при уменьшении напряжения сохраняет свою мощность больше асинхронного. Это является фактором надежности подобных конструкций моторов.

Недостатками являются следующие отрицательные моменты:

  • При проведении сравнительного анализа конструкций двух моторов, можно отметить, что синхронные электродвигатели выполнены по более сложной схеме, поэтому их стоимость будет выше.
  • Следующим недостатком для синхронных моторов стала необходимость в источнике тока в виде выпрямителя, либо другого блока питания постоянного тока.
  • Запуск двигателя происходит по сложной схеме.
  • Регулировка скорости вала двигателя возможна только одним способом, с помощью применения частотного преобразователя.

В итоге можно сказать, что все-таки преимущества синхронных двигателей перекрывают недостатки.

Поэтому двигатели такого вида широко применяются в технологических процессах, где идет постоянный непрерывный процесс, и не требуется частая остановка и запуск оборудования: на мельничном производстве, в компрессорах, дробилках, насосах и так далее.

Выбор двигателя

К вопросу приобретения синхронного электродвигателя нужно подходить, основываясь на следующие факторы:

  • Условия эксплуатации электродвигателя. По условиям выбирают тип двигателя, который может быть защищенным, открытым или закрытым. А также синхронные электродвигатели отличаются по защите токовых частей от влаги, температуры, агрессивных сред. Для взрывоопасного производства существуют специальные защиты, предотвращающие образование искр в двигателе.
  • Особенности выполнения подключения электродвигателя с потребителем.

Синхронные компенсаторы

Они служат для компенсирования коэффициента мощности в электрической сети и стабилизации номинального значения напряжения в местах подключения нагрузок к двигателю. Нормальным режимом синхронного компенсатора является режим перевозбуждения в момент отдачи в электрическую сеть реактивной мощности.

Такие компенсаторы еще называют генераторами реактивной мощности, так как они предназначены для выполнения такой же задачи, как батареи конденсаторов на подстанциях.

Когда мощность нагрузок уменьшается, то часто необходимо действие синхронных компенсаторов в невозбужденном режиме при их потреблении реактивной мощности и индуктивного тока, потому что напряжение в сети старается увеличиться, а для его стабилизации на рабочем уровне нужно нагрузить сеть током индуктивности, который вызывает в сети снижение напряжения питания.

Для таких целей синхронные компенсаторы обеспечиваются регулятором автоматического возбуждения. Регулятор изменяет ток возбуждения таким образом, что напряжение на компенсаторе не изменяется.

Сфера применения

Широкое использование электродвигателей асинхронного типа со значительными недогрузками делает работу станций и энергосистем сложнее, так как уменьшается коэффициент мощности системы, это ведет к незапланированным потерям, к их неполному использованию по активной мощности. В связи с этим появилась необходимость в использовании двигателей синхронного типа, особенно для приводов механизмов значительной мощности.

Если сравнивать синхронные электродвигатели с асинхронными, то достоинством синхронных стала их работа коэффициентом мощности равном 1, благодаря действию возбуждения постоянным током. При этом они не расходуют реактивную мощность из питающей сети, а если работают с перевозбуждением, то даже отдают некоторую величину реактивной мощности для сети.

В итоге коэффициент мощности сети улучшается, и снижаются потери напряжения, увеличивается коэффициент мощности генераторов электростанций. Наибольший момент синхронного электродвигателя прямо зависит от напряжения, а у синхронного электромотора – от квадрата напряжения.

Важно

Поэтому, при уменьшении напряжения синхронный электромотор имеет по-прежнему значительную нагрузочную способность. Также, применение возможности повышения возбуждающего тока синхронных моторов дает возможность повышать их надежность эксплуатации при внезапных снижениях напряжения, и оптимизировать в таких случаях работу всей энергосистемы.

Из-за большой величины воздушного промежутка дополнительные потери в стальных сердечниках и в роторе синхронных моторов меньше, чем у двигателей асинхронного вида. Поэтому КПД синхронных моторов чаще бывает больше.

Однако устройство синхронных моторов намного сложнее, а также необходим возбудитель или другое устройство питания возбуждения. Поэтому синхронные моторы имеют более высокую стоимость по сравнению с асинхронными с короткозамкнутым ротором.

Запуск и регулировка скорости у синхронных электродвигателей имеет свои сложности. Но при больших мощностях их преимущества превосходят недостатки. Поэтому они применяются во многих местах, где не нужны частые пуски, остановки оборудования, а также нет необходимости в регулировки оборотов двигателя с приводом механизмов насосов, компрессоров, мельниц и т.д.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/ustrojstva/sinkhronnye-elektrodvigateli/

Устройство синхронного двигателя

Все электродвигатели построены на одном и том же принципе взаимодействия магнитных полей. Катушка с сердечником из ферромагнитного материала оказывает заметное механическое воздействие на другую аналогичную катушку. Разноименные полюсы соленоидов притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Поэтому в двигателе должно быть пространственное перемещение полюсов магнитного поля, создаваемое одной его частью.

А другая часть движка создает свои полюсы и откликается вращением на пространственное перемещение полюсов. Она может содержать как постоянные магниты, так и катушки с сердечником.

Далее расскажем о том, как магнитные поля функционируют в синхронных двигателях, а также предоставим другую информацию об этих машинах.

Конструктивные особенности

Синхронный двигатель содержит

  • часть конструкции, в которой создается перемещающееся магнитное поле, называемую статором;
  • часть двигателя, которая вращается от воздействия магнитного поля, называемую ротором;
  • провод, соединяющий движок с источником питания, который сравнивают с якорной цепью корабля. Чтобы указать на ту часть двигателя, которая присоединена к проводу, ее называют якорем. В рассматриваемой машине питающий провод присоединен к статору. Следовательно, это якорь.

Составные частит синхронных двигателей

Чем больше витков содержат взаимодействующие катушки, тем меньший ток потребуется для эффективной работы движка. Но сила тока — это не самая сложная проблема. Главное — создать пространственное перемещение магнитного поля, что весьма непросто.

По этой причине синхронный двигатель появился только после того, как заработал первый генератор. Его создал в 1891 г. М.О. Доливо-Добровольский. Обратимость электрических машин позволяет использовать их и генераторами, и двигателями. Обратима и синхронная машина. Но для движков существуют определенные конструктивные ограничения, которых нет у генераторов.

Принцип работы

Для получения направления вращения статор двигателя должен содержать как минимум две катушки. Только в такой конструкции можно создать направленное перемещение магнитного поля.

Это определяет устройство и принцип работы многих электродвигателей, питаемых от сети. Для нормальной работы синхронной машины, если это генератор, статор может содержать только одну катушку и быть источником ЭДС. Его ротор вращается принудительно.

При этом, независимо от направления вращения, на клеммах статора появится переменное напряжение.

Но если такой генератор используется как двигатель, направление вращения ег

Содержание:

Прежде чем рассматривать принцип действия синхронного двигателя, необходимо помнить, что это электрическая машина, работающая на переменном токе, у которой ротор вращается с частотой, которая равна частоте вращения магнитного поля в воздушной прослойке.

Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.

Устройство синхронного двигателя

Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока.

При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря.

В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.

В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами. Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки. Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.

Обратите внимание

Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.

Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.

В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора.

Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю.

При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.

Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.

Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.

Как работает синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора.

При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре.

Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.

Важно

При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле. Только после этого он переходит в синхронный режим. В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.

При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам.

Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации.

После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.

Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей.

Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой.

Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.

Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля.

Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.

Схема запуска двигателя и его регулировка

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

  • В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
  • Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.

Различия синхронных и асинхронных двигателей

Все электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, закрепленными на статоре. Концы этих обмоток выведены в общую клеммную коробку. Во избежание перегрева на валу двигателя устанавливается вентилятор. Ротор выполнен из металлических стержней, замкнутых с двух сторон между собой. Он представляет единое целое с валом и получил название короткозамкнутого ротора.

Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. Соответственно, в обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля.

Совет

Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов. Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля.

Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.

8. Синхронные двигатели. Технические средства автоматизации и управления. Учебное пособие

8.1. Принцип действия и виды синхронных двигателей

8.2. Специальные синхронные двигатели

8.2.1. Гистерезисные двигатели

8.2.2. Шаговые двигатели

8.3. Бесконтактные двигатели переменного тока

8.1. 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.

nр = nс= (60f)/p.

(3.1.2)

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 (рис90):

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 Uв 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 явновыраженные 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..

Рис. 92. Принцип действия синхронного реактивного двигателя

Электромагнитный момент синхронного реактивного двигателя без учета активного сопротивления статора r1 выражается следующей зависимостью:

,

(3.2.1)

где xd и xq - 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.

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.

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.

8.2. Специальные синхронные двигатели

В автоматике используется СД малой мощности, от 0,1 до 500 Вт, Есть различные типы СД: редукторные, гистерезисные, бесконтактные, различные виды шаговых двигателей.

8.2.1. Гистерезисные двигатели

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.94).

Рис. 94. Ротор гистерезисного двигателя и схема возникновения гистерезисного момента

В гистерезисном двигателе ротор, вращающийся с синхронной скоростью, представляет собой постоянный магнит. Так как ротор выполнен из магнита твердого материала, то элементарные магнитики перемагничиваются не мгновенно, а с отставанием из-за гистерезиса, это и создает гистерезисный момент. Ось магнита из-за явления гистерезиса отстает от оси вращающегося магнитного поля на угол θг гистерезисного сдвига, вследствие чего возникает тангенциальная составляющая fг сил взаимодействия между полюсами ротора и потоком статора. Величина силы fг и создаваемый ею момент не зависят от скорости вращения, а определяются шириной петли гистерезиса ферромагнитного материала.

Если нагрузочный момент больше Мг, то двигатель перейдет в асинхронный режим работы, т.е. появится дополнительный асинхронный момент Ма. Движущий момент ротора создается двумя составляющими: моментом вихревых токов и гистерезисным моментом. Рис. 95.

Рис. 95. Механическая характеристика гистерезисного двигателя

Асинхронный момент Ма 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 Ма=f(s) практически линейна и асинхронный гистерезисный момент максимален при s=1.Рис. 95.

,

где П - потери на перемагничивание ротора при неподвижном роторе; Пвихр.Н - потери на вихревые токи при неподвижном роторе;

Двигатель используется в приводах небольшой мощности до 2000 Вт, частота f=50, 400 и 500 Гц.

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

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

8.2.2. Шаговые двигатели

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. 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 Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.

Шаговые двигатели различаются по числу фаз и типу магнитных системна ШД с активным ротором (с постоянными магнитами), ШД реактивного типа и индукторные.

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

1. Шаговые двигатели с активным ротором. В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления. Ротор обычно представляет собой многополюсную звездочку из специального сплава. Есть варианты двух-, трех- и четырехфазных двигателей. Трехфазные двигатели имеют лучшие динамические характеристики и более равномерный ход. Управление ШД производится однополярными импульсами, поочередно подаваемыми на обмотки статора. Каждый импульс вызывает поворот ротора на единичный шаг.

Рассмотрим принцип действия простейшего двухфазного двухполюсного ШД с активным ротором в виде постоянного магнита. При включении фазы под постоянное напряжение (условно положительной полярности) вектор намагничивающей силы НС статора совпадет с осью фазы А. В результате взаимодействия НС статора с полем постоянного магнита ротора возникнет синхронизирующий момент Мс = Mmaxsinq, где q - угол между осью ротора и вектором НС. Рис. 96.

Рис. 96. Принцип работы ШД

При отсутствии тормозного момента ротор займет положение, при котором его ось совпадет с осью фазы А (рис. 96, первый такт). Если теперь отключить фазу А и включить фазу В, вектор НС и ротор повернуться на 90о(второй такт). При включении фазы А на напряжение обратной полярности (третий такт) НС и ротор повернутся еще на 90о и т.д.

Если к ротору ШД приложен момент нагрузки, то при переключении фаз ротор будет отставать от вектора НС на некоторый угол qн = arcsin(Mн/Mmax).

В зависимости от типа электронного коммутатора управление ШД может быть:

  • одноплярным или разнополярным;
  • симметричным или несимметричным;
  • потенциальным или импульсным.

При однополярном управлении напряжение каждой фазе изменяется от 0 до +U, а при разнополярном – от -U до +U.

Управление называется симметричным, если в каждом такте коммутации задействуется одинаковое число обмоток, и несимметричным – если разное.

При потенциальном управлении напряжение на обмотках изменяется только в моменты поступления управляющих импульсов. При отсутствии управляющего сигнала обмотка или группа обмоток находятся под напряжением, а положение ротора фиксируется полем обмоток. При импульсном управлении напряжение на обмотки подается только на время отработки шаг, после чего оно снимается и ротор удерживается в заданном положении либо реактивным моментом, либо внешним фиксирующим устройством.

В двухполюсной машине число устойчивых положений в пределах одного оборота ротора n при разных способах коммутации может быть равно 1, 2, 4m, где m - число фаз: В многополюсных ШД число устойчивых положений возрастает пропорционально числу пар полюсов р.

Одним из определяющих параметров ШД является шаг ротора, т.е. угол поворота ротора, соответствующий одному управляющему импульсу (угол между двумя соседними устойчивыми состояниями): a = 360/pn.

ШД с активным ротором удается выполнить с шагом до 15о. Дальнейшее уменьшение шага ограничено технологическими трудностями создания ротора в виде постоянного магнита с числом пар полюсов больше шести.

2. Реактивные шаговые двигатели. Гораздо более мелкий шаг (до долей градуса) можно получить в реактивных редукторных ШД. Редукторные ШД выполняются с числом фаз m = 2 - 4. Они имеют ферромагнитный зубчатый ротор с равномерно расположенными zp зубцами и гребенчатые зоны статора, смещенные относительно друг друга на угол 2p/(mzp) рис.97. Число пазов статора и ротора, их геометрические размеры выбираются такими, чтобы обеспечить необходимую величину шага и синхронизирующего момента при заданном виде коммутации токов.

Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и у 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.

Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора. Величина углового шага редукторного шагового двигателя определится выражением: a = 360/Zp. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.

Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. совмещают преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага).

Рис. 96. Конструкция реактивного ШД

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.

3. Режимы работы ШД.

1. Статический режим – это режим, при котором ротор фиксируется в одной из позиций, а по обмоткам статора протекает постоянный ток, создающий неподвижное в пространстве магнитное поле.

2. Квазистатический режим – это режим отработки единичных шагов, при котором переходные процессы от предыдущего такта коммутации полностью затухли и скорость ротора в начале следующего шага равна нулю.

3. Установившийся режим – это режим, соответствующий постоянной частоте следования управляющих импульсов. При частоте управляющих импульсов f1, меньшей частоты собственны колебаний двигателя f0, движение ротора носит колебательный характер, что увеличивает динамическую ошибку при отработке заданного перемещения. При частоте управляющих импульсов f1 = f0/k, где k – целое число, возникает явление электромеханического резонанса, которое при слабом демпфировании колебаний может привести к нарушению нормального движения ротора и выпадению его из синхронизма. При f1 > f0 имеют место вынужденные колебания с частотой управляющих импульсов; амплитуда их монотонно уменьшается с увеличением частоты.

4. Переходный режим - это основной эксплуатационный режим работы ШД. Он включает в себя пуск, реверс, торможение, переход с одной управляющей частоты на другую. Основное требование к ШД в переходных режимах заключается в отсутствии потери шага, т.е. сохранение синхронизма при любом характере изменения управляющих импульсов.

Предельная механическая характеристика – это зависимость допустимого момента сопротивления от частоты управляющих импульсов в установившемся режиме работы (рис.97). С ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока, обусловленное индуктивностью обмоток. При некоторой предельной частоте момент двигателя становится равным нулю. Предельную механическую характеристику рассматривают обычно при f>f0.

Рис. 97. Механические характеристики ШД

Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск без потери шага, называется частотой приемистости fпр. Частота приземистости является важным показателем переходного режима ШД Частота приемистости растет с увеличением максимального синхронизирующего момента, уменьшением шага, снижением постоянной времени обмоток, нагрузки и момента инерции. Для современных ШД fпр = 100-1000 Гц.

Предельная динамическая характеристика – зависимость частоты приемистости от момента сопротивления и момента инерции нагрузки. Такие характеристики называются предельными динамическими характеристиками пуска. Существуют также предельные динамические характеристики реверса и торможения

8.3. Бесконтактные двигатели переменного тока

Бесконтактные двигатели постоянного тока состоят из трех элементов (рис. 98):

  1. двигателя с m-фазной обмоткой на статоре и возбужденным ротором обычно в виде постоянного магнита;
  2. датчика положения ротора (ДПР), выполненного в одном корпусе с двигателем и предназначенного для выработки сигналов управления моментами времени и последовательностью коммутации токов в обмотках статора;
  3. коммутатора, как правило, транзисторного, осуществляющего по сигналам ДПР коммутацию токов в обмотках статора.

Рис. 98. Состав бесконтактного двигателя постоянного тока

Принцип действия подобен ДПТ:: при включении транзисторов Т1 и Т2 по обмотке статора потечет ток i в указанном направлении. В статоре возбудится магнитное поле, появится движущий момент, ротор повернется таким образом, чтобы векторы Fc и Fp совместились. Когда векторы совместятся, сигнал с ДПР закроет Т1 и Т2 и откроет Т3 и Т4. Ток в обмотке статора поменяет направление, движущий момент заставит ротор вращаться дальше и повернуться на 180°.

Для плавного хода число обмоток обычно 3 и выше. В этой схеме транзисторы и коммутатор работают в ключевом режиме. Транзисторами управляют схемы формирования Фа, Фб, Фс. На эти схемы подаются управляющие импульсы с датчика положения ротора. ДПР имеет и статор и ротор. На статоре имеются полюса, на которых поочередно располагаются обмотки управления а, б, с и обмотки возбуждения (5-30 кГц). Ротор ДПР имеет сектор из магнита мягкого материала. При повороте этот сектор замыкает два соседних полюса и в соответствующей обмотке управления наводится ЭДС, включается соответствующая статорная обмотка и роторы двигателя и ДПР поворачиваются на 120°. Затем сектор замыкает два следующих полюса, в результате роторы поворачиваются еще на 120° и т.д.

Рис. 99. Схема бесконтактного двигателя постоянного тока.(а) и его механические характеристики (б)

На рис. 99 показаны схема и механические характеристики бесконтактного двигателя при разных индуктивностях обмоток статора L. Видно, что с увеличением L нелинейность характеристик увеличивается.

Частоту вращения бесконтактных двигателей можно регулировать в широких пределах путем изменения напряжения питания.

Однако на практике чаше применяется импульсный способ, сущность которого заключается в изменении не величины постоянно подводимого напряжения, а длительности питания двигателя номинальным напряжением.

Синхронный электродвигатель принцип работы - Всё о электрике

Устройство синхронного двигателя

Все электродвигатели построены на одном и том же принципе взаимодействия магнитных полей. Катушка с сердечником из ферромагнитного материала оказывает заметное механическое воздействие на другую аналогичную катушку. Разноименные полюсы соленоидов притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Поэтому в двигателе должно быть пространственное перемещение полюсов магнитного поля, создаваемое одной его частью. А другая часть движка создает свои полюсы и откликается вращением на пространственное перемещение полюсов. Она может содержать как постоянные магниты, так и катушки с сердечником. Далее расскажем о том, как магнитные поля функционируют в синхронных двигателях, а также предоставим другую информацию об этих машинах.

Конструктивные особенности

Синхронный двигатель содержит

  • часть конструкции, в которой создается перемещающееся магнитное поле, называемую статором;
  • часть двигателя, которая вращается от воздействия магнитного поля, называемую ротором;
  • провод, соединяющий движок с источником питания, который сравнивают с якорной цепью корабля. Чтобы указать на ту часть двигателя, которая присоединена к проводу, ее называют якорем. В рассматриваемой машине питающий провод присоединен к статору. Следовательно, это якорь.

Чем больше витков содержат взаимодействующие катушки, тем меньший ток потребуется для эффективной работы движка. Но сила тока — это не самая сложная проблема. Главное — создать пространственное перемещение магнитного поля, что весьма непросто.

По этой причине синхронный двигатель появился только после того, как заработал первый генератор. Его создал в 1891 г. М.О. Доливо-Добровольский. Обратимость электрических машин позволяет использовать их и генераторами, и двигателями. Обратима и синхронная машина. Но для движков существуют определенные конструктивные ограничения, которых нет у генераторов.

Принцип работы

Для получения направления вращения статор двигателя должен содержать как минимум две катушки. Только в такой конструкции можно создать направленное перемещение магнитного поля. Это определяет устройство и принцип работы многих электродвигателей, питаемых от сети. Для нормальной работы синхронной машины, если это генератор, статор может содержать только одну катушку и быть источником ЭДС. Его ротор вращается принудительно. При этом, независимо от направления вращения, на клеммах статора появится переменное напряжение.

Но если такой генератор используется как двигатель, направление вращения его ротора может быть в обе стороны.

Оно будет определяться

  • либо положением ротора в момент подачи напряжения на клеммы статора;
  • либо принудительно направлением стартового вращения.

Конструкцию большинства электрических машин в основном определяет система электроснабжения, с которой они связаны. В наши дни первичными источниками ЭДС являются трехфазные генераторы. Эти машины создают трехфазное напряжение. Оно позволяет непосредственно получать перемещающееся магнитное поле. Без него синхронные двигатели переменного тока не могут работать, так же, как и асинхронные движки.

Для этого используются три или две фазы, питающие обмотки статора движка. Устройство синхронного двигателя должно соответствовать схеме электропитания. Наилучший результат получается при трехфазной конструкции статора. В этом случае магнитное поле получается вращающимся. По этой причине трехфазный синхронный двигатель является наиболее эффективным, если его сравнивать с аналогами, но при меньшем числе фаз.

Электромагнитные процессы и вращение

Намагниченный ротор тянется за полем статора и поэтому вращается синхронно с ним. В этом и состоит принцип действия синхронного двигателя. Магнитный поток в теле ротора в основном определяет крутящий момент на вале движка. Чем больше магнитный поток, тем больше крутящий момент. При этом независимо от нагрузки на вал (в определенных пределах) его скорость вращения не изменяется. Меняется только взаимное положение полей статора и ротора, но не скорости вращения.

По мере увеличения нагрузки на вал полюсы ротора оказываются все больше позади поля статора. Число n оборотов в минуту ротора рассматриваемого двигателя зависит от того, сколько пар полюсов p у статора. Если он запитан переменным напряжением с частотой f , используется формула

В результате изменения положения ротора под нагрузкой уменьшается магнитный поток в сердечнике статора. Вследствие этого ток статора увеличивается и компенсирует уменьшение магнитного потока, противодействуя нагрузке на вале движка. Аналогичные процессы происходят в нагружаемом трансформаторе. Полюсы статора и ротора все больше удаляются друг от друга по мере увеличения нагрузки. Но частота оборотов остается неизменной до определенного момента.

Как только электромагнитные параметры конструкции статора оказываются меньше некоторого предельного значения, ротор останавливается. Время до полной остановки определяет привод, использующий синхронный электродвигатель. Конструкция ротора без специальных технических решений не позволяет получить крутящий момент за счет скольжения, как в асинхронном двигателе. То же самое получится, когда синхронные двигатели запускаются — скольжение отсутствует.

Но конструкция, в которой много пар полюсов и медленное вращение ротора, может быть исключением. На самостоятельный пуск движка влияет масса ротора и скорость перемещения поля статора мимо ротора. Обычно сила их взаимодействия может преодолеть инерцию ротора. Но после принудительной раскрутки тем или иным способом. Только при этих стартовых условиях возможна работа синхронного двигателя. Начальная скорость для входа в синхронизм обычно близка к параметрам вращающегося магнитного поля статора.

Разновидности движков

Конструкция ротора и принцип действия синхронной машины-двигателя напрямую связана

  • с мощностью, которую надо создать на его вале,
  • необходимой для этого величиной магнитного потока,
  • параметрами напряжения питания статора.

Устройство синхронных машин небольшой мощности получается более простым при изготовлении магнитного ротора из специальных материалов. Так же применяется явно полюсный ротор с малой начальной намагниченностью. В результате получаются конструкции с постоянными магнитами, а также гистерезисные и синхронные реактивные двигатели. На статор этих движков подается переменное напряжение. Число фаз и частота соответствуют конструкции двигателя. В однофазных движках может быть использован конденсатор, через который подключается одна из двух обмоток статора. Но может быть применена схема из показанных далее вариантов.

Гистерезисный движок похож на синхронный реактивный двигатель. Эти синхронные машины переменного тока характеризует одинаковый принцип действия. Его определяет магнитное поле статора, намагничивающее ротор. Гистерезисный движок и синхронный реактивный электродвигатель своей надежностью не уступают асинхронным двигателям. Однако роторы этих синхронных машин всегда бывают существенно дороже роторов асинхронных движков.

С целью получения максимального силового взаимодействия и больших по величине крутящих моментов в роторе используется принцип электромагнита. При этом его называют индуктором с обмоткой возбуждения. Для ее питания применяется постоянное напряжение, которое подается на щетки. Они расположены на статоре и скользят по кольцам, установленным на роторе. Через эту пару скользящих контактов течет постоянный ток возбуждения.

Такое классическое устройство синхронной машины существует и в наши дни, но преимущественно в наиболее мощных моделях. Для запуска движков обычно используются конструктивные решения со скольжением магнитных полей, характерные для асинхронных двигателей. При наличии индуктора для этого достаточно накоротко замкнуть щетки. В синхронных электрических машинах движки без щеток в роторе делаются с пусковыми обмотками типа беличьей клетки. Могут быть иные конструктивные решения для асинхронного старта.

Важной особенностью рассматриваемых двигателей, питаемых переменным напряжением, является их польза при работе без механической нагрузки или при ее небольшой величине. В таком режиме работы при небольшом возбуждении реактивная мощность из сети потребляется, а при значительном — отдается в сеть. Тем самым увеличивается эффективность электроснабжения. Для этой цели делаются специальные движки, называемые синхронными компенсаторами.

Развитие полупроводниковых приборов позволило создавать вращающееся магнитное поле путем преобразования постоянного напряжения. Очевидно то, что такое техническое решение расширило возможности управления электрическими двигателями. Регулирование частоты питающего напряжения и бесконтактный индуктор — это главные достижения полупроводниковых моделей. Но при этом существуют ограничения, определяемые возможностями электронных ключей.

По этой причине наиболее мощные из всех существующих движков по-прежнему являются трехфазными индукторными конструкциями со щетками и кольцами.

Принцип действия синхронного двигателя

Прежде чем рассматривать принцип действия синхронного двигателя, необходимо помнить, что это электрическая машина, работающая на переменном токе, у которой ротор вращается с частотой, которая равна частоте вращения магнитного поля в воздушной прослойке.

Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.

Устройство синхронного двигателя

Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока. При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.

В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами. Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки. Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.

Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.

Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.

В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора. Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.

Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.

Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.

Как работает синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора. При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре. Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.

При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле. Только после этого он переходит в синхронный режим. В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.

При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам. Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации. После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.

Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей. Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой. Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.

Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля. Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.

Схема запуска двигателя и его регулировка

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

  • В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
  • Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.

Различия синхронных и асинхронных двигателей

Все электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, закрепленными на статоре. Концы этих обмоток выведены в общую клеммную коробку. Во избежание перегрева на валу двигателя устанавливается вентилятор. Ротор выполнен из металлических стержней, замкнутых с двух сторон между собой. Он представляет единое целое с валом и получил название короткозамкнутого ротора.

Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. Соответственно, в обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля.

Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов. Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью. Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля. Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.

Что такое синхронный двигатель и где он используется

Синхронные электродвигатели (СД) не так распространены, как асинхронные с короткозамкнутым ротором. Но используются там, где нужен большой крутящий момент и в процессе работы будут происходить частые перегрузки. Также такой тип двигателей используются там, где нужна большая мощность, чтобы приводить в движение механизмы, благодаря высокому коэффициенту мощности и возможности улучшать коэффициент мощности сети, что существенно снизит затраты на электроэнергию и нагрузку на линии. Что такое синхронный двигатель, где он используется и какие у него плюсы минусы мы рассмотрим в этой статье.

Определение и принцип действия

Если говорить простым языком, то синхронным называют электродвигатель, у которого скорость вращения ротора (вала) совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора.

Кратко рассмотрим принцип действия такого электродвигателя — он основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, которое обычно создаётся трёхфазным переменным током и постоянного магнитного поля ротора.

Постоянное магнитное поле ротора создаётся за счет обмотки возбуждения или постоянных магнитов. Ток в обмотках статора создаёт вращающееся магнитное поле, тогда как ротор в рабочем режиме представляет собой постоянный магнит, его полюса устремляются к противоположным полюсам магнитного поля статора. В результате ротор вращается синхронно с полем статора, что и является его основной особенностью.

Напомним, что у асинхронного электродвигателя скорость вращения МП статора и скорость вращения ротора отличаются на величину скольжения, а его механическая характеристика «горбатая» с пиком при критическом скольжении (ниже его номинальной скорости вращения).

Скорость, с которой вращается магнитное поле статора, может быть вычислена по следующему уравнению:

f – частота тока в обмотке, Гц, p – количество пар полюсов.

Соответственно по этой же формуле определяется скорость вращения вала синхронного двигателя.

Большинство электродвигателей переменного тока, используемых на производстве, выполнены без постоянных магнитов, а с обмоткой возбуждения, тогда как маломощные синхронные двигатели переменного тока выполняются с постоянными магнитами на роторе.

Ток к обмотке возбуждения подводится за счет колец и щеточного узла. В отличие от коллекторного электродвигателя, где для передачи тока вращающейся катушке используется коллектор (набор продольно расположенных пластин), на синхронном установлены кольца поперек одного из концов статора.

Источником постоянного тока возбуждения в настоящее время являются тиристорные возбудители, часто называемые «ВТЕ» (по названию одной из серий таких устройств отечественного производства). Ранее использовалась система возбуждения «генератор-двигатель», когда на одном валу с двигателем устанавливали генератор (он же возбудитель), который через резисторы подавал ток в обмотку возбуждения.

Ротор почти всех синхронных двигателей постоянного тока выполняется без обмотки возбуждения, а с постоянными магнитами, они хоть и похожи по принципу действия на СД переменного тока, но по способу подключения и управления ими очень сильно отличаются от классических трёхфазных машин.

Одной из основных характеристик электродвигателя является механическая характеристика. Она у синхронных электродвигателей приближена к прямой горизонтальной линии. Это значит, что нагрузка на валу не влияет на его обороты (пока не достигнет какой-то критической величины).

Это достигается именно благодаря возбуждению постоянным током, поэтому синхронный электродвигатель отлично поддерживает постоянные обороты при изменяющихся нагрузках, перегрузках и при просадках напряжения (до определенного предела).

Ниже вы видите условное обозначение на схеме синхронной машины.

Конструкция ротора

Как и любой другой, синхронный электродвигатель состоит из двух основных частей:

  • Статор. В нём расположены обмотки. Его еще называют якорем.
  • Ротор. На нём устанавливают постоянные магниты или обмотку возбуждения. Его также называют индуктором, из-за его предназначения — создавать магнитное поле).

Для подачи тока в обмотку возбуждения на роторе устанавливают 2 кольца (так как возбуждение постоянным током, на одно из них подают «+», а на другое «—»). Щетки закреплены на щеткодержателе.

Роторы у синхронных электродвигателей переменного тока бывают двух типов, в зависимости от назначения:

  1. Явнополюсные. Четко видны полюса (катушки). Используют при малых скоростях и большом числе полюсов.
  2. Неявнополюсные – выглядит как круглая болванка, в прорези на которой уложены провода обмоток. Используют при больших скоростях вращения (3000, 1500 об/мин) и малом числе полюсов.

Пуск синхронного двигателя

Особенностью этого вида электрических машин является то, что его нельзя просто подключить к сети и ожидать его запуска. Кроме того, что для работы СД нужен не только источник тока возбуждения, у него и достаточно сложная схема пуска.

Запуск происходит как у асинхронного двигателя, а для создания пускового момента кроме обмотки возбуждения на роторе размещают и дополнительную короткозамкнутую обмотку «беличью клетку». Её еще называют «демпфирующей» обмоткой, потому что она повышает устойчивость при резких перегрузках.

Ток возбуждения в обмотке ротора при пуске отсутствует, а когда он разгоняется до подсинхронной скорости (на 3-5% меньше синхронной), подаётся ток возбуждения, после чего он и ток статора совершает колебания, двигатель входит в синхронизм и выходит на рабочий режим.

Для ограничения пусковых токов мощных машин иногда уменьшают напряжение на зажимах обмоток статора, подключив последовательно автотрансформатор или резисторы.

Пока синхронная машина запускается в асинхронном режиме к обмотке возбуждения подключаются резисторы, сопротивление которых превышает сопротивление самой обмотки в 5 — 10 раз. Это нужно чтобы пульсирующий магнитный поток, возникающий под действием токов, наводимых в обмотке при пуске, не замедлял разгон, а также чтобы не повредить обмотки из-за индуцируемыми в ней ЭДС.

Видов таких машин очень много, выше была описана конструкция синхронного электродвигателя переменного тока с обмотками возбуждения, как самого распространенного на производстве. Есть и другие типы, такие как:

  • Синхронные двигатели с постоянными магнитами. Это различные электродвигатели, такие как PMSM – permanent magnet synchronous motor, BLDC – Brushless Direct Current и прочие. Отличия, между которыми, состоят в способе управления и форме тока (синусоидальная или трапецивиденая). Их еще называют бесколлекторными или бесщеточными двигателями. Используются в станках, радиоуправляемых моделях, электроинструменте и т.д. Они работают не напрямую от постоянного тока, а через специальный преобразователь.
  • Шаговые двигатели — синхронные бесщеточные двигатели, у которых ротор точно удерживает заданное положение, их используют для позиционирование рабочего инструмента в ЧПУ станках и для управления различными элементами автоматических систем (например, положение дроссельной заслонки в автомобиле). Состоят из статора, в этом случае на нём расположены обмотки возбуждения, и ротора, который выполнен из магнито-мягкого или магнито-твёрдого материала. Конструктивно очень похожи на предыдущие типы.
  • Реактивные.
  • Гистерезисные.
  • Реактивно-гистерезисные.

Последние три типа СД также не имеют щеток, они работают за счет особой конструкции ротора. У реактивных СД различают три их конструкции: поперечно-расслоенный ротор, ротор с явновыраженными полюсами и аксиально-расслоенный ротор. Объяснение принципа их работы достаточно сложно, и займет большой объём, поэтому мы опустим его. Такие электродвигатели на практике вы, скорее всего, встретите нечасто. В основном это маломощные машины, используемые в автоматике.

Сфера применения

Синхронные двигатели стоят дороже чем асинхронные, к тому же требуют дополнительного источника постоянного тока возбуждения – это отчасти снижает ширину области применения этого вида электрических машин. Однако, синхронные электродвигатели используют для привода механизмов, где возможны перегрузки и требуется точное поддерживание стабильных оборотов.

При этом чаще всего используются в области больших мощностей — сотен киловатт и единиц мегаватт, и, при этом, пуск и остановка происходят достаточно редко, то есть машины работают круглосуточно долгое время. Такое применение обусловлено тем, что синхронные машины работают с cosФи приближенном к 1, и могут выдавать реактивную мощность в сеть, в результате чего улучшается коэффициент мощности сети и снижается её потребление, что важно для предприятий.

Преимущества и недостатки

Если говорить простыми словами, то у любой электрической машины есть свои плюсы и минусы. У синхронного двигателя положительными сторонами является:

  1. Работа с cosФи=1, благодаря возбуждению постоянным током, соответственно они не потребляют реактивной мощности из сети.
  2. При работе, с перевозбуждением отдают реактивную мощность в сеть, улучшая коэффициент мощности сети, падение напряжения и потери в ней и повышается КМ генераторов электростанциях.
  3. Максимальный момент, развиваемый на валу СД, пропорционален U, а у АД — U² (квадратичная зависимость от напряжения). Это значит, что у СД хорошая нагрузочная способность и устойчивость работы, которые сохраняются при просадке напряжения в сети.
  4. В следствие всего этого скорость вращения стабильна при перегрузках и просадках, в пределах перегрузочной способности, особенно при повышении тока возбуждения.

Однако существенным недостатком синхронного двигателя является то, что его конструкция сложнее, чем у асинхронных с КЗ-ротором, нужен возбудитель, без которого он не сможет работать. Всё это приводит к большей стоимости по сравнению с асинхронными машинами и сложностями в обслуживании и эксплуатации.

Пожалуй, на этом достоинства и недостатки синхронных электродвигателей заканчиваются. В этой статье мы постарались кратко изложить общие сведения о синхронных электродвигателях. Если у вас есть чем дополнить материал – пишите в комментариях.

{SOURCE}

Синхронный двигатель

Синхронный электродвигатель - это двигатель переменного тока, отличающийся вращением ротора с катушками, пропускающими магниты с той же скоростью, что и переменный ток, и возникающим магнитным полем, которое его возбуждает. Другими словами, он имеет нулевое скольжение в обычных условиях эксплуатации. Сравните это с асинхронным двигателем, который должен проскальзывать, чтобы создавать крутящий момент.

Использует

Иногда синхронный двигатель используется не для управления нагрузкой, а для повышения коэффициента мощности в локальной сети, к которой он подключен.Это достигается за счет подачи реактивной мощности в сеть или потребления реактивной мощности из нее. В этом случае синхронный двигатель называется синхронным конденсатором.

На электростанциях почти всегда используются синхронные генераторы, потому что очень важно поддерживать постоянную частоту, на которой подключен генератор.

Приложения с низким энергопотреблением включают в себя позиционирующие машины, где требуется высокая точность, и приводы роботов.

Сетевые синхронные двигатели используются для электрических часов.

Преимущества

Синхронные двигатели имеют следующие преимущества по сравнению с несинхронными двигателями:
* Скорость не зависит от нагрузки, при условии, что применяется соответствующий ток возбуждения.
* Точное управление скоростью и положением с использованием управления разомкнутым контуром, например. шаговые двигатели.
* Они будут удерживать свое положение при подаче постоянного тока на обмотки статора и ротора.
* Их коэффициент мощности можно отрегулировать до единицы, используя ток возбуждения, соответствующий нагрузке.Кроме того, "емкостной" коэффициент мощности (фаза тока, фаза напряжения, фаза напряжения) может быть получен путем небольшого увеличения этого тока, что может помочь достичь лучшей коррекции коэффициента мощности для всей установки.
* Их конструкция позволяет повысить электрический КПД, когда требуется низкая скорость (например, в шаровых мельницах и подобных устройствах).

Примеры

* Бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами.
* Шаговый двигатель.
* Медленный синхронный двигатель переменного тока.
* Коммутируемый реактивный двигатель.

См. Также

Фонд Викимедиа. 2010.

Луи Дж. П.. Управление нетрадиционными синхронными двигателями [PDF]

Великобритания и США, ISTE Ltd и John Wiley & Sons, Inc., 2012. 428 с. - ISBN 978-1-84821-331-9. Классические синхронные двигатели являются наиболее эффективным устройством для точного и быстрого привода промышленных производственных систем и роботов.Однако во многих приложениях в нестандартных ситуациях требуется эффективное управление.
В первую очередь, это касается синхронных двигателей, питаемых от тиристорных инверторов с линейной коммутацией, или синхронных двигателей с повреждениями на одной или нескольких фазах.
Во-вторых, многие приводные системы используют нетрадиционные двигатели, такие как многофазные (более трех фаз) синхронные двигатели, синхронные двигатели с двойным возбуждением, линейные синхронные двигатели с постоянными магнитами, синхронные и переключаемые реактивные двигатели, шаговые двигатели и пьезоэлектрические двигатели.
В этой книге представлены эффективные средства управления для улучшения использования этих нестандартных двигателей. Введение
Жан-Поль Луи
Самоуправляемый синхронный двигатель: принципы работы и упрощенное управление Модель
Фрэнсис Лабрик и Франсуа БАУДАРТ
Введение
Аспекты конструкции, характерные для самоуправляемой синхронной машины
Упрощенная модель для изучения установившегося состояния работа
Исследование установившегося режима работы
Работа при номинальной скорости, напряжении и токе
Работа с крутящим моментом меньше номинального крутящего момента
Работа со скоростью ниже номинальной скорости
Работа в качестве генератора
Эквивалентность машины с коммутатором и щетки
Уравнения, выведенные из теории цепей со скользящими контактами
Оценка переменных токов, циркулирующих в установившемся режиме в демпферных обмотках
Перенос исследования на случай отрицательной скорости вращения
Вариант базовой сборки
Заключение
Список основные используемые символы
Библиография Self-co Управляемый синхронный двигатель: динамическая модель, включающая поведение демпферных обмоток и перекрытие коммутации
Эрнест Матань
Введение
Выбор выражения Nk
Выражение потоков
Общие свойства коэффициентов X, Y и Z
Уравнения электрической динамики
Выражение электромеханических переменных
Выражение крутящего момента
Написание уравнений в терминах коэнергии
Применение к управлению
Заключение
Приложение 1: значение коэффициентов X, Y и Z
Приложение 2: производные коэффициентов X, Y и Z
Приложение 3: упрощения для малых μ
Приложение 4: Список основных символов, используемых в главах 1 и
Библиография Синхронные машины в деградированном режиме
Дэмиен Флиеллер, Нгац Ки Нгуен, Эрве Шваб и Гай Стюрцер
Общее введение
Анализ отказов установленной преобразовательной машины: преобразователи с MOSFET транзисторами
Анализ основных причин выхода из строя ure
Отказ инвертора
Другие отказы
Надежность привода синхронных двигателей с постоянными магнитами
Условия окружающей среды в автомобильной промышленности
Два отчета о надежности: MIL-HdbK-217 и RDF
Частота отказов приводов синхронных двигателей с постоянными магнитами
Заключение
Оптимальные поставки синхронных машин с постоянными магнитами при наличии неисправностей
Введение: проблема управления abc
Подача неисправных синхронных машин с несинусоидальной обратной электромагнитной силой
Обобщение моделирования
Эвристический подход к решению
Первая оптимизация омической потери без ограничения на униполярный ток
Вторая оптимизация омических потерь с нулевой суммой токов исправных фаз
Третья оптимизация омических потерь с нулевым униполярным током (во всех фазах)
Общие формулировки
Экспериментальная стратегия обучения в замкнутый цикл для получения оптимального тока арендная плата во всех случаях
Результаты моделирования
Общий вывод
Глоссарий
Библиография Управление двухзвездочной синхронной машиной с помощью инверторов с ШИМ
Мохамед Фуад Бенхорис
Введение
Описание электрического привода
Основные уравнения
Уравнения напряжения электромагнитный крутящий момент
Динамические модели синхронной машины с двойной звездой
Динамическая модель по ссылке d1q1d2q
Динамическая модель по ссылке dqz1z2 z3z
Управление синхронной машиной с двойной звездой
Управление по ссылке d1q1d2q
Управление по ссылке dqz1z2z3z
Библиография Управление многофазными машинами с незакрытыми полюсами, питаемыми инвертором
Ксавье Кестелин и Эрик Семаил
Введение и презентация электрических машин
Модель управления синхронными машинами с инверторным питанием с постоянными магнитами
Характерные пространства и общие характеристики концепция эквивалентной двухфазной машины
Инвертор, видимый из машины
Управление крутящим моментом многофазных машин
Управление токами в естественной основе
Управление токами в основе развязки
Моделирование и управление крутящим моментом многофазных машин в деградированной режим питания
Моделирование машины с неисправным питанием
Управление крутящим моментом неисправной машины
Библиография Синхронные машины с гибридным возбуждением
Николас Патин и Лайонел Видо
Описание
Определение
Классификация
Моделирование с целью управления
Составление уравнений
Составление компонентов
Полная модель
Управление инверсией модели
Цели управления крутящим моментом
Текущее управление машиной
Оптимизация и токовые входы
Превышение скорости и ослабление потока синхронных машин
Общие положения
Ослабление потока синхронных машин с классическими магнитами
Унифицированное подходить ch для ослабления потока с использованием оптимальных входов
Заключение
Библиография Расширенное управление линейным синхронным двигателем
Гислен Реми и Пьер-Жан Барр
Введение
Исторический обзор и применения в области линейных двигателей
Презентация линейных синхронных двигателей
Технология линейные синхронные двигатели
Модели линейных двигателей с использованием предположения синусоидальной магнитодвижущей силы
Графическое представление причинно-следственной связи
Расширенное моделирование линейных синхронных двигателей
Классическое управление линейными двигателями
Современное состояние управления линейными двигателями Принципы инверсии COG
Управление с обратной связью
Расширенное управление линейными двигателями
Несколько резонансных контроллеров в двухфазной системе отсчета
Управление с прямой связью для компенсации усилий фиксации
Команды от n-го производного для бессенсорного управления
Заключение
Номенклатура
Подтверждено gment
Библиография
Приложение: LMD10-050 Datasheet Etel Машины с переменным сопротивлением: моделирование и управление
Микаэль Хилайрет, Тьерри Любин и Абдельмунаим Тунци
Введение
Машины синхронного сопротивления
Описание и принцип работы модели
Гипотеза и принцип работы
Управление машиной Synchrel
Приложения
Машины реактивного сопротивления
Описание и принцип работы
Гипотезы и прямая модель SRM
Control
Приложения
Заключение
Библиография Управление шаговым двигателем
Бруно Роберт и Моэз Феки
Введение
Моделирование
Основные технологии
Гипотезы моделирования
Модель
Управление в разомкнутом контуре
Типы питания
Режимы подачи
Случай медленного движения
Случай быстрого движения
Управление в замкнутом контуре
Линейные модели
Сервоуправление скоростью
Advanced контроль: управление хаосом
Хаотическое поведение
Модель
Стабилизация орбиты
Абсолютная стабильность
Синтез контроллера
Примеры
Библиография Управление пьезоэлектрическими приводами
Фредерик Жирауд и Бетти Лемэр-Семейл
Введение
Движущаяся волна, ультразвуковые двигатели, механические двигатели

Hypothesesandnotations Kinematicsoftheidealrotor
Generationofthemotortorque

Stator'sresonance Calculationofmodalreactionforces

Completemodel Causalmodelinthereferentialofthetravelingwave

Parktransformappliedtothetravelingwavemotor Transformedmodel

Studyofthemotorstall alidationofthemodel

Torqueestimator Controlbasedonabehavioralmodel

Controlsbasedonaknowledgemodel Inversionprinciple
структура управления выведенные из причинной модели: акцент на самоконтроля
Практическое осуществление самоконтроля
Заключение
Библиография
Список авторов
Указатель

[No.13] Схема обмотки двигателя переменного тока Технология моделирования электромеханических конструкций: JMAG

Здесь мы видим схему обмотки трехфазного асинхронного двигателя переменного тока или бесщеточного двигателя с постоянными магнитами (IPM), имеющего 4 полюса и 36 пазов. Эта обмотка фактически может использоваться с любой машиной переменного тока, включая синхронный реактивный двигатель или синхронный двигатель или генератор с возбужденным полем. Во многих отношениях это обычный классический пример, и цель здесь состоит в том, чтобы рассмотреть некоторые особенности схемы и ее условных обозначений, а не саму намотку или какой-либо конкретный механизм.

Отправной точкой является развернутая схема обмотки слева внизу. Термин «развитый» заимствован из геометрии цилиндров и означает, что наш взгляд на внутреннюю часть расточки статора развернут на плоскости. Мы должны представить, что находимся внутри статора, где-то рядом с центральной линией или осью, и смотрим радиально наружу в сторону прорезанной внутренней поверхности. Если мы повернем наш взгляд на 360 °, мы увидим все 36 слотов.

На разработанной схеме видно всего несколько слотов, но мы видим, что всего катушек 36.Каждая катушка имеет две стороны катушки , поэтому в каждом слоте должно быть две стороны катушки. Это так называемая двухслойная обмотка , один из наиболее распространенных типов. Все катушки идентичны, и они расположены так, что одна сторона катушки находится в нижней части слота, а другая - вверху рядом с проемом. Нижние стороны катушки показаны пунктирными линиями, потому что они скрыты за верхними сторонами катушки, когда мы смотрим наружу от оси. Каждая катушка представлена ​​на разработанной схеме многоугольником с треугольными «концевыми витками», иногда называемым «алмазной катушкой».

В машинах с большим количеством пазов разработанная схема может стать очень сложной, особенно когда обмотка предназначена для различных последовательных / параллельных соединений. По этой причине часто используется чрезвычайно компактная форма схемы подключения, особенно в обмоточных цехах. Далее мы предполагаем, что все катушки идентичны и все они уложены в одном направлении и регулярно; их полярность затем определяется соединителями, и что жизненно важно в обмоточном цехе, так это их соединение группами с правильной полярностью, в правильные последовательные или параллельные цепи и в правильных фазах.

На компактной диаграмме показаны группы полюсов . В этом примере с 36 катушками, 3 фазами и 4 полюсами, катушки естественным образом делятся на группы по 3, то есть 36 / (3 × 4). Одна из этих групп выделена на развернутой диаграмме. Его начальная точка ( S ) - это ведущий хвост первой катушки в группе, а его конечная точка ( F ) - замыкающий хвост последней (третьей). S и F ожидают подключения к другим группам полюсов в соответствии с основной схемой.Если предполагается параллельное соединение, ЭДС, генерируемые во всех параллельных группах полюсов, должны быть одинаковыми по величине и фазе.

На компактной диаграмме каждая группа полюсов представлена ​​простой дугой. Чтобы не касаться и не перекрывать соседние дуги, угловая протяженность этой дуги (в шагах пазов) немного меньше, чем количество пазов на полюс на фазу, в данном случае 3 шага пазов. Количество дуг равно количеству групп полюсов, поэтому количество катушек в группе равно количеству катушек, деленному на количество дуг: в этом случае 36/12 = 3.

Замечательным свойством этой диаграммы является то, что она не зависит от количества слотов и катушек. Например, если мы заменим статор на 48 пазов, диаграмма не изменится, но количество катушек на группу увеличится с 3 до 4. В статоре с 24 пазами будет 2 катушки на группу. Все эти случаи являются примерами обмоток с «размахом» 60 °, что является очень распространенным явлением. (Технически мы должны включить случай с 12 ячейками, но это вырожденный случай, когда разброс равен нулю). Также обратите внимание, что диаграмма не дает информации о размахе катушки или шаге; таким образом, например, в случае с 36 пазами обмотка с полным шагом будет иметь размах катушки 9, но также можно использовать 8, 7 или 6 (все с 2 сторонами катушки на паз).

Дуговая диаграмма содержит всю необходимую информацию для правильного подключения групп полюсов. Когда все дуги на месте, довольно просто с помощью «схемной логики» подключить их с правильной полярностью к соответствующим фазам. Чтобы облегчить интерпретацию соединений, с правой стороны добавлена ​​принципиальная схема для одной фазы, и мы видим, что в этом примере все катушки в одной фазе включены последовательно. То есть количество параллельных путей равно 1.Было бы полезно снова нарисовать основную диаграмму (и правую диаграмму) с двумя параллельными путями и снова с четырьмя параллельными путями (максимально возможное количество в этом примере).

Детали важны. Группы полюсов пронумерованы от 1 до 12 против часовой стрелки, а каждая группа полюсов помечена S - F против часовой стрелки. На дугах были добавлены стрелки, чтобы показать полярность подключения, а в центре диаграммы мы добавили письменное «расписание» подключений: например, « F1 до F4 » означает, что конец Группа полюсов 1 соединена с концом группы полюсов 4.

В этом примере группы полюсов связаны с тремя фазами, и согласно схеме начало фазы 2 должно быть смещено на 120 ° (электрическое) от начала фазы 1 в направлении вращения вперед. Так как это 4-полюсный механизм, то есть 60 ° (механический), поэтому, если фаза 1 начинается в слоте 1, фаза 2 должна начинаться со слота 7, а фаза 3 - со слота 13.

Хотя дуговая диаграмма может относиться к обмоткам большой сложности, она не показывает положения отдельных сторон катушки: они неявны, когда известны размах катушки и количество катушек в группе, но они не имеют первостепенного значения. в процессе подключения полюса - группы .Это может быть недостатком для инженера, вычисляющего коэффициенты намотки или анализа машины с помощью программы конечных элементов. Кроме того, дуги выглядят довольно похоже на концевые обмотки, иногда отображаемые в программном обеспечении для проектирования обмоток, и это можно рассматривать как отвлечение, поскольку они не имеют отношения к концевым обмоткам.

Для аналитических целей разработанная схема обмотки, возможно, более полезна, поскольку она показывает физическое положение каждой катушки. Когда катушки аккуратно сгруппированы, как в этом примере с распределенной обмоткой, расчетные уравнения (в частности, коэффициенты намотки) могут быть рассчитаны по формулам из разброса и размаха катушки; но в других случаях, таких как концентрические обмотки или обмотки с дробными пазами / полюсами, ситуация усложняется, и может возникнуть необходимость собрать коэффициенты обмотки с помощью анализа ряда Фурье для каждой катушки.Опять же, есть особые случаи, когда могут использоваться совершенно неправильные обмотки, включая катушки с разными пролетами, и в таких случаях дуговая диаграмма не подходит.

Вероятно, не существует единого стиля схемы обмоток, который мог бы эффективно представить все инженерные характеристики широкого диапазона обмоток, используемых в электрических машинах. Три элемента на схеме здесь - развернутая схема, круговая схема соединения группы полюсов с дугами и электрическая принципиальная схема - все являются обычными, но не очень часто мы видим их все вместе, и есть еще другие представления. здесь вообще не обсуждается.В настоящее время сложности возникают как с большими, так и с маленькими машинами, имеющими дробные пазы на полюс, где большое внимание уделяется форме волны ЭДС, крутящему моменту зубчатого зацепления и уровню реактивного сопротивления утечки гармоник. При подготовке схемы обмотки с учетом этих расчетов требования не совсем такие же, как при подготовке инженерного чертежа для использования в цехе намотки, но все эти процессы должны быть согласованы с высокой степенью согласованности, а в идеале - набор программного обеспечения для проектирования должны одинаково тщательно обрабатывать все эти аспекты.

Наверное, будет справедливо сказать, что основной схемы подключения (даже без письменного графика посередине) достаточно для того, чтобы обмоточный цех мог правильно установить и подключить многие типы обмоток переменного тока без использования разработанной схемы или электрической схемы. Если вам когда-нибудь посчастливится оказаться в заводской мастерской, они могут даже показать вам несколько нарисованных от руки примеров, которые они используют для перемотки полностью сгоревших машин. Надеюсь, что вы не создатель этой сгоревшей машины!


* Диаграмма взята из учебного курса Powersys / JMAG в октябре в Страсбурге

Если у Вас есть вопросы по «Дневнику инженера», по телефону
просьба

Свяжитесь с нами

STM32 Бесщеточный синхронный двигатель с постоянным магнитом PMSM / BLDC Совет по развитию Система управления двигателем с двойным замкнутым контуром FOC | Детали для кондиционеров |

Введение:

\
\

1 Цель.

\
\

Бесщеточный датчик Холла 1.DC со скоростью прямоугольной волны, током и двойным замкнутым контуром Алгоритм управления PID

\
\

2. Бесщеточный бессенсорный датчик скорости прямоугольной волны постоянного тока, ток и алгоритм двойного замкнутого контура PID

\
\

3 Синхронный двигатель с постоянными магнитами, квадратурный энкодер ABZ, FOC, SVPWM, скорость, ток и двойной замкнутый контур, алгоритм управления PID

\
\

4.Синхронный датчик Холла с постоянным магнитом FOC, SVPWM Скорость, ток, двойной замкнутый контур, алгоритм управления PID

\
\

5. \
\

\
\

\
\

Плата управления STM32Motor используется для бесщеточного двигателя постоянного тока, синхронного двигателя с постоянными магнитами, трехфазного асинхронного двигателя переменного тока.Это в основном предназначено для обучения управлению двигателем, реализации или проверки алгоритма управления двигателем и развития пользователей моторных продуктов.

\
\

\
\

2. Параметры платы разработки

\
\

STM32 Motor Control Development Board

\
\

1 Напряжение питания платы управления : 24 В

\
\

2 Плата управления не подключена к нормальному рабочему току двигателя.60 мА

\
\

3Максимальная грузоподъемность: 60Вт

\
\

4Отбор тока шины, выборка фазного тока, установка и защита от перегрузки по току;

\
\

3. Параметры двигателя

\
\

Трехфазный двигатель с постоянными магнитами: Трехфазный двигатель с постоянными магнитами с трехфазным датчиком положения Холла и ортогональным энкодером соединены связь.Двигатель специально настроен, а обратная ЭДС представляет собой синусоидальный трехфазный двигатель с постоянными магнитами; векторное управление FOC - управление PMSM; Шестиступенчатая импульсная коммутация PWM - это управление BLDC; Асинхронное управление VF переменного тока может быть продемонстрировано в этом двигателе на низкой скорости для изучения принципа VF преобразователя частоты переменного тока.

\
\

1Модели двигателей: 24BLS01

\
\

2 Напряжение питания: 24 В

\
\

3Мощность: 30 Вт

\
\ 52

\
\

ed

4 Напряжение питания зала: 5 В

\
\

4. Конфигурация энкодеров

\
\

Ортогональный энкодер Omron 1024 line ABZ:

\
\

1 Напряжение источника питания: 5-12 В

\
\ Потребляемая мощность 9000 20 мА 2 Энергопотребление 9000 20 мА \

5. STM32F103 выбран в качестве управляющей микросхемы

\
\

164K FLASH

\
\

2LQFP48

\
\

3. Напряжение источника питания:3V

\
\

6. MOSFET Драйвер затвора - IR2101S, а MOSFET - STP80N70 ;

\
\

7. Внешний контур ПИД-регулятора скорости, внутренний контур тока, двойной замкнутый контур управления

\
\

8. Интерфейс связи RS232 с последовательным портом, удобный для оборудования или отладка и тестирование компьютера

\
\

9. Поддержка связи RS485 и CAN, отладка и использование некоторых клиентов, использование соответствующих коммуникационных потребностей.

\
\

\
\

10. Блок-схема управления и определение интерфейса

\
\

Блок-схема системы

\ 35 \

90 \

\

Схема определения интерфейса

\
\

\
\

Физический эскиз

\
\

\
\

\

\

\ Экспериментальные обучающие материалы

\
\

1 ) Бесщеточный датчик Холла постоянного тока с прямоугольной скоростью волны, током и двойными замкнутыми контурами.

Режим подключения:

\
\

\
\

\
\

Видеоадрес: (BLDC) Датчик Холла Бесщеточный двигатель постоянного тока с двойным замкнутым контуром управления скоростью и током

\
\

\
\

2 ) Бесщеточный бессенсорный прямоугольный сигнал скорости постоянного тока, ток и алгоритм двойного замкнутого контура PIDcontrol

\
\

Experiment

\
2

\
\

9000 2 Режим подключения:

\
\

\
\

\
\

Видеоадрес: BLDC (линия Холла в руке, ох), бессенсорный бесщеточный двигатель постоянного тока, скорость и ток, двойное ПИД-регулирование с обратной связью

\
\

http: // cloud.video.taobao.com/play/u/878371483/p/1/e/6/t/1/50008698620.mp4

\
\

3 ) Синхронный двигатель с постоянными магнитами ABZквадратурный энкодер FOC, SVPWMVelocity, Current, Двойной замкнутый контурPIDControl эксперимент

\
\

\
\

Подпрограммы загрузки: STM32_PMSM_FOC_QEncoder

\
\

Режим подключения:

\
2

\
2

\
2

\

\
\

\
\

Видеоадрес: (PMSM) EncoderFOC SVPWMDouble Closed Loops of Velocity and CurrentPIDcontrol

\
2 http:

// cloud 9.video.taobao.com/play/u/878371483/p/1/e/6/t/1/50003996483.mp4

\
\

\
\

4 ) Постоянный магнит синхронный Датчик Холла FOC, SVPWM Скорость, ток, двойной замкнутый контур PID Контрольный эксперимент

\
\

Подпрограммы загрузки: STM32_PMSM_FOC_Hall

\
\

Режим подключения:

\
\

59

\
\

\

Адрес видео: PMSM Holzer sensingFOC SVPWMDouble Closed Loops of Velocity and CurrentPIDcontrol

\
\

http: // cloud.video.taobao.com/play/u/878371483/p/1/e/6/t/1/50008698598.mp4

\
\

5 ) Синхронизация с постоянным магнитом без датчикаFOC, SVPWMVelocity, ток, двойной Closed LoopPIDControl эксперимент

\
\

Процедуры загрузки: STM32_PMSM_FOC_Sensorless

\
\

Режим подключения:

\
\

\
\

000

000

\
\

000

000

\
2

000

000

SensorlessFOC SVPWM Двойной замкнутый контур скорости и токаPIDcontrol

\
\

http: // cloud.video.taobao.com/play/u/878371483/p/1/e/6/t/1/50008710430.mp4

\
\

6 ) Асинхронная связь Эксперимент по управлению VFControl

\
\

В этом эксперименте асинхронный двигатель переменного тока заменен бесщеточным двигателем постоянного тока. . Алгоритм управления точно такой же.

\
\

Процедуры загрузки: STM32_ACIM_VF

\
\

\
\

Режим подключения:

\
\

\ 9000 9000 9000

\
\

12. Отгрузочная ведомость

\
\

\
\

1 Плата управления двигателем STM32

\
\

13.

000

) Спецификация оборудования PDFFormat;

\
\

2) Бесщеточный датчик Холла постоянного тока со скоростью прямоугольной волны, током и двойным замкнутым контуром Программа управления PID + Введение в программное и аппаратное обеспечение PDFFormat) Программа Closed LoopPIDcontrol + Введение в программное и аппаратное обеспечение PDFFormat)

\
\

4) Синхронный двигатель с постоянным магнитом ABZквадратурный энкодер FOC, SVPWM Скорость, ток, двойной замкнутый контур Программа PIDcontrol + Введение в программное и аппаратное обеспечение PDFFormat) 5

) Магнитный синхронный датчик Холла FOC, SVPWM Скорость, ток, программа управления двойным замкнутым контуром PIDcontrol + Введение в программное и аппаратное обеспечение PDFFormat)

\
\

6) Синхронизация с постоянными магнитами без датчикаFOC, SVPWM Скорость, ток, двойная замкнутая петля Программа управления DPID + 900P 05

\
\

7) Асинхронизм трехфазного переменного тока Программа исходного кода VFSpeed ​​Control + Введение в программное и аппаратное обеспечение PDFFormat)

\
\

\
\

Скриншот данных

\ 0

\
\

\
\

\
\

15. Размер печатной платы

\
\

\
\

\
\

16. производство изображение

\
\

000

000

000

\
\

\
\

Статор и ротор трехфазного двигателя с постоянными магнитами в этом корпусе сконструированы по индивидуальному заказу, а обратная ЭДС имеет синусоидальную форму, как показано ниже.1,2,3 Слева находится активный двигатель, управляемый приводной платой, а справа - двигатель (пассивный двигатель), соединенный муфтой. Скорость двигателя составляет 800 об / мин. Измеряется левая и правая стороны. Форма волны обратной ЭДС взаимно меняется.

\
\

диаграмма 1. синусоидальная форма обратной электродвижущей силы трехфазного двигателя с постоянными магнитами

\
\

диаграмма 2. Схема подключения тестового сигнала трехфазного двигателя с постоянными магнитами

\
\

\
\

диаграмма 3.Панорама испытаний трехфазного двигателя с постоянными магнитами

'

Смоделируйте динамику трехфазного круглороторного или явнополюсного двигателя. синхронная машина

Simscape / Electric / Specialized Power Systems / Fundamental Blocks / Machines

Описание

Блок Synchronous Machine работает в режимах генератора или двигателя. В режим работы определяется знаком механической мощности (положительный для генератора режим, отрицательный для моторного режима).Электрическая часть машины представлена модель пространства состояний шестого порядка и механическая часть такая же, как в модели Упрощенный блок синхронной машины.

Модель учитывает динамику обмоток статора, возбуждения и демпфера. В Эквивалентная схема модели представлена ​​в системе отсчета ротора (кадр qd). Все параметры ротора и электрические величины наблюдаются со стороны статора. Они есть идентифицированы штрихованными переменными.Индексы:

  • d, q - d - и q - количество осей

  • R, s - количество ротора и статора

  • l, m - индуктивность утечки и намагничивания

  • f, k - количество полевых и демпферных обмоток

На этих схемах показана электрическая модель машины.

Динамическая модель с неравной взаимной индуктивностью

Традиционная теория моделирования синхронных машин для анализа устойчивости предполагает, что взаимные индуктивности между якорем, демпфером и полем на обмотки прямой оси идентичны.Обычно обмотки демпфера находятся около воздушного зазора, и в результате схемы демпфера, связывающие поток, почти равны потокосвящению. арматура. Эта гипотеза дает приемлемые результаты для широкого диапазона стабильности. исследования, особенно сетевые. Однако когда дело доходит до поля В текущих исследованиях имеется значительная ошибка. Динамическая модель эквивалентной схемы синхронной машины может включать дополнительную индуктивность, представляющую разность между взаимоиндукциями полевого демпфера и полевого якоря на оси D [1].Этот индуктивность обычно называется , индуктивность Канэя . Canay индуктивность соответствует потоку рассеяния, Φ C , на следующем рисунке и интерпретируется как корректирующий элемент в эквивалентной модели, которая может иметь отрицательный значение [2].

Стандарт IEEE 1110-2002 [3] представляет прямые и квадратичные оси динамической модели синхронной машины, как показано на диаграммы.

Соответствующие уравнения:

Базовые значения, коэффициент трансформации и указанные параметры ротора к статору

The Synchronous Machine SI Fundamental block и блок Synchronous Machine pu Fundamental позволяют вы можете указать основные параметры синхронной машины. Вы вводите параметры обмоток возбуждения и демпфера (сопротивления, утечки индуктивности и взаимные индуктивности) в СИ (Ом, Гн) или в о.е. Когда вы вводите параметры в SI, параметры RL поля и демпфера обмотки - это не фактические значения RL поля машины, а Значения RL относятся к статору.

Вы можете вычислить базовые значения для обмоток статора и ротора, когда параметры указаны в о.у. Вы также можете вычислить статора / поля коэффициент трансформации и параметры поля, относящиеся к статору от фактических параметров поля (значения RL обмоток, номинальное поле напряжение и номинальный ток возбуждения).

Базовые значения статора

В этой таблице показаны базовые значения статора.

Базовое напряжение статора = пиковое номинальное линейное напряжение (В)

Базовый ток статора (А)

Базовое сопротивление статора (Ом)

Базовая угловая частота (рад / с)

Базовая индуктивность статора (H)

Где:

  • P n = трехфазная номинальная мощность (ВА)

  • В n = номинальное межфазное напряжение напряжение (Vrms)

  • f n = номинальная частота (Гц)

  • i fn = номинальный ток возбуждения создание номинального напряжения статора без нагрузки (A)

Параметры статора для определения в синхронной машине SI Фундаментальный блок:

  • R с = сопротивление статора на фазу (Ом)

  • L l = индуктивность рассеяния статора (H)

  • L md = намагничивание по прямой оси индуктивность, если смотреть со стороны статора (H)

  • L mq = квадратурная ось индуктивность намагничивания, если смотреть со стороны статора (H)

Параметры статора для ввода в синхронную машину о.у. Фундаментальный блок:

Сопротивление статора на фазу (о.е.)

Индуктивность рассеяния статора (pu)

Прямая осевая индуктивность намагничивания (pu)

Квадратурная индуктивность намагничивания (pu)

Коэффициент трансформации статора / поля

На этом рисунке показана одна фаза обмотки статора, соединенная с обмоткой возбуждения.

На схеме:

  • N s и N f являются эквивалентами количество синусоидально распределенных витков обмотки статора и обмотки возбуждения соответственно.

  • R s и L l сопротивление статора и индуктивность рассеяния.

  • R f ′ и L lfd ′ - полевое сопротивление и индуктивность рассеяния.

Когда три обмотки статора запитаны трехфазным напряжением прямой последовательности и обмотка возбуждения разомкнута, индуктивность намагничивания статора равна Л мкр . Однако когда только одна фаза находится под напряжением и обмотка возбуждения разомкнута, индуктивность намагничивания составляет 2/3 L md , как показано на рисунок.

На холостом ходу, когда обмотка возбуждения вращается с номинальной скоростью и выдерживает номинальный постоянный ток возбуждения ток i fn , амплитуда переменного напряжения (пиковое значение), индуцированное на одной фазе статора, равно V sbase .

Максимальная взаимная индуктивность между одной обмоткой статора и Обмотка возбуждения получается при совмещении двух обмоток. Это дается выражением:

, из которого мы выводим коэффициент трансформации:

Коэффициент трансформации можно также выразить как:

, где I fbase - ток основного поля.Таблица показывает, как вычислить базовые значения поля.

Базовые значения полей

В этой таблице отображаются базовые значения полей.

Базовый ток возбуждения (А)

Напряжение основного поля (В)

Полное сопротивление основного поля (Ом)

Базовая индуктивность поля (H)

Фактические параметры поля:

R f ′ - сопротивление поля (Ом)
L 900 ′ ′ индуктивность рассеяния поля (H)

Параметры поля, вводимые в Synchronous Machine pu Fundamental block меню:

Сопротивление поля (о.е.)

Индуктивность рассеяния поля (pu)

Значения напряжения, тока и RL поля, относящиеся к статору

Параметры поля для ввода в основной блок SI Synchronous Machine - сопротивление поля и индуктивность рассеяния относительно статора ( R f , L lfd ).

Если известен номинальный ток возбуждения i fn , коэффициент трансформации N s / N f рассчитывается с использованием того же уравнения, что и для преобразования статора в поле соотношение.

Согласно Краузе [4], напряжение и ток возбуждения, относящиеся к статор ( V f , I f ) выведены из фактических В ф ′, I f ′ значения следующим образом:

Когда фактическое сопротивление поля R f ′ и утечка индуктивности L lfd ′ (вид со стороны ротора) известны значения, относящиеся к статору:

Если номинальный ток возбуждения неизвестен, и если значения pu сопротивления поля и индуктивности рассеяния известны ( R f_pu , L lfd_pu ), соответствующий СИ значения, относящиеся к статору, вычисляются следующим образом:

Те же преобразования используются для параметров RL демпферных обмоток.

Напряжение и ток возбуждения для основной синхронной машины SI

Когда вы указываете номинальный ток возбуждения, сигнал подается на Vf вход соответствует действительному напряжению поля, как в реальной жизни. Полевой ток возвращаемый выходом измерения также соответствует фактическому току возбуждения Если .

Номинальное напряжение возбуждения, создающее номинальное напряжение статора при отсутствии нагрузка определяется по формуле:

Если вы не указываете номинальный ток возбуждения, сигнал подается на Vf Вход соответствует действительному напряжению поля. к статору.В этом случае номинальное напряжение возбуждения, относящееся к статору номинальное напряжение статора без нагрузки составляет:

Ток возбуждения, возвращаемый измерительным выходом, равен ток возбуждения, относящийся к статору. Приведенный номинальный ток возбуждения к статору:

Напряжение возбуждения и ток для основной синхронной машины PU

Напряжение, приложенное на входе Vf синхронной машины pu Фундаментальный блок нормализован по номинальному напряжению поля, поэтому что вход 1 о.е. производит напряжение статора 1 о.е. без нагрузки.Если текущий вернулся по измерительному выходу блока также нормируется по номинальному ток возбуждения, так что вход 1 о.е. дает Если = 1 о.е.

Параметры

В зависимости от наличия данных вы можете выбрать один из трех блоков синхронной машины из Simscape ™ Библиотека специализированных систем питания Electrical ™ (powerlib):

  1. Синхронная машина SI Основной блок - Укажите статор, основные параметры обмоток возбуждения и демпфера (сопротивления, утечки индуктивности и взаимные индуктивности) в СИ (Ом и Н).Когда вы входите параметры в SI, параметры RL обмоток возбуждения и демпфера не фактические значения поля RL машины, но значения RL относятся к статор.

  2. Синхронная машина о.у. Фундаментальный блок - указать основные параметры в о.у. как со стороны статора, так и со стороны ротора.

  3. Синхронная машина о.у. Стандартный блок - Укажите стандарт параметры, также известные как рабочие параметры синхронной машины (установившиеся, переходные и / или субпереходные реактивные сопротивления и постоянные времени) как вход в блок.Как правило, производители оборудования предоставляют эксплуатационные параметры.

В программном обеспечении для анализа энергосистем уравнения синхронной машины: обычно решается с использованием техники прямого квадратурного преобразования нуля. Чтобы облегчить расчет, рассмотрите возможность использования нормализованных параметров pu. Для синхронной машины pu Фундаментальный блок, данные передаются непосредственно в процесс решения уравнений.В случае синхронной машины SI Фундаментальный блок, параметры со стороны ротора перенесены на сторону статора и нормализованы перед входом в окончательную обработку. Когда вы выбираете Синхронная машина pu Стандартный блок, метод трансляции данных требуется для расчета основных параметров из стандартных параметров [2], [3]. Данные метод перевода может переводить основные параметры в рабочие параметры и наоборот.

Конфигурация

Предустановленная модель

Предоставляет набор предварительно определенных электрических и механических параметров для синхронных машин различной мощности (кВА), между фазами напряжение (В), частота (Гц) и номинальная скорость (об / мин).

Выберите одну из предустановленных моделей, чтобы загрузить соответствующую электрическую и механические параметры в записях диалогового окна. Выберите Нет (по умолчанию) если вы не хотите использовать предустановленную модель или хотите изменить некоторые параметры предустановленной модели, как описано ниже.

При выборе предустановленной модели электрические и механические параметры в Параметры Вкладка диалогового окна становится немодифицируемый (недоступный). Чтобы начать с заданной модели, а затем изменить параметры машины:

  1. Выберите предустановленную модель, которую вы хотите инициализировать параметры.

  2. Измените параметр Preset model значение на No .Это действие не меняет параметры машины. Поступая так, вы просто разрываете связь с конкретной предустановленной моделью.

  3. Измените параметры станка по своему усмотрению, затем нажмите Применить .

Механический вход

Позволяет выбрать механическую мощность, подаваемую на вал или скорость ротора как входной сигнал Simulink ® блока, или для представления вал машины вращающимся механическим портом Simscape.

Выберите Механическая мощность Pm (по умолчанию), чтобы указать механическую мощность. input, в W или pu, и измените метку ввода блока на Пм . Скорость машины определяется машиной инерция J (или постоянная инерции H для машины pu) и разницей между механическим крутящим моментом Tm , в результате приложенной механической мощности Pm , и внутренний электромагнитный момент Те .Знаковое соглашение для механической силы это когда скорость положительная, положительный сигнал механической мощности указывает на режим генератора, а отрицательный сигнал указывает на двигатель. Режим.

Выберите Speed ​​w , чтобы указать ввод скорости в рад / с или в о.е., и измените маркировку входа блока на w . Машина скорость и механическая часть модели (постоянная инерции H ) игнорируется.Используя скорость как механическую input позволяет моделировать механическое соединение между двумя машинами.

На следующем рисунке показано, как смоделировать жесткое соединение вала. в мотор-генераторной установке, где обе машины являются синхронными машинами.

Выход скорости машины 1 (двигателя) соединен со входом скорости машины 2 (генератор). На этом рисунке момент трения в машине 2 не учитывается. Следовательно, его электромагнитный крутящий момент на выходе Te соответствует механическому крутящему моменту Tm , приложенному к вал машины 1.Соответствующая механическая входная мощность машина 1 рассчитывается как Pm = Tm * w. Коэффициент Kw учитывает единицы скорости обоих машины (пу или рад / с) и передаточное отношение коробки передач w2 / w1. Фактор КТ принимает учитывать единицы крутящего момента обеих машин (пу или Н · м) и машины рейтинги. Кроме того, поскольку инерция J2 игнорируется в машине 2, J2 , относящиеся к скорости машины 1, необходимо добавить к машина 1 инерция J1 .

Выберите Механический поворотный порт до добавить в блок механический вращающийся порт Simscape, который позволяет соединение машинного вала с другим машинным валом или с другие блоки Simscape, имеющие механические вращающиеся порты. Вход Simulink представляет механическую мощность Pm или скорость w затем машина снимается с блока.

На следующем рисунке показано, как подключить идеальный крутящий момент. Исходный блок из библиотеки Simscape на машину вал, чтобы представить машину в режиме двигателя или в режиме генератора, когда скорость ротора положительная.

Тип ротора

Укажите тип ротора: Явно-полюсный (по умолчанию) или Круглый (цилиндрический). Этот выбор влияет на количество контуров ротора в оси q (демпфер обмотки).

Использовать имена сигналов для идентификации меток шины

Когда этот флажок установлен, выход измерения использует имена сигналов для идентификации меток шины.Выберите этот вариант для приложения, требующие, чтобы метки сигналов шины имели только буквенно-цифровые символы.

Когда этот флажок снят (по умолчанию), результат измерения использует определение сигнала для идентификации меток шины. Этикетки содержат не буквенно-цифровые символы, которые несовместимы с некоторыми приложениями Simulink.

Параметры для синхронной машины SI Основные параметры

Номинальная мощность, напряжение, частота, поле ток

Полная трехфазная полная мощность Pn (ВА), RMS линейное напряжение Вн (В), частота fn (Гц), и ток возбуждения ifn (А).По умолчанию [187E6 13800 60 1087] .

Номинальный ток возбуждения - это ток, обеспечивающий номинальное напряжение на клеммах в условиях холостого хода. Эта модель была разработана с все величины наблюдаются со стороны статора, как объясняет Краузе [4]. Номинальный ток возбуждения позволяет рассчитать коэффициент трансформации машины, что позволяет приложить напряжение возбуждения, если смотреть со стороны ротора, как в реальная жизнь.Это также позволяет ток возбуждения, который является переменной в выходной вектор модели, видимый с ротора.

Если значение номинального тока возбуждения неизвестно, необходимо ввести 0 или оставьте поле пустым. Поскольку преобразование соотношение не может быть определено в этом случае, необходимо применить поле напряжение со стороны статора. Ток возбуждения на выходе вектор также рассматривается со стороны статора.

Статор

Сопротивление Rs (Ом), индуктивность рассеяния Lls (H) и d - ось и q - индуктивности намагничивания осей Lmd (H) и Lmq (H), и Canay индуктивность. Если значение индуктивности Canay неизвестно, вы должны введите 0 или оставьте поле пустым.По умолчанию [ 2.9069E-03 3.0892E-04 3.2164E-03 9.7153E-04] .

Поле

Сопротивление поля Rf (Ом) и индуктивность рассеяния Llfd (H), оба относятся к статору. По умолчанию [5.9013E-04 3.0712E-04] .

Демпферы

Сопротивление оси d Rkd (Ом) и индуктивность рассеяния Llkd (H), q - сопротивление оси Rkq1 (Ом) и индуктивность рассеяния Llkq1 (H), и (только для круглых ротор) q - сопротивление оси Rkq2 (Ом) и индуктивность рассеяния Llkq2 (H).Все эти ценности относятся к статор. По умолчанию [1.1900E-02 4.9076E-04 2.0081E-02 1.0365E-03] .

Инерция, коэффициент трения, пары полюсов

Коэффициент инерции Дж (кг.м 2 ), коэффициент трения F (Н-м) и количество пар полюсов с. .Момент трения Tf составляет пропорционально частоте вращения ротора ω (Tf = F.ω.) Tf выражается в Н · м, F в Н-м и ω в рад / с). По умолчанию [3.895e6 0 20] .

Начальные условия

Начальное отклонение скорости Δω (% от номинальной скорости), электрический угол ротора Θe (градусы), линейный текущие величины ia , ib , ic (A) и фазовые углы pha , phb , phc (градусы) и начальное напряжение поля Вф (В).Вы можете вычислить эти значения автоматически с помощью инструмента Load Flow или Machine Инструмент инициализации блока powergui. По умолчанию [0 0 0 0 0 0 0 0 70,3192] .

Вы можете указать начальное напряжение возбуждения одним из двух способов. если ты знать номинальный ток возбуждения (первая строка, последний параметр), в диалоговом окне введите начальное напряжение поля в вольтах постоянного тока относительно ротор.В противном случае введите ноль в качестве номинального тока возбуждения и укажите начальное напряжение поля в вольтах постоянного тока относительно статора. Вы можете определить номинальное напряжение возбуждения со стороны статора, выбрав Vfd дисплея , который выдает номинальную проверку Вт на вкладке Advanced .

Simulate saturation

Определяет наличие магнитного насыщения ротора и статора. железо симулировать или нет.По умолчанию очищено.

[ifd; Vt]

Параметры кривой насыщения без нагрузки. Магнитное насыщение статора а железо ротора моделируется кусочно-линейной зависимостью, определяющей точки на кривой насыщения без нагрузки. Первая строка этой матрицы содержит значения токов возбуждения. Вторая строка содержит значения соответствующие клеммы напряжения.Первая точка (первый столбец матрица) должна отличаться от [0,0] . Эта точка соответствует точке, где начинается эффект насыщения. По умолчанию является [695,64,774,7,917,5,1001,6,1082,2,1175,9,1293,6,1430,2,1583,7; 9660,10623,12243,13063,13757,14437,15180,15890,16567] .

Вы должны установить флажок Simulate saturation для имитации насыщенности.Установка этого флажка позволяет ввести матрица параметров для моделирования насыщенности. Если вы не хотите чтобы смоделировать насыщенность в вашей симуляции, не выбирайте Имитация насыщенности - флажок. В этом случае, связь между ifd и Вт получается линейно (без насыщения).

Щелкните Plot , чтобы просмотреть насыщение без нагрузки кривая.

Параметры синхронной машины о.е. Основные

Номинальная мощность, линейное напряжение, и частота

Полная трехфазная полная мощность (ВА), среднеквадратичное линейное напряжение (В), частота (Гц) и ток возбуждения (А).

Эта линия идентична первой строке фундаментального параметры в диалоговом окне SI, за исключением того, что вы не указываете номинальный ток возбуждения. Это значение здесь не требуется, потому что нам не нужно коэффициент трансформации.Поскольку количество ротора видно из статора, они преобразуются в pu с использованием основных величин статора полученный из трех предыдущих номинальных параметров. По умолчанию [ 187E6 13800 60] .

Статор

Сопротивление Rs (Ом), индуктивность рассеяния Lls (H) и d - ось и q - индуктивности намагничивания осей Lmd (H) и Lmq (H), и Canay индуктивность.Если значение индуктивности Canay неизвестно, вы должны введите 0 или оставьте поле пустым. По умолчанию [ 2,85E-03 0,114 1,19 0,36] .

Поле

Сопротивление поля Rf (Ом) и индуктивность рассеяния Llfd (H), оба относятся к статору. По умолчанию [5,79E-04 0,114] .

Демпферы

Сопротивление оси d Rkd (Ом) и индуктивность рассеяния Llkd (H), q - сопротивление оси Rkq1 (Ом) и индуктивность рассеяния Llkq1 (H), и (только для круглых ротор) q - сопротивление оси Rkq2 (Ом) и индуктивность рассеяния Llkq2 (H).Все эти ценности относятся к статор. По умолчанию [1.17E-02 0,182 1.97E-02 0,384 ] .

Коэффициент инерции, коэффициент трения, пары полюсов

Константа инерции H (s), которая является отношением энергия, запасенная в роторе при номинальной скорости выше номинальной мощности станок, коэффициент трения F (крутящий момент пу / пу скорость), а количество пар полюсов р .Трение крутящий момент Tf пропорционален скорости вращения ротора ω (Tf = F.ω, где все величины выражены в о.е.). По умолчанию [3,7 0 20] .

Начальные условия

Начальное отклонение скорости Δω (% от номинальной скорости), электрический угол ротора Θe (градусы), линейный текущие величины ia , ib , ic (pu) и фазовые углы pha , phb , phc (градусы) и начальное напряжение поля Вф (о.е.).Вы можете вычислить эти значения автоматически с помощью инструмента Load Flow или Machine Инструмент инициализации блока powergui. По умолчанию [0 0 0 0 0 0 0 0 1] .

Вы можете указать начальное напряжение возбуждения одним из двух способов. если ты знать номинальный ток возбуждения (первая строка, последний параметр), в диалоговом окне введите начальное напряжение поля в вольтах постоянного тока относительно ротор.В противном случае введите ноль в качестве номинального тока возбуждения и укажите начальное напряжение поля в вольтах постоянного тока относительно статора. Вы можете определить номинальное напряжение возбуждения со стороны статора, выбрав Vfd дисплея , который выдает номинальную проверку Вт на вкладке Advanced . Для насыщения номинальный ток возбуждения и номинальное среднеквадратичное линейное напряжение являются базовыми значения для тока возбуждения и напряжения на клеммах соответственно.

Simulate saturation

Определяет наличие магнитного насыщения ротора и статора. железо симулировать или нет. По умолчанию очищено.

[ifd; Vt]

Параметры кривой насыщения без нагрузки. Магнитное насыщение статора а железо ротора моделируется кусочно-линейной зависимостью, определяющей точки на кривой насыщения без нагрузки. Первая строка этой матрицы содержит значения токов возбуждения (в о.е.).Вторая строка содержит значения соответствующих клеммных напряжений (в о.е.). Первая точка (первый столбец матрицы) должен отличаться от [0,0] . Эта точка соответствует точке, где начинается эффект насыщения. По умолчанию [0,6404,0.7127,0.8441,0.9214,0.9956,1.082,1.19,1.316,1.457; 0,7,0.7698,0.8872,0.9466,0.9969,1.046,1.1,1.151,1.201] .

Вы должны установить флажок Simulate saturation для имитации насыщенности. Установка этого флажка позволяет ввести матрица параметров для моделирования насыщенности. Если вы не хотите чтобы смоделировать насыщенность в вашей симуляции, не выбирайте Имитация насыщенности - флажок. В этом случае, связь между ifd и Вт получается линейно (без насыщения).За насыщение, номинальный ток возбуждения и номинальное среднеквадратичное значение между фазами напряжение - это базовые значения для тока возбуждения и напряжения на клеммах, соответственно.

Щелкните Plot , чтобы просмотреть насыщение без нагрузки кривая.

Параметры для синхронной машины о.у. Стандарт

Номинальная мощность, линейное напряжение и частота

Полная трехфазная полная мощность (ВА), среднеквадратичное линейное напряжение (pu), частота (Гц) и ток возбуждения (pu).

Эта строка идентична первой строке основных параметров. в диалоговом окне SI, за исключением того, что вы не указываете номинальное поле текущий. Это значение здесь не требуется, потому что нам не нужен коэффициент трансформации. Поскольку количество ротора рассматривается со стороны статора, они преобразуются в о.е. с использованием основных величин статора, полученных из предыдущие три номинальных параметра.По умолчанию [6e + 04 400 50] .

Реактивное сопротивление

Синхронное реактивное сопротивление d по оси Xd , переходное реактивное сопротивление Xd ', и сверхпереходное реактивное сопротивление Xd '', q - синхронное реактивное сопротивление оси Xq , переходное реактивное сопротивление Xq ' (только для круглого ротора) и сверхпереходное реактивное сопротивление Xq '', и, наконец, реактивное сопротивление утечки Xl (все в полиуретане).По умолчанию [2,24 0,17 0,12 1,02 0,13 0,08] .

постоянные времени по оси d; Постоянная времени оси q (с)

Укажите постоянные времени, которые вы указываете для каждой оси: либо обрыв или короткое замыкание. Возможные варианты: Короткое замыкание (по умолчанию) или Обрыв цепи .

[Td 'Td' 'Tq' '] (s)

d - ось и q - время оси константы (все в s).Эти ценности должны соответствовать сделанному выбору. на двух предыдущих строках: d - переходная ось постоянная времени холостого хода (Tdo ') или короткого замыкания (Td'), d - субпереходная ось обрыва цепи (Tdo '') или постоянная времени короткого замыкания (Td ''), q - ось переходная постоянная времени холостого хода (Tqo ') или короткого замыкания (Tq') (только для круглого ротора), q - субпереходный обрыв по оси (Tqo '') или постоянная времени короткого замыкания (Tq '').По умолчанию [0,012 0,003 0,003] .

Сопротивление статора

Сопротивление статора Rs (pu). По умолчанию 0,037875 .

Коэффициент инерции, коэффициент трения, полюс пар

Константа инерции H (s), которая является отношением энергия, запасенная в роторе при номинальной скорости выше номинальной мощности станок, коэффициент трения F (крутящий момент пу / пу скорость), а количество пар полюсов р .Трение крутящий момент Tf пропорционален скорости вращения ротора ω (Tf = F.ω, где все величины выражены в о.е.). По умолчанию [0,1028 0,02056 2] .

Начальные условия

Начальное отклонение скорости Δω (% от номинальной скорости), электрический угол ротора Θe (градусы), линейный текущие величины ia , ib , ic (pu) и фазовые углы pha , phb , phc (градусы) и начальное напряжение поля Вф (о.е.).Вы можете вычислить эти значения автоматически с помощью инструмента Load Flow или Machine Инструмент инициализации блока powergui. По умолчанию [0 0 0 0 0 0 0 0 1] .

Вы можете указать начальное напряжение возбуждения одним из двух способов. если ты знать номинальный ток возбуждения (первая строка, последний параметр), в диалоговом окне введите начальное напряжение поля в вольтах постоянного тока относительно ротор.В противном случае введите ноль в качестве номинального тока возбуждения и укажите начальное напряжение поля в вольтах постоянного тока относительно статора. Вы можете определить номинальное напряжение возбуждения со стороны статора, выбрав Vfd дисплея , который выдает номинальную проверку Вт на вкладке Advanced .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *