Синхронные машины
Синхронными машинами называют электрические машины переменного тока, у которых магнитное поле, созданное обмоткой переменного тока, вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор, т.е. синхронно с ротором. В автоматических системах широко применяются синхронные микродвигатели. Они используются там, где необходимо поддерживать постоянную частоту вращения (в лентопротяжных механизмах самопишущих приборов, радиоаппаратуре, программных устройствах и др.). В ряде случаев синхронные микромашины применяются как генераторы, например, для получения переменного тока повышенной частоты (индукторные генераторы) и измерения частоты вращения (синхронные тахогенераторы).
Любая синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором (рис. 2.11).
Конструктивно статор синхронной машины аналогичен статору асинхронной машины. Сердечник статора набирают из штампованных изолированных листов электротехнической стали, в пазах его размещают обмотку переменного тока (обычно трехфазную). На валу укрепляют ротор с обмоткой возбуждения, концы которой подводят к контактным кольцам. Постоянный ток, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитное поле ротора - поле возбуждения. В синхронных машинах применяют два способа возбуждения: электромагнитное и с постоянными магнитами.
Рис.2.11. Устройство синхронной машины.
Рис. 2.12. Устройство синхронного двигателя с постоянными магнитами
(а-с радиальным и б-аксиальным расположением блока постоянных магнитов и стального пакета ротора с короткозамкнутой обмоткой). 1-обмотка статора, 2-статор, 3-пусовая обмотка типа «беличья клетка», 4-пакет ротора, 5-постоянные магниты.
Существенным недостатком синхронных двигателей является отсутствие у них пускового момента. Инерционность ротора не позволяет ему мгновенно развить частоту вращения, равную частоте вращения поля, которая устанавливается, как только в обмотке статора появляется ток. В результате над полюсами ротора проходят полюсы поля статора разной полярности. Поэтому между полем статора и полюсами ротора не возникает устойчивой магнитной связи, способной создать электромагнитный момент, действующий в одном направлении.
Для пуска синхронного двигателя необходимо предварительно привести ротор во вращение с частотой, близкой к синхронной. В этом случае при медленном перемещении поля относительно ротора он втягивается в синхронизм, т.е. начинает вращаться с синхронной частотой. Для получения пускового момента на роторе (рис. 2.12) кроме блока постоянных магнитов устанавливают собранный из листовой стали пакет, в пазах которого размещают пусковую короткозамкнутую обмотку типа "беличья клетка", которая по окончании процесса пуска служит демпфером, препятствующим качаниям ротора. Пуск асинхронного двигателя с электромагнитным возбуждением осуществляется в следующем порядке: замкнув обмотку возбуждения на сопротивление r (рис.2.13), подключают к сети обмотку статора. Вращающееся поле статора наводит в пусковой обмотке э.д.с., которая создает в стержнях токи. В результате взаимодействия этих токов с вращающимся полем статора образуется вращающий момент, который заставляет ротор вращаться. Рассмотренный способ пуска синхронного двигателя называют асинхронным, т.к. в этот период двигатель работает как асинхронный. Когда частота вращения ротора достигнет величины , близкой к синхронной, обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока, и возбужденный ротор втягивается в синхронизм.
Рис.2.13. Схема включения синхронного двигателя при асинхронном пуске.
Р
абочие
характеристики синхронного двигателя
(рис. 2.14) представляют собой зависимости
частоты вращения n1,
потребляемого тока i1,
полезного момента M
и коэффициента мощности cosφ
от полезной мощности P
при неизменных напряжении U1,
частоте сети ƒ1,
а также величине тока возбуждения i1.
Поскольку частота вращения синхронного
двигателя n2
равна синхронной частоте n1
= 60ƒ1/P,
следовательно, ее можно регулировать
путем изменения частоты питающего
напряжения ƒ1
или числа полюсов 2p.
Рис. 2.14. Рабочие характеристики синхронного двигателя.
Регулировать частоту вращения путем изменения числа полюсов в синхронном двигателе нецелесообразно, так как в отличие от асинхронного здесь требуется изменять число полюсов, как на статоре, так и на роторе, что приводит к значительному усложнению конструкции ротора. Поэтому практически используют лишь изменение частоты питающего напряжения. К синхронному двигателю применимы все основные положения теории частотного регулирования асинхронного двигателя. Однако в чистом виде этот способ применим лишь при малых мощностях двигателя, когда нагрузочные моменты невелики, а инерция приводного механизма мала.
Для синхронных двигателей, применяемых в электроприводах с большим моментом инерции приводного механизма, необходимо очень плавно менять частоту питающего напряжения, чтобы двигатель не выпал из синхронизма.
1-корпус, 2- подшипник, 3-подшипниковый щит, 4-обмотка статора,
5-магнтопровод статора, 6-магнитопровод ротора, 7-обмотка ротора,
8-контактные кольца, 9-щетки токосъемника, 10-выводы.