1. Синхронный электродвигатель

1.1. Синхронный электродвигатель общего назначения

Синхронные двигатели общего назначения – это машины мощностью от десятков до десятков тысяч киловатт. Многие серии синхронных двигателей предназначены для привода конкретных типов механизмов и используются в нерегулируемых электроприводах. Конструкция статора синхронного двигателя принципиально не отличается от конструкции статора асинхронного двигателя. На нем располагается трехфазная обмотка такая же, как в асинхронном двигателе. При питании обмотки статора от трехфазного источника напряжения токи, протекающие в ней, создают вращающееся магнитное поле с угловой частотой поля

.

Конструкция ротора синхронного двигателя существенно отличается от конструкции ротора асинхронного двигателя. На роторе синхронного двигателя располагается обмотка возбуждения, которая питается от источника постоянного тока. Конструктивно ротор может быть явнополюсным и неявнополюсным. В первом случае обмотки возбуждения расположены на полюсах. Полюса изготавливаются отдельно от заготовки ротора и представляют собой сердечники из электротехнической стали с установленными на них катушками с обмоткой. Готовые полюса крепятся на роторе. Во втором случае обмотка возбуждения укладывается в продольные пазы на внешней поверхности пакета ротора. Постоянное магнитное поле ротора сцепляется с вращающимся полем статора и заставляет ротор вращаться с угловой скоростью

, рад/с,

которая определяется числом пар полюсов обмотки статора и зависит от частоты питающего напряжения , Гц.

Питание обмотки возбуждения осуществляется через контактные кольца от тиристорных возбудителей. В настоящее время для возбуждения синхронных двигателей применяют бесщеточные системы возбуждения. Пуск синхронных двигателей в нерегулируемом электроприводе осуществляется прямым включением в сеть в режиме асинхронного короткозамкнутого двигателя с использованием специальной короткозамкнутой пусковой (демпферной) обмотки на роторе или только одной обмотки возбуждения, замкнутой во время пуска двигателя на пусковое сопротивление. Регулирование скорости синхронного двигателя принципиально возможно при питании от регулируемого источника путем изменения частоты напряжения на статоре.

1.2. Синхронный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов

Для механизмов, для которых требуются высокие статические и динамические характеристики привода используются синхронные двигатели малой мощности (серводвигатели) с возбуждением от постоянных магнитов. Серводвигатель следует понимать как малоинерционный, в данном случае, синхронный двигатель с постоянными магнитами, а сервопривод – как вспомогательный, не главный, электропривод. Синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов не имеют пусковой (демпферной) обмотки и могут работать только совместно с источником питания, частота и напряжение на выходе которого могут независимо регулироваться в функции положения ротора двигателя. Такие двигатели имеют специальный, установленный на статоре датчик положения ротора. Управлять синхронным двигателем с возбуждением от постоянных магнитов, подключив его к источнику с независимым управлением, невозможно. Для синхронного двигателя с постоянными магнитами на роторе вместе с датчиком положения ротора и источником питания, управляемым в функции положения ротора, применяют общий термин – «вентильный двигатель». Встречающийся термин «бесконтактный двигатель постоянного тока» следует понимать как синхронный двигатель с постоянными магнитами, датчиком положения ротора и источником питания, управляемым в функции положения ротора, токи статора которого имеют прямоугольную форму. Синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов классифицируются как самоуправляемые синхронные двигатели. Для электропривода с самоуправляемым синхронным электродвигателем используются, соответственно, названия: – «электропривод с бесконтактным двигателем постоянного тока» и «электропривод с вентильным двигателем».

Современные вентильные двигатели выполняются на базе синхронных машин с возбуждением от расположенных на роторе постоянных магнитов. Магниты изготавливаются из редкоземельных элементов и обладают высокой коэрцитивной силой. Статор двигателя состоит из шихтованного пакета стали, в пазах которого уложена статорная обмотка. Ротор двигателя чаще выполнен как неявнополюсный. В этом случае постоянные магниты наклеены на поверхность пакета ротора, набранного из электротехнической стали. В двигателях с явнополюсным ротором постоянные магниты крепятся на валу в продольных пазах.

По конструктивному исполнению вентильные двигатели можно разделить на бескорпусные двигатели встраиваемого исполнения, которые вписываются в конструкцию исполнительного органа рабочей машины, и корпусные двигатели, конструкция которых близка к конструкции электрических машин общего применения. Примером первого типа могут служить отечественные двигатели типа ДБМ (двигатель бесконтактный моментный). Двигатель состоит из кольцевого статора, на котором располагается статорная обмотка, и кольцевого ротора, на котором наклеены постоянные магниты. Ротор может крепиться непосредственно на валу исполнительного органа рабочей машины, а статор устанавливается на неподвижной части рабочей машины.

На рис. 3 приведена конструкция корпусного синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов.

Рис. 3. ???????

Рис. 3. Конструкция синхронного двигателя с постоянными магнитами

1 – передний подшипник; 2 – ротор с постоянными магнитами; 3 – задний подшипник; 4 – подвижная часть резольвера (ротор); 5 – задняя крышка; 6 – неподвижная часть резольвера (статор); 7 – задний подшипниковый щит; 8 – статор с трёхфазной обмоткой; 9 – передний подшипниковый щит с фланцем

Принцип действия электропривода с бесконтактным двигателем постоянного тока иллюстрируется на рис. 4. Обмотки статора питаются током прямоугольной формы, частота тока определяется датчиком положения ротора. Наличие существенных пульсаций момента и связанная с этим неравномерность вращения двигателя являются одним из основных недостатков этого принципа построения электропривода с вентильными двигателями. Этот недостаток устраняется переходом к синусоидальной форме тока в обмотках статора. Принцип действия электропривода с вентильным двигателем иллюстрируется на рис. 5, а для случая двухфазного и на рис. 5, б для случая трехфазного синхронного двигателя. Частота синусоидальных токов обмоток статора, так же как и в схеме рис. 4, определяется датчиком положения ротора.

(рис.4)

Рис. 4. Бесконтактный двигатель постоянного тока

а

б

(Рис. 5 и 6)

Рис. 5. Вентильный двигатель на основе синхронной машины с постоянными магнитами: а – двухфазной; б – трехфазной

Долгое время в сервоприводах применялись электродвигатели постоянного тока. Это было определено хорошими регулировочными свойствами и простотой управления этими двигателями. Прогресс в электронике и процессорной технике, появление новых электротехнических материалов изменили ситуацию в области сервопривода. Применение современных высокопроизводительных микроконтроллеров и быстродействующих высоковольтных силовых транзисторов позволило решить проблему сложности управления двигателями переменного тока – асинхронными с короткозамкнутым ротором и синхронными с постоянными магнитами. Асинхронные серводвигатели в сравнении с синхронными более дешевые, но отличаются большей сложностью управления моментом и частотой вращения, а также имеют больший момент инерции.

Наряду с главным достоинством двигателей переменного тока – отсутствием щеточного контакта, применение постоянных магнитов для возбуждения синхронных двигателей обеспечивает им ряд других положительных качеств. Они обладают малым моментом инерции ротора, не требуют охлаждения, так как на роторе нет нагреваемых током возбуждения обмоток, и лучшим КПД из-за отсутствия потерь на возбуждение. Эти свойства в сочетании с высокой статической точностью и большим возможным диапазоном регулирования скорости могут оказаться решающими при выборе привода с вентильным двигателем, несмотря на более высокую, чем у привода с асинхронным двигателем, стоимость.