- •В. А. Тюков
- •Утверждено редакционно-издательским советом
- •Введение в теорию систем
- •1. Общие сведения об электромеханических системах
- •1.2. Процесс преобразования энергии
- •1.3. Электромеханические преобразователи энергии
- •1.4. Составы автоматических систем
- •1.5. Обобщенная структура электропривода
- •1.6. Электродвигатели для эмс
- •1.7. Преобразовательные устройства
- •1.8. Управляющие устройства. Способы управления эмс
- •1.10. Подбор типа редуктора
- •2.2. Общая характеристика устройства эмп
- •2.5. Принцип работы мпт
- •2.6. Принцип действия см
- •3. Электромагнитный момент эмп
- •3.1. Общие сведения.
- •3.2. Взаимодействие двух обмоток
- •3.3. Взаимодействие магнитных полей
- •3.4. Определение электромагнитного момента по изменению энергии.
- •3.5. О динамике электромагнитного момента.
- •3.6. Факторы нестабильности момента в системах с индукционными двигателями
- •3.7. Новые методы определения электромагнитного момента трехфазных асинхронных двигателей
- •3.8. Пульсационность электромагнитного момента
- •3.9. Динамический электромагнитный момент
- •4.2.Связь магнитного поля в воздушном зазоре с током обмотки
- •4.3. Обмоточная функция
- •4.4. Потокосцепление и индуктивность обмотки
- •4.5. Анализ обмоток.
- •4.6. Пространственные вектора
- •4.8. Многофазные обмотки
- •Используя равенство
- •Направление вращения полей гармонических в воздушном зазоре
- •5. Элементы общей теории эмп
- •5.1. Независимые величины и их производные
- •5.2. Превращение энергии в элементе проводника
- •5.3. Движение элемента под действием электромагнитной силы
- •5.4. Процессы в неподвижном элементе
- •6.1. Общий подход к математическому описанию эмс
- •6.2. Изображающие пространственные вектора
- •6.3. Обобщенные модели эмп
- •6.4. Обобщенная модель с взаимно вращающимися осями координат
- •6.5. Обобщенная модель с взаимно неподвижными осями координат
- •6.6. Использование моделей
- •6.7. К определению параметров обобщенного эмп
- •6.8. Использование уравнений Лагранжа для описания электромеханических преобразователей
- •7. Управление потоком энергии в эмс
- •7.2. Моменты и силы сопротивления в эмс
- •7.3. Способы, законы и системы управления в эмс
- •7.4. Рациональное распределение передаточных чисел
- •7.5. Оценка передаточного числа редуктора по быстродействию
- •7.6. Оценка передаточного числа редуктора по минимуму массы и стоимости модуля
- •7.7. Оценка передаточного числа по нагреву и целесообразности применения редуктора
- •7.10. Особенности работы дпт при питании выпрямителя
- •7.11. Энергодинамические характеристики силовой части приводов постоянного тока
- •7.12. Распределение потока энергии в индукционных двигателях
- •7.13. Законы регулирования частоты вращения
- •7.14. Машина двойного питания
- •7.16. Совместимость преобразователя и двигателя в эмс
- •7.22. Законы регулирования электропривода с частотным управлением
- •7.23. Расчет механических характеристик частотно-регулируемого
- •7.26. Математическая модель дпт при вариации способа возбуждения
- •О выборе типа эмс
- •2. Электромеханические преобразователи
- •3. Электромагнитный момент эмп
6.3. Обобщенные модели эмп
Несмотря на большое многообразие типов электромеханических преобразователей, большинство из них основаны на физических явлениях, возникающих при движении проводника в магнитном поле.
Это позволяет построить единую теорию обобщенной электрической машины, на базе которой как частные случаи могут быть исследованы конкретные различные типы преобразователей в стационарных и переходных режимах работы.
В основе теории обобщенного ЭМП лежит замена реальной т-фазной многополюсной машины двухфазной многополюсной машиной с взаимно ортогональными обмотками на статоре и аналогичными обмотками на ротореразмещаться произвольное число обмоток, эквивалентных как основным обмоткам (якорным, возбуждения), так и вспомогательным (демпферным, управляющим и т.п.).
6.4. Обобщенная модель с взаимно вращающимися осями координат
В
модели машины имеются две ортогональные
оси статора
и и
две ортогональные оси ротора d
и qс соответствующими
обмотками, начало которых обозначены
звездочками. Положение ротора определяется
углом
,
где- угловая
скорость ротора. Очевидно, что обсуждаемая
модель соответствует двухполюсной
двухфазной машине.
Потокосцепления для четырех обмоток модели , , d, qсогласно ( ) имеют следующий вид:

где L– индуктивность обмотки,М– взаимная индуктивность между соответствующими обмотками.
Если воздушный зазор постоянный (неявнополюсная машина), а сталь статора и ротора не насыщена, то при вращении ротора взаимные индуктивности будут, очевидно, изменяться по гармоническому закону, т.е.
![]()


где М– максимальная взаимная индуктивность между обмотками при совпадении их осей.
Уравнение
напряжений для любой из обмоток с
внутренним сопротивлением Rесть
,
и следовательно,


![]()
![]()
Электромагнитный момент, создаваемый обмотками ротора, определяется:
.
Полагая, что машина является неявнополюсной и Ld=Lq, получаем:
.
В общем случае для многополюсной машины с число пар полюсов рмомент умножается нар, а аргументом синуса и косинуса будетр.
Пусть угловая скорость ротора постоянна. Тогда =t+, где- угол между осямииdприt=0.
Ясно, что для осуществления преобразования энергии усредненный по времени (или по углу ) моментМсрдолжен отличаться от нуля. Это означает, что должны отличаться от нуля произведенияi1i2cos(t+…),i1i2sin(t+…), где индексы 1 и 2 относятся соответственно к токам статора и ротора. Поскольку усреднение по времениcos(t+…) иsin(t+…) дает нуль, необходимо, чтобы произведенияi1i2зависели от времени как
i1i2=Аcost+Bsint,
где АиВ– некоторые константы.
Тогда появляются члены вида cos2(t+…),sin2(t+…) с ненулевыми средними значениями. Пусть токи статора имеют циклическую частоту1, т.е.i1~cos(1t+…), а токи ротора – частоту2т.е.i2~cos(2t+…). Тогда, как легко показать с помощью известных тригонометрических формул, требуемая зависимость1, т.е.i1 i2отtреализуется при
![]()
(в общем случае при
).
Полученное соотношение является необходимым условием для осуществления преобразования энергии в обобщенной электрической машине.
Если, например,
,
тоМср0
приi2=const,
т.е.
1=,2=0. Этим условиям соответствует синхронная машина с индуктором на роторе;
Если же i1=const, тоi2должно меняться как
(т.е.2=,1=0), и
модель описывает синхронную машину
с индуктором на статоре или коллекторную
машину постоянного тока.При 2 =1, когда
,
модель соответствует асинхронной
машине.
Электромеханические процессы в модели описываются известным уравнением моментов
,
где Ммех– механический момент, приложенный к
валу;J– момент
инерции ротора;тр– коэффициент трения;
.
Исследуем в качестве примера с помощью обобщенной модели синхронную машину с 1=. На симметричные обмоткииподаются напряжения
![]()
под действием которых текут токи и создается магнитное поле, вращающееся с угловой частотой . Одна из роторных обмоток обтекается постоянным током возбуждения, а другая обесточена:i=I=const,i=0. Благодаря симметрии обмотокL=L=L. Пусть, кроме того,R иRмного меньшеХ=L. Тогда имеем:

Выделяя di/dtиdi/dtи интегрируя, получаем

Входящее в произведение MIпредставляет собой максимальную ЭДС вращения при холостом ходе, когда произведениеMIравно максимальному потокосцеплению обмотки статора. Действующее значение этой ЭДС будем обозначать0, как это принято в теории электрических машин:
.
Вводя
действующее напряжение
, получаем
.
Угол
характеризует
сдвиг между потоком возбуждения,
созданным обмоткой на роторе, и полным
потоком, сцепленным с двухфазной якорной
обмоткой на статоре. Действительно,
приR
=R=0
имеем
и
,
откуда
,
.
Поэтому приt=0 имеем
,=0,
т.е. поток якоря направлен по оси.
Поток возбуждения направлен по осина роторе и, следовательно, приt=0
потоки возбуждения и якоря сдвинуты
на угол. В
последующие моменты времени этот сдвиг
сохранится, так как поток двухфазной
обмотки якоря вращается с той же угловой
скоростью, что
и ротор.
Электромагнитный момент неявнополюсной СМ пропорционален синусу угла между осями потока возбуждения и полного потока якоря. Аналогичным образом, но с другими исходными данными, могут исследоваться другие типы электрических машин.
Рассмотренная модель обобщенной машины удобна при изучении установившихся режимов работы ЭМП различного типа. Однако она плохо приспособлена для анализа переходных процессов в ЭМП, а также для исследования ЭМП с неравномерным воздушным зазором, т.е. машине с явно выраженными полюсами. Главный недостаток модели связан с наличием гармонических коэффициентов в основной системе уравнений. Так как =(t), то система имеет переменные (зависящие от времени) коэффициенты, что затрудняет ее использование.
