Где применяются синхронные машины малой мощности

Синхронные двигатели малой мощности

Синхронные электродвигатели малой мощности (микродвигатели) используются в системах автоматики, различных бытовых приборах, часах, фотоаппаратах и т. д.

Большинство синхронных электродвигателей малой мощности отличается от машин нормального исполнения только конструкцией ротора, который, как правило, не имеет обмотки возбуждения, контактных колец и прижимающихся к ним щеток.

Для возникновения вращающего момента ротор выполняют из магнитно-твердого сплава с последующим однократным намагничиванием его в сильном импульсном магнитном поле, в результате чего в дальнейшем полюсы сохраняют остаточную намагниченность.

При использовании магнитномягкого материала ротору придают особую форму, обеспечивающую различное магнитное сопротивление его магнитопровода в радиальных направлениях.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами имеют цилиндрический явнополюскый ротор из магнитно-твердого сплава и короткозамкнутую пусковую обмотку.

В момент пуска синхронный двигатель работает как асинхронный и его начальный вращающий момент создается за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с наведенными им токами в короткозамкнутой обмотке ротора. Поскольку двигатель пускается в ход в возбужденном состоянии, то магнитное поле постоянных магнитов вращающегося ротора наводит в обмотке статора э. д. с. переменной частоты а это вызывает токи, из-за которых возникает тормозной момент.

Результирующий момент на валу двигателя определяется суммой моментов, обусловленных короткозамкнутой обмоткой и тормозным эффектом, т. е. который зависит от скольжения. В процессе разгона ротора этот момент достигает минимального значения которое при правильном выборе пусковой обмотки должно быть больше номинального момента.

Когда скорость приблизится к синхронной, ротор, в результате взаимодействия поля постоянных магнитов с вращающимся магнитным полем статора втягивается в синхронизм и далее вращается с синхронной скоростью.

Рабочие характеристики синхронного двигателя с постоянными магнитами мало отличаются от аналогичных характеристик синхронного двигателя с обмоткой возбуждения ротора.

Синхронные реактивные двигатели имеют явнополюсный ротор из магнитно-мягкого материала с впадинами, или секционированный, благодаря чему его магнитное сопротивление в радиальных направлениях различно. Ротор со впадинами состоит из штампованных листов электротехнической стали и имеет короткозамкнутую пусковую обмотку. Встречаются роторы из сплошного ферромагнитного материала с аналогичными впадинами. Ротор секционированный состоит из листов электротехнической стали, залитых алюминием или другим диамагнитным материалом, выполняющим роль коротко-замкнутой обмотки.

При включении обмотки статора возбуждается вращающееся магнитное поле и происходит асинхронный пуск двигателя. По завершении разгона ротора до подсинхронной скорости он под действием реактивного вращающего момента, обусловленного различием магнитных сопротивлений в радиальных направлениях, входит в синхронизм и располагается относительно вращающегося магнитного поля статора так, чтобы его магнитное сопротивление для этого поля было наименьшим.

Обычно синхронные реактивные двигатели изготовляют номинальной мощностью до 100 Вт, а иногда и выше, если простоте конструкции и повышенной надежности придают особое значение. При одинаковых габаритах номинальная мощность синхронных реактивных двигателей в 2 — 3 раза меньше номинальной мощности синхронных двигателей с постоянными магнитами, но по конструкции они проще, отличаются меньшей стоимостью, номинальный коэффициент мощности их не превышает 0,5, а номинальный к. п. д. составляет до 0,35 — 0,40.

Синхронные гистерезисные двигатели имеют ротор из магнитотвердого сплава с широкой петлей гистерезиса. С целью экономии этого дорогостоящего материала ротор выполняют сборной конструкции, при которой вал крепится на втулке из ферро- или диамагнитного материала, а на ней укрепляют сплошной или собранный из пластин полый цилиндр, затянутый запорным кольцом. Использование магнитно-твердого сплава для изготовления ротора приводит к тому, что в работающем двигателе волны распределения магнитной индукции по поверхностям статора и ротора смещены друг относительно друга на некоторый угол, называемый углом гистерезиса, что обусловливает возникновение гистерезисного вращающего момента, направленного в сторону вращения ротора.

Различие между синхронными двигателями с постоянными магнитами и синхронными гистерезисными двигателями состоит в том, что у первых ротор при изготовлении машин подвергается предварительному намагничиванию в сильном импульсном магнитном поле, а у вторых он намагничивается вращающимся магнитным полем статора.

При пуске синхронного гистерезисного двигателя помимо основного гистерезисного вращающего момента в машинах со сплошным ротором возникает еще асинхронный вращающий момент, обусловленный вихревыми токами в магнитопроводе ротора, что способствует разгону ротора, вхождению его в синхронизм и дальнейшую работу с синхронной скоростью при постоянном сдвиге ротора относительно вращающегося магнитного поля статора на угол, определяемый нагрузкой на валу машины.

Синхронные гистерезисные двигатели эксплуатируют как в синхронном режиме, так и в асинхронном, но в последнем случае при малом скольжении. Синхронные гистерезисные двигатели отличаются большим начальным пусковым моментом, плавностью входа в синхронизм, незначительным изменением тока в пределах 20 — 30 % при переходе от холостого хода к режиму короткого замыкания.

Эти двигатели имеют лучшие показатели, чем синхронные реактивные, отличаются простотой конструкции, надежностью и бесшумностью в работе, малыми габаритами и незначительной массой.

Отсутствие короткозамкнутой обмотки приводит к качаниям ротора при переменной нагрузке, что обусловливает определенную неравномерность его вращения, ограничивающую область применения машин, которые изготовляют номинальной мощностью до 400 Вт на промышленную и повышенные частоты как одно-, так и двухскоростные.

Номинальный коэффициент мощности синхронных гистерезисных двигателей не превышает 0,5, а номинальный к. п. д. достигает значения 0,65.

Синхронные реактивно-гистерезисные двигатели имеют явнополюсный статор с обмоткой, расположенной на магнитопроводе, собранном из двух симметричных пакетов листов электротехнической стали со стыком внутри каркаса обмотки. Магнитопровод имеет два полюса, разрезанных продольным пазом на равные части, причем на одной из них на каждом полюсе находятся короткозамкнутые витки. Между этими расщепленными полюсами находится ротор, составленный из нескольких тонких колец с перемычками из закаленной магнитно-твердой стали, насаженных на валик, соединенный с редуктором, снижающим частоту вращения выходного вала до нескольких сотых долей или нескольких десятков оборотов в минуту.

При включении обмотки статора, благодаря короткозамкнутым виткам, создается сдвиг по фазе во времени между магнитными потоками неэкранированной и экранированной частей полюсов, что приводит к возбуждению результирующего вращающегося магнитного поля. Это поле, взаимодействуя с ротором, способствует возникновению асинхронного и гистерезисного вращающих моментов, вызывающих разгон ротора, который по достижении подсинхронной скорости под влиянием реактивного и гистерезисного вращающих моментов входит в синхронизм и вращается в направлении, от неэкранированной части полюса к его экранированной части, где расположены короткозамкнутые витки.

У реверсивных двигателей вместо короткозамкнутых витков применяют четыре катушки, которые располагают на обеих частях каждого расщепленного полюса, и для принятого направления вращения ротора замыкают соответствующую пару катушек накоротко.

Синхронные реактивно-гистерезисные двигатели имеют относительно большие габариты и массу, номинальная мощность их не превышает 12 мкВт, работают они при очень низком коэффициенте мощности, а номинальный к. п. д. их не превышает 0,01.

Синхронные шаговые двигатели преобразуют управляющие электрические импульсы в заданный угол поворота, осуществляемый дискретным путем. Они имеют статор, на магнитопроводе которого находятся две или три одинаковые пространственно сдвинутые обмотки, поочередно присоединяемые к источнику электрической энергии в виде прямоугольных импульсов регулируемой частоты. Под влиянием импульсов тока полюсы статора соответственно намагничиваются с переменной полярностью. Изменение направления токов в обмотках статора приводит к соответствующему перемагничиванию полюсов и установлению новой противоположной полярности.

Явнополюсный ротор шаговых двигателей может быть активным и реактивным. Активный ротор имеет обмотку возбуждения постоянного тока, контактные кольца и щетки или систему постоянных магнитов с чередующейся полярностью, а реактивный ротор выполняют без обмотки возбуждения.

Число полюсов ротора шагового двигателя в два раза меньше числа полюсов статора. Каждое переключение обмоток статора приводит к повороту результирующего магнитного поля машины и вызывает синхронное перемещение ротора на один шаг. Направление поворота ротора зависит от полярности импульса, поданного на соответствующую обмотку статора.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Области применения синхронных машин

Синхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, одна из обмоток которой присоединена к электрической сети с постоянной частотой, а вторая — возбуждается постоянным током.

У синхронных машин частота вращения магнитного поля равна (синхронна) частоте вращения ротора ( ).

Синхронная машина имеет неподвижную часть — статор и подвижную — ротор.

Существует прямое (основное) и обращенное исполнение синхронной машины. Прямое исполнение — обмотка возбуждения расположена на роторе, а рабочая обмотка переменного тока — на статоре. Обращенное исполнение — обмотка возбуждения расположена на статоре, а рабочая обмотка — на роторе.

Обмотка переменного тока называется якорной обмоткой, а часть машины, несущая якорную обмотку, называется якорем; часть машины, несущая обмотку возбуждения,— индуктором.

Обращенное исполнение применяется для машины небольшой мощности (2-5 кВт).

Для более крупных машин применяется основное исполнение. В этом случае с помощью скользящего контакта подводится только мощность возбуждения, составляющая 0,3—2 % мощности машины, а не полная мощность, как в обращенном исполнении.

В дальнейшем будем рассматривать прямое исполнение.

Статор машин прямого исполнения включает в себя корпус, выполненный из чугуна или алюминиевого сплава. В корпус запрессован сердечник, выполненный из пластин электротехнической стали. При наружном диаметре более 1 м сердечник собирается из сегментов. В сердечнике выштампованы пазы. В пазах статора размещается многофазная (обычно трехфазная) 2р-полюсная обмотка. Фазы обмотки соединяются обычно в звезду.

На роторе, вал которого опирается на подшипники, располагается обмотка возбуждения. Она имеет такое же число полюсов, как и обмотка статора. Обмотка возбуждения питается постоянным током через два контактных кольца и щетки от постороннего источника — системы возбуждения.

Процессы в синхронной машине при холостом ходе

При холостом ходе ток в обмотке якоря равен нулю. Обмотка возбуждения с током I_f образует магнитное поле возбуждения, МДС которого равна:

Вследствие нелинейности магнитной характеристики возникают высшие гармоники МДС поля возбуждения. Поэтому принимаются меры по улучшению формы поля возбуждения, чтобы уменьшить содержание высших гармонических, поскольку высшие гармонические, не принимая участия в процессе преобразования энергии, вызывают добавочные потери. Улучшение формы поля возбуждения в явнополюсных машинах достигается выбором благоприятного соотношения между максимальным и минимальным зазором под полюсом, в неявнополюсных — выбором благоприятной относительной длины обмотанной части полюсного деления.

При воздействии поля возбуждения обмотке якоря индуктируется ЭДС E_f , которая содержит высшие гармоники. Искажение синусоидальности приводит к появлению добавочных потерь от высших гармонических. Поэтому ЭДС синхронных генераторов должны быть как можно ближе к синусоидальным.

Уменьшение содержания высших гармонических в кривой ЭДС достигается за счет укорочения шага обмотки якоря, размещения ее катушек в достаточно большом числе пазов, а также соединения фаз обмотки в звезду или треугольник.

В возбужденной машине при холостом ходе возникают механические потери на трение вращающихся частей P_мех, магнитные потери в стали магнитопровода якоря P_ст и некоторые добавочные электромагнитные потери P_д.х. Двигатель, приводящий синхронную машину во вращение, должен развивать мощность, равную сумме этих потерь

и составляющую 0,3—3 % полной мощности машины.

Синхронный компенсатор

Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу; при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения cosφ или в режиме стабилизации напряжения.

Нагрузка сети носит активно-индуктивный характер – ток нагрузки I_н отстает по фазе от напряжения сети U_c. Для улучшения cosφ сети синхронный компенсатор работает в режиме перевозбуждения. Ток возбуждения регулируется так, чтобы ток якоря I₁ синхронного компенсатора опережал на 90° напряжение сети U_c (рис. а) и был примерно равен реактивной составляющей тока нагрузки I_{н р}. В результате сеть загружается только активным током нагрузки I_{н а}.

В отличие от батарей конденсаторов компенсатор может компенсировать как индуктивную (при перевозбуждении) так и емкостную (при недовозбуждении) составляющие тока.

В режиме стабилизации напряжения устанавливается ток возбуждения синхронного компенсатора чтобы ЭДС компенсатора Е_f равнялась номинальному напряжению сети U_cн (рис. б). В сети имеется ток I_н, создающий падение напряжения ΔU= I_нR_ccosφ + I_нX_c sinφ, где R_c и Х_с — активное и индуктивное сопротивление сети; φ — угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока сети.

Если напряжение сети понижается из-за возрастания тока нагрузки и становится меньше U_cн, то синхронный компенсатор забирает из сети реактивный опережающий ток I₁ (рис. в). Это уменьшает падение напряжения на величину ΔU_к= I₁X_c. При повышении напряжения в сети, когда U_c > U_cн, синхронный компенсатор загружает сеть реактивным отстающим током I₁ (рис. г), что приводит к увеличению падения напряжения на величину
ΔU_к= I₁X_c. Недостаток метода — синхронный компенсатор загружает линию реактивным током, увеличивая потери в ней.

Синхронные компенсаторы выпускаются мощностью от 10 до
100 МВА и по конструкции имеют следующие отличия от синхронного двигателя:

— не имеют выходного конца вала;

— вал не передает вращающий момент и выполняется менее массивным;

— уменьшен воздушный зазор и размеры обмотки возбуждения;

— имеет более массивную магнитную систему для получения большого значения МДС;

-имеет явнополюсную конструкцию при числе полюсов 6 или 8.

Синхронный компенсатор должен быть оснащен автоматическим регулятором возбуждения, который при изменении режима напряжения в узле так регулирует его ток возбуждения, чтобы напряжение на зажимах компенсатора оставалось постоянным.

Энергетика синхронных машин

Часть мощности, потребляемой синхронной машиной, идет на компенсацию потерь, которые включают в себя:

1. Потери на возбуждение ΔР_в..

2. Механические потери ΔР_мех — это потери на трение в подшипниках и потери на вентиляцию. Они зависят от частоты вращения.

3. Магнитные потери ΔР_ст в основном имеют место в сердечнике статора, который подвергается перемагничиванию полем ротора. Они состоят из потерь на вихревые токи и перемагничивание. Потери в стали зависят от значения магнитной индукции, марки и толщины листов стали из которой набран сердечник якоря и частоты перемагничивания.

4. Электрические потери имеют место в обмотках статора

5. Добавочные потери ΔР_доп учитывают потери на пульсацию магнитного потока, потери, вызванные поверхностным эффектом и др. Они равны 0,25 – 0,5% полезной мощности генератора

Механические и магнитные не зависят от нагрузки. Их называют постоянными. Электрические потери зависят от нагрузки машины, поэтому эти потери называются переменными.

На рисунке приведены энергетические диаграммы синхронных генераторов и двигателей при возбуждении от возбудителя (рис. а), а также от сети переменного тока (рис. а).

К генераторам подводится механическая мощность Р₁= М_врω₁, за счет которой покрываются потери холостого хода, состоящие из механических потерь ΔР_мех, потерь в стали ΔР_ст и добавочных потерь ΔР_доп. Если возбудитель приводится от вала генератора, то потери в возбудителе и в цепи возбуждения ΔР_в также покрываются за счет механической мощности. Остаток — электромагнитная мощность Р_эм= М_эмω₁ передается магнитным полем индуктора якорю и преобразуется в его обмотке в электрическую мощность. Часть этой мощности идет на потери в обмотке якоря ΔР_э, а остальная мощность передается на зажимы генератора и является полезной мощностью
Р₂ =mU₁I₁ cosφ₁ (рис. а). Если генератор выполнен с самовозбуждением, то с его зажимов снимается мощность ΔР_в, часть которой идет на потери в цепи возбуждения (рис. б), а остаток — полезная мощность Р₂ отдается в сеть.

Коэффициент полезного действия:

У двигателей потребляемая мощность Р₁ =mU₁I₁ cosφ₁ поступает из электрической сети. За ее счет покрываются электрические потери ΔР_э в обмотке якоря и мощность возбуждения ΔР_в при возбуждении от сети переменного тока. Оставшаяся часть преобразуется в электромагнитную мощность Р_эм= М_эмω₁, связанную с вращающимся магнитным полем. За счет этого поля покрываются потери в стали ΔР_ст и добавочные потери ΔР_доп, а остальное передается ротору в виде механической мощности Р_мех. Механическая мощность должна покрыть механические потери ΔР_мех и мощность ΔР_в, потребляемую возбудителем. Оставшаяся часть механической мощности — мощность на валу является полезной мощностью двигателя Р₂= М_врω₁.

Энергетические диаграммы показывают, что преобразование энергии в синхронной машине более сложно, чем это описывалось простейшими формулами и векторными диаграммами. Подключения синхронного двигателя к сети и синхронизации еще недостаточно, чтобы машина создала вращающий момент на валу — сначала должны быть покрыты потери в обмотке якоря и в стали. Если к валу генератора, синхронизированного с сетью, подведена механическая мощность, то это еще не значит, что эта машина стала отдавать в сеть электрическую мощность — генератор сначала должен покрыть потери в своей обмотке якоря.

Учет всех факторов, включая потери в стали, существенно усложняет и векторные диаграммы, и расчетные формулы. Поэтому в инженерных расчетах обычно пользуются упрощенной теорией синхронной машины, лишь по мере необходимости вводя дополнительные факторы, уточняющие и одновременно усложняющие эту теорию.

Качания синхронных машин

Допустим, что машина работает при некоторой нагрузке и развивает электромагнитный момент M₁ =M_вн1, соответствующий углу Θ₁ (рис. 6.59, а и б). Если резко увеличить внешний момент до величины M_вн2, то нагрузочный угол будет увеличиваться до величины Θ₂, соответствующей новому значению электромагнитного момента M₂ =M_вн2. Однако из-за инерции ротора нагрузочный угол, увеличиваясь, достигает значения Θ₃ > Θ₂, а затем под действием синхронизирующего момента начинает уменьшаться до величины Θ₄ < Θ₂. В результате возникают колебания нагрузочного угла вокруг установившегося значения Θ₂, которые сопровождаются колебаниями частоты вращения ротора, называемые качаниями. Если при качаниях угол Θ превысит критическое значение, то машина выпадет из синхронизма.

Собственные колебания синхронной машины называются свободными колебаниями. Частота собственных колебаний синхронных машин невелика (0,5- 2,0 Гц), что объясняется большим моментом инерции ротора. Период свободных колебаний ротора относительно синхронно вращающегося поля при параллельной работе с сетью:

где J — момент инерции вращающихся частей;

ω — угловая скорость вращения ротора;

р_с=dР_ЭМ/dq — удельная синхронизирующая мощность;

р – число пар полюсов машины.

При качаниях с изменением угла Θ изменяется мощность машины и ток якоря. На наличие колебаний указывают колебания стрелок амперметра и вольтметра, включенных в цепь якоря. Собственные колебания часто наблюдаются у машин, работающих параллельно с сетью, при холостом ходе.

Для уменьшения амплитуды качаний и ускорения их затухания на роторе располагается короткозамкнутая демпферная (успокоительная) обмотка. При качаниях в демпферной обмотке при изменении частоты вращения ротора индуцируется ЭДС, по ней проходит ток и возникает асинхронный демпфирующий момент:

где D=m_a/ω – коэффициент демпфирования; .

Действие демпферной обмотки подобно действию механического демпфера, потери на трение в котором успокаивают колебания механизма (например, сельсина). При отсутствии демпфирования процесс колебания совершается без потерь энергии, свободные колебания становятся незатухающими, а в некоторых случаях могут даже увеличивать свою амплитуду, т. е. происходит самораскачивание синхронной машины. Из-за явления самораскачивания во многих случаях оказывается невозможной параллельная работа с сетью малонагруженных генераторов малой мощности (до10-20 кВт) без демпферной обмотки.

Колебания ротора синхронной машины могут быть вынужденными, если на него действует периодически изменяющийся внешний момент. Они возникают в синхронных генераторах, приводимых во вращение от поршневых машин, и в синхронных двигателях, служащих для привода поршневых компрессоров. Если частота вынужденных колебаний близка к частоте свободных колебаний, то возникают резонансные явления, при которых колебания угла Θ достигает больших значений и машина выпадает из синхронизма. Поэтому для уменьшения неравномерности вращающего момента на валу устанавливают маховик.

Устройство синхронных машин

Синхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, одна из обмоток которой присоединена к электрической сети с постоянной частотой, а вторая — возбуждается постоянным током.

У синхронных машин частота вращения магнитного поля равна (синхронна) частоте вращения ротора ( ).

Синхронная машина имеет неподвижную часть — статор и подвижную — ротор.

Существует прямое (основное) и обращенное исполнение синхронной машины. Прямое исполнение — обмотка возбуждения расположена на роторе, а рабочая обмотка переменного тока — на статоре. Обращенное исполнение — обмотка возбуждения расположена на статоре, а рабочая обмотка — на роторе.

Обмотка переменного тока называется якорной обмоткой, а часть машины, несущая якорную обмотку, называется якорем; часть машины, несущая обмотку возбуждения,— индуктором.

Обращенное исполнение применяется для машины небольшой мощности (2-5 кВт).

Для более крупных машин применяется основное исполнение. В этом случае с помощью скользящего контакта подводится только мощность возбуждения, составляющая 0,3—2 % мощности машины, а не полная мощность, как в обращенном исполнении.

В дальнейшем будем рассматривать прямое исполнение.

Статор машин прямого исполнения включает в себя корпус, выполненный из чугуна или алюминиевого сплава. В корпус запрессован сердечник, выполненный из пластин электротехнической стали. При наружном диаметре более 1 м сердечник собирается из сегментов. В сердечнике выштампованы пазы. В пазах статора размещается многофазная (обычно трехфазная) 2р-полюсная обмотка. Фазы обмотки соединяются обычно в звезду.

На роторе, вал которого опирается на подшипники, располагается обмотка возбуждения. Она имеет такое же число полюсов, как и обмотка статора. Обмотка возбуждения питается постоянным током через два контактных кольца и щетки от постороннего источника — системы возбуждения.

Области применения синхронных машин

Синхронные машины нашли широкое применение. Преобладающая часть электрической энергии, используемой в народном хозяйстве и в бытовых целях, производится на электростанциях с помощью синхронных трехфазных турбогенераторов и гидрогенераторов.

Синхронные генераторы небольшой мощности с приводом от других типов двигателей (дизельных, внутреннего сгорания, поршневых паровых и др.) используются для питания автономных нагрузок.

Синхронные двигатели применяются в крупных установках (привод поршневых компрессоров, воздуходувок, гидравлических насосов). Большое распространение получили синхронные двигатели малой мощности (особенно синхронные микродвигатели с постоянными магнитами).Синхронные двигатели выпускаются серийно мощностью от 100 кВт до нескольких десятков тысяч киловатт и на частоты вращения от 100 до 3000 об/мин. При частоте вращения 3000 об/мин двигатели выполняются с неявнополюсными роторами, при частотах вращения 1500 об/мин и менее двигатели выполняются с явнополюсными роторами.Освоен серийный выпуск синхронных двигателей малой мощности различных типов в широком диапазоне частот вращения (от нескольких оборотов в минуту до 3000 об/мин) и мощностей (от долей ватта до нескольких сот ватт).Для гидроаккумулирующих электростанций применяются обратимые гидрогенераторы-двигатели. Приводя в движение насос, перекачивающий воду в верхний резервуар, обратимые машины работают в режиме двигателя. Наоборот, приводимые в движение турбиной, в которую поступает вода из верхнего резервуара, эти машины работают в режиме генератора. Мощность обратимых машин может достигать 200—300 МВт.Синхронные компенсаторы выпускаются мощностью от 15 до 160 МВ.А при частотах вращения 750—1000 об/мин. Ротор этих машин имеет явнополюсное исполнение. Охлаждение обычно водородное.

2.Конструкция ротора зависит от частоты вращения машины. При n<1500 об/мин (соответственно 2р>4 при f=50Гц) применяется явнополюсноеисполнение (явно выраженные полюсы). При n=≥1500 об/мин (2р≤4) применяется неявнополюсное исполнение (неявно выраженные полюсы).

Рис. 6.3 Конструкция роторов синхронных машин; а – явнополюсная; б – неявнополюсная; обмотки: 1 – возбуждения; 2 — демпферная

Сердечник явнополюсного ротора состоит из полюсов и обода, к которому они крепятся. Полюсы собираются из штампованных листов электротехнической стали толщиной 1—2 мм, которые стягиваются коваными или литыми нажимными щеками. В отдельных случаях применяются массивные литые полюсы. Полюсы крепятся к ободу с помощью болтов (машины малой и средней мощности с массивным ободом), или полюсных хвостов Т-образной или иной формы. На каждом полюсе устанавливается катушка обмотки возбуждения. Обод ротора выполняется массивным (сварным, литым) или шихтованным из штампованных листов электротехнической стали толщиной 1,5—6 мм. Листы стягиваются шпильками. При наружном диаметре до 2— 4 м обод изготовляется из сплошных листов и насаживается непосредственно на вал. При большом диаметре обод собирается из отдельных сегментов, которые крепятся на сварном остове. Для машин, имеющих значительную осевую длину, в ободе имеются каналы для прохождения охлаждающего воздуха к периферийным зонам ротора. Для крепления обмотки возбуждения полюсные наконечники имеют выступы. Для этих же целей используются межполюсные распорки. Для обеспечения более устойчивой работы в переходных режимах на роторе устанавливается демпферная обмотка. Она расположена в наконечниках полюсов и по своей конструкции аналогична короткозамкнутой обмотке ротора в асинхронном двигателе.

Сердечник неявнополюсного ротора изготовляется как единое целое с хвостовиками (концами вала) из одной поковки из углеродистой стали (диаметром до 800 мм) или легированной стали (диаметром свыше 800 мм). Обмотка возбуждения распределяется по нескольким пазам ротора. Для защиты лобовых частей обмотки возбуждения от центробежных сил применяют бандажные кольца, изготовляемые для крупных турбогенераторов из немагнитной стали (или титана). Бандажное кольцо жестко сопрягается с сердечником или хвостовиком. Обмотка в пазах ротора удерживается немагнитными дюралевыми клиньями. Роль демпферной обмотки в неявнополюсных машинах играют массив ротора и проводящие клинья.

Все промышленные синхронные машины выполняются на стандартизованную частоту 50 Гц.

В зависимости от мощности и частоты вращения номинальное напряжение обмотки якоря (статора) синхронных машин выбирается из числа стандартных напряжений: 0,23; 0,4; 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75 кВ (для генераторов) и 0,22; 0,38; 3; 6; 10 кВ (для двигателей).

В крупных турбогенераторах и гидрогенераторах номинальное напряжение обмотки якоря иногда принимают нестандартным — от 18 до 24 кВ. Номинальное напряжение обмотки возбуждения выбирается в пределах от 24 до 400 В.

С ростом мощности и частоты вращения КПД машины увеличивается. При мощности 100—4000 кВА он составляет 0,9—0,95; в гидрогенераторах и турбогенераторах большой мощности он достигает 0,97—0,99.

Синхронные двигатели малой мощности

Свойство синхронных двигателей сохранять постоянной частоту вращения при изменении тормозного момента на валу достигается применением ротора, к обмотке которого подключается через скользящие контакты специальный источник постоянного тока. Модификации роторов без источника постоянного тока используются в синхронных двигателях малой мощности (от долей до сотен ватт). Такие двигатели применяются в устройствах автоматики для привода механизмов с постоянной частотой вращения.

По типу ротора различают синхронные двигатели малой мощности с постоянными магнитами, реактивные и гистерезисные.

Двигатели с постоянными магнитами. В таких двигателях роль вращающегося электромагнита постоянного тока (см. рис. 15.3, б) выполняет постоянный магнит, изготовленный из магнитно-твердого материала и укрепленный на оси ротора (рис. 15.20).

Пуск двигателя осуществляется непосредственным подключением обмоток фаз статора к электрической сети. Для возникновения асинхронного момента при пуске двигателя в полюсах постоянного магнита располагаются стержни короткозамкнутой обмотки.

Реактивные двигатели. Ротор двигателя имеет магнитную анизотропию, т. е. различное магнитное сопротивление в различных радиальных направлениях.

На рис. 15.21 приведена конструкция двухполюсного анизотропного ротора, представляющего собой набор пакетов из листов электротехнической стали, разделенных слоями алюминия (заштрихованная часть). Продольное направление легкого намагничивания пакетов листов электротехнической стали определяет форму магнитных линий поля токов статора. Искривление магнитных линий магнитного поля токов статора при наличии тормозного момента на валу двигателя создает вращающий момент, уравновешивающий тормозной момент.

Гистерезисные двигатели. Ротор двигателя (рис. 15.22) представляет собой полый цилиндр из магнитно-твердого материала /, насаженный на алюминиевую втулку 2. При пуске двигателя большой пусковой

ток намагничивает участок цилиндра, отмеченный пунктиром, который сохраняет в дальнейшем это состояние из-за магнитного гистерезиса. При синхронной частоте вращения ротора работа гистерезисного двигателя подобна работе двигателя с постоянным магнитом.

Если тормозной момент на валу превышает вращающий момент, то ротор начинает вращаться асинхронно. При этом цилиндр из магнитно-твердого материала постоянно перемагничивается, а вращающий момент его взаимодействия с вращающимся магнитным полем статора, называемый гистерезисным М_врГ, остается неизменным при любом скольжении.

На рис. 15.23 приведена механическая характеристика двигателя, где М_8р._а — момент вращения, определяемый вихревыми токами в роторе при асинхронном режиме работы.

Достоинством гистерезисных двигателей малой мощности является большие пусковой момент и момент вхождения в синхронизм.

Синхронные двигатели малой мощности

Синхронные электродвигатели малой мощности (микродвигатели) употребляются в системах автоматики, разных бытовых устройствах, часах, фотоаппаратах и т. д.

Большая часть синхронных электродвигателей малой мощности отличается от машин обычного выполнения только конструкцией ротора, который, обычно, не имеет обмотки возбуждения, контактных колец и прижимающихся к ним щеток.

Для появления крутящего момента ротор делают из магнитно-твердого сплава с следующим однократным намагничиванием его в сильном импульсном магнитном поле, в итоге чего в предстоящем полюсы сохраняют остаточную намагниченность.

При использовании магнитномягкого материала ротору присваивают необыкновенную форму, обеспечивающую различное магнитное сопротивление его магнитопровода в круговых направлениях.

Синхронные движки с неизменными магнитами имеют цилиндрический явнополюскый ротор из магнитно-твердого сплава и короткозамкнутую пусковую обмотку.

В момент запуска синхронный движок работает как асинхронный и его исходный крутящий момент создается за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с наведенными им токами в короткозамкнутой обмотке ротора. Так как движок пускается в ход в возбужденном состоянии, то магнитное поле неизменных магнитов вращающегося ротора наводит в обмотке статора э. д. с. переменной частоты а это вызывает токи, из-за которых появляется тормозной момент.

Результирующий момент на валу мотора определяется суммой моментов, обусловленных короткозамкнутой обмоткой и тормозным эффектом, т. е. который находится в зависимости от скольжения. В процессе разгона ротора этот момент добивается малого значения которое при правильном выборе пусковой обмотки должно быть больше номинального момента.

Когда скорость приблизится к синхронной, ротор, в итоге взаимодействия поля неизменных магнитов с вращающимся магнитным полем статора втягивается в синхронизм и дальше крутится с синхронной скоростью.

Рабочие свойства синхронного мотора с неизменными магнитами не достаточно отличаются от подобных черт синхронного мотора с обмоткой возбуждения ротора.

Синхронные реактивные движки имеют явнополюсный ротор из магнитно-мягкого материала с впадинами, либо секционированный, по этому его магнитное сопротивление в круговых направлениях различно. Ротор со впадинами состоит из штампованных листов электротехнической стали и имеет короткозамкнутую пусковую обмотку. Встречаются роторы из сплошного ферромагнитного материала с подобными впадинами. Ротор секционированный состоит из листов электротехнической стали, залитых алюминием либо другим диамагнитным материалом, выполняющим роль коротко-замкнутой обмотки.

При включении обмотки статора возбуждается крутящееся магнитное поле и происходит асинхронный запуск мотора. По окончании разгона ротора до подсинхронной скорости он под действием реактивного крутящего момента, обусловленного различием магнитных сопротивлений в круговых направлениях, заходит в синхронизм и размещается относительно вращающегося магнитного поля статора так, чтоб его магнитное сопротивление для этого поля было минимальным.

Обычно синхронные реактивные движки изготовляют номинальной мощностью до 100 Вт, а время от времени и выше, если простоте конструкции и завышенной надежности присваивают особенное значение. При схожих габаритах номинальная мощность синхронных реактивных движков в 2 — 3 раза меньше номинальной мощности синхронных движков с неизменными магнитами, но по конструкции они проще, отличаются наименьшей ценой, номинальный коэффициент мощности их не превосходит 0,5, а номинальный к. п. д. составляет до 0,35 — 0,40.

Синхронные гистерезисные движки имеют ротор из магнитотвердого сплава с широкой петлей гистерезиса. С целью экономии этого дорогостоящего материала ротор делают сборной конструкции, при которой вал крепится на втулке из ферро- либо диамагнитного материала, а на ней крепят сплошной либо собранный из пластинок полый цилиндр, затянутый запорным кольцом. Внедрение магнитно-твердого сплава для производства ротора приводит к тому, что в работающем движке волны рассредотачивания магнитной индукции по поверхностям статора и ротора сдвинуты друг относительно друга на некий угол, именуемый углом гистерезиса, что обусловливает появление гистерезисного крутящего момента, направленного в сторону вращения ротора.

Различие меж синхронными движками с неизменными магнитами и синхронными гистерезисными движками заключается в том, что у первых ротор при изготовлении машин подвергается подготовительному намагничиванию в сильном импульсном магнитном поле, а у вторых он намагничивается вращающимся магнитным полем статора.

При пуске синхронного гистерезисного мотора кроме основного гистерезисного крутящего момента в машинах со сплошным ротором появляется еще асинхронный крутящий момент, обусловленный вихревыми токами в магнитопроводе ротора, что содействует разгону ротора, вхождению его в синхронизм и последующую работу с синхронной скоростью при неизменном сдвиге ротора относительно вращающегося магнитного поля статора на угол, определяемый нагрузкой на валу машины.

Синхронные гистерезисные движки эксплуатируют как в синхронном режиме, так и в асинхронном, но в последнем случае при малом скольжении. Синхронные гистерезисные движки отличаются огромным исходным пусковым моментом, плавностью входа в синхронизм, малозначительным конфигурацией тока в границах 20 — 30 % при переходе от холостого хода к режиму недлинного замыкания.

Эти движки имеют наилучшие характеристики, чем синхронные реактивные, отличаются простотой конструкции, надежностью и бесшумностью в работе, малыми габаритами и малозначительной массой.

Отсутствие короткозамкнутой обмотки приводит к качаниям ротора при переменной нагрузке, что обусловливает определенную неравномерность его вращения, ограничивающую область внедрения машин, которые изготовляют номинальной мощностью до 400 Вт на промышленную и завышенные частоты как одно-, так и двухскоростные.

Номинальный коэффициент мощности синхронных гистерезисных движков не превосходит 0,5, а номинальный к. п. д. добивается значения 0,65.

Синхронные реактивно-гистерезисные движки имеют явнополюсный статор с обмоткой, расположенной на магнитопроводе, собранном из 2-ух симметричных пакетов листов электротехнической стали со стыком снутри каркаса обмотки. Магнитопровод имеет два полюса, разрезанных продольным пазом на равные части, при этом на какой-то из них на каждом полюсе находятся короткозамкнутые витки. Меж этими расщепленными полюсами находится ротор, составленный из нескольких тонких колец с перемычками из закаленной магнитно-твердой стали, насаженных на валик, соединенный с редуктором, снижающим частоту вращения выходного вала до нескольких сотых толикой либо нескольких 10-ов об/мин.

При включении обмотки статора, благодаря короткозамкнутым виткам, создается сдвиг по фазе во времени меж магнитными потоками неэкранированной и экранированной частей полюсов, что приводит к возбуждению результирующего вращающегося магнитного поля. Это поле, взаимодействуя с ротором, содействует появлению асинхронного и гистерезисного крутящих моментов, вызывающих разгон ротора, который по достижении подсинхронной скорости под воздействием реактивного и гистерезисного крутящих моментов заходит в синхронизм и крутится в направлении, от неэкранированной части полюса к его экранированной части, где размещены короткозамкнутые витки.

У реверсивных движков заместо короткозамкнутых витков используют четыре катушки, которые располагают на обеих частях каждого расщепленного полюса, и для принятого направления вращения ротора замыкают подобающую пару катушек накоротко.

Синхронные реактивно-гистерезисные движки имеют относительно огромные габариты и массу, номинальная мощность их не превосходит 12 мкВт, работают они при очень низком коэффициенте мощности, а номинальный к. п. д. их не превосходит 0,01.

Синхронные шаговые движки конвертируют управляющие электронные импульсы в данный угол поворота, осуществляемый дискретным методом. Они имеют статор, на магнитопроводе которого находятся две либо три однообразные пространственно сдвинутые обмотки, попеременно присоединяемые к источнику электронной энергии в виде прямоугольных импульсов регулируемой частоты. Под воздействием импульсов тока полюсы статора соответственно намагничиваются с переменной полярностью. Изменение направления токов в обмотках статора приводит к соответственному перемагничиванию полюсов и установлению новейшей обратной полярности.

Явнополюсный ротор шаговых движков может быть активным и реактивным. Активный ротор имеет обмотку возбуждения неизменного тока, контактные кольца и щетки либо систему неизменных магнитов с чередующейся полярностью, а реактивный ротор делают без обмотки возбуждения.

Число полюсов ротора шагового мотора вдвое меньше числа полюсов статора. Каждое переключение обмоток статора приводит к повороту результирующего магнитного поля машины и вызывает синхронное перемещение ротора на один шаг. Направление поворота ротора находится в зависимости от полярности импульса, поданного на подобающую обмотку статора.