Двигатель с возбуждением от постоянных магнитов

Особенности конструкции:

В схемах автоматики применяются двигатели различных типов с постоянными магнитами(СДМП), различающихся способами пуска, конструктивным исполнением, способом питания обмоток статора и.т.д.

В зависимости от взаимного расположения на роторе магнитов и короткозамкнутой обмотки СДМП подразделяют на двигатели с радиальным, аксиальным и тангенциальным расположением системы возбуждения и пускового устройства.

Конструкция статора СДПМ всех типов такая же, как и у обычных машин переменного тока.

На рисунке 3.3.1 изображены конструкции роторов с радиальным расположением постоянных магнитов:

Рис.3.3.1.

Конструкции роторов с радиальным расположением постоянных магнитов и пускового устройства:

а - со звездообразным магнитом; б – с мостиком насыщения; в – с ромбовидным магнитным валом

1- постоянные магниты

2 –короткозамкнутая обмотка

3 – полюсные обмотки

Обмотка ротора выполняется из медных стержней и образует мощную демпферную клетку, которая защищает магниты от размагничивания ударным током короткого замыкания в момент подключения двигателя к сети.

Конструкция СДПМ с мостиком насыщения (δ) улучшает пусковые свойства и обеспечивает получение монолитной, механически прочной и технологичной конструкции. Она применяется в СДПМ малой мощности при высоких частотах вращения.

В магнитных системах со звездообразными магнитами не удается полностью использовать магнитные свойства анизотропных материалов. Поэтому при применении высококоэрцитивных сплавов со столбчатой структурой магниты выполняются из отдельных брусков, прилегающих к ромбовидному валу.

Конструкция ротора с аксиальным расположением постоянных магнитов 1и короткозамкнутой обмотки 2, представленная на рис. 3.3.2, а, применяется при часто встречающихся на практике ограничениях по внешнему диаметру двигателя, когда выполнение лучшей в электромагнитном отношении радиальной конструкции затруднительно. Для обеспечения надежного пуска магниты при аксиальной конструкции занимают 0,2 – 0,3 длины сердечника статора.

Рис.3.3.2. Конструкция роторов с аксиальным расположением постоянных магнитов и пускового устройства:

а – с одним торцевым магнитом; б – с двумя торцевыми магнитами; в – с двумя пусковыми клетками

Из–за малой магнитной проницаемости магнитов поток статора сосредоточен в зоне короткозамкнутого ротора, поэтому индуктивные сопротивления реакции якоря по осям отличаются незначительно. Это позволяет рассматривать данную конструкцию как неявнополюсную.

Достоинством аксиальной конструкции роторов является её технологичность. Короткозамкнутая обмотка может выполняться как из медных стержней, так и алюминиевой, литой. Кроме того, может быть выполнен скос пазов, чтобы уменьшить влияние зубцов гармоник.

Двигатели с тангенциальным расположением на роторе постоян­ных магнитов 1 и пускового устройства 2(рис. 3.3.3, а),называемые иногда двигателями с ротором коллекторного типа, применяются в многополюсных системах в целях концентрации магнитного пото­ка соседних магнитов 1 в полюсах-сегментах 3. Клиновидные полю­сы 3ротора изготовлены из магнитомягкой стали. Стержни пускового устройства 2вместе с короткозамыкающими кольцами обеспечивают монолитность и механическую прочность ротора. Для уменьшения потока рассеяния магниты отделены от вала немагнитной втулкой 4.

Рис.3.3.3. Конструкции роторов коллекторного(а) и с тангенсально-ра диальными намагниченными магнитами(б)

Недостатки роторов коллекторного типа являются: сложность конструкции, малая доля магнитов в объеме ротора, наличие паразитных воздушных зазоров между магнитами и сегментами полюсов.

Разновидностью ротора коллекторного типа являются конструкция, показанная на рисунке 3.3.3, б. Здесь для увеличения рабочего потока кроме тангенсально-намагниченных магнитов 1 установлены магниты 2, намагниченные в радиальном направлении. Общим недостатком представленных на рисунке 3.3.3 конструкций являются усложнение технологии сборки роторов.

Синхронный режим:

Основные уравнения СДПМ в рабочем режиме, если учесть, что в относительных единицах и

(3.3.1)

Принимая во внимание основные гармонические составляющие токов и напряжений и заменяя их амплитудные значения действующими, уравнение равновесия напряжений на пространственно-временной комплексной плоскости представляются в виде:

где (3.3.2)

Заметим, что уравнение (3.3.2) справедливо как в относительных, так и абсолютных единицах. Этому уравнению соответствует векторная диаграмма на рисунке 3.3.4

Рис. 3.3.4

Составляющие тока якоря по осям d, q:

(3.3.3)

где - степень возбужденности СДПМ полем постоянных магнитов.

Действующее значение фазового тока обмотки якоря:

(3.3.4)

Мощность потребляемая СДПМ из сети:

(3.3.5)

Вращающий электромагнитный момент, действующий на ротор в синхронном режиме:

(3.3.6)

Электромагнитный КПД (без учета потерь в стали и механических потерь) и коэффициент мощности:

(3.3.7)

Выражения 3.3.3 - 3.3.7 позволяют рассчитывать и исследовать рабочие характеристики СДПМ.

Угловая характеристика СДПМ:

Рис. 3.3.7. Угловая характеристика СДПМ

Рис3.3.8. Угловая характеристика слабовозбужденного явнополюсного СДПМ

На рисунке 3.3.7. показана угловая характеристика СДПМ радиальной конструкции при . Из рисунка видно, что максимум результирующего момента СДПМ, в отличие от двигателей с электромагнитным возбуждением, имеет место при углах нагрузки . Максимальный синхронизирующий момент равен максимально допустимому моменту нагрузки (моменту выхода из синхронизма) и характеризует перегрузочную способность СДПМ. В современных СДПМ радиальной конструкции .

При малой степени возбуждения СДПМ и значительной разности индуктивных сопротивлений реакции якоря по осям d, q реактивный момент становится соизмеримым с основным моментом. В этом случае в зоне отрицательных значений угла нагрузки появляется зона двигательного режима (рис.3.3.8) и при небольшой нагрузке двигатель может устойчиво работать на участке А – В угловой характеристики. Точки А, С характеризуют такие режимы, когда составляющие электромагнитного момента и уравновешивают друг друга. Значение углов, при которых +=0, можно найти из выражения(3.3.6), из которого следует, что при , . Используя (3.3.3):

Существование двух зон двигательного режима отрицательно сказывается на рабочих свойствах СДПМ, так как СДПМ утрачивает свойство синфазности (ротор может засинхронизироваться либо на участке А – В, либо на участке

С – D угловой характеристики) и имеет низкие энергетические показатели при работе на участке А – В.

Критерием отсутствия двигательного режима в зоне отрицательных углов является условие: где полные индуктивные сопротивления якоря:

, где индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря; коэффициент удельной проводимости для потокосцепления рассеяния обмотки якоря.

Описанное явление отсутствует в СДПМ аксиальной конструкции, для которой .

Пусковой режим:

Пуск СДПМ осуществляется путем непосредственного включения в сеть обмотки статора. Под действием асинхронного момента, возникающего при взаимодействии вращающегося поля якоря с наведенными ими токами в короткозамкнутой обмотке ротора, двигатель разгоняется до подсинхронной скорости. Переход к синхронной частоте вращения происходит за счет действия синхронизирующего момента за короткое время. Синхронизирующий момент действует на ротор в течение всего пуска, но из-за инерционности и большой скорости поля статора, он является пульсирующим, Поэтому в СДПМ необходима пусковая клетка, иначе средний синхронизирующий момент за один оборот будет равен нулю.

Пуск СДПМ происходит при постоянно ‘’включенном возбуждении’’ и пусковой режим может быть представлен в виде суммы 2-х режимов:

1) асинхронного режима невозбужденной синхронной машины, питающейся от сети с напряжением U;

2) генераторного режима возбужденной синхронной машины, включенной в сеть, напряжение которой равно нулю.(режим короткого замыкания синхронного генератора при переменной скорости ротора)

Механические характеристики СДПМ в пусковом режиме показаны на рис. 3.3.9

Рисунок 3.3.9

Результирующий ток якоря:

усредненные параметры СДПМ по осям d, q.

ток якоря 1-го режима

ток якоря 2-го режима

В результате взаимодействия вращающегося статора, созданного токами , с наведенными им токами в пусковой обмотке образуется асинхронный (двигательный) электромагнитный момент:

( 3.3.10 )

В результате взаимодействия поле возбуждения с наведенными токами якоря образуется генераторный (тормозной) момент.

(3.3.11)

Средний результирующий момент СДПМ в асинхронном режиме:

(3.3.12)

Как видно из рисунка 3.3.9, пусковые свойства СДПМ определяются не только соотношением, но и характером изменения двигательного и тормозного моментов. - критическое скольжение максимального двигательного момента. Максимальный двигательный момент не зависит от активного сопротивления обмотки ротора.

Тормозной момент пропорционален квадрату ЭДС, наведенной полем магнитов. Его максимальное значение не зависит от активного сопротивления обмотки статора и имеет место при критическом скольжении . Из кривых видно, что тормозной момент вызывает провал в пусковой характеристике и снижает крутизну момента при подсинхронной частоте вращения (в зоне малых скольжений). Поэтому в СДПМ малой мощности для обеспечения надежного пуска степень возбужденности принимают небольшой (0,2…0,5).

Дата добавления: 2014-01-13