Гистерезисные двигатели

Особенности управления пуском СД средней и большой мощности

Роторы указанных СД часто выполняют явнополюсными, а в полюсные башмаки закладывают специальную пусковую обмотку. Как правило, используется асинхронный пуск СД, суть которого сводится к следующему. Под действием подведенного к статору напряжения в нем возникает ВМП. При одной паре полюсов и частоте 50 Гц ось поля статора повернется на 180^о через 0,01 с. При этом магнитные полюса статора изменяются на противоположные. За счет инерционности неподвижного ротора за указанное время он почти не изменит своего пространственного положения (угловая скорость инерционных масс скачком измениться не может). Возникающие при этом моменты взаимодействия магнитных полюсов статора и ротора будут компенсировать друг друга, и ротор будет оставаться неподвижным.

При асинхронном пуске СД обмотка возбуждения ротора отключается от источника постоянного тока и замыкается на добавочное сопротивление R_ДОБ=(10¸20)R_ОВ. Двигатель разгоняется как асинхронный. Когда частота вращения ротора n достигнет подсинхронной, равной (0,94¸0,96)n₁, ОВ ротора переключают с R_ДОБ на источник постоянного тока. После этой операции ротор немного ускоряется и «втягивается» в синхронизм.

В ряде случаев используют частотный пуск СД, обмотка статора которого подключена к инвертору с регулируемой частотой, плавно поднимаемой от нуля до номинального значения. Аналогичный способ изменения частоты вращения синхронных микродвигателей используется в системах синхронной связи.

Гистерезисный двигатель (ГД) – это синхронный реактивный двигатель, вращающий момент которого создается за счет магнитного гистерезиса материала ротора. Статор такого двигателя имеет трех- или двухфазную обмотку, которая создает ВМП. Ротор ГД (рис. 4.3) часто делают сборным: 1 – кольцо из магнитотвердого материала; 2 – магнитомягкая втулка; 3 – вал.

 

Рис.4.3

Для выяснения природы гистерезисного момента рассмотрим физические процессы, происходящие в роторе при асинхронном вращении, т.е. когда материал ротора непрерывно перемагничивается.

В момент времени, когда вектор вращающегося потока Ф₁ статора занимает положение А (рис.4.4, а) элементарные магнитики М1 и М2 ротора ориентируются вдоль этого потока. Силы взаимодействия F_ЭМ магнитиков М1, М2, создающих поток Ф₂, направлены вдоль потока Ф₁ и вращающего момента не создают. При перемещении потока статора в положение Б в том же направлении будут поворачиваться и элементарные магнитики (рис. 4.4, б). Однако вследствие явления гистерезисного запаздывания магнитики М1 и М2 не сразу повернутся на тот же угол, что и поток Ф₁, и между потоками Ф₁ и Ф₂ образуется угол гистерезисного запаздывания g_Г. Вследствие этого наряду с радиальными появятся тангенциальные составляющие F_t, которые и создают гистерезисный момент М_ГА асинхронного режима

,

где k – коэффициент, зависящий от конструкции машины.

Гистерезисный момент М_ГА не зависит от угловой скорости ротора. Радикальный способ увеличения М_ГА – применение магнитотвердых материалов с высокой коэрцитивной силой Н_С и петлей гистерезиса, близкой к прямоугольной.

 

Рис.4.5

В синхронном режиме магнитное поле статора и ротор вращаются с одинаковой угловой скоростью, и перемагничивание ротора не происходит. ГД работает как СД с постоянными магнитами на роторе. Отличие состоит в том, что угол отставания оси поля ротора от оси поля статора не может превысить угла g_Г, т.к. в противном случае начинается перемагничивание ротора. Следовательно, наибольшее значение момента М_ГС, развиваемое ГД в синхронном режиме, равно М_ГА. При моменте сопротивления, превышающем М_ГА, ротор выходит из синхронизма. Угол g_Г обычно не превышает 20¸25°.

Зависимость момента М_Г идеального ГД от скольжения S представлена на рис.4.5. Пунктиром показана зависимость момента сопротивления М_С от скольжения S. Кривая 1 соответствует случаю, когда М_С<M_ГА, кривая 2 – когда М_С достигает значения М_ГА при скольжении S_a. В первом случае ГД работает в синхронном режиме, а во втором случае – в асинхронном режиме. Механические характеристики реальных ГД не абсолютно жесткие. Частота вращения ГД может достигать 30000 об/мин, КПД – 80%, мощность на валу – 0,1¸200 Вт. Потребляемый ГД ток изменяется всего лишь на 20¸30% при изменении режима работы от КЗ (пуск) до холостого хода, что позволяет использовать ГД в повторно-кратковременном режиме.