Электрические машины и их основные характеристики

Электродвигатели, входящие в группу электрических машин, осуществляют преобразование электромагнитной энергии в механическое движение. В основу функционирования электрических машин заложены фундаментальные явления электромагнитной индукции и силового взаимодействия магнитного поля с электрическим током. Соответственно, в составе электрической машины можно выделить индуктор, создающий в рабочей области требуемое пространственное распределение изменяющегося во времени магнитного потока, и якорь, взаимодействие элементов которого с магнитным полем индуктора приводит к возникновению механических сил и моментов. В конструкции электрической машины имеются неподвижная часть (статор) и вращающийся ротор.

В зависимости от режима работы электрической машины может использоваться электродвигатель, преобразующий подводимую электрическую энергию в механическое перемещение, или электрогенератор, вырабатывающий электрическую энергию при принудительном вращении ротора (свойство обратимости электромеханического преобразования).

Электродвигатель является основным силовым элементом электропривода, фактически определяющим его энергетические, эксплуатационные и точностные параметры. В настоящее время электротехническая промышленность производит множество типов электродвигателей различного назначения. Они выпускаются на самые различные мощности — от микроватт в часовых механизмах до мегаватт в газоперекачивающих станциях. В конструкциях разных электродвигателей можно выделить блоки, имеющие одинаковое функциональное назначение. Для создания и концентрации магнитного потока используются магнитопроводы сложной формы из ферромагнитных материалов с распределенными в пространстве обмотками. Электропитание осуществляется от промышленной сети через преобразующие устройства или от автономных источников постоянного либо синусоидального тока. Для создания магнитного поля применяются также постоянные магниты различных конфигураций. Разнообразие конструктивных решений, существенно отличающихся конфигураций магнитных материалов и систем, токопроводов, позволило реализовать множество типов электродвигателей с различными свойствами и характеристиками (рис. 22.5).

Рис. 22.5. Основные типы исполнительных электродвигателей.

Для исполнительных электродвигателей, отличающихся принципами функционирования, созданы их математические модели с разными уровнями описания. Модели процессов в электродвигателях, работающих в составе электропривода, в минимальном варианте содержат:

• • схемотехническое описание электрической части, позволяющее рассчитать магнитный поток в рабочей области;
• • описание динамики движения механических устройств для получения зависимостей от времени требуемых выходных величин;
• • соотношения связи электрической и механической подсистем для определения вращающего момента (или движущих сил).

Разные типы двигателей, как правило, имеют существенно отличающиеся описания. С целью получения возможности единообразного подхода к анализу их работы в составе электропривода создана теория обобщенной электрической машины, в соответствии с которой посредством выбора описывающих переменных и преобразования полученных уравнений можно систему уравнений любой электрической машины при определенных допущениях свести к уравнениям, подобным описанию двигателя постоянного тока.

Коллекторный двигатель постоянного тока (ДПТ) имеет на статоре электромагнит (индуктор), создающий поток возбуждения Ф (рис. 22.6, а).

Взаимодействие тока i_a обмотки якоря с магнитным потоком возбуждения Ф создает механический момент вращения М = с_мФг_Л, где с_м — постоянная, определяемая конструктивными параметрами ДПТ. Для создания непрерывного однонаправленного вращения ротора следует создать условия неизменности ориентации развиваемого момента М. При постоянном магнитном потоке Ф, задаваемом током возбуждения /_в (или постоянным магнитом), с помощью механического коммутатора (щеточно-коллекторного узла) производится изменение направления тока i_a на противоположное при значении угла поворота ротора 6 = /гл, т. е. через полоборота.

В установившемся режиме частота вращения ротора определяется выражением.

где с_е — коэффициент, определяемый конструктивными особенностями; R_a — сопротивление якорной цепи; ^— частота вращения в режиме холостого хода; у = dn/dM — крутизна характеристики.

Приведенное соотношение определяет линейную механическую характеристику двигателя (рис. 22.6, б). Регулирование скорости электродвигателя постоянного тока при постоянстве потока возбуждения Ф производится путем изменения среднего значения напряжения U_a на якорной обмотке. Это приводит к линейной зависимости частоты вращения на холостом ходу щ от приложенного напряжения п₀ = О_а/(с_еФ) (рис. 22.6, в).

Практически регулятор реализуется в виде широтно-импульсного преобразователя (ШИП), изменяющего в соответствии с управляющим сигналом длительность интервалов времени подключения источника постоянного напряжения к якорной обмотке двигателя (рис. 22.7, а).

Рис. 22.6. Коллекторный двигатель постоянного тока (а), его механическая (б) и регулировочная (в) характеристики.

Рис. 22.7. Электродвигатель с широтно-импульсным преобразователем (а) и график напряжения на якорной обмотке (б).

Последовательность с периодом Т импульсов длительностью t_v пропорциональной значениям управляющего напряжения f/_y, содержит постоянную составляющую U_a0 = U_ut_cy>/T(рис. 22.7, б). При достаточно малом значении периода следования Твыделение медленно изменяющегося напряжения U_a0(t) осуществляется за счет инерционных средств ротора электродвигателя. В случае необходимости в канал управления вводится фильтр нижних частот (ФНЧ).

Основным достоинством двигателя постоянного тока является линейность механических и регулировочных характеристик. В сочетании с простотой схемы управления это позволяет обеспечить высокую точность отработки управляющего сигнала при значительном диапазоне изменения частоты вращения. К недостаткам следует отнести наличие щеточно-колллекторпого механизма, который обладает невысокой надежностью и создает значительные электромагнитные помехи.

Разработка силовых полупроводниковых IGBT-транзисторов и средств управления позволила реализовать идею замены щеточно-коллекторного механизма электронным коммутатором. Бесконтактный двигатель постоянного тока (БДПТ), называемый также бесколлекториым или бесщеточным (в англоязычной литературе — Brushless DC Motors), в общем случае содержит m-фазную обмотку на статоре и 2/?-полюсный постоянный магнит на роторе. В простейшей модификации получим двухфазный двигатель с постоянным магнитом (рис. 22.8, а).

Для фиксации моментов коммутации обмоток установлены датчики положения ротора и Д₂ (например, на основе преобразователей Холла). Подключение обмоток производится в соответствии с выбранным алгоритмом, который обеспечивает заданные зависимости от времени создаваемого ими магнитного потока. Для этого используется мостовая схема соединения силовых транзисторных ключей k_h …, k/_{ Последовательность замыкания ключей задает распределитель импульсов, управляемый сигналами с датчиков положения ротора. В результате процедуры подключения.

Рис. 22.8. Функциональная схема БД ПТ (а) и напряжения на обмотках статора (б).

обмоток к источнику постоянного напряжения создаются требуемые последовательности сигналов (рис. 22.8, б).

Конструкция ДПТ с секционированными обмотками якоря дает возможность программным способом изменять структуру обмоток и формировать зависимости от времени токов в фазах, которые обеспечивают оптимальное значение вращающего момента. В промышленных БДПТ на статоре, как правило, размещены трехфазная обмотка и соответствующее количество датчиков положения ротора, в качестве которых наряду с преобразователями Холла применяются магнитодиодные, оптические, индукционные и трансформаторные датчики. Управление частотой вращения ротора вентильного двигателя базируется на регулировочной характеристике ДПТ и может быть реализовано приведенными ранее способами.

При наличии многофазных систем напряжений и токов посредством определенного размещения обмоток якоря в пространстве и их схемного соединения можно получить распределение в рабочем зазоре магнитного потока, максимум которого в течение времени линейно перемещается вдоль развертки зазора между статором и ротором. При наличии электромагнита или постоянного магнита на роторе в результате взаимодействия его поля с вращающимся полем статорных обмоток возникает механический момент с постоянным значением. Приведенный принцип заложен в основу функционирования электродвигателей переменного тока.

Трехфазные электродвигатели переменного тока получили распространение благодаря наличию промышленной электрической сети (рис. 22.9, а).

Если соответствующие обмотки с токами i_A, i_B, i_c симметрично разместить на статоре с пространственным сдвигом на 2л/3, то путем преобразования полученных уравнений можно показать, что.

Рис. 22.9. Трехфазная система токов (а), структуры синхронного (б) и асинхронного электродвигателей (в) вектор индукции возбуждаемого магнитного поля, оставаясь неизменным по амплитуде, перемещается в пространстве с угловой частотой, пропорциональной частоте J подводимого к обмотке трехфазного тока и зависящей от числа пар полюсов обмотки статора р: П = 60/i/p об/мин. При частоте промышленной сети f = 50 Гц выпускаемые с различным числом пар полюсов обмотки статора (р=1,2,3,4,5,6) электродвигатели обеспечивают набор синхронных частот вращения соответственно (п_х = 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 об/мин).

Исполнение якоря в виде питаемого от источника постоянного тока /_в электромагнита (или постоянного магнита), помещенного на роторе, приводит к структуре синхронного электродвигателя (рис. 22.9, б). Принцип его работы базируется на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых обмотками ротора и статора. Если направление магнитного потока ротора отклоняется от направления вращающегося магнитного поля статора на некоторый угол 0, то возникают силы взаимодействия F, которые создают механический момент М_вр, приводящий ротор во вращение с синхронной частотой П. При отсутствии момента сопротивления М_с = 0 (режим холостого хода) ротор занимает положение, при котором направления магнитных полей ротора и статора совпадают (0 = 0). При наличии момента сопротивления образуется смещение 0, определяющее развиваемый двигателем электромагнитный момент М_вр, который в установившемся режиме компенсирует момент нагрузки. При этом ротор вращается с постоянной (синхронной) скоростью и механическая характеристика п₂(М) представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (п₂ = П). Пропорциональное управление скоростью вращения осуществляется путем изменения частоты /₍ приложенного напряжения.

Синхронные электродвигатели являются самыми мощными и применяются в приводах компрессоров и насосов мощностью до десятков мегаватт. Синхронные микродвигатели мощностью от долей до сотен ватт широко используются в установках, требующих постоянства частоты вращения (лентопротяжных механизмах приборов). В исполнительных устройствах небольшой мощности нашли применение синхронные электродвигатели с ротором в виде постоянного магнита. Выпускаются также другие разновидности синхронных электродвигателей.

Одной из распространенных разновидностей электрических машин переменного тока является асинхронный двигатель (АД). Статорная часть АД полностью подобна индуктору синхронного электродвигателя и аналогично создает вращающееся магнитное поле (рис. 22.9, в). На роторе АД размещена обмотка без внешнего источника электропитания, которая в отсутствие поля индуктора не создает собственного магнитного поля. При подключении обмоток статора к источнику синусоидального напряжения возникает переменное электромагнитное поле, которое индуцирует ЭДС в обмотке ротора, вызывая в витках токи. В результате взаимодействия токов ротора с полем статора создается пара сил F, образующая механический момент вращения М. Под действием момента ротор вращается с угловой частотой п₂ < п,. В асинхронном режиме вращение ротора обеспечивается вследствие наведения в его обмотке напряжения за счет разности частот вращения, т. е. наличия частоты проскальзования или скольжения n_s=ri — п₂. При записи уравнений электродвигателя принято пользоваться относительной величиной S_K = щ/щ = (щ — п_{2)/щ, называемой скольжением.}

Анализ электромагнитных процессов в асинхронном электродвигателе позволяет сформировать модели различного уровня (систему уравнений, эквивалентную электрическую схему, передаточные функции) и вычислить характеристики, необходимые для его использования в системах электропривода. Можно показать, что при питании обмотки возбуждения от источника синусоидального напряжения V в предположении синусоидального характера всех величин приближенное описание преобразования подводимой электрической энергии в механическое вращение ротора имеет вид где Г_у Х — резистивное и индуктивное сопротивления фазы обмотки статора; г'₂, Х₂ — приведенные резистивное и индуктивное сопротивления статора.

Статические механические характеристики (зависимости частоты вращения ротора п₂ от момента на валу двигателя при разных напряжениях обмотки статора V > Vf), вычисленные по приве;

Рис. 22.10. Статическая механическая характеристика асинхронного электродвигателя.

денному выражению, имеют существенно нелинейную зависимость (рис. 22.10).

Для проведения расчетов механическую характеристику на рабочем участке при п₂ > п_кр можно аппроксимировать линейной функцией п₂ = П — (п — п_кр)М/М_тах. Снижение скорости вращения с ростом момента удобно оценивать с помощью скольжения S_K, которое в рабочем диапазоне изменяется в небольших пределах (0,1—0,05). При режиме частого пуска и останова электродвигателя в условиях ограниченной мощности питающей электрической сети важной характеристикой является зависимость пускового момента от напряжения на обмотках статора. При разных значениях напряжения питания механические характеристики начинаются с синхронной скорости вращения щ в режиме холостого хода (М= 0) и имеют пусковые моменты М_п, пропорциональные квадрату приложенного напряжения.

В подавляющем числе технических устройств требуется достаточно плавное изменение скорости вращения при заданном управляющем воздействии. Наиболее эффективным способом управления частотой вращения служит изменение частоты подводимого к статору трехфазного напряжения, которое вызывает пропорциональное изменение синхронной частоты вращения щ. Если зафиксировать все остальные величины, то можно получить линейную зависимость скорости вращения вала от частоты: п₂ = (1 — 5^)^ = ⁼ 60/i (l — S_K)p. Однако изменение частоты f_x вызывает вариации амплитуды магнитного потока возбуждения Ф_т = У (с_ф/)), а также значения индуктивных сопротивлений Х_х 2 = 2nf^L_{{ 2}, что приводит к изменению режима работы двигателя. Поэтому для регулирования скорости вращения применяют одновременное изменение частоты и амплитуды приложенного синусоидального напряжения.

Малые изменения скольжения при существенно отличающихся значениях момента служат определяющим фактором применения достаточно дешевых и компактных асинхронных электродвигателей в исполнительных механизмах.