Схемы подключения асинхронного и синхронного однофазных двигателей

Способы пуска и схемы подключения синхронного двигателя

Синхронные электрические машины обладают рядом преимуществ в сравнении с другими типами агрегатов. Но в то же время, включать их напрямую в сеть под нагрузку нельзя. Поэтому в данной статье мы рассмотрим способы пуска и схемы подключения синхронного двигателя.

Отличие от асинхронного двигателя

Основным отличием синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в принципе преобразования электрической энергии в механическое вращение. У синхронного электродвигателя процесс вращения ротора идентичен вращению рабочего электромагнитного поля, вырабатываемого трехфазной сетью. А вот у асинхронного рабочее поле самостоятельно наводит ЭДС в роторе, которая уже затем вырабатывает собственный поток взаимоиндукции и приводит вал во вращение. В результате чего асинхронные электрические машины получают разность во вращении рабочего поля и нагрузки на валу, что выражается физической величиной – скольжением.

В работе классические модели асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:

• плохо переносят перегрузки;
• имеют сложности пуска со значительным усилием;
• меняют скорость вращения, в зависимости от нагруженности рабочего органа.

В некоторой степени эти недостатки преодолевает асинхронный двигатель с фазным ротором, но в полной мере избавиться от недостатков получается лишь синхронному агрегату.

Рис. 5. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

8.2. Специальные синхронные двигатели

В автоматике используется СД малой мощности, от 0,1 до 500 Вт, Есть различные типы СД: редукторные, гистерезисные, бесконтактные, различные виды шаговых двигателей.

8.2.1. Гистерезисные двигатели

Гистерезисным двигателем называется синхронный двигатель, в котором вращающий момент создается за счет явления гистерезиса при перемагничивания ферромагнитного материала ротора. Статор гистерезисного двигателя подобен статору обычной машины переменного тока. Ротор представляет собой стальной цилиндр из ферромагнитного магнитотвердого материала (имеющего широкую петлю гистерезиса) без обмотки. С целью удешевления ротор делают сборным: кольцо из ферромагнитного материала и немагнитная или магнитомягкая втулка (рис.94).

Рис. 94. Ротор гистерезисного двигателя и схема возникновения гистерезисного момента

В гистерезисном двигателе ротор, вращающийся с синхронной скоростью, представляет собой постоянный магнит. Так как ротор выполнен из магнита твердого материала, то элементарные магнитики перемагничиваются не мгновенно, а с отставанием из-за гистерезиса, это и создает гистерезисный момент. Ось магнита из-за явления гистерезиса отстает от оси вращающегося магнитного поля на угол θг гистерезисного сдвига, вследствие чего возникает тангенциальная составляющая fг сил взаимодействия между полюсами ротора и потоком статора. Величина силы fг и создаваемый ею момент не зависят от скорости вращения, а определяются шириной петли гистерезиса ферромагнитного материала.

Если нагрузочный момент больше Мг, то двигатель перейдет в асинхронный режим работы, т.е. появится дополнительный асинхронный момент Ма. Движущий момент ротора создается двумя составляющими: моментом вихревых токов и гистерезисным моментом. Рис. 95.

Рис. 95. Механическая характеристика гистерезисного двигателя

Асинхронный момент Ма есть результат взаимодействия вращающегося магнитного поля с вихревыми токами, которые индуктируются этим полем в сердечнике ротора. Т к. ротор имеет большое активное сопротивление, то характеристика Ма=f(s) практически линейна и асинхронный гистерезисный момент максимален при s=1.Рис. 95.

,

где П2Н – потери на перемагничивание ротора при неподвижном роторе; Пвихр.Н – потери на вихревые токи при неподвижном роторе;

Двигатель используется в приводах небольшой мощности до 2000 Вт, частота f=50, 400 и 500 Гц.

Достоинства гистерезисного двигателя: простота, надежность, плавность входа в синхронизм, значительный пусковой момент, бесшумность, малый пусковой ток, сравнительно высокий КПД (до 60%).

Недостатки: дороговизна, склонность к качаниям при резких изменениях нагрузки, значительный нагрев ротора.

8.2.2. Шаговые двигатели

Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи. Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота.

Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.

Шаговые двигатели различаются по числу фаз и типу магнитных системна ШД с активным ротором (с постоянными магнитами), ШД реактивного типа и индукторные.

Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта.

1. Шаговые двигатели с активным ротором. В отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления. Ротор обычно представляет собой многополюсную звездочку из специального сплава. Есть варианты двух-, трех- и четырехфазных двигателей. Трехфазные двигатели имеют лучшие динамические характеристики и более равномерный ход. Управление ШД производится однополярными импульсами, поочередно подаваемыми на обмотки статора. Каждый импульс вызывает поворот ротора на единичный шаг.

Рассмотрим принцип действия простейшего двухфазного двухполюсного ШД с активным ротором в виде постоянного магнита. При включении фазы под постоянное напряжение (условно положительной полярности) вектор намагничивающей силы НС статора совпадет с осью фазы А. В результате взаимодействия НС статора с полем постоянного магнита ротора возникнет синхронизирующий момент Мс = Mmaxsinq, где q – угол между осью ротора и вектором НС. Рис. 96.

Рис. 96. Принцип работы ШД

При отсутствии тормозного момента ротор займет положение, при котором его ось совпадет с осью фазы А (рис. 96, первый такт). Если теперь отключить фазу А и включить фазу В, вектор НС и ротор повернуться на 90о(второй такт). При включении фазы А на напряжение обратной полярности (третий такт) НС и ротор повернутся еще на 90о и т.д.

Если к ротору ШД приложен момент нагрузки, то при переключении фаз ротор будет отставать от вектора НС на некоторый угол qн = arcsin(Mн/Mmax).

В зависимости от типа электронного коммутатора управление ШД может быть:

• одноплярным или разнополярным;
• симметричным или несимметричным;
• потенциальным или импульсным.

При однополярном управлении напряжение каждой фазе изменяется от 0 до +U, а при разнополярном – от -U до +U.

Управление называется симметричным, если в каждом такте коммутации задействуется одинаковое число обмоток, и несимметричным – если разное.

При потенциальном управлении напряжение на обмотках изменяется только в моменты поступления управляющих импульсов. При отсутствии управляющего сигнала обмотка или группа обмоток находятся под напряжением, а положение ротора фиксируется полем обмоток. При импульсном управлении напряжение на обмотки подается только на время отработки шаг, после чего оно снимается и ротор удерживается в заданном положении либо реактивным моментом, либо внешним фиксирующим устройством.

В двухполюсной машине число устойчивых положений в пределах одного оборота ротора n при разных способах коммутации может быть равно 1, 2, 4m, где m – число фаз: В многополюсных ШД число устойчивых положений возрастает пропорционально числу пар полюсов р.

Одним из определяющих параметров ШД является шаг ротора, т.е. угол поворота ротора, соответствующий одному управляющему импульсу (угол между двумя соседними устойчивыми состояниями): a = 360/pn.

ШД с активным ротором удается выполнить с шагом до 15о. Дальнейшее уменьшение шага ограничено технологическими трудностями создания ротора в виде постоянного магнита с числом пар полюсов больше шести.

2. Реактивные шаговые двигатели. Гораздо более мелкий шаг (до долей градуса) можно получить в реактивных редукторных ШД. Редукторные ШД выполняются с числом фаз m = 2 – 4. Они имеют ферромагнитный зубчатый ротор с равномерно расположенными zp зубцами и гребенчатые зоны статора, смещенные относительно друг друга на угол 2p/(mzp) рис.97. Число пазов статора и ротора, их геометрические размеры выбираются такими, чтобы обеспечить необходимую величину шага и синхронизирующего момента при заданном виде коммутации токов.

Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и у обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя. Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.

Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора. Величина углового шага редукторного шагового двигателя определится выражением: a = 360/Zp. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.

Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. совмещают преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага).

Рис. 96. Конструкция реактивного ШД

Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.

3. Режимы работы ШД.

1. Статический режим – это режим, при котором ротор фиксируется в одной из позиций, а по обмоткам статора протекает постоянный ток, создающий неподвижное в пространстве магнитное поле.

2. Квазистатический режим – это режим отработки единичных шагов, при котором переходные процессы от предыдущего такта коммутации полностью затухли и скорость ротора в начале следующего шага равна нулю.

3. Установившийся режим – это режим, соответствующий постоянной частоте следования управляющих импульсов. При частоте управляющих импульсов f1, меньшей частоты собственны колебаний двигателя f0, движение ротора носит колебательный характер, что увеличивает динамическую ошибку при отработке заданного перемещения. При частоте управляющих импульсов f1 = f0/k, где k – целое число, возникает явление электромеханического резонанса, которое при слабом демпфировании колебаний может привести к нарушению нормального движения ротора и выпадению его из синхронизма. При f1 > f0 имеют место вынужденные колебания с частотой управляющих импульсов; амплитуда их монотонно уменьшается с увеличением частоты.

4. Переходный режим – это основной эксплуатационный режим работы ШД. Он включает в себя пуск, реверс, торможение, переход с одной управляющей частоты на другую. Основное требование к ШД в переходных режимах заключается в отсутствии потери шага, т.е. сохранение синхронизма при любом характере изменения управляющих импульсов.

Предельная механическая характеристика – это зависимость допустимого момента сопротивления от частоты управляющих импульсов в установившемся режиме работы (рис.97). С ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока, обусловленное индуктивностью обмоток. При некоторой предельной частоте момент двигателя становится равным нулю. Предельную механическую характеристику рассматривают обычно при f>f0.

Рис. 97. Механические характеристики ШД

Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск без потери шага, называется частотой приемистости fпр. Частота приземистости является важным показателем переходного режима ШД Частота приемистости растет с увеличением максимального синхронизирующего момента, уменьшением шага, снижением постоянной времени обмоток, нагрузки и момента инерции. Для современных ШД fпр = 100-1000 Гц.

Предельная динамическая характеристика – зависимость частоты приемистости от момента сопротивления и момента инерции нагрузки. Такие характеристики называются предельными динамическими характеристиками пуска. Существуют также предельные динамические характеристики реверса и торможения

Микроконтроллеры (MCs)

1. 
2. 
3. 
4. 

   MSP430

   Texas Instruments

   Модераторы раздела VAI 
5. 
6. 

   Отладочные платы

   Вопросы, связанные с отладочными платами на базе МК: заказ, сборка, запуск

   • Arduino
   • Raspberry Pi
   • Rainbow
   • Siberia
   • EVMxxxx

Печатные платы (PCB)

1. 

   Разрабатываем ПП в САПР – PCB development

   FAQ, вопросы проектирования в ORCAD, PCAD, Protel, Allegro, Spectra, DXP, SDD, WG и др.

   • Библиотеки компонентов
   • Altium Designer, DXP, Protel
   • P-CAD 200x howto
   • Эремекс, Delta Design
   • Cadence
   • Примеры
   • Zuken CADSTAR
   • Mentor Xpedition Enterprise, PADS
   • KiCAD
2. 

   Работаем с трассировкой

   тонкости PCB дизайна, от Spectra и далее.

   Модераторы раздела fill 

   • Примеры плат
3. 

Сборка РЭУ

1. 

   Пайка и монтаж

   вопросы сборки ПП, готовых изделий, а также устранения производственных дефектов

2. 

   Корпуса

   обсуждаем какие есть копруса, где делать и прочее

3. 

4. Пуск синхронного двигателя при вентиляторной нагрузке

При вентиляторном характере нагрузки (3) уравнение (2) принимает вид

где kc = kv/pJ — безразмерный коэффициент.

При сохранении направления вращения можно просто полагать момент нагрузки пропорциональным квадрату скорости вращения ротора синхронного двигателя и записать уравнение (42) в виде

Переход при условии (7) к фазовым координатам х, у (12) дает уравнение с переменными (зависящими от t) коэффициентами

Таким образом, фазовые траектории на плоскости (х, у) оказываются нестационарными, что существенно затрудняет анализ процесса.

В первом приближении при относительно медленном разгоне можно положить, что за период колебаний синхронного двигателя скорость вращения поля (εt) изменяется незначительно. Это позволяет построить стационарные фазовые траектории, зависящие от t как от параметра.

Записав дифференциальное уравнение фазовой траектории в виде

находим две особые точки фазовой плоскости:

и

Можно показать, что первая особая точка — устойчивый фокус, а вторая — «седло».

Рис. 7

Исследование на модели при характерных значениях параметров: εm = 2900, ε = 166 эл.рад/с, kс = 6,25×10–3 — позволило определить область допустимых отклонений от устойчивого положения равновесия (45) (устойчивого фокуса) и характер ее изменения в процессе разгона. Модель (рис. 7) построена в системе Matlab 6.5/Simulink 5 по системе уравнений

полученной в результате представления дифференциального уравнения второго порядка (43) в виде системы двух уравнений первого порядка (в форме Коши). Результаты моделирования, наблюдаемые на графопостроителе ХУ Graph, показали, что область допустимых отклонений при фиксированной скорости ограничивается устойчивыми «усами», входящими в «седло». На рис. 8 и 9 построены области устойчивости фокуса (50) при Ω = εt, равном 100 и 500 эл. рад/с. Из рис. 8 и 9 видно сужение области притяжения устойчивого фокуса (50) при увеличении Ω = εt. Это следует также и из формул (45) и (46), показывающих сближение особых точек (45) и (46) с ростом Ω. Вентиляторная нагрузка, как видно из рис. 8 и 9, проявляется в вытягивании области притяжения устойчивого фокуса (45) узкой криволинейной сужающейся полосой в направлении отрицательных значений у и положительных значений х. Физически это соответствует возможности согласования ротора с полем при значительном отставании ротора, имеющего существенно большую скорость, чем поле статора. Догоняя поле, ротор вследствие вентиляторной нагрузки тормозится, что и делает возможным согласование.

Рис. 8

Рис. 9

Результатом исследования на математической модели процесса равноускоренного разгона синхронного двигателя при ε = 136, εm = 4350 эл.рад/с, kс = 6,25×10–3, нулевых НУ и скачкообразном сбросе ускорения на ноль в момент достижения заданной скорости синхронного двигателя dξ/dt = 680 эл.рад/с при tp = 5 с представлены на рис. 10. Математическая модель, построенная в системе Matlab 6.5/Simulink 5, содержит модель равноускоренного вращения поля статора в течение tp = 5 с при ε = 136 эл.рад/с с последующим равномерным вращением со скоростью, достигнутой в конце разгона (680 эл.рад/с), а также модель синхронного двигателя, учитывающую синусоидальную зависимость синхронизирующего момента от разности углов поворота поля статора и ротора и тормозящий момент, пропорциональный квадрату скорости.

Рис. 10

На экране Scope2 представлен процесс изменения скорости ротора синхронного двигателя. Процесс изменения рассогласования поля статора и ротора представлен на экране Scope1, а его производная (скорость изменения рассогласования)— на экране Scope. Процесс, представленный на фазовой плоскости, изображен на экране ХУGraph.

Нулевые НУ в начале разгона, согласно изложенному выше, вызывают колебательный процесс. В начале процесса амплитуда колебаний угла рассогласования составляет, судя по осциллограмме Scope1, примерно 0,0313 эл.рад, а амплитуда колебаний скорости его изменения согласно осциллограмме Scope1 — 2,062 эл.рад/с. Результаты хорошо согласуются с теоретическими. Действительно, учитывая ε/εm = 136/4350 ≈ 0,0313 << 1, согласно (9), можно считать амплитуду колебаний рассогласования равной этому значению, а амплитуду колебания — скорости его изменения, равной

В процессе разгона колебания под действием момента трения, пропорционального квадрату скорости, к концу разгона практически полностью затухают. Однако вмомент окончания разгона скорость вращения поля становится постоянной, а отставание ротора от поля скорости становится больше необходимого для создания синхронизирующего момента, уравновешивающего момент нагрузки, на величину, обеспечивавшую ускорение ротора. Кроме того, имеется небольшое различие скоростей ротора и поля статора. Все это создает ненулевые НУ для режима синхронного вращения ротора синхронного двигателя с постоянной скоростью. Это приводит к колебательному переходному режиму установления постоянной скорости вращения ротора, представленному на осциллограммах Scope и Scope1 на интервале времени от 5 до 6 с.

Возможность полного исключения сопровождающих разгон колебаний, отмеченную ранее, иллюстрирует рис. 11. В отличие от рассмотренного выше случая нулевых НУ пуск моделируется при начальном угле поворота статора синхронного двигателя, равном 0,0312695 эл.рад, соответствующем абсциссе центра фазовых траекторий при пуске синхронного двигателя на холостом ходе. Благодаря правильно подобранным ненулевым НУ колебания на участке разгона синхронного двигателя (0 < t < tp = 5 с) полностью исключены (см. осциллограммы Scope и Scope1).

Рис. 11

При переходе в режим синхронного вращения с постоянной скоростью колебания также не возникают (промежуток времени от 5 до 6 с). Достигнуто это за счет уменьшения угла поворота поля статора на Δξ = 0,0425 эл.рад и скорости вращения поля на Δ(dξ/dt) = 0,3673 эл.рад/с в момент окончания разгона синхронного двигателя (tp = 5 с). Значение Δξ можно рассчитать по формуле.

где Ω — значение скорости ротора в конце разгона, которое меньше значения εtp = 680 эл.рад/с на небольшую величину 0,3673 эл.рад/с, определенную моделированием.

Расчет по формуле (48) дает значение Δξ = 0,042613 эл.рад/с, хорошо согласующееся с подобранным экспериментально значением Δξ = 0,0425 эл.рад/с.

Изменение угла поворота поля статора на Δξ и его скорости вращения на Δ(dξ/dt) в момент окончания разгона осуществляют в модели (рис. 11) генераторы скачков Step2 и Step3 соответственно. Разумеется, в реальных условиях скачкообразное изменение угла поворота поля статора возможно лишь приближенно. Следовательно, реально можно существенно уменьшить колебания, а полностью исключить их можно только в идеализированной модели.

Подсоединение к однофазной сети

Трехфазный двигатель можно включать в однофазную сеть, хотя и с потерей мощности, если одну из обмоток подключить через фазосдвигающий конденсатор. Однако при таком включении двигатель сильно теряет в своих параметрах, поэтому этот режим использовать не рекомендуется.

Применение

Область применения синхронных электрических машин охватывает производство электрической энергии на электростанциях. По видам генераторы подразделяются на турбинные, дизельные и гидравлические, в зависимости от способа приведения их во вращение.

Также их используют в качестве электродвигателей, которые могут переносить существенные перегрузки в процессе эксплуатации. Такие двигатели устанавливаются на вентиляторах, компрессорах, силовых агрегатах и прочем оборудовании. Отдельная категория электродвигателей применяется в точном оборудовании, где важна синхронизация операций и процессов.

Литература

1. Дробкин Б. З., Корзунов Е. А., Крутяков Е. А., Павлов П. А., Пронин М. В. Высоковольтные преобразователи частоты ОАО «Электросила» // Электротехника. 2003. № 5.
2. Понтрягин Л. С. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Наука. 1965.

Преимущества синхронных машин

Асинхронные и синхронные электродвигатели имеют очень схожие конструкции, но различия всё равно имеются. В последних имеется явное преимущество в том, что происходит возбуждение от источника постоянного тока. В этом случае может мотор работать при очень большом коэффициенте мощности. Существуют также другие преимущества синхронных двигателей:

1. Они работают с завышенным коэффициентом. Это позволяет уменьшить расход электроэнергии, а также существенно снижает потери тока. Коэффициент полезного действия синхронной машины будет намного выше, нежели у асинхронного двигателя с такой же мощностью.
2. Крутящий момент напрямую зависит от того, какое напряжение в питающей сети. Даже при условии, что напряжение в сети уменьшится, мощность сохранится.

Но всё равно асинхронные машины используется намного чаще, нежели синхронная. Дело в том, что они имеют большую надежность, простую конструкцию, не требуют дополнительного ухода.

Каталог электродвигателей по цене производителя

В каталоге ООО ПТЦ «Привод» широко представлены электродвигатели для работы в одно- и трехфазной сети. Каждая модель устройства имеет подробное описание (технические характеристики, расшифровка наименования, габариты, данные о производителе и т. д.). В нашем ассортименте легко выбрать и можно выгодно купить электрические двигатели для решения самого широкого спектра задач.

Поставщики компонентов для электроники

1. 

   Поставщики всего остального

   от транзисторов до проводов

2. 

Дополнительные разделы – Additional sections

1. 

   Встречи и поздравления

   Предложения встретиться, поздравления участников форума и обсуждение мест и поводов для встреч.

2. 

   Ищу работу

   ищу работу, выполню заказ, нужны клиенты – все это сюда

3. 

   Предлагаю работу

   нужен постоянный работник, разовое предложение, совместные проекты, кто возьмется за работу, нужно сделать.

4. 

   Куплю

   микросхему; устройство; то, что предложишь ты 🙂

5. 

   Продам

   есть что продать за деньги, пиво, даром ?
   Реклама товаров и сайтов также здесь.

6. 

   Объявления пользователей

   Тренинги, семинары, анонсы и прочие события

7.