овый режим работы синхронного электромеханического преобразователя
Важной особенностью синхронного двигателя является возможность фиксации положения его ротора путем подключения обмоток фаз статора к источнику постоянного напряжения. Для анализа этой возможности удобно использовать схему модели синхронного двигателя, приведенную на рис.3.46,б, приняв, что обмотка статора по оси а подключена к источнику напряжения U1п и в ней протекает постоянный ток I1a=I1п, а обмотка 1b отключена и i1b=0. Создаваемое обмоткой 1a поле статора направлено по оси a (w0эл=0, f0эл=0), и в результате взаимодействия с ним возбужденного ротора возникает синхронизирующий момент. Определим зависимость синхронизирующего момента от угла поворота ротора с помощью последнего уравнения системы (3.114):
Так как в осях a, b i1a=I1п; i1b=0, то преобразованные к осям d, q с помощью формул (2.15). Потокосцепления обмоток статора
токи статора имеют значения:
Подставив выражения токов и потокосцеплений в (3.125)
Примем, что Мс=0 и в статическом режиме ротор занимает положение, соответствующее фэл=0. Если в этом положении, как показано на рис.3.51, отключить обмотку 1a и включить на напряжение U1п обмотку 1b, результирующий вектор I1 скачком повернется на угол Dфш=90°, значение ф0эл изменится и станет равным Dфш, при этом возникнет синхронизирующий момент, определяемый кривой 2, который будет стремиться вновь совместить ось ротора с вектором поля статора и вызывать поворот ротора в сторону новой точки фиксации.
Зависимость М=f(фэл) для участка, где ф0эл=Dфш, показана на рис.3.51 (кривая 2). Кривая 2 определяется (3.126) при подстановке вместо фэл угла
f0эл-fэл=Dfш-fэл.
Рассматривая рис.3.51, можно видеть, что указанное переключение обмоток определяет поворот ротора на один шаг Dфш. Отключением обмотки 1b и включением обмотки 1a на напряжение –U1n вектор поля статора скачком поворачивается еще на один шаг, ротор занимает положение фэл=2Dфш и т. д. Таким путем можно задавать дискретные перемещения ротора двигателя, соответствующие определенному числу шагов. Средняя скорость перемещения при этом определится частотой импульсов тока, подаваемых в обмотки статора:
wcp=w0ср=Dfш/Dtш=f1Dfш (3.127)
 |
Кривая М=f(фэл) на рис.3.51 свидетельствует о том, что среднее по пройденному пути значение электромагнитного момента меньше, чем максимум момента по угловой характеристике, и зависит от угла, при котором осуществляется коммутация токов. Наибольшее значение среднего момента соответствует коммутации в точках пересечения кривых 1-8, обозначенных a1-а8, при этом средний за один шаг момент определяется соотношением
где m - число фаз двигателя.
Средний момент во времени может несколько отличаться от (3.128) в сторону уменьшения в связи с пульсациями скорости ротора. При f1=const статическая механическая характеристика в шаговом режиме при малых значениях f1 имеет вид, показанный на рис.3.52,а (1).
Проведенный анализ работы синхронного двигателя в шаговом режиме при питании обмоток статора от источника напряжения справедлив только для небольших частот коммутации токов.
При изменении частоты в широких пределах для строгого описания механической характеристики двигателя следует использовать систему уравнений (3.114) в записи для шагового режима:
Особенностью (3.129) является ступенчатый характер изменения ф0эл(t). Необходимость решения системы для каждого шага двигателя усложняет задачу, поэтому анализ динамики шагового режима обычно осуществляется с помощью ЭВМ. Он показывает, что при питании от источника напряжения с возрастанием частоты f1 увеличивается ЭДС статорных обмоток E1 и ток I1п снижается. Возрастающее влияние электромагнитной инерции приводит к изменению формы токов i1a и i1b, показанных на рис.3.51. Эти факторы определяют снижение момента Мсрmах, поэтому перегрузочная способность двигателя с ростом частоты уменьшается, как показано на рис.3.52,а.
В более широком диапазоне частот проведенный с помощью (3.126) анализ справедлив для шагового режима при питании всех обмоток двигателя от источников тока. В этом случае Iв=const, токи статора имеют форму, близкую к показанной на рис.3.51, и угловая характеристика определяется (3.126) при замене фэл на фоэл-фэл:
Семейство механических характеристик, соответствующих этим условиям, представлено на рис.3.52,б. Здесь перегрузочная способность двигателя в широком частотном диапазоне остается практически неизменной.
Таким образом, в шаговом режиме синхронный двигатель способен отрабатывать перемещения, задаваемые числом электрических импульсов, коммутирующих токи статора в требуемой последовательности. Жесткая связь между числом шагов перемещения ротора и числом электрических импульсов является замечательным свойством этого двигателя, широко используемым в практике дискретного электропривода с цифровым управлением. Для этих целей разработаны и выпускаются промышленностью серии специальных синхронных двигателей, называемых шаговыми электродвигателями.
Шаговые электродвигатели имеют небольшую (до 4 кВт) мощность и исполняются с различным числом фаз (m=3, 4, 5...) и числом пар полюсов рп> 2.
От этих параметров зависит значение шага:
Значение шага определяет точность отработки перемещений при показанном на рис.3.51 способе коммутации токов. На практике используются более сложные законы дискретного управления токами фаз статора, которые позволяют получать ряд промежуточных положений вектора /,, т. е. дробить шаг (3 125) на более мелкие дискреты и увеличивать точность управления движением электропривода.
Конструктивно шаговые двигатели имеют ряд исполнений по способу возбуждения (возбуждение ротора постоянным током, возбуждение с помощью постоянных магнитов, реактивные двигатели с Iв=0) и по характеру движения (двигатели с вращательным движением ротора, двигатели с линейным движением ротора, двигатели с многокоординатным линейным движением ротора).
Схема модели синхронного двигателя на рис.3.46,б при соответствующем законе коммутации токов обмоток статора полностью соответствует реальным шаговым двигателям различного исполнения. Поэтому проведенный анализ шагового режима работы отражает особенности шаговых двигателей. В частности, показанные на рис.3.51 зависимости наиболее близко соответствуют шаговым двигателям с питанием обмоток статора от источников тока и постоянными магнитами на роторе при рассмотренном законе импульсного возбуждения статора (без дробления шага).
