МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский государственный институт электроники и математики (Технический ...
44 downloads
175 Views
860KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский государственный институт электроники и математики (Технический университет)
Кафедра «Управление и информатика в технических системах »
АОС ЭЛЕМЕНТЫ САУ – ОДНОФАЗНЫЙ СИНХРОННЫЙ ГИСТЕРЕЗИСНЫЙ МИКРОДВИГАТЕЛЬ методические указания к лабораторной работе по курсу
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
Москва 2003
Составители: к.т.н., проф. Фалк Г.Б. к.т.н., доц. Денисова Т.С. к.т.н., доц. Ваганова М.Ю. ст. пр. Булакина М.Б. асп. Остроумов А.В. ст. Медникова Д.Л. Основным содержанием работы является обучение и контроль знаний по теме “Однофазный синхронный гистерезисный двигатель”, а также компьютерное исследование его характеристик. Для студентов III курса специальности “Управление и информатика в технических системах” – специальности 210100. УДК 65.011.56 Элементы САУ – однофазный синхронный гистерезисный двигатель: метод. указания к лаб. работе по курсу “Электромеханические устройства”/ Моск. Гос.институт электроники и математики; сост. Г.Б. Фалк, Т.С.Денисова, М.Ю.Ваганова, М.Б.Булакина, А.В.Остроумов, Д.Л.Медникова. М., 2003, 27с.
2
Введение В методических указаниях рассмотрен процесс работы автоматизированной обучающей подсистемы (АОС) по однофазным синхронным гистерезисным микродвигателям с комплексом лабораторного исследования. Под автоматизированной обучающей системой понимается функционально взаимосвязанный набор подсистем учебно-методического, информационного, математического и инженерно-технического обеспечения на базе средств вычислительной техники, предназначенный для оптимизации процесса обучения в различных его формах и работающий в диалоговом режиме коллективного пользования. В рамках автоматизированного обучения учебный материал часто оформляется в виде обучающей программы.
1. Описание предметной области по гистерезисным двигателям 1.1.Общие сведения и классификация гистерезисных двигателей Гистерезисными называют синхронные микродвигатели, вращающий момент которых создается вследствие явления гистерезиса при перемагничивании материала ротора. Основной гистерезисный момент в таком двигателе создается в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с магнитным полем ротора, возникающем за счет его намагничивания полем статора. Статор гистерезисного двигателя (ГД) практически не отличается от статоров обычных синхронных или асинхронных машин. В пазах статора располагается трехфазная или двухфазная (у однофазных конденсаторных двигателей) распределенная обмотка, создающая вращающееся магнитное поле машины. Принципиальное отличие гистерезисного микродвигателя от других типов синхронных микродвигателей в конструкции ротора. Ротор имеет цилиндрическую форму и выполнен из магнитотвердого материала, т.е. материала с широкой петлей намагничивания (гистерезиса). Ротор ГД делают сборным (см. рис. 1):
Рис.1. Ротор ГД Где: 1– кольцо из магнитотвердого материала; 2 – немагнитная или магнитомягкая втулка; 3 – запорное кольцо; 3
4 – вал. Для изготовления кольца 1 используют материалы типа виккалоя или альни с широкой петлей гистерезиса. Потери мощности на гистерезис в кольце 1 определяют, как будет показано далее, значение гистерезисного вращающего момента. При ограниченной мощности возбуждения оптимальное по намагничиванию использование магнитотвердого материала кольца и наилучшие энергетические показатели достигаются при определенном соотношении между толщиной кольца и диаметром ротора. Чрезмерное увеличение толщины кольца, сопровождающееся уменьшением индукции, приводит к уменьшению потерь мощности на гистерезис и момента, а также перерасходу дорогостоящего материала.[1] Возможны два режима работы гистерезисного микродвигателя: а) асинхронный, когда угловая скорость ротора ω2 меньше угловой скорости поля ω1; б) синхронный, когда ω2=ω1. Для выяснения природы гистерезисного момента рассмотрим физические процессы, происходящие в роторе описанной конструкции при асинхронном вращении, т.е. когда материал ротора непрерывно перемагничивается (см. рис. 2):
а
б
Рис.2. Физические процессы, происходящие в роторе ГД Будем считать, что оси м.д.с. F1 и потока Ф1 статора совпадают. В момент времени, когда вектор вращающего магнитного потока статора Ф1 занимает положение А (рис. 2 а), элементарные магнитики M1, M2 ротора ориентируются вдоль этого потока, и силы притяжения магнитиков к статору Fэм вращающего момента не создают. При перемещении потока статора в положение В в том же направлении будут поворачиваться и элементарные магнитики (см. рис. 2 б). Однако вследствие явления гистерезиса они будут запаздывать на угол γг. Силы взаимодействия Fэм, будут иметь тангенcальные составляющие Ft, которые и создадут гистерезисный момент асинхронного режима Мга. Возникающий гистерезисный момент пропорционален модулю векторного произведения пространственных векторов магнитного потока ротора Ф2, образованного элементарными
4
магнитиками , и м.д.с. статора F1, которые вращаются с одинаковой угловой скоростью со сдвигом на угол гистерезисного запаздывания γг.:
Мга = к F1 Ф2 sin γг.,
(1) где к – коэффициент, зависящий от параметров машины. Значение м.д.с. F1 и потока Ф1 при симметричном, например трехфазном, питании от угловой скорости ротора не зависят. Пространственный угол γг., на который поток ротора отстает от потока статора, также не зависит от угловой скорости ротора, и определяется той коэрцитивной силой Нс, при которой начинает изменяться направление поля элементарных магнитиков, т.е. определяется формой петли гистерезиса материала ротора. Соответственно не зависит от угловой скорости ротора и вращающий гистерезисный момент Мга. Однако механическая характеристика реального гистерезисного двигателя может не быть абсолютно жесткой. Это объясняется в основном двумя факторами: 1) В асинхронном режиме в материале ротора наводятся вихревые токи и создается асинхронный момент Мв от взаимодействия вращающегося поля с наведенными им вихревыми токами. Так как активное сопротивление ротора велико, то этот момент максимален при ω2 =0 и равен нулю при ω2 =ω1. Таким образом результирующий момент гистерезисного двигателя:
Мг=Мга+Мв
2)У однофазных конденсаторных гистерезисных микродвигателей изменение тока в конденсаторной фазе статора, связанное с изменением ω2 приводит к перераспределению напряжения между конденсатором и обмоткой. В результате этого изменяется форма вращающегося поля Ф1 и значение гистерезисного момента. Если емкость конденсатора обеспечивает создание кругового вращающегося поля в номинальном синхронном режиме, то в любом другом режиме поле будет эллиптическим и гистерезисный момент будет зависеть от степени эллиптичности поля Ф1. Рабочие характеристики гистерезисного двигателя в синхронном режиме не имеют принципиальных отличий от характеристик синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением в режиме недовозбуждения. Принципиальная недовозбужденность гистерезисного двигателя объясняется тем, что поле ротора является вторичным, наведенным токами статора при номинальном напряжении. Механическая характеристика идеального микродвигателя Мг=f(s), где sскольжение, показана на рис. 3, а (сплошная линия). Как видно, характеристика абсолютно жесткая и синхронный микродвигатель, в отличие от синхронных двигателей других типов, имеет собственный гистерезисный пусковой момент, равный моменту при синхронной угловой скорости ротора.
5
а
б Рис.3. Механические характеристики ГД
Механическая характеристика реальных гистерезисных двигателей не абсолютно жесткая (рис 3б). Причины изменения гистерезисного момента в функции угловой скорости ротора ω2 были описаны выше. В синхронном режиме магнитное поле статора и ротор вращаются с одинаковой угловой скоростью, и перемагничивание материала ротора не происходит. Магнитный поток ротора Ф2ост сохраняется вследствие остаточного магнетизма и вращается вместе с ротором с синхронной угловой скоростью. Поток тем больше, чем выше значение остаточной индукции Br. Микродвигатель работает как обычный синхронный двигатель с постоянными магнитами на роторе. Отличие состоит в том, что угол отставания оси поля ротора, принимаемый за его продольную ось, от оси поля статора гистерезисного микродвигателя γ не может превысить угла запаздывания γг, так как в противном случае начинается перемагничивание ротора. Следовательно, наибольшее значение момента Мг.с., развиваемое гистерезисным двигателем в синхронном режиме, равно Мг.а. При моменте сопротивления на валу, превышающем Мг.а., ротор выходит из синхронизма. У гистерезисных микродвигателей угол γг обычно не превышает 20-25 градусов. Из сказанного следует, что синхронный гистерезисный микродвигатель развивает вращающий момент и при асинхронной, и при синхронной угловой скорости ротора. Режим его работы зависит от значения и характера статического момента сопротивления Мст на валу ротора (см. рис. 3 а). Если во всем диапазоне скольжений от 1 до 0 момент сопротивления меньше гистерезисного момент, то двигатель работает в синхронном режиме. Ось поля ротора отстает от оси поля статора на угол γ, при котором соблюдается равновесие моментов Мг.с. = Мст. Если момент сопротивления меняется по прямой 2, то равновесие моментов наступит при скольжении Sа, соответствующем точке а, т.е. двигатель будет работать в асинхронном режиме неэкономично вследствие больших потерь на перемагничивание ротора, особенно при больших скольжениях. Синхронные гистерезисные микродвигатели обладают весьма ценными качествами. Они развивают большой пусковой момент и способны входить в синхронизм при большом моменте инерции нагрузки. Ротор гистерезисного двигателя входит в синхронизм плавно, без рывков, благодаря практически постоянному значению пускового гистерезисного момента на протяжении всего периода пуска от S=1 до S=0. Потребляемый гистерезисным двигателем ток незначительно (на 20-30%) изменяется при изменении режима работы от
6
короткого замыкания (пуск) до холостого хода, что позволяет эффективно использовать гистерезисные двигатели в повторно-кратковременном режиме. Гистерезисные микродвигатели просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Энергетические показатели гистрезисного двигателя не особенно высоки, так как поток ротора является вторичным, т.е. наведенным рабочим потоком статора, и режим работы такого двигателя соответствует режиму синхронной машины с недовозбуждением. Однако у гистерезисных микродвигателей в синхронном режиме существует возможность изменения намагничивающего тока и соответственно к.п.д. и cos ϕ. Это можно проследить на примере зависимости тока I1 гистерезисного микродвигателя в синхронном режиме от напряжения возбуждения U1 при снижении последнего от значения U1п, при котором происходит пуск (U- образная характеристика на рис. 4). Значение возбужденной м.д.с. ротора определяется напряжением пуска U1п, а значение результирующего потока двигателя уменьшается пропорционально U1. Значит, при уменьшении U1/U1п возрастает роль м.д.с. ротора при создании результирующего магнитного поля и меняется значение и характер тока статора. Индуктивная намагничивающая составляющая (ϕ>0) тока статора и затем появляется размагничивающая емкостная составляющая (ϕ