Режими гальмування асинхронного двигуна

 

Асинхронний двигун забезпечує наступні режими гальмування:

1) Рекуперативне (генераторне) гальмування;

2) Гальмування противмиканням;

3) Динамічне гальмування;

4) Гальмування із самозбудженням.

 

1) Ознакою переходу в режим рекуперативного гальмування є швидкість двигуна більша за синхронну. Цей режим можна реалізувати в статичному режимі чи в перехідному процесі.

У статичному режимі за допомогою зовнішнього активного моменту М_с робоча точка переміщується в II чи IV квадранти (Рис. 2.105).

 

 

Рис. 2.105.

 

У перехідному процесі двигун переходить у режим рекуперативного гальмування при зменшенні стрибком частоти живлення двигуна або при переключенні числа пар полюсів із більшої на меншу швидкість (Рис. 2.106).

 

 

Рис. 2.106.

 

В режимі рекуперативного гальмування двигун виробляє та повертає в мережу активну електричну потужність, але при цьому продовжує споживати з мережі реактивну потужність. При частотному керуванні перетворювач повинен забезпечувати роботу в першому та другому квадрантах для нереверсивного ЕП та у всіх чотирьох для реверсивного.

2) Гальмування противмиканням у статичному режимі можна отримати тільки при активному статичному моменті для двигуна з фазним ротором. Для цього достатньо увімкнути в коло ротора додатковий резистор R_д із таким опором, щоб робоча точка перемістилася з першого в четвертий квадрант. Величина опору визначає швидкість w₂, з якою буде обертатися двигун в режимі гальмування противмиканням (Рис. 2.107).

 

 

Рис. 2.107.

 

При реактивному статичному моменті цей режим можна отримати тільки в перехідному процесі. Для гальмування механізму здійснюється реверс двигуна. Для обмеження при гальмуванні струму статора двигуна з короткозамкненим ротором у його коло можуть бути увімкнені додаткові резистори. Якщо двигун із фазним ротором, то на хід перехідного процесу та завдання початкового гальмівного моменту можна вплинути зміною додаткового опору R_д у колі ротора (Рис. 2.108). На ділянці 2-3 механічної характеристики двигун буде сповільнюватися в режимі гальмування противмиканням. В точці 3 двигун потрібно відключити від мережі інакше він почне розганятись у зворотному напрямку, прямуючи до усталеної точки 6. Введення додаткового опору R_д у коло ротора дозволяє створювати умову, коли момент короткого замикання при зупинці в точці 5 буде меншим за статичний момент М_с, тому двигун не зможе розігнатися у зворотному напрямку й буде стояти під струмом. Його також потрібно відключити від живлення.

 

 

 

Рис. 2.108.

 

Перевагою гальмування противмиканням є створення значних моментів гальмування при низьких швидкостях. Недолік полягає у низькій енергетичній ефективності, так як двигун споживає електричну енергію з мережі та механічну від механізму й усю перетворює в тепло.

3) Для організації режиму динамічного гальмування потрібно джерело постійного струму. Обмотка статора працюючого двигуна відключається від мережі змінного струму і переключається на джерело постійного струму (Рис. 2.109).

 

Рис. 2.109.

 

При обертанні ротора двигуна в постійному магнітному полі, яке створює обмотка статора, виникає гальмівний момент. Так як обмотка статора трифазна, то при підключенні до джерела постійного струму використовуються різні схеми з’єднання фаз обмотки (Табл. 2.3). При цьому постійний струм І, який протікає через обмотку статора, в залежності від схеми з’єднання відповідає еквівалентному змінному струмові, створюючи однакову за величиною магніторушійну силу. Цей еквівалентний струм визначає характерні точки механічної характеристики двигуна в режимі динамічного гальмування, а саме, критичний момент

 

(2.118)

та критичне ковзання

, (2.119)

 

де Х_m - індуктивний опір взаємноіндукції.

Таблиця 2.3.

№, п/п	Схема	Струм Іекв

 

Так як опір Х_m>>X₁, то критичне ковзання (2.119) в режимі динамічного гальмування менше, чим в рушійному режимі (2.85), і відповідно жорсткість механічних характеристик буде більшою при однакових критичних моментах. Величину гальмівного моменту дуже просто задавати величиною постійного струму, так як критичний момент (2.118) пропорційний квадрату струму. При цьому критичне ковзання залишається незмінним (2.119). Якщо двигун із фазним ротором, то додатково на величину гальмівного моменту можна впливати введенням резистора R_д у коло ротора. Критичний момент залишиться незмінним, а збільшується критичне ковзання і відповідно зменшується жорсткість штучних механічних характеристик, які всі проходять через початок координат (Рис. 2.110).

Після вмикання режиму гальмування з робочої точки 1 двигун сповільнюється до зупинки при реактивному статичному моменті на ділянках характеристик 2-0, 3-0 чи 4-0 у залежності від величини струму чи додаткового опору в роторі. Якщо ж статичний момент активний, то після зупинки двигун почне розганятися в протилежному напрямку до нової робочої точки в четвертому квадранті.

 

 

Рис. 2.110.

 

Перевагою способу є простота керування гальмівним моментом, а недоліком – незначна величина гальмівного моменту при низьких швидкостях.

4) Гальмування із самозбудженням застосовується достатньо рідко. Воно основується на тому, що після відмикання двигуна від мережі магнітне поле в ньому затухає не миттєво. Це й використовується для створення гальмівного моменту. На практиці знайшли застосування конденсаторне та магнітне гальмування.

При конденсаторному гальмуванні до обмотки статора підключаються конденсатори, з’єднанні в схему “зірка” чи “трикутник” (Рис. 2.111а). Конденсатори можуть бути увімкнуті постійно чи підключатися тільки на час гальмування. Із збільшенням ємності конденсаторів збільшується гальмівний момент, а штучні механічні характеристики зміщуються в область низьких швидкостей, як показано на рис. 2.111б.

 

 

 

а) б)

Рис. 2.111.

 

При магнітному гальмуванні виводи обмотки статора зразу закорочуються після відключення від мережі, відповідно до рис. 2.112. При цьому створюється дуже короткочасний гальмівний момент.

 

 

 

Рис. 2.112.

 

При використанні регульованого електропривода з перетворювачем частоти з’являються додаткові можливості для організації ефективного гальмування за рахунок комбінації різних способів та підтримки заданого моменту гальмування. У частотно-керованих електроприводах можна реалізувати всі три основні способи гальмування: рекуперативне, динамічне і противмиканням. Проте в силу таких відомих недоліків, як значні струми і триразові втрати енергії в порівнянні з динамічним гальмуванням – гальмування противмиканням не застосовується. Для реалізації динамічного гальмування постійний струм від перетворювача частоти подається в обмотки статора асинхронного двигуна. По техніко-економічним причинам основним видом є рекуперативне гальмування двигуна, яке у частотно-керованих електроприводах реалізується за двома способами:

1. З поверненням енергії гальмування до мережі (частотне гальмування з поверненням енергії до мережі);

2. З розсіюванням енергії гальмування на додатковому резисторі (частотне резистивне або інверторне гальмування).

1) Без додаткових технічних засобів рекуперативне гальмування з поверненням енергії гальмування до мережі можна застосовувати тільки вдвох функціональних системах:

- Циклоконвертор (безпосередній перетворювач частоти) асинхронний двигун (система Ц-АД чи БПЧ-АД)) - рис. 2.113;

- Керований випрямляч-автономний інвертор струму - асинхронний двигун (система КВ-АІС-АД) - рис. 2.114.

 

Рис. 2.113.

 

 

Рис. 2.114.

 

Переключення АД з рушійного режиму в режим рекуперативного гальмування в системі Ц-АД здійснюється за допомогою системи керування перетворювачем СК. У циклоконверторі Ц за допомогою СК забезпечується обмін активною і реактивною енергією між двигуном і мережею. У системі КВ-АІС-АД напрямок струму I_d у ланці постійного струму не змінюється, а змінюється тільки полярність вихідної напруги КВ шляхом переключення випрямляча в режим ведомого мережею інвертора (ВІ). Завдяки цьому, створюються умови рекуперації енергії гальмування до мережі. Однак у даний час частотно-регульовані електроприводи по системі Ц-АД і КВ-АІС-АД застосовуються в основному в діапазоні великих потужностей (сотні-тисячі кВт).

Основною структурою сучасних частотно-регульованих електроприводів є система некерований випрямляч - фільтр - автономний інвертор напруги із ШІМ - асинхронний двигун (НВ-АІН-АД) - рис. 2.115. По такій структурі створюються регульовані електроприводи в діапазоні потужностей до 500 кВт.

 

Рис. 2.115.

 

У функціональній схемі на рис. 2.115 через некерований випрямляч НВ неможливо змінити полярність напруги в ланці постійного струму. Тому, унаслідок незмінного напрямку струму і незмінної полярності напруги, неможлива рекуперація енергії гальмування в мережу без додаткових пристроїв. Для рекуперації енергії паралельно НВ підключається ведомий мережею інвертор ВІ (Рис. 2.116). При гальмуванні активна потужність передається в ланку постійного струму, а потім за допомогою ВІ інвертується в мережу змінного струму. У процесі рекуперації активної енергії ВІ споживає реактивну енергію, що залежить від кута керування тиристорами ВІ, що знижує коефіцієнт потужності електропривода при гальмуванні.

 

 

Рис. 2.116.

 

У багаторушійних електроприводах за цією ж системою АІН-АД, наприклад, в електроприводах центрифуг при виробництві цукру, ведомий мережею інвертор ВІ встановлюється один на загальну ланку постійного струму. Гальмування двигунів може відбуватися в різний час, тому енергія гальмування одного АД йде на виконання роботи іншим двигуном. У результаті загальне споживання енергії ЕП зменшується. По такій же функціональній схемі будується асинхронний тяговий електропривод з частотним керуванням. Відмінність полягає в тому, що мережа змінного струму є однофазною.

Другий спосіб реалізації рекуперативного гальмування в системах АІН-АД складається в застосуванні керованого випрямляча із ШІМ аналогічно інвертору (Рис. 2.117). У цій схемі перший перетворювач КВ формує синусоїдальну криву струму, яку він споживає, а другий – АІН формує квазисинусоїдальну криву напруги для живлення АД. Ця система забезпечує роботу АД в усіх чотирьох квадрантах площини механічних характеристик.

 

 

Рис. 2.117.

 

Рекуперативне гальмування з поверненням енергії гальмування до мережі застосовується у високодинамічних електроприводах (крани – 16 %, ліфти – 11 %, підйомники – 11 %, центрифуги – 11 %). Реалізація такого гальмування вимагає додаткових капітальних витрат, проте при цьому зменшуються річні експлуатаційні витрати. Вибір того чи іншого варіанта гальмування визначається техніко-економічним розрахунком.

2) На підставі літературних джерел відомо, що в загальному випадку рекуперативне гальмування виявляється вигідним при потужності двигуна більшої за 30 кВт. При меншій потужності використовується резистивне (інверторне) гальмування, коли енергія гальмування, яка перевищує втрати енергії в двигуні й інверторі, розсіюється на гальмівному резисторі, що підключається до шини проміжної ланки постійного струму через транзистор (Рис. 2.118). Цей додатковий пристрій називається клампером. За час гальмування t_г кінетична енергія, що звільняється інерційними масами електропривода при зниженні швидкості, розсіюється у вигляді втрат у АД, АІН та гальмівному резисторі R_г

(2.120)

 

де J, w – момент інерції електропривода і кутова швидкість АД;

DР_АД, DР_АІН – втрати потужності в АД та АІН;

I_г – струм у гальмівному резисторі R_г;

М_дин – динамічний момент електропривода.

 

На підставі формули (2.120) можна розрахувати величину R_г для конкретного електропривода. За допомогою керування гальмівним транзистором VT підтримується заданий рівень напруги в ланці постійного струму.

 

 

Рис. 2.118.

 

2.2.1.4. Динамічні властивості асинхронного двигуна

 

Асинхронний двигун є нелінійною ланкою. Для аналізу використовуються складні математичні моделі та ЕОМ. За умови не насичення магнітного кола двигуна та симетричності фаз найчастіше використовуються еквівалентна двофазна модель двигуна у векторному вигляді. Ще більш спрощена модель може бути отримана при лінеаризації робочої ділянки механічної характеристики двигуна прямою. Цьому відповідає робота двигуна при збільшенні та зменшенні навантаження, а також пуск двигуна з фазним ротором при додатковому опорі в колі ротора чи частотний пуск, тобто коли робоча точка не виходить за межі робочої ділянки характеристики. Ця модель не адекватно описує процес прямого пуску та реверсу двигуна з короткозамкненим ротором.

Живлення обмотки статора може здійснюватися від джерела напруги чи струму:

1) При живленні від джерела напруги процес в електромеханічному перетворювачі описується наступним рівнянням

 

, (2.121)

 

де – електромагнітна стала часу;

– модуль жорсткості робочої ділянки механічної характеристики.

 

Для стандартної частоти f₁=50 Гц електромагнітна стала часу лежить в межах Т_е=0,006¸0,06 с. Менші значення відповідають двигунам меншої потужності. Як видно, електромагнітна стала асинхронного двигуна менша за електромагнітну сталу кола якоря двигуна постійного струму, тому електромагнітні процеси в АД протікають швидше. На основі рівняння (2.121) складається передаточна функція електромеханічного перетворювача асинхронного двигуна, яка представляє собою аперіодичну ланку

 

(2.122)

 

Після доповнення моделі (2.122) відомою передаточною функцією механічної частини у вигляді одномасової схеми отримується структурна схема асинхронного двигуна, яка представлена на рис. 2.119.

 

 

 

Рис. 2.119.

 

2) Живлення асинхронного двигуна від джерела струму найчастіше здійснюється від перетворювача частоти з інвертором струму, який формує

струм у фазах двигуна відповідно до сигналу завдання. Згідно до Г-подібної схеми заміщення фази двигуна на холостому ходу весь струм статора І₁ іде на створення струму намагнічування І_m. При збільшенні навантаження починає зростати струм ротора І₂^’, тому струм намагнічування зменшується. Тобто, струм ротора розмагнічує магнітне коло двигуна і магнітний потік змінюється в широких межах в залежності від ковзання. Це суттєво відрізняється від випадку живлення двигуна від джерела напруги, коли магнітний потік залишається практично постійним.

Критичне ковзання при живленні від джерела струму визначається наступною формулою

 

. (2.123)

 

Так як індуктивний опір взаємоіндукції набагато більший за індуктивний опір обмотки статора , то критичне ковзання (2.123) при номінальному струмі статора І_1н менше за критичне ковзання (2.85) при живленні від джерела напруги, тому механічна характеристика в даному випадку жорсткіша за природну. Проте з цієї ж причини критичний момент двигуна

 

(2.124)

 

при номінальному струмі статора І_1н менше критичного моменту на природній характеристиці, як показано на рис. 2.120.

 

 

 

Рис. 2.120.

Із збільшенням струму статора вище номінального та відповідного збільшення струму намагнічування І_m зростає насичення магнітного кола двигуна та зменшується індуктивний опір взаємоіндукції х_m (Рис. 2.121).

 

Рис. 2.121.

 

При глибокому насиченні магнітний потік залишається незмінним та рівним потоку насиченню Ф=Ф_нас, що обумовлює критичний момент двигуна М_к^І_нас>М_к

 

(2.125)

 

та критичне ковзання s_k^I_нас>s_k

 

, (2.126)

 

які більші, чим на природній характеристиці. Таким чином, із збільшенням насичення збільшується критичне ковзання на критичний момент двигуна. Для підтримки заданого магнітного потоку потрібно змінювати струм статора в залежності від ковзання двигуна.

Передаточна функція та структурна схема двигуна при живленні від джерела струму в загальному вигляді співпадають з аналогічними для випадку живлення від джерела напруги (рис. 2.119), проте жорсткість характеристики b та електромагнітна стала часу Т_е мають більші значення при ненасиченому магнітному колі двигуна.

 

2.2.1.5. Керування асинхронним двигуном за мінімумом втрат електроенергії

 

Асинхронний двигун є основним споживачем електроенергії у світі, тому її раціональне використання є важливою задачею. Недоліком асинхронного двигуна є значне споживання реактивного струму навіть при його не завантаженні, так на холостому ходу цей струм може складати 25-50% від номінального. Для зменшення втрат у простішому випадку необхідно змінювати напругу статора в залежності від навантаження, як показано на рис. 2.122.

 

Рис. 2.122.

Для кожної величини статичного моменту існує точка, в якій струм статора є мінімальним. Пунктирна лінія з’єднує точки з мінімальним струмом І_1min при різних статичних моментах. Для керування за мінімумом струму двигун живиться від силового регулятора напруги, сигнал завдання якого формується за сигналами датчика струму та напруги обмотки статора. При частотному керуванні додатково можна впливати, змінюючи частоту напруги живлення. Існує багато способів, які підтримують максимальний ККД, коефіцієнт потужності, мінімальний струм статора тощо у всьому діапазоні керування швидкістю чи в межах зміни навантаження. Найчастіше вказані закони керування реалізуються за допомогою замкнених систем керування.

 

Література: [1, с. 134-153], [2, с. 158-185].

 

СРС: Математичний опис процесів перетворення енергії в асинхронному двигуні.

Література: [1, с. 118-133], [2, с. 151-174].

 

Контрольні запитання:

1. Як здійснюється реверс асинхронного двигуна.

2. Які режими гальмування підтримує асинхронний двигун.

3. Переваги та недоліки кожного режиму гальмування асинхронного двигуна.

4. Як реалізуються режими гальмування в частотно-керованих асинхронних електроприводах.

5. Динамічна модель асинхронного двигуна на основі лінеаризації робочої ділянки механічної характеристики прямою.

ЛЕКЦІЯ 16

 

2.2.2. Електромеханічні властивості синхронного двигуна

 

Статор синхронного двигуна (СД) конструктивно аналогічний статору трифазного асинхронного двигуна. В роторі СД знаходиться обмотка збудження, яка живеться постійним струмом (Рис. 2.123). Потужність системи збудження складає 0,2-2 % потужності двигуна.

 

 

Рис. 2.123.

 

Іноді на валу потужного синхронного двигуна встановлюється невеликий генератор постійного струму, який називається збуджувачем й призначений для живлення обмотки збудження. Майже завжди керування струмом збудження здійснюється за допомогою системи автоматичного керування так, як від його величини залежить коефіцієнт потужності та стійка робота двигуна. Додатково ротор має короткозамкнену обмотку, як в асинхронного двигуна, яка призначена для пуску та забезпечення стійкості двигуна. Ротор може виконуватися з явними чи неявними магнітними полюсами. В першому випадку двигун крім синхронного моменту додатково створює реактивний момент.

Синхронний момент двигуна дорівнює

 

, (2.127)

 

де х_d – індуктивний електричний опір за повздовжньою віссю;

q_ел – електричний кут між векторами напруги та ЕРС.

 

Реактивний момент двигуна визначається формулою

 

, (2.128)

 

де х_q – індуктивний електричний опір за поперечною віссю.

 

Формули (2.127) та (2.128) називаються кутовими характеристиками і є важливими залежностями синхронного двигуна. При збільшенні навантаження двигуна електричний кут між векторами напруги та ЕРС збільшується. При цьому вісь ротора відстає від осі магнітного поля статора на фактичний кут

 

. (2.129)

 

Якщо до двигуна прикладено зовнішній активний момент, то вісь ротора випереджає магнітне поле на кут і двигун переходить в режим синхронного генератора.

Сумарна кутова характеристика синхронного двигуна з явними полюсами, яка визначається синхронним та реактивним моментом, показана на рис. 2.124.

 

 

Рис. 2.124.

 

При проектуванні двигуна номінальний електричний кут, якому відповідає номінальний момент, задається в межах , що забезпечує перевантажувальну здатність двигуна рівну

 

. (2.130)

 

Синхронні двигуни спеціального виконання можуть мати перевантажувальну здатність у межах 3,5-4.

При роботі в усталеному режимі ротор двигуна обертається зі швидкістю магнітного поля

 

, (2.131)

 

тому механічна характеристика СД є абсолютно жорсткою, (Рис. 2.125).

 

 

 

Рис. 2.125.

 

Проте вона має місце, якщо момент двигуна не перевищує максимального М_max, інакше наступає аварійний режим – випадання із синхронізму, який характеризується великими струмами.

Для керування швидкістю синхронного двигуна згідно до (2.131) є практично один спосіб – зміна частоти напруги живлення f₁. Двигун забезпечує двозонне керування швидкості. В першій зоні керування здійснюється при постійному моменті за рахунок пропорційної зміни напруги й частоти відповідно до закону (2.103)

 

.

 

Діапазон керування в середньому складає 50-100. У другій зоні при керуванні з постійною потужністю підвищується тільки частота, а напруга залишається незмінною та номінальною. Максимальна швидкість обмежується при цьому механічною міцністю ротора. Крім вказаного скалярного частотного керування застосовується також векторне керування швидкістю, яке забезпечує кращі показники якості.

Синхронний двигун підтримує всі режими гальмування. Проте найчастіше використовується динамічне гальмування. Для його організації обмотка статора відключається від мережі і замикається на трифазний реостат. Механічні характеристики мають вигляд, як в асинхронного двигуна. Гальмування противмиканням практично не застосовується, бо супроводжується великими стрибками струму при складній схемі керування.

Динамічні властивості двигуна визначаються на основі лінеаризації кутової характеристики на робочій ділянці, де синусоїду можна замінити прямою, проведеною через початок координат та номінальну точку. Момент двигуна визначається на основі відношення з номінальною точкою

 

, (2.132)

 

де – коефіцієнт жорсткості пружного

електромагнітного зв’язку між ротором та статором;

j_с – кут повороту вектора магнітного поля статора;

j – кут повороту ротора.

 

Після диференціювання залежності (2.132) отримується рівняння, яке описує електромеханічне перетворення в синхронному двигуні без врахування додаткової короткозамкненої обмотки ротора

 

. (2.133)

 

На основі цього рівняння будується структурна схема електромеханічного перетворювача синхронного двигуна (Рис. 2.126).

 

 

 

Рис. 2.126.

 

Для врахування додаткової короткозамкненої обмотки ротора рівняння синхронного моменту доповнюється відомим рівнянням моменту асинхронного двигуна на робочій ділянці механічної характеристики

 

, (2.134)

 

яке в операторній формі приймає вигляд

 

. (2.135)

Після доповнення моделі (2.135) відомою передаточною функцією механічної частини у вигляді одномасової схеми отримується структурна схема синхронного двигуна, що представлена на рис. 2.127.

 

Рис. 2.127.

 

Як видно з рис. 2.127, додаткова обмотка виконує функцію демпфера з коефіцієнтом b, який гасить коливання моменту, що обумовлені пружним електромагнітним зв’язком з коефіцієнтом с_ем.

Перевагою синхронного двигуна в порівнянні з асинхронним двигуном є більш високий коефіцієнт корисної дії, можливість рекуперації реактивної енергії, менша залежність від падіння напруги мережі, абсолютно жорсткі механічні характеристики, більша надійність, обумовлена великим повітряним зазором.

Ще однією важливою особливістю синхронного двигуна є можливість фіксації положення ротора без механічного гальма, якщо на обмотку статора подати постійний струм. Крім того, в явнополюсних двигунах можна організувати кроковий рух ротора шляхом послідовного перемикання обмоток фаз статора на постійний струм.

Недолік полягає в наявності пружного електромагнітного зв’язку, що обумовлює коливання моменту, достатньо висока складність системи керування швидкістю, невисокий пусковий момент.

Література: [1, с. 153-158], [2, с. 186-198].

 

СРС: Регулювання моменту синхронного двигуна.

Література: [1, с. 324-330].

 

Контрольні запитання:

1. Переваги та недоліки синхронного двигуна.

2. Що таке кутова характеристика синхронного двигуна.

3. Який вигляд має механічна характеристика синхронного двигуна.

4. Чим визначається синхронний та реактивний момент синхронного двигуна.

5. Які способи керування швидкістю застосовуються для синхронного двигуна.

6. Які режими гальмування застосовуються в електроприводах з синхронним двигуном.

7. Динамічна модель синхронного двигуна на основі лінеаризації кутової характеристики прямою.

 

ЛЕКЦІЯ 17

 

2.3. Електромеханічні властивості інших типів двигунів

 

2.3.1. Дугостаторні та лінійні асинхронні двигуни

 

Якщо статор асинхронного двигуна умовно розрізати в одному місці вздовж осі та розгорнути в задану дугу, то отримується дугостаторний двигун (Рис. 2.128).

 

Рис. 2.128.

 

Він використовується для безпосереднього приводу механізмів із маховиками, повороту платформ тощо (Рис. 2.129).

 

 

 

 

Рис. 2.129.

В якості ротора виступають найчастіше елементи механізму, наприклад, масивний залізний маховик. Можливо також нанесення на його поверхню шару металу з високою провідністю, наприклад, міді чи алюмінію, в якому створюються основні зусилля. Залізо маховика в цьому випадку служить в основному для замикання магнітного потоку полюсів двигуна.

Якщо дугостаторний двигун умовно розгорнути у площину, то виходить індуктор лінійного асинхронного двигуна (ЛАД), який створює зусилля у вторинному елементі (роторі). Вторинним елементом може бути елемент механізму, смуга металу чи спеціально створена структура з електропровідного матеріалу. ЛАД може виконуватися одноіндукторним із пасивним зворотнім магнітопроводом чи без нього, а також двоіндукторним (Рис. 2.130а та б).

 

а) б)

Рис. 2.130.

 

Якщо індуктор плоского ЛАД умовно згорнути в трубку за поперечною віссю, то отримується циліндричний ЛАД (Рис. 2.131). Вторинний елемент виконується у вигляді штоку, а для підвищення енергетичних характеристик двигуна він складається з послідовно розташованих залізних та мідних чи алюмінієвих, латунних шайб. Індуктор циліндричного ЛАД може використовуватися також в якості насосу небезпечних рідких металів у трубопроводах.

 

 

 

Рис. 2.131.

 

Якщо індуктор плоского ЛАД умовно згорнути в тор в активній площині двигуна, то виходить торцевий ЛАД, який застосовується для обертання маховиків, млинів тощо.

Характерною особливістю розглянутих двигунів є залежність синхронної швидкості не від числа пар полюсів, як в обертального асинхронного двигуна, а від величини полюсного ділення t

 

, (2.136)

 

Механічна характеристика – це залежність лінійної швидкості V від зусилля F, має вид як і у асинхронного двигуна, проте з більшим критичним ковзанням та меншим критичним зусиллям, обумовлених більшими електричним опором вторинного елементу та повітряним зазором (Рис. 2.132). Для керування швидкістю та гальмування використовуються ті ж способи, як і для асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором. Перевагою двигунів цього типу є висока надійність, простота конструкції, можливість безпосереднього приводу робочих органів механізмів. Недолік полягає у зменшених енергетичних показниках, обумовлених розімкнутим магнітопроводом та підвищеним повітряним зазором. Розглянуті двигуни серійно не випускаються, а виготовляються під конкретні задачі.

 

 

 

 

 

Рис. 2.132.

 

Крім лінійних асинхронних двигунів існують також лінійні синхронні двигуни, вторинні елементи яких вміщують постійні магніти.

 

2.3.2. Вентильний двигун

 

Основним недоліком двигунів постійного струму при таких важливих перевагах, як висока здатність керування, високий пусковий момент, прямолінійність механічних характеристик, є наявність колектора, який виконує функцію механічного комутатора струму якоря. З розвитком силової напівпровідникової техніки з’явилася можливість замінити колектор на електронний комутатор на основі транзисторів. Так як у звичайних двигунів колектор обертається, то для реалізації електронного комутатора двигун виготовляється у інверсному варіанті, тобто з обмоткою якоря на нерухомому статорі та системою збудження на роторі. Збудження двигунів потужністю приблизно до 30 кВт виконується за допомогою постійних магнітів. Найменша кількість секцій обмотки якоря, що забезпечує стійку роботу двигуна, дорівнювати трьом, тому схема вентильного двигуна може реалізуватися на основі серійних синхронних двигунів. Для визначення моменту часу перемикання секцій обмотки якоря обов’язково потрібно мати датчик положення ротора. У звичайних двигунів постійного струму перемикання проходить автоматично шляхом переходу електричних щіток на наступні пластини колектора при повороті ротора. Таким чином, вентильний двигун – це система, яка складається з електронного силового комутатора, датчика положення ротора (ДПР) та безколекторного двигуна постійного струму чи синхронного двигуна. Для вмикання трьох секцій обмотки якоря без нульової точки комутатор повинен мати шість електронних ключів (Рис. 2.133). В кожен момент часу увімкнуто три ключі в залежності від положення ротора, які забезпечують протікання струмів у секціях обмотки якоря відповідно до рис. 2.133 (увімкнуті ключі заштриховано). Перемикання ключів відбувається при повороті ротора на кут

 

, (2.137)