0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как работает линейный двигатель

Электропривод с линейными двигателями

Подавляющее большинство электродвигателей является электродвигателями вращательного движения. В то же время многие рабочие органы производственных машин должны по технологии своей работы осуществлять поступательное (например, конвейеры, транспортеры и др.) или возвратно-поступательное движение (механизмы подачи станков, манипуляторы, поршневые и другие машины).

Преобразование вращательного движения в поступательное осуществляется посредством специальных кинематических звеньев: винт-гайка, шарико-винтовая передача, шестерня-зубчатая рейка, кривошипно-шатунная передача и другие.

Естественным для конструкторов рабочих машин является желание использовать для привода рабочих органов, совершающих поступательное и возвратно-поступательное движение, двигателей, ротор которых движется линейно.

В настоящее время получают развитие электроприводы, использующие линейные асинхронные, вентильные и шаговые двигатели. Принципиально линейный двигатель любого типа может быть образован из двигателя вращательного движения путем линейной развертки цилиндрического статора в плоскость.

Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если развернуть статор асинхронного двигателя в плоскость. При этом вектор намагничивающих сил статора будет линейно перемещаться вдоль развертки статора, т.е. при этом образуется не вращающееся (как в обычных двигателях), а бегущее электромагнитное поле статора.

В качестве вторичного элемента может использоваться ферромагнитная полоса, располагаемая с небольшим воздушным зазором вдоль развертки статора. Эта полоса играет роль короткозамкнутого ротора. Вторичный элемент увлекается движущимся полем статора и линейно перемещается со скоростью, меньшей скорости движения поля статора на величину линейного абсолютного скольжения.

Линейная скорость бегущего электромагнитного поля будет

где τ, м — полюсное деление — расстояние между соседними полюсами линейного асинхронного двигателя.

Скорость вторичного элемента

где sЛ — относительное линейное скольжение.

При питании двигателя напряжением стандартной частоты получаемые скорости поля будут достаточно велики (более 3 м/с), что затрудняет использование этих двигателей для привода промышленных механизмов. Такие двигатели применяются для высокоскоростных транспортных механизмов. Для получения более низких скоростей движения и регулирования скорости линейного асинхронного двигателя его обмотки питают от преобразователя частоты.

Рис. 1. Конструкция линейного однокоординатного двигателя.

Применяются несколько вариантов конструкций линейного асинхронного двигателя. Одна из них показана на рис. 1. Здесь вторичный элемент (2) — полоса, соединенный с рабочим органом, перемещается по направляющим 1 под действием бегущего электромагнитного поля, создаваемого статором 3. Такая конструкция удобна для компоновки с рабочей машинной, однако, она сопряжена со значительными потоками рассеяния поля статора, вследствие чего cosφ двигателя будет низким.

Рис.2. Линейный двигатель цилиндрической конструкции

Для увеличения электромагнитной связи между статором и вторичным элементом, последний размещают в прорезь между двумя статорами, либо конструкция двигателя выполняется в виде цилиндра (см. рис. 2). В этом случае статор двигателя представляет собой трубку (1), внутри которой расположены цилиндрические наборные катушки (2), являющиеся обмоткой статора. Между катушками размещены ферромагнитные шайбы 3, являющиеся частью магнитопровода. Вторичный элемент — шток трубчатой формы также выполнен из ферромагнитного материала.

Линейные асинхронные двигатели могут также иметь обращенную конструкцию, когда вторичный элемент неподвижен, а перемещается статор. Такие двигатели обычно применяются на транспортных средствах. В этом случае в качестве вторичного элемента используется рельс или специальная полоса, а статор размещается на подвижной тележке.

Недостатком линейных асинхронных двигателей является низкий к.п.д и связанные с этим потери энергии, прежде всего, во вторичном элементе (потери скольжения).

В последнее время кроме асинхронных начали применяться синхронные (вентильные) двигатели. Конструкция линейного двигателя такого типа аналогична представленной на рис. 1. Статор двигателя развернут в плоскость, а на вторичном элементе размещаются постоянные магниты. Возможен вариант обращенной конструкции, когда статор является подвижной частью, а вторичный элемент с постоянными магнитами неподвижен. Переключение обмоток статора производится в зависимости от относительного положения магнитов. С этой целью в конструкции предусмотрен датчик положения (4 — на рис. 1).

Для позиционных приводов эффективно применяются также линейные шаговые двигатели. Если развернуть в плоскость статор шагового двигателя, а вторичный элемент выполнить в виде пластины, на которой путем фрезерования канавок образованы зубцы, то при соответствующем переключении обмоток статора вторичный элемент будет совершать дискретное движение, шаг которого может быть весьма малым — до долей миллиметра. Часто применяется обращенная конструкция, в которой вторичный элемент неподвижен.

Скорость линейного шагового двигателя определяется величиной зубцового деления τ, числом фаз m и частотой переключения

Получение высоких скоростей движения не вызывает трудностей, поскольку увеличение зубцового деления и частоты не лимитируется технологическими факторами. Ограничения существуют для минимального значения τ, т.к. отношение зубцового деления к величине зазора между статором и вторичным элементом должно быть не меньше 10.

Использование дискретного привода позволяет не только упростить конструкцию механизмов, совершающих линейное однокоординатное движение, но и дает возможность с помощью одного привода получить двух или многокоординатное движение. Если на статоре подвижной части расположить ортогонально две системы обмоток, а во вторичном элементе выполнить канавки в двух перпендикулярных направлениях, то подвижный элемент будет совершать дискретное движение в двух координатах, т.е. обеспечивать перемещение на плоскости.

В этом случае возникает задача создания опоры для подвижного элемента. Для ее решения может использоваться воздушная подушка — напор воздуха, подаваемого в пространстве под подвижным элементам. Линейные шаговые двигатели развивают относительно низкое тяговое усилие и имеют низкий к.п.д. Основной областью их применения являются легкие манипуляторы, легкие сборочные станки, измерительные машины, станки для лазерной резки и другие устройства.

Линейные двигатели нового поколения

Приводы подач всех современных металлообрабатывающих станков с ЧПУ, в том числе и электроэрозионных (ЭЭ) строятся по традиционной схеме. Так, в одном из типажей ЭЭ станков перемещения рабочего органа РО (каретки подач) осуществляется от двигателя постоянного тока через ременную передачу на ходовой винт. Через шариковую гайку (она скреплена с РО пружинами механизма защиты от соударений) вращение винта трансформируется в продольное перемещение РО.

Ременный привод станков

Более надежные и современные приводы выполнены без ременной передачи. В этих приводах высокомоментный двигатель переменного тока непосредственно соединен с ходовым винтом.

Непосредственный привод

Недостатки указанных видов приводов достаточно известны и очевидны:

  • большое количество промежуточных элементов от источника энергии до РО;
  • громадная инерционность этих элементов, особенно в крупногабаритных станках;
  • наличие зазоров в передающих устройствах;
  • >трение во множестве сопрягаемых деталей (резко изменяющееся при переходе системы из состояния покоя в состояние движения);
  • температурные и упругие деформации практически всех передающих звеньев;
  • износ сопрягаемых элементов в процессе эксплуатации и потеря исходной точности;
  • погрешности в шаге ходового винта и накопленная погрешность по длине.

Поскольку эти недостатки определяют основные качественные характеристики приводов (точность и равномерность хода РО, величину мертвого хода при реверсе, допустимые ускорения и скорости РО), конструкторская мысль станкостроителей давно пытается как-то уменьшить их влияние на работу приводов и оборудования в целом. Например, в соединении ходового винта с гайкой для уменьшения трения уже давно используют дорогое и сложное шариковинтовое соединение; для ликвидации зазоров в соединение винта с гайкой вводятся специальные устройства натяга соединения; ходовые винты особо точных станков изготавливают по классу эталонных; погрешности шага винтов пытаются скомпенсировать системами компенсаторов; в борьбе с температурными деформациями создаются изощрённые системы охлаждения и т.д. Проблемы, проблемы, проблемы. И уже давно ясно, что проблемы приводов с ходовыми винтами не решить никогда из-за их физико-технической сущности и построенного типа, как такового.

Архаичность рассмотренных приводов давно очевидна и передовая конструкторская мысль уже много лет работала над задачей кардинальной замены типовых приводов в металлообрабатывающем оборудовании на какие-то другие, более совершенные. Как говорят, гениальное — просто. И таким гениальным решением было использовать в качестве приводов подач станков линейные двигатели.

Электромагнитная система

Принцип линейного двигателя (ЛД) не нов и, в общем, известен даже школьнику, поскольку прототипом ЛД является простейшая электромагнитная система. Такая система состоит из металлического сердечника-магнита и статорной обмотки. При подаче тока определенной полярности в обмотку сердечник сместится в ту или иную сторону, причем практически мгновенно. Изменение полярности сигнала на обмотку приведет к обратному ходу сердечника. Как видим, от источника энергии к РО нет никаких промежуточных элементов, передача энергии осуществляется через воздушный зазор, ничего не надо вращать, сразу возможно осуществление главной задачи — продольного движения РО. Гениальность решения, естественно, сразу была оценена по достоинству. На рассмотренном принципе уже десятилетия работают все элементы электроавтоматики, системы электротормозов, системы защиты, специальное оборудование ударного типа и т.д. Громадный опыт использования электромагнитных систем четко выявил их потрясающие достоинства: удивительная простота конструкции и применения, почти мгновенная остановка, мгновенный реверс, сверх быстрота срабатывания, большие усилия, простота настройки. Но не было только одного — возможности регулировать скорость РО в электромагнитной системе и обеспечивать тем самым регулируемое поступательное движение РО (сердечника). А без этой возможности применить электромагнитный привод (несмотря на его гениальность), как движитель в оборудовании, было невозможно.

Линейный электродвигатель

Потребовались многие годы работы ученых и конструкторов в разных странах, прежде чем был достигнут успех. Особенно интенсивно велись работы в Японии, где электромагнитный привод (уже как линейный привод) был впервые успешно использован как движитель для сверхскоростных поездов. Там же были попытки создания линейных приводов для металлообрабатывающих станков, но они имели существенные недостатки: создавали сильные магнитные поля, грелись, а главное не обеспечивали равномерности в движении РО. Лишь на пороге нового тысячелетия начался серийный выпуск станков (пока в основном электроискровых (электроэрозионных)) с принципиально новыми линейными двигателями, в которых решены все проблемы по обеспечению равномерным движением РО станков со сверхвысокой точностью, с большим диапазоном регулирования скорости, с громадными ускорениями, мгновенным реверсом, с простотой обслуживания и наладки и др.

В принципе, конструкция ЛД изменилась не сильно. Собственно двигатель состоит всего из 2 (!) элементов: электромагнитного статора и плоского ротора, между которыми лишь воздушный зазор. Третий обязательный элемент – оптическая или другая измерительная линейка с высокой дискретностью (0,1 мкм). Без нее система управления станка не может определить текущие координаты. И статор, и ротор выполнены в виде плоских, легко снимаемых блоков: статор крепится к станине или колонне станка, ротор — к рабочему органу (РО). Ротор элементарно прост: он состоит из ряда прямоугольных сильных (редкоземельных) постоянных магнитов. Закреплены магниты на тонкой плите из специальной высокопрочной керамики, коэффициент температурного расширения которой в два раза меньше чем у гранита. Использование керамики совместно с эффективной системой охлаждения решило многие проблемы линейных приводов, связанные с температурными факторами, с наличием сильных магнитных полей, с жесткостью конструкции и т.п.

Точная и равномерная подача РО во всем диапазоне скоростей и нагрузок обеспечивается двумя техническими решениями:

  • крепление постоянных магнитов под определенным фиксированным углом, который был открыт в ходе длительных экспериментов;
  • реализация высокоэффективной 6-ти фазной импульсной системы управления (система SMC).

Компания «СОДИК» организовала на своих заводах серийный выпуск широкой гаммы ЛД с характеристиками: с ходом подач от 100 до 2220 мм, с максимальной скоростью перемещения РО до 180 м/мин с ускорениями до 20G (. ) при точности исполнения заданных перемещений (в нормальном режиме работ) равной 0,0001мм (0,1 мкм). Нагрев этих ЛД при работе не превышает + 2° С от температуры помещения. Обеспечивается практически мгновенная остановка РО, реверс, моментальная реакция привода на команды системы ЧПУ и т.д. На один и тот же рабочий орган монтируется (например, для увеличения мощности) несколько линейных двигателей. Так, в частности, устроен привод оси Z всех ЭЭ прошивочных станков «СОДИК».

Как указывалось, и статор, и ротор ЛД предельно просты. Статор исполнен в виде прямоугольного блока и крепится несколькими болтами к несущей конструкции станка. В приводе оси Z — два статора. Они размещены по обе стороны вертикального ползуна. К каждому статору крепятся два патрубка системы охлаждения статора и кабели подвода энергии и управления. Пластина ротора жестко крепится болтами к подвижной каретке (РО ). Так как в приводе оси Z два ЛД, то на каретке крепятся, соответственно, два ротора , каждый напротив своего статора. Система специальных направляющих и пневмопротивовес обеспечивают исключительную легкость хода каретки, практически без усилий. Приводы по осям X, Y прошивочных станков и в приводах X, Y, U, V проволочно-вырезных станков проще — в них всего по одному ЛД.

Особенно следует отметить простоту обслуживания ЛД, простоту периодической чистки (при необходимости), профилактики и ремонта. Так, чтобы заменить ротор ЛД, достаточно открутить несколько болтов, крепящих ротор к РО. Для замены статора помимо болтов нужно лишь снять две трубки системы охлаждения статора и отсоединить кабель. Сравните эти действия, например, с комплексом работ по снятию шаровой гайки или замене подшипника ходового винта.

Эффективность применения новых приводов сразу же нашло убедительное подтверждение. Новая серия ЭЭ станков с ЛД имеет резко повышенные технико-технологические и эксплуатационные характеристики по сравнению с аналогичными станками, имеющими традиционные приводы. Так, производительность ЭЭ прошивных станков с ЛД выше, чем у станков с обычными приводами как минимум в 2 раза, а ЭЭ проволочно-вырезных – на 50%. Повысилась точность станков, расширились диапазоны параметров обрабатываемых деталей и т.д. Для объяснения этого необходимо рассматривать определенные тонкости ЭЭ технологий и работы ЭЭ оборудования, а это уже тема другая.

Нижеследующая таблица позволяет зрительно сопоставить рассматриваемые привода.

Линейные двигатели

Применение линейных двигателей имеет следующие преи­мущества перед схемами с серводвигателями: точность позиционирования; возможны сверхмалые подачи (микроны); высокая скорость (свыше 3 м/с); высокое ускорение (80 м/с 2 ); отсутствие мертвого хода; низкий уровень шума даже при максимальной скорости; возможность реализации малых рабочих ходов; отсутствуют упругие деформации элементов привода (зубчатый ремень, винт ШВП); длительный срок службы и надежность. К недостаткам следует отнести: высокие требования к точности изготовления элементов машины; наличие системы охлаждения; высокая стоимость.
В состав типовой сервосистемы на основе линейного двигателя (рис. 1) входят: линейный двигатель, состоящий из первичной и вторичной секций; блок управления (на рисунке не показан); рабо­чий стол; направляющие качения; датчик об­ратной связи; кабелеукладочная цепь; ограничитель хода; буфер.

Для контроля скорости, положения системы и коммутации двигателя используется датчик линейных перемещений. Этот узел преобразует измеряемое перемещение в последовательность электрических сигналов, содержащих информа­цию о величине и направлении этих перемещений. Преобра­зователь состоит из измерительной головки и линейки, при этом между ними отсутствует механический контакт. Как правило, это оптоэлектрические датчики, но также могут ис­пользоваться магнитные и индукционные системы.
Линейный двигатель, как и вращающийся, состоит из двух частей: первичной и вторичной секций. Первичная сек­ция соответствует статору вращающегося двигателя. Она включает в себя шихтованный магнитопровод с трехфазной обмоткой и температурный датчик. Вторичная секция пред­ставляет собой ротор, состоящий из стального несущего каркаса с прикрепленными к нему постоянными магнитами. Первичная и вторичная секции заключены в оболочки.
Условно говоря, линейный двигатель (рис.2) представляет собой вращающийся двигатель, который разрезан и «развернут» в плоское состояние. Соответственно, принципы работы остаются неизменными. Однако, в линейном двигателе движение совершает первичная секция (обмотка) при непод­вижной вторичной секции (роторе).

Движущее магнитное поле генерируется обмоткой первичной секции. Поля вторичной секции и результирующее магнитное поле первичной секции создают движение в соответствующем направлении посредством создания тягового усилия. Положение результирующего вектора определяется фазами токов инвертора, а амплитуда вектора, и, следовательно, развиваемое мотором усилие, задается амплитудами фазных токов.
Для нормальной работы линейного двигателя необходимо точно выдержать воздушный зазор между первичной и вторичной секциями. При увеличении зазора уменьшается нагрузочная способность двигателя. В связи с этим повышаются требования к точности исполнения монтажных поверхностей. На величину и точность воздушного зазора влияют направляющие прямолинейного движения и рабочий стол.
Как и серводвигатель, линейный двигатель управляется блоком управления. Модель блока управления определяется выбранным типом линейного двигателя.
На одной оси могут быть установлены две первичных секции, работающие параллельно от одного блока управления. Эти секции должны быть одного типоразмера с одинаковым типом обмотки. При этом расстояние между первичными секциями определяется требуемыми позициями электрических фаз. Допустимые компоновки секций и расстояния между ними приводятся в документации на двигатель.
Критическим местом для линейных двигателей является температурный режим. Производители предлагают линейные двигатели с воздушным и водяным (масляным) охлаждением. Это может быть один и тот же двигатель, работающий в разных режимах.
Конвекционное охлаждение значительно упрощает конструкцию машины, однако, при этом существенно снижается номинальное тяговое усилие (≈ в 2 раза). Максимальное усилие двигателя остается прежним. На рис. 3 представлена простейшая схема водяного охлаждения. Естественно, наличие охлаждения делает конструкцию всей машины в целом сложнее.

Стремясь улучшить охлаждение двигателя, производители вводят в его конструкцию дополнительные охлаждающие элементы. На рис. 4 (а) приведена конструкция первичной секции двигателя фирмы Sew-Eurodrive с воздушным охлаждением, в которой применен вентилятор. На рис. 4 (б) представлен линейный двигатель фирмы Siemens с дополнительным водяным радиатором направленного охлаждения первичной и контуром охлаждения вторичной секций.

Для предотвращения перегрева линейный двигатель оснащается датчиком температуры. Датчик отключает двигатель при температуре обмотки ≈ 120ºС.
К основным характеристикам линейного двигателя относят: номинальное тяговое усилие FN, H; максимальное тяговое усилие Fmax, H; максимальная скорость Vmax, м/с; сила магнитного притяжения первичной секции – длина L, мм и ширина B, мм. На рис.5 представлена типовая зависимость тягового усилия от линейной скорости. Номинальное усилие FN, задающее область работы с постоянной нагрузкой, определяется температурным режимом. С максимальным усилием двигатель может работать ограниченное время и не во всем диапазоне скоростей.

В таблице 1 приведены данные о характеристиках линейных двигателей от различных производителей. Номинальное тяговое усилие приводится при воздушном и водяном охлаждения (разделены знаком «/»). Естественно, все модели не могут быть представлены в одной таблице. Полные каталоги предоставляются производителями или их дилерами.

Таблица 1. Характеристики линейных двигателей

Как работает линейный двигатель

Каталог статей Принципы действия устройств Электрические машины

  • Currently 2.86/5

Рейтинг 2.9/5 (78 голосов)

Линейный двигатель является электрической машиной, принцип работы которой основан на использовании энергии бегущего магнитного поля. Основное преимущество таких двигателей состоит в отсутствии кинематических цепей для преобразования вращательного движения в линейное, что существенно упрощает конструкцию приводимого в движение механизма и повышает его КПД. Существует большое разнообразие линейных двигателей. В настоящее время больший интерес проявляется к асинхронным линейным двигателям как относительно простым по конструкции.

Эти двигатели можно представить как разрезанную по образующей и развернутую в плоскость обычную асинхронную машину вращательного движения. Развернутый в плоскость статор асинхронного двигателя является первичным элементом, а развернутый ротор вторичным элементом линейного двигателя (рис. 1).

Стальной сердечник первичного элемента выполняется шихтованным, а в его пазах укладывается многофазная (обычно трехфазная) обмотка. Вторичный элемент выполняется с короткозамкнутой обмоткой, уложенной в пазы стального сердечника, или представляет собой сплошную токопроводящую пластину. Пластина изготовляется из меди, алюминия или ферромагнитной стали. При включении обмотки первичного элемента в многофазную сеть образуется магнитное поле, которое перемещается вдоль магнитопровода со скоростью

где τ — полюсное деление;

f1 — частота питающего напряжения.

При своем перемещении магнитное поле индуктирует во вторичном элементе машины ЭДС. Эта ЭДС вызывает токи, от взаимодействия которых с магнитным полем образуется механическая сила (тяговое усилие), стремящаяся сдвинуть элементы относительно друг друга.

В линейном двигателе в зависимости от его конструкции и назначения возможно относительное перемещение как первичного, так и вторичного элемента. Как и в обычном асинхронном двигателе, перемещение элемента происходит с некоторым скольжением относительно поля

S = (v1 v) / v1

где v — скорость движения элемента.

Номинальное скольжение линейного двигателя равно 2-6%.

На работу линейного двигателя оказывают существенное влияние краевые эффекты, возникающие из-за конечных размеров разомкнутых магнитопроводов элементов. Это приводит к ухудшению таких характеристик, как тяговое усилие, коэффициент мощности и КПД.

Линейные двигатели могут быть успешно применены на ленточных и тележечных конвейерах, в приводах эскалаторов и движущихся тротуаров, в металлорежущих и ткацких станках, где рабочие органы совершают возвратно-поступательное движение. Большие перспективы имеет применение линейных двигателей для транспорта. Основным преимуществом линейного двигателя в этом случае является

возможность получения высоких скоростей движения до 400-500 км/ч.

Линейные асинхронные двигатели

Линейные асинхронные двигатели отличаются от обычных двигателей тем, что имеют разомкнутый магнитопровод и обес­печивают поступательное движение рабочего механизма.

Устройство линейного асинхронного двигателя показано на рис. 3.41.

Рис. 3.41. Устройство линейного асинхронного двигателя

Магнитопровод статора / линейного двигателя имеет фор­му параллелепипеда, в пазах которого размещается разно-именнополюсная трехфазная первичная обмотка 2 размещается в линейном двигателе в пазах на одной из граней парал­лелепипеда. Подвижная часть в линейном двигателе называет­ся бегуном и перемещается поступательно. В пазах магнито-провода бегуна на стороне, обращенной к статору, размещается короткозамкнутая обмотка 3. Подвижная часть в линейном двигателе может быть выполнена массивной из магнитного материала, причем в этом случае отпадает необходимость в короткозамкнутой обмотке.

Конструкции линейных двигателей могут быть весьма раз­нообразными. Для избежания магнитных тяжений ротор ли­нейного двигателя может располагаться между двумя стато­рами. В обращенной конструкции двигателя ротор (бегун) неподвижен, а статор с трехфазной обмоткой перемещается вдоль бегуна, как это показано на рис. 3.41.

Рабочие свойства линейного двигателя в зависимости от исполнения подвижной части аналогичны свойствам двигателя с короткозамкнутым либо с массивным ротором. Однако КПД и коэффициент мощности линейных двигателей хуже, чем у обычных асинхронных двигателей. Объясняется это тем, что в этих двигателях возникают краевые эффекты. Их суть за­ключается в следующем. Если в обычной машине в воздушном зазоре образуются бегущие волны, которые укладываются по окружности статора целое число раз, то в линейной бегущая волна, отражаясь от краев магнитопроводов, порождает спектр волн магнитного поля, отраженных от обоих краев. Это при­водит к снижению энергетических показателей машины и ог­раничивает сферу применения линейных двигателей.

Скольжение линейных двигателей определяется как отно­шение линейной скорости скольжения v1-v к синхронной линейной скорости бегущего поля v1 = 2τf1:

В номинальном режиме линейная скорость перемещения подвижной части v близка к синхронной, поэтому скольжение также мало, как в обычных асинхронных машинах.

Линейные асинхронные машины используют для получения возвратно-поступательного движения за счет периодического изменения чередования фаз обмотки статора, например, в металлообрабатывающих станках, в технологических линиях для отбраковки или сортировки деталей. Наибольший интерес представляет использование линейных двигателей в электри­ческой тяге, в особенности для высокоскоростного транспорта. Магнитопровод статора вместе с многофазной обмоткой укрепляют на экипаже и посредством скользящего контакта при­соединяют к сети переменного тока. Поле статора, взаимодей­ствует с массивным ферромагнитным телом — монорельсом и стремится увлечь его за собой. Поскольку монорельс непод­вижно закреплен, то приходит в движение со скоростью v статор вместе с локомотивом.

Важным направлением использования линейных двигате­лей является использование их для ускорения и замедления больших масс движущихся тел в спецтехнике.

Асинхронный генератор

Асинхронный генератор — это асинхронная машина, ра­ботающая в режиме генератора с возбуждением от сети или с самовозбуждением. В первом случае говорят о параллель­ной работе машины с сетью, во втором случае — об автоном­ном режиме и соответственно, об автономном асинхронном генераторе. Выше было показано, что если ротор асинхрон­ной машины вращать с частотой, превышающей синхронную частоту вращения, то скольжение машины становится отрица­тельным, машина переходит в режим генератора. При этом она преобразует механическую мощность, получаемую со стороны вала в активную, которую отдает в сеть, а из сети, как и в двигательном режиме, получает реактивную мощность, необхо­димую для намагничивания машины.

В настоящее время асинхронные генераторы все более широко применяются в качестве генерирующих устройств в так называемых альтернативных источниках электроэнергии: ветроэлектрических станциях и микроГЭС. Кроме того, асин­хронные генераторы в силу своей высокой надежности могут применяться как бортовые источники переменного тока в мо­бильных объектах, прежде всего в летательных аппаратах. К генератору могут быть присоединены как потребители трех­фазного тока, так и потребители постоянного тока, питаемые обычно через трехфазный мостовой выпрямитель. Асинхрон­ные генераторы имеют хорошие пусковые характеристики при работе в двигательном режиме и могут использоваться в каче­стве стартера для запуска авиадвигателя с переходом затем в генераторный режим. Асинхронные генераторы с самовоз­буждением могут быть использованы в регулируемом электро­приводе переменного тока.

В системах автоматического управления, например, в следя­щем электроприводе, в вычислительных устройствах применяются асинхронные тахогенераторы с полым или с короткозамкнутым ротором для преобразования угловой скорости в электрический сигнал.

Асинхронные генераторы отличаются высокой надежностью и простотой обслуживания в эксплуатации, они легко включа­ются на параллельную работу даже при сравнительно боль­ших рассогласованиях угловых скоростей. Форма кривой на­пряжения асинхронного генератора ближе к синусоидальной, чем у синхронных генераторов при работе на одну и ту же нагрузку. Однако, несмотря на отмеченные достоинства асин­хронного генератора, применение их ограничивается тем, что они являются генераторами только активной мощности и по­требителями реактивной. Следовательно, асинхронные генера­торы способны работать лишь в системе, где имеется источник реактивной мощности.

Питание асинхронного генератора реактивной мощностью возможно со стороны статора или со стороны ротора. В по­следнем случае вследствие малой частоты скольжения необ­ходимая емкость возрастает в k 2 раз, где k — коэффициент трансформации машины.

Асинхронные генераторы могут выполняться с самовоз­буждением или с независимым возбуждением.

Генераторы с самовозбуждением или с конденсаторным возбуждением характеризуются тем, что реактивная мощность генерируется конденсаторами, включенными параллельно об­мотке статора и соединенными в «треугольник» или «звезду». С целью улучшения эксплуатационных свойств асинхронного генератора дополнительно устанавливаются конденсаторы, включенные последовательно с нагрузкой.

У асинхронного генератора с независимым возбуждением реактивная мощность компенсируется за счет синхронных ма­шин, включенных в общую сеть. В некоторых случаях исполь­зуют тиристорные источники реактивной мощности, которые преобразуют постоянное напряжение источника (например аккумулятора) в трехфазное переменное напряжение с опере­жающим током.

Асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением можно наиболее эффективно применять в системах с импульс­ным характером нагрузки, когда конденсаторы выполняют роль не только источников намагничивающей мощности, но и накопи­телей электрической энергии. В этом случае устраняется не­обходимость в синхронном компенсаторе или специальной батарее конденсаторов.

Асинхронные генераторы независимого возбуждения, ра­ботающие на автономную сеть, применяются преимуществен­но в установках специального назначения. При этом источни­ком реактивной мощности является либо синхронная машина, работающая в режиме синхронного компенсатора; либо ба­тарея конденсаторов. В обоих случаях источники реактивной мощности (синхронный компенсатор или конденсатор) долж­ны снабжать реактивной мощностью сеть и асинхронный гене­ратор.

Полная мощность асинхронного генератора SГ выражает­ся через активную мощность РГ и коэффициент мощности генератора :

.(3.56)

Потребляемая реактивная мощность генератора:

.

Реактивная мощность, поступающая в нагрузку:

где φН — угол сдвига фаз между напряжением и потоком в нагрузке.

Тогда реактивная мощность конденсаторов (синхронных компенсаторов) определяется как сумма реактивных мощностей генератора и нагрузки (сети):

. (3.57)

Если мощность генератора равна номинальной: РГ = РННОМ, то мощность конденсатора (компенсирующего устройства) равна

.(3.58)

Емкость конденсаторов, применяемых как источник реак­тивной мощности генератора и сети, определяется с учетом из выражения

откуда можно определить емкость конденсатора:

; (3.59)

Из выражения (3.59) следует, что при изменении нагрузки необходимо обеспечить регулирование емкости, применяя, например, конденсаторы переменной емкости (вариконды) или иным методом.

Масса и размеры конденсаторной батареи даже при ис­пользовании современных конденсаторов могут превосходить массу асинхронного генератора.

Схема замещения асинхронного генератора с самовозбуждением при помощи конденсаторов и с нагруз­кой ZH изображена на рис. 3.42,а. Она отличается от схемы замещения двигателя тем, что в первичную цепь машины включено емкостное сопро­тивление конденсаторной батареи ХС, и, кроме того, заменено направление потока энергии из машины в сеть.

Читать еще:  Как работает ручной пожарный извещатель
Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector