Синхронды қозғалтқыш негізіндегі электр жетегі

Синхронды қ озғ алтқ ыштар осыдан біраз уақ ытқ а дейін салыстырмалы тү рде сирек – бастысы, жылдамдық реттеуді талап етпейтін қ уатты қ ондырғ ыларда қ олданылды. Соң ғ ы жылдары жағ дай кү рт ө згерді: қ азіргі заманғ ы материалдар (тұ рақ ты магниттер), басқ ару қ ұ ралдары (салыстырмалы ү лкен токтар мен кернеулерге арналғ ан кілттер) есебінен синхронды қ озғ алтқ ыштары бар электр жетегінің тү рі ө згеріп, бірқ атар техникалық салаларда – станок тұ рғ ызу, робот техникасы, икемді ө ндірістік жү йелерде орын алды.

Машина элементтерінің бірі (статоры) қ озғ аушы магнит ө рісін тудыру ү шін қ олданылады жә не бұ л мағ ынада асинхронды машинаның сә йкес элементіне ө те ұ қ сас; басқ а элементі (роторы) тұ рақ ты кернеу кө зінен сақ иналары мен щеткалары арқ ылы қ оректенетін айқ ындалғ ан немесе айқ ындалмағ ан полюсті электр магниті, немесе тұ рақ ты магниттердің конструкциясы тү рінде орындалғ ан. Қ озғ алмалы элементі магнит ө рісімен айналады, онымен синхронды қ озғ алады.

Айқ ындалмағ ан полюсті (р_n=1) синхронды машинаның статорының фазасына, егер ораманың активті кедергісін есптемегенде, 3.1а суретіне сә йкес қ арапайым орын басу сұ лбасын қ ұ руғ а болады: қ оректендіру кө зінің э.қ.к – сі (синусоидалы кернеу U) айналып тұ ратын магнитпен – ротормен қ озғ алмайтын орамада пайда болатын э.қ.к – мен Е тең еледі жә не реактивті кедергімен Х бірге токты I анық тайды. Кө рсетілген процестерді сипаттайтын векторлық диаграмма 3.1б суретінде кө рсетілген.

Синхронды машина ү шін U жә не Е, немесе сол сияқ ты статор мен ротор остері арасындағ ы q бұ рышы ө те маң ызды. Бұ л бұ рыш «магниттік серіппенің» созылу дә режесін сипаттайды. Электрлік жә не механикалық шамалар арасындағ ы негізгі арақ атынастарды келесі формуланы:

(3.1)

жә не 3.1б суретіндегі векторлық диаграмманы қ олдана отырып табамыз:

Кө мекші АВС ү шбұ рышынан анық таймыз:

яғ ни:

жә не соң ында табамыз:

(3.2)

3.1 суретте синхронды машинаның қ арапайым орын басу сұ лбасы, векторлық диаграммасы жә не сипаттамалары келтірілген.

3.1-сурет

Сонымен, синхронды машинаның электр магниттік иін кү ші q бұ рышына тә уелді, q бұ рышының аз мә ндері ү шін:

(3.3)

Кернеуі мен жиілігі тұ рақ ты кезінде максималды иін кү ші М_тах э.қ.к – ге Е пропорционал, яғ ни сызық тық шамамен машинаның қ оздыру тогына пропорционал; қ алыпты машиналар ү шін М_тах /М_н=2¸ 2, 5. Егер машинаның айқ ындалғ ан полюсті роторы бар болса, онда (3.1.2) формуласы бойынша анық талғ ан (3.1в суреті) иін кү шке тағ ы бірі - sin2q мә ніне (3.1в суретіндегі ү зік сызық) пропорционал реактивті қ ұ раушысы қ осылады. Синхронды машинасы иін кү шінің сипаттамасының жалпы тү рі 3.1в суретінде (ү зік нү ктелі сызық), механикалық сипаттамасы 3.1г суретінде кө рсетілген.

Синхронды машинаның V – тү ріндегі қ исық тар (3.1д суреті) деп аталатын статор тогының I қ оздыру тогына I_{қ оз} тә уелділігі бар. Олардың табиғ аты қ оздыру тогы ө згерген кезде статор тогының реактивті қ ұ раушысының жә не оның таң басының ө згеруімен тү сіндіріледі.

Синхронды машинаның реактивті қ уатын жә не оның таң басын ө згерту қ асиеті энергетикалық тү рде ө те қ ызық ты болады: ол M_c = 0 кезінде жақ сы басқ арылатын арнайы реактивті қ уаттың конденсаторы болып жә не таң дау кезінде, механизмнің қ озғ алуының басты функциясынан басқ а тағ ы бір функциясын – қ оректендіру желісінің режимін рационалды пайдаланатын электр жетегінің элементі болып қ олданыла алады. (3.1.3) формуладан анық талғ андай, аз q бұ рышы кезінде динамикада синхронды машина икемді элементке тура сә йкес келеді. Шынында да, q бұ рышы ω _0, жылдамдығ ымен айналатын ө ріс осі мен ω жылдамдығ ы бар ротор осі арасындағ ы бұ рыш болғ андық тан, (3.1.3) формуласының дифференциалын анық таймыз:

(3.4)

мұ нда: с_эм коэффициенті – «магниттік серіппенің» қ атаң дығ ы, екі массалы механикалық жү йеде орын алатын механикалық байланыстың қ атаң дығ ына ұ қ сас.

Алынғ ан нә тижелерге сү йене отырып, синхронды машинаның тербелуге ө те жақ ын екенін байқ аймыз жә не оның мұ ндай қ асиеті жақ сы емес екенін білеміз. Сондық танү лкен синхронды машиналар асинхронды қ озғ алтқ ыштың торлы орамасына ұ қ сас арнайы демпферлі қ ұ рылғ ылармен жабдық талады жә не олар иін кү штің асинхронды қ ұ раушысын қ амтамасыз етеді:

(3.5)

Дә л осы қ ұ рылғ ылар қ арапайым емес жә не жағ ымсыз амалды – синхронды қ озғ алтқ ышты желіден қ оректендіріп тұ рғ ан кезде асинхронды режимде іске қ осу ү шін қ олданылады. Қ уаты аз қ озғ алтқ ыштарда тербелістерге шамадан тыс икемділігінен арылу ү шін басқ а қ ұ ралдар қ олданылады. Жазылғ андарды есепке алғ анда, синхронды қ озғ алтқ ыш 3.2а суретінде кө рсетілген динамикалық бө лік болып ұ сыныла алады. Синхронды қ озғ алтқ ышы бар қ арапайым электр жетегіне (3.2б суреті) 3.2в суретіндегі қ ұ рылымдық сұ лбасы сә йкес келеді, ал оны, ә рине қ атал жә не дә л анық талғ ан мақ саттар ү шін қ олдану техниканың ісі. Синхронды электр қ озғ алтқ ышын іске қ осудың екі ә дісі таралғ ан: асинхронды жә не жиіліктік іске қ осу. Кө птеген жағ дайларда синхронды қ озғ алтқ ыштарды тікелей асинхронды іске қ осу қ олданылады. Егер синхронды қ озғ алтқ ыш роторында қ оздыру орамасы болса, онда ол қ осымша кедергіге тұ йық талады. Іске қ осу орамасы болмағ ан кезде орташа айналу иін кү ші қ исығ ында оның аса тө мен тү сіп кетуі s = 0, 5 аймағ ында (бірості қ осылу қ ұ былысы) байқ алады (3.3 сурет). Іске қ осу орамасы жә не қ осымша кедергіге тұ йық талғ ан қ оздыру орамасы бар кезде синхронды қ озғ алтқ ыштың іске қ осу иін кү ш қ исығ ының пішіні бойынша асинхронды қ озғ алтқ ыштың іске қ осу иін кү ш М1 қ исығ ына ұ қ сас. Қ оздырылғ ан синхронды қ озғ алтқ ышты іске қ осу жағ дайында тежеуші иін кү ш М _f пайда болады жә не орташа электр магниттік иін кү ш қ исығ ында аса тө мен тү сіп кету байқ алады, аз сырғ у мә ндері кезінде орташа электр магниттік иін кү ші теріс мә нді болады (3.4 сурет). Роторында тұ рақ ты магниттері бар синхронды қ озғ алтқ ышты іске қ осу ерекшелігі – іске қ осу ротордың қ оздыру ағ ыны бар кезде орындалады. Бұ л ағ ын ротордың айналуы кезінде статор орамасында жиілігі желі кернеуінің жиілігіне тең емес э.қ.к – сін пайда етеді. Бұ л э.қ.к – нің ә серімен статор орамасы фазалары бойымен токтар ағ ады, олар ротордың іске қ осу орамасы тудыратын иін кү шке қ арсы бағ ытталғ ан тежеуші иін кү шін пайда қ ылады. Орташа электр магниттік иін кү ші қ исығ ындағ ы аса тө мен тү сіп кету аймағ ы іске қ осу шарттарын нашарлатады.

Электр магниттік қ оздыруы бар синхронды қ озғ алтқ ышты асинхронды іске қ осу кезінде қ озғ алтқ ыш синхронды жылдамдық қ а жақ ын жылдамдық қ а дейін жү ргізіледі, одан кейін қ оздыру орамасына тұ рақ ты кернеу беріледі жә не қ оздырылғ ан электр қ озғ алтқ ышы синхронды жылдамдық қ а тартылады.

Жиіліктік іске қ осу кезінде синхронды қ озғ алтқ ыш синхронды айналуғ а бірден, аз айналу жиілігі кезінде келтіріледі. Тиристорлық қ оздыруы бар синхронды электр жетегінің кү штік бө лігінің сұ лбасы 3.1.5 суретте келтірілген. Жылдамдық ты жиіліктік реттеу кезінде айналу иін кү ші, жиілігі жә не қ оректендіретін кернеудің амплитудасы араларындағ ы тиімді арақ атынастары белгілі тең деулермен жазылады:

U₂/U₁=(f₂/f₁) (Ф₁М₂/Ф₂М₁), (3.6)

мұ нда Ф₁, Ф₂ - f₁ жә не f₂ жиіліктері кезінде машинаның ауа саң ылауындағ ы магниттік ағ ындары;

М₁, М₂ - f₁ жә не f₂ жиіліктеріне сә йкес синхронды қ озғ алтқ ыш роторының айналу жиілігі кезіндегі жү ктеме иін кү штері.

3.5-сурет. Синхронды электр жетегінің кү штік бө лігінің сұ лбасы

Тұ рақ ты статикалық иін кү ші жә не тұ рақ ты магнит ағ ыны кезінде академик Костенко М.П шығ арғ ан реттеу заң ын аламыз:

U/f=соnst

Электр магниттік қ оздыруы бар синхронды қ озғ алтқ ыш ү шін ауа саң ылауында тұ рақ ты магнит ағ ынын қ амтамасыз ететін заң бойынша жиілігі мен кернеуін ө згерту ұ сынылады. Жоғ арыда аталғ андай, синхронды машиналары бар электр жетегі соң ғ ы 20-30 жылда қ арқ ынды дамыды.

3.6-сурет. Тұ рақ ты магниттері бар вентильді қ озғ алтқ ышты автоматты басқ арудың қ ұ рылымдық сұ лбасы жә не жетектің кү штік бө лігінің принциптік сұ лбасы

Кернеу векторын басқ аруда тү скен бұ йрық тың санына тә уелді дозаланғ ан бұ рыштарғ а жылжыту идеясы соң ғ ы он жылда кең даму алғ ан жаң а ғ ылыми бағ ытқ а – адымдық қ озғ алтқ ыштары бар дискретті электр жетегін жасауғ а ә келіп соқ ты. Планарлық, сызық тық, бұ рылыстық, аралас қ озғ алтқ ыштар - модульдердің, берілген пішінді токтарды пішіндейтін тү рлендіргіштердің кө птеген тү рлері пайда болды, кү рделі жә не дә л қ озғ алысты қ амтамасыз ететін басқ ару алгоритмдері жасалынды. Қ олдану салалары да анық талды - ә ртү рлі технологиялық салалардағ ы икемді ө ндірістік жү йелерде микроэлектроникадан бастап бө лшектерді лазерлік ө ң деу желілері, кү рделі ө німдерді адамның кірісуінсіз автоматтандырып жинау ү шін қ олданылады.

Бұ л идеяның басқ а тү рі – электронды коммутаторлары мен ротор кү йінің бергіштерінің (датчик) синхронды қ озғ алтқ ыштармен араласуы – бұ л вентильді қ озғ алтқ ыштар.

3.6-суретте жетектің кү штік бө лігінің принциптік сұ лбасы жә не тұ рақ ты магниттері бар вентильді қ озғ алтқ ышты автоматты басқ арудың қ ұ рылымдық сұ лбасы кө рсетілген.

Жиілік тү рлендіргіші жиіліктік - токтық басқ ару сұ лбасы бойынша орындалғ ан. Автономды ток инверторын (АТИ) басқ ару қ озғ алтқ ыштың М білігіне орнатылғ ан ротор кү йінің бергішімен (РКБ) синхрондалатын импульстік басқ ару жү йесімен ИБЖ жү зеге асырылады. Жетекті басқ ару жү йесі тізбектелген тү зетуі бар бағ ынышты реттеу принципі бойынша тұ рғ ызылғ ан жә не ток бергішінен ТБ алынатын ток бойынша кері байланысы жә не ток реттеуіші ТР бар ток контурынан жә не жылдамдық реттеуіші ЖР бар жылдамдық контурынан тұ рады.

Вентильді қ озғ алтқ ыштар электр машиналарының жіктелуі туралы ү йреншікті кө зқ арасты шатыстырды: қ оректенуі бойынша олар тұ рақ ты ток машиналары, ә рекет ету принципі бойынша – синхронды жә не т.б. Шатыстырулар, ә рине егер жү йелі кө зқ арасты қ олданса пайда болмас еді. Ә зірге вентильді қ озғ алтқ ыштарда электр механикалық жә не электрондық бө ліктер (коммутатор - электронды коллектор) байланысқ ан. Бұ л байланыс электр механотроникасы деп аталатын электр механикасының жаң а бө лімі болып қ ұ рылуына себепкер болды. Вентильді қ озғ алтқ ыштар конструкциясы дамып жә не функциясы ұ лғ айып станоктар, роботтар, манипуляторлардың электр жетегіндегі басқ а техникалық шешулерге кү шті бә секе қ ұ рды.