Основные типы серийно выпускаемых АД.

 

Устройство исполнительных двигателей. Асинхрон­ные исполнительные двигатели используются в устройствах автоматики и служат для преобразования подводимого к ним электрического сигнала в механическое перемещение вала. При заданном тормозном моменте частота вращения двигате­ля должна строго соответствовать подводимому напряжению и меняться при изменении его величины или фазы.

В качестве исполнительных двигателей переменного тока применяют, как правило, двухфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым (рис. 3.36) или полым ротором. Одна из обмоток статора, называемая обмоткой возбуждения, под­ключается к сети переменного тока с постоянным действую­щим значением напряжения. Ко второй обмотке статора, на­зываемой обмоткой управления, подводится напряжение уп­равления от управляющего устройства.

 

 

Рис. 3.36. Устройство асинхронных исполнительных двигателей с короткозамкнутой обмоткой на роторе: 1 — обмотка статора; 2 — корпус; 3 — статор; 4 — ротор; 5 — коротко-заскнутая обмотка; 6 — подшипниковый щит; 7 — вал

 

Для лучшей управляемости исполнительного двигателя его короткозамкнутый ротор изготовляют с большим активным сопротивлением. Для этой цели стержни выполняют из мате­риала с повышенным удельным сопротивлением (латуни, фос­фористой бронзы и т. д.) и сравнительно малым попереч­ным сечением.

Конструкция такого двигателя мало отличается от конст­рукции обычного асинхронного двигателя. Его основным не­достатком является большой момент инерции ротора, снижаю­щий быстродействие исполнительного двигателя. Для умень­шения момента инерции в двигателях этого типа применяют роторы относительно малого диаметра с отношением длины к диаметру 1,6...2,4.

Для повышения технологичности выпускают исполнитель­ные асинхронные двигатели с короткозамкнутой обмоткой «сквозной конструкции» (рис. 3.36,(7). В этих двигателях внут­ренний диаметр статора равен диаметру расточки под под­шипники в щитах, что дает возможность обрабатывать внут­реннюю поверхность статора и отверстий под подшипники одновременно, после установки подшипниковых щитов. Это существенно уменьшает эксцентриситет ротора и позволяет выполнять двигатели с весьма малым воздушным зазором (0,03...0,05 мм), что при неизменных габаритах двигателя обес­печивает увеличение его вращающего момента, повышает КПД и cos . В таких двигателях для уменьшения момента инерции ротор выполняют малого диаметра (I_a/D_a= 2...3), а обмотку статора обычно заливают эпоксидной смолой, благодаря чему она образует вместе с пакетом статора монолитную конст­рукцию.

Широко используются исполнительные двигатели с полым немагнитным ротором (рис. 3.37) и внешним статором, на кото­ром расположены две обмотки, сдвинутые в пространстве на угол 90°. Ротор выполнен в виде открытого с одного конца тонкостенного полого цилиндра из алюминия.

Для уменьшения магнитного сопротивления двигателя име­ется также внутренний статор. При прохождении тока по обмоткам статора создается вращающееся магнитное поле, в роторе индуктируется ЭДС, направленная по образующей цилиндра, под действием которой в роторе возникают вихре­вые токи. Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем, создают электромагнитные силы и вращающий момент.

Двигатель с полым немагнитным ротором имеет значитель­ный ток холостого хода, составляющий 85...55% от номинального, поскольку в двигателе расчетная величина эффективно­го воздушного зазора (с учетом толщины полого ротора), значительно больше, чем в асинхронном двигателе нормально­го исполнения.

 

Рис. 3.37. Двигатель с полым немагнитным ротором:

1 — корпус; 2 — внешний статор; 3 — внутренний статор; 4 — обмотка статора; 5 — полый немагнитный ротор; 6 — подшипниковый щит

 

Полый ротор иногда выполняют ферромагнитным. При этом внутренний статор не требуется, и конструкция двигателя сильно упрощается. Однако двигатель с полым ферромагнит­ным ротором имеет ряд существенных недостатков, основным из которых является возможность прилипания ротора к стато­ру при неравномерном воздушном зазоре или износе подшип­ников. Кроме того, из-за увеличения момента инерции и сни­жения величины вращающего момента понижается быстродей­ствие в 10...20 раз по сравнению с двигателем с немагнитным ротором.

Способы управления. Принципиальная схема включения исполнительного двигателя показана на рис. 3.38,а. Обмотка возбуждения ОВ подключается непосредственно к сети, а об­мотка управления ОУ — через устройство управления УУ, ко­торое обеспечивает регулирование величины напряжения или его фазы (рис. 3.38,б).

Частоту вращения исполнительных двигателей регулируют путем изменения по величине, фазеи одновременно по величине и фазе напряжения, подаваемого на обмотку управле­ния. При этом форма вращающегося магнитного поля из кру­гового становится эллиптическим. Выше (в разделе 3.15) было показано, что поле машины можно представить в виде двух круговых полей, вращающихся в прямом и обратном направ­лениях относительно направления вращения ротора. Воздей­ствие на ротор обратно вращающегося поля создает тормоз­ной момент и приводит к изменению формы механической характеристики двигателя, вследствие чего изменяется и

час­тота вращения ротора. Чем больше эллиптичность поля,

тем меньше частота вращения. Однако при этом возрастают и потери мощности в двигателе.

 

Рис. 3.38. Схема включения исполнительного двигателя (а)

и векторные диаграммы напряжений при управлении соответственно

по величине и фазе (б)

 

На практике, как уже отмечалось, применяют три способа управления частотой вращения исполнительного двигателя: амплитудное, фазовое и амплитудно-фазовое. Для облег­чения анализа свойств исполнительного двигателя для любо­го вида управления пренебрегают всеми сопротивлениями ста­тора и ротора, кроме активного сопротивления ротора на том основании, что ротор исполнительных двигателей изготовляют с повышенным активным сопротивлением для устранения са­мохода и улучшения формы их механических характеристик.

При амплитудном управлении изменяется только ампли­туда напряжения управления U_y или ее действующее значение. Величину напряжения управления оценивают коэффициентом сигнала а, который равен отношению напряжения управления к напряжению возбуждения: а = U_y/U_B. Векторы напряжений управления и возбуждения при всех значениях коэффициента а образуют угол 90° (рис. 3.38,6).

Отношение напряжения управления к напряжению воз­буждения, приведенное к числу витков обмотки управления, называется эффективным коэффициентом сигнала:

; (3.51)

где U'_B = — напряжение возбуждения, приведенное к числу витков обмотки управления; .

Очевидно, при а_э = 1 магнитное поле, создаваемое обмотка­ми возбуждения и управления, будет круговым; если а_э мень­ше 1, — то эллиптическим; если а_э — 0, то поле будет пульси­рующим. Номинальное значение напряжения управления со­ответствует круговому полю. Для изменения направления вра­щения исполнительного двигателя изменяют фазу напряжения управления на 180°.

Уравнение механической характеристики идеализирован­ного исполнительного двигателя в относительных единицах при амплитудном управлении имеет вид:

. (3.52)

Уравнению (3.52) соответствует семейство механических характеристик, приведенных на рис. 3.39,а. При неизменных значениях коэффициента сигнала а_э (например: 1,0; 0,75; 0,5; 0,25) механические характеристики имеют вид прямых линий, которые изображены пунктирными линиями. У реальных испол­нительных двигателей характеристики нелинейны. На рис. 3.39,а они изображены сплошными линиями. Относительный момент при трогании двигателя численно равен эффективному коэф­фициенту сигнала а_э. С его изменением изменяется и наклон механической характеристики, что является недостатком рас­сматриваемого способа регулирования.

Регулировочная характеристика исполнительного дви­гателя — это зависимость частоты вращения ротора от коэф­фициента сигнала:

. (3.53)

Семейство регулировочных характеристик идеализирован­ного указанным выше способом и реального исполнительного двигателя при амплитудном управлении приведены на рис. 3.39,б соответственно, пунктирными и сплошными линиями.

Точки кривых регулировочных характеристик, лежащие на оси абсцисс, характеризуют чувствительность двигателя. Мини­мальное напряжение, при котором ротор начинает вращаться, преодолевая заданный тормозной момент, называют напряже­нием трогания.

Рис. 3.39. Характеристики асинхронного двигателя

при амплитудном управлении:

а — механические; б — регулировочные

 

Из рис. 3.39,6 видно, что даже в идеализированном двига­теле регулировочные характеристики являются нелинейными, что вызывает существенные затруднения при проектировании автоматического устройства и требует применения ряда до­полнительных элементов.

При фазовом управлении, как это видно на рис. 3.38,6, напряжение управления U_y остается неизменным по величине и равным приведенному значению напряжения возбуждения U'_B, а регулирование частоты вращения двигателя осуществляется изменением угла сдвига фаз β между векторами напряжений возбуждения U_y и управления U_B. При фазовом управлении коэффициент сигнала равен синусу угла сдвига фаз между векторами напряжений: . Если β=90°(а_э=1) в испол­нительном двигателе возникает круговое вращающееся поле; если β меньше 90°, поле будет эллиптическим; если β = 0, то поле будет пульсирующим.

Изменение направления вращения двигателя осуществля­ют путем изменения знака коэффициента сигнала. Механиче­ская и регулировочная характеристики двигателя при фазном управлении имеют вид:

. (3.54)

. (3.55)

Механические и регулировочные характеристики при фаз­ном управлении у идеализированного двигателя линейны и параллельны (рис. 3.40). Наклон их при малых коэффициентах сигнала больший, чем при амплитудном управлении. Это объясняется тем, что при одном и том же коэффициенте сигнала < 1 ток 'обратной последовательности в двигателе с фазовым управлением больше, чем в двигателе с амплитудным управлением, вследствие чего при фазовом управлении будет меньшей и относительная частота вращения холостого хода. Это обстоятельство является существенным преимуществом фазового управления. Оно особенно проявляется при срав­нении регулировочных характеристик, которые при фазовом управлении линейны, а при амплитудном нелинейны.

Рис. 3.40. Характеристики асинхронного двигателя

при фазном управлении:

а — механические; б — регулировочные

 

Сплошными линиями показаны характеристики реального двигателя. Нелинейность механических и регулировочных ха­рактеристик двигателя при фазовом управлении меньше, чем при амплитудном. Несмотря на указанные преимущества, фа­зовое управление применяют сравнительно редко из-за боль­шой мощности управления при малых коэффициентах сигнала.

При амплитудно-фазовом управлении изменяется одно­временно и амплитуда напряжения управления, и угол сдвига фаз между напряжениями U_y и U_B, подаваемыми на обмотки статора. Амплитудно-фазовое управление можно реализовать двумя путями:

1) напряжение возбуждения оставляют постоянным, а напря­жение управления изменяют по величине и фазе;

2) в цепь обмотки возбуждения включают фазосдвигающий конденсатор, а управление двигателем осуществляют путем из­менения по величине напряжения управления. При этом будет одновременно изменяться по величине и фазе напряжение возбуждения.

В исполнительном двигателе с амплитудно-фазовым уп­равлением регулируется напряжение управления. При этом ток возбуждения и напряжение на обмотке возбуждения из­меняются незначительно из-за большой величины намагничи­вающего тока. Поэтому характеристики двигателя при данном способе управления будут близкими к характеристикам при амплитудном управлении. Однако вследствие увеличения амп­литуды обратного поля с повышением частоты вращения не­линейность механических характеристик двигателя при ампли­тудно-фазовом управлении больше, чем при других методах управления.

Мощность управления при амплитудно-фазовом управле­нии как и при амплитудном управлении, пропорциональна квад­рату коэффициента сигнала и сравнительно мало зависит от частоты вращения. Остальные характеристики (механическая мощность, КПД и др.) при амплитудно-фазовом управлении мало отличаются от характеристик двигателя при амплитуд­ном управлении.

Достоинствами амплитудно-фазового управления являют­ся сравнительная простота схемы и возможность получения значительных пусковых моментов; недостатком следует счи­тать некоторое снижение устойчивости в зоне малых частот вращения.