Какой асинхронный двигатель предпочтительно используется в системах автоматического управления

Асинхронные исполнительные двигатели

Асинхронные исполнительные двигатели используют в системах автоматического управления для управления и регулирования различных устройств.

Асинхронные исполнительные двигатели начинают действовать при подаче им электрического сигнала, который они преобразуют в заданный угол поворота вала или в его вращение. Снятие сигнала приводит к немедленному переходу ротора исполнительного двигателя в неподвижное состояние без использования каких-либо тормозных устройств. Работа таких двигателей протекает все время в условиях переходных режимов, в результате чего скорость ротора зачастую при кратковременном сигнале не достигает установившегося значения. Этому способствуют также частые пуски, изменения направления вращения и остановки.

По конструктивному оформлению исполнительные двигатели представляют собой асинхронные машины с двухфазной обмоткой статора, выполненной так, что магнитные оси ее двух фаз сдвинуты в пространстве относительно друг друга не угол 90 эл. град.

Одна из фаз обмотки статора является обмоткой возбуждении и имеет выводы к зажимам с обозначение ми C1 и С2. Другая, выполняющая роль обмотки управления, имеет выводы, присоединенные к зажимам с обозначениями У1 и У2.

К обеим фазам обмотки статора подводят соответствующие переменные напряжения одинаковой частоты. Так, цепь обмотки возбуждения присоединяют к питающей сети с неизменным напряжением U, а в цепь обмотки управления подают сигнал в виде напряжения управления U у (рис. 1, а, б, в).

Рис. 1. Схемы включения асинхронных исполнительных двигателей при управлении: а — амплитудном, б — фазовом, в — амплитудно-фазовом.

В результате этого в обеих фазах обмотки статора возникают соответствующие токи, которые благодаря включенным фазосдвигающим элементам в виде конденсаторов или фазорегулятора сдвинуты относительно друг друга во времени, что приводит к возбуждению эллиптического вращающего магнитного поля, которое вовлекает короткозамкнутый ротор во вращение.

При изменении режимов работы двигателя эллиптическое вращающееся магнитное поле в предельных случаях переходит в переменное с неподвижной осью симметрии или в круговое вращающееся, что сказывается на свойствах двигателя.

Пуск, регулирование скорости и остановка исполнительных двигателей определяются условиями формирования магнитного поля путем амплитудного, фазового и амплитудно-фазового управления.

При амплитудном управлении напряжение U на зажимах обмотки возбуждения поддерживают неизменным, а изменяют только амплитуду напряжения Uy. Сдвиг фаз между этими напряжениями, благодари исключенному конденсатору, равен 90° (рис. 1, а).

Фазовое управление харакрно тем, что напряжения U и Uy остаются неизменными, а сдвиг фаз между ними регулируют поворотом ротора фазорегулятора (рис. 1, б).

При амплитудно-фазовом управлении, хотя регулируют только амплитуду напряжения Uy, но при этом, из-за наличия конденсатора в цепи возбуждения и электромагнитного взаимодействия фаз обмотки статора, происходит одновременное изменение фазы напряжения на зажимах обмотки возбуждения и сдвига фаз между этим напряжением и напряжением на зажимах обмотки управления (рис. 1, в).

Иногда кроме конденсатора в цепи обмотки возбуждения предусматривают еще конденсатор в цепи обмотки управления, что компенсирует реактивную намагничивающую мощность, снижает потери энергии и улучшает, механические характеристики асинхронного исполнительного двигателя.

При амплитудном управлении круговое вращающееся магнитное поле наблюдается при номинальном сигнале независимо от скорости ротора, а при уменьшении его оно становится эллиптическим. В случае фазового управления круговое вращающееся магнитное поле возбуждается только при номинальном сигнале и сдвиге фаз между напряжениями U и Uy равным 90° независимо от скорости ротора, а при ином сдвиге фаз оно становится эллиптическим. При амплитудно-фазовом управлении круговое вращающееся магнитное поле существует только при одном режиме — при номинальном сигнале в момент пуска двигателя, а затем по мере разгона ротора оно переходит в эллиптическое.

При всех способах управления скорость ротора регулируют изменением характера вращающегося магнитного поля, а перемену направления вращения ротора осуществляют изменением фазы напряжения, подведенного к зажимам обмотки управления, на 180°.

К асинхронным исполнительным исполнительным двигателям предъявляют специфические требования в части отсутствия самохода, обеспечения широкого диапазона регулирования скорости ротора, быстродействия, большого начального пускового момента и малой мощности управления при относительном сохранении линейности их характеристик.

Самоход асинхронных исполнительных двигателей проявляется в виде самопроизвольного вращения ротора при отсутствии сигнала управления. Он обусловлен либо недостаточно большим активным сопротивлением обмотки ротора — методический самоход, либо некачественным исполнением самого двигателя — технологический самоход.

Первый устраним при проектировании двигателей, предусматривающем изготовление ротора с повышенным сопротивлением обмотки и критическим скольжением sкр = 2 — 4, что, кроме того, обеспечивает широкий устойчивый диапазон регулирования скорости ротора, а второй — качественным изготовлением магнитопроводов и обмоток машин при тщательной их сборке.

Так как асинхронные исполнительные двигатели с ротором, имеющим короткозамкнутую обмотку с повышенным активным сопротивлением, отличаются небольшим быстродействием, характеризуемым электромеханической постоянной времени — временем набора ротором скорости от нулевой до половины синхронной — Тм = 0,2 — 1,5 с, то в установках автоматического управления предпочтение отдают исполнительным двигателям с полым немагнитным ротором, у которых электромеханическая постоянная времени имеет меньшее значение — Тм = 0,01 — 0,15 с.

Асинхронные исполнительные двигатели с полым немагнитным ротором, отличающиеся высоким быстродействием, имеют как внешний статор с магнитопроводом обычной конструкции и двухфазной обмоткой с фазами, выполняющими роль обмоток возбуждения и управления, так и внутренний статор в виде шихтованного ферромагнитного полого цилиндра, укрепленного на подшипниковом щите двигателя.

Поверхности статоров разделены воздушным зазором, который в радиальном направлении имеет размер 0,4 — 1,5 мм. В воздушном зазоре находится стакан из алюминиевого сплава со стенкой толщиной 0,2 — 1 мм, укрепленный на валу двигателя. Ток холостого хода асинхронных двигателей с полым немагнитным ротором велик и доходит до 0,9 I ном, а номинальный кпд = 0,2 — 0,4.

В установках автоматики и телемеханики применяют двигатели с полым ферромагнитным ротором, у которого толщина стенки 0.5 — 3 мм. В этих машинах, используемых в качестве исполнительных и вспомогательных двигателей, внутренний статор отсутствует, а ротор укреплен на одной запрессованной или двух торцовых металлических пробках.

Воздушный зазор между поверхностями статора и ротора в радиальном направлении составляет всего 0,2 — 0,3 мм.

Механические характеристики двигателей с полым ферромагнитным ротором ближе к линейным, чем характеристики двигателей с ротором, имеющим обычную короткозамкнутую обмотку, а также с ротором, выполненным в виде полого немагнитного цилиндра.

Иногда внешнюю поверхность полого ферромагнитного ротора покрывают слоем меди толщиной 0,05 — 0,10 мм, а его торцовые поверхности — слоем меди до 1 мм для увеличения номинальных мощности и момента двигателя, однако кпд его при этом несколько уменьшается.

Существенными недостатками двигателей с полым ферромагнитным ротором является одностороннее прилипание ротора к магнитопроводу статора из-за неравномерности воздушного зазора, чего не бывает в машинах с полым немагнитным ротором. Самоход у двигателей с полым ферромагнитным ротором отсутствует, они устойчиво работают в диапазоне скоростей от нулевой до синхронной скорости ротора.

Асинхронные исполнительные двигатели с массивным ферромагнитным ротором выполненным в виде стального или чугуного цилиндра без обмотки, отличаю простотой конструкции, высокой прочностью, большим пусковым моментом, устойчивостью работы на заданной скорости и могут быть использованы при очень высоких скоростях ротора.

Существуют обращенные двигатели с массивным ферромагнитным ротором, который выполнен в вид наружной вращающейся части.

Асинхронные исполнительные двигатели изготавливают на номинальную мощность от долей до нескольких сотен ватт и предназначают для питания от источников переменного напряжения с частотой 50 Гц, а также повышенных частот до 1000 Гц и выше.
Читайте также: Сельсины: назначение, устройство, принцип действия

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Асинхронные машины автоматических устройств

К машинам, применяемым в автоматических устройствах, в первую очередь относятся асинхронные исполнительные двигатели, которые должны обеспечивать высокий диапазон изменения частоты вращения при линейных механических и регулировочных характеристиках. Исполнительные двигатели должны иметь высокое быстродействие, большой пусковой момент, малую мощность управления, малый момент трения, а также не иметь самохода при уменьшении напряжения управления до нуля.

Этим противоречивым требованиям в основном удовлетворяют двухфазные асинхронные двигатели с полым ротором и двигатели с короткозамкну той обмоткой ро тора с повышенным активным сопротивлением. Двигатели с полым ротором, рассмотренные в параграфе 3.15, выполняются на мощность до 30 Вт, а двигатели с короткозамкнутым ротором с повышенным сопротивлением — до 500 Вт. Исполнительные асинхронные двигатели могут изготовляться на мощность и в несколько киловатт.

Исполнительные асинхронные двигатели на сотни ватт выполняются с шихтованным ротором, а короткозамкнутая обмотка заливается сплавами алюминия с повышенным сопротивлением или сваривается из латуни или бронзы. Используются также двигатели с массивным ротором, рассмотренные в параграфе 3.15, которые имеют худшие энергетические и массогабаритные показатели но сравнению с двигателями с шихтованным ротором. Двигатели с массивным ротором применяются в высокоскоростных приводах, в которых двигатели с короткозамкнутой обмоткой из-за недостаточной механической прочности применяться нс могут.

В асинхронных исполнительных двигателях основной проблемой является отвод тепла, которое выделяется в машине при глубоком регулировании частоты вращения. Для лучшего охлаждения исполнительных двигателей применяются вентиляторы-наездники, частота вращения которых не зависит от частоты вращения исполнительного двигателя, используются также охлаждение водой и внутреннее испарительное охлаждение. В исполнительных микродвигателях интенсивный отвод тепла осуществляется также путем увеличения поверхности охлаждения.

Для плавного регулирования частоты вращения асинхронных исполнительных двигателей применяется два способа: частотный (изменение частоты напряжения) и изменением напряжения (изменение скольжения за счет амплитуды и фазы питающего напряжения). Наибольшее распространение получил второй способ, так как преобразователи частоты, несмотря на применение силовых полупроводниковых элементов, остаются громоздкими и дорогими. При регулировании частоты вращения исполнительных двигателей путем изменения напряжения применяют три способа управления: амплитудное, фазное и амплитудно-фазное. При амплитудном регулировании изменяется амплитуда подводимого к двигателю напряжения, при фазном — фаза напряжения, а при амплитудно-фазном изменяются и амплитуда, и фаза напряжения.

При изменении амплитуды или фазы питающего напряжения изменяется форма поля в воздушном зазоре из-за изменения амплитуд прямого и обратного полей. Таким образом, за счет изменения степени эллиптичности поля в воздушном зазоре осуществляется регулирование частоты вращения.

Рис. 3.107. Схема управления двухфазным двигателем

В системах автоматического управления мощностью до 1 кВт обычно применяются двухфазные двигатели, когда одна обмотка (обмотка возбуждения ги_в) подключена к сети, а обмотка управления w_y питается через регулятор напряжения PH (рис. 3.107). В исполнительных двигателях мощностью больше 1 кВт используются трехфазные двигатели, когда каждая фаза обмотки через регулятор напряжения подключается к сети.

В последнее время в качестве управляющих элементов применяются регуляторы напряжения на тиристорах и транзисторах, находят также применение схемы на магнитных усилителях. Следует отметить, что управляющие элементы имеют большие габариты, так как они рассчитываются на полную или на часть мощности системы. Габариты и стоимость управляющих элементов возрастают в реверсивных системах, когда необходимо изменять направление вращения и регулировать частоту вращения в широких пределах.

Стремление снизить массу всей системы регулирования приводит к попытке объединить исполнительный двигатель и регулятор напряжения или преобразователь частоты в одном агрегате и за счет лучшего использования материалов получить общее снижение массы электромеханической системы.

Удачным совмещением исполнительного асинхронного двигателя и магнитных усилителей являются двигатели- усилители (рис. 3.108). В двигателях-усилителях обмотки магнитных усилителей наматываются на спинку магнито- провода статора, а обмотки двигателя 1 и магнитного усилителя 2 укладываются в пазы. Обмотки переменного тока наматываются на спинку статора каждого пакета 3, а обмотки управления охватывают оба пакета. В ярме статора пото-

Рис. 3.108. Асинхронный двигатель-усилитель ки магнитного усилителя и двигателя складываются. Сталь ярма статора является магнитопроводом магнитных усилителей и двигателя. Ротор 4 короткозамкнутый.

В коробке выводов 5 двигателя-усилителя помещаются диоды магнитных усилителей. В специальных машинах обычно коробки выводов имеют увеличенные размеры, так как в них располагаются различные элементы систем управления. Благодаря тому, что силовые обмотки магнитных усилителей соединены последовательно с обмоткой статора двигателя, при работе системы напряжение сети перераспределяется между магнитным усилителем и двигателем так, что суммарный магнитный поток практически не изменяется. Когда магнитные усилители не насыщены, их поток максимален, а при насыщении магнитных усилителей магнитный поток максимален в исполнительном двигателе. В промежуточных режимах поток перераспределяется между магнитными усилителями и двигателем. Двигатели-усилители обеспечивают снижение массы по сравнению с раздельной системой в 1,2—1,5 раза и, несмотря па применение регуляторов напряжения па тиристорах, являются наименее металлоемкими системами.

Для управления различными механизмами применяются микроЭВМ — микропроцессоры. Упрощение технологии изготовления и увеличение надежности микропроцессоров приводит к тому, что они встраиваются в электрические машины, чтобы получить простейшие самонастраивающиеся электромеханические системы.

В системах автоматического управления для приводных механизмов часто требуются низкие частоты вращения и большие моменты. Получить низкую частоту вращения, имея частоту сети 50 или 400 Гц, можно путем увеличения числа полюсов двигателя. Однако увеличение числа полюсов ограничивается технологическими причинами, так как нельзя из-за наклепа сделать ширину зубцов меньше примерно 1,2 мм, а диаметр двигателя, как правило, ограничен. Применение механических редукторов усложняет и снижает точность электромеханической системы.

Электрические машины позволяют получить электромагнитную редукцию частоты вращения. В основе электромагнитной редукции лежит использование пространственных гармоник и несимметрии воздушного зазора в двигателях с ротором индукторного типа, с катящимся или волновым ротором.

В редукторных двигателях в качестве основной гармоники используется 5-я или 7-я пространственная гармоника, которая имеет в 5—7 раз меньшие синхронные частоты вращения. При определенных соотношениях чисел зубцов на роторе и статоре и числа пар полюсов высшие пространственные гармоники имеют амплитуду большую, чем 1-я, и двигатель работает на высшей пространственной гармонике как на основной.

Недостатком редукторных двигателей являются низкий КПД и разброс характеристик, зависящий от технологии изготовления двигателя.

В настоящее время созданы электромеханические системы с исполнительными двигателями, обеспечивающие равномерную частоту вращения в один оборот и доли оборота в сутки.

Наибольшие трудности существуют при создании мо- ментных асинхронных двигателей с большими моментами при о)_р « 0, а также обеспечивающих глубокое регулирование частоты вращения.

В генераторном режиме асинхронные машины в системах автоматического управления широко используются в качестве тахогенераторов — датчиков частоты вращения и датчиков ускорения.

По своей конструкции асинхронные тахогенераторы ничем не отличаются от асинхронных двигателей с полым ротором. К одной из обмоток статора — обмотке возбуждения

подводится переменное напряжение U„. При вращении ротора со второй обмотки статора wр, сдвинутой на электрический угол 90° по отношению к обмотке возбуждения, снимается напряжение U_r, которое пропорционально частоте вращения (рис. 3.109).

При неподвижном роторе, когда ю_р = 0, в обмотке w₍ s _f ЭДС не наводится и U_v = 0. При вращении согласно уравнениям (3.132) в обмотке статора гер, расположенной под углом 90°

Рис. 3.109. Асинхронный тахогенератор

к w’a, будет наводиться синусоидальное напряжение, пропорциональное Юр.

Для тахогенсратора важно, чтобы напряжение линейно зависело от Юр, а его фаза и форма нс изменились при изменении частоты вращения. Иными словами, амплитудные и фазовые погрешности в асинхронных тахогенераторах должны быть минимальными. Для уменьшения погрешностей следует делать ротор с повышенным сопротивлением, а нагрузка, подключаемая к напряжению должна быть высокоомной. При этом U,.

Е_г и ток в выходной обмотке не влияют на характеристики асинхронного тахогенератора.

Одним из важных показателей тахогенератора является крутизна выходной характеристики

где AU,. — изменение выходного напряжения; Ап — изменение частоты вращения.

Чем больше крутизна выходной характеристики, тем точнее будет работать система автоматического управления. Однако увеличение крутизны выходной характеристики без увеличения габаритов тахогенератора влечет увеличение амплитудной и фазовой погрешностей. Поэтому при проектировании тахогенераторов приходится увязывать крутизну выходной характеристики с погрешностями. У точных асинхронных тахогенераторов k = 1-^3 мВ/(об/мин), а у тахогенераторов следящих систем k = 6-ИО мВ/(об/мин).

При питании обмотки возбуждения zc, постоянным током при постоянной частоте вращения напряжение U_r будет равно нулю, а при наличии ускорения dn/dt ЭДС на обмотке изменяется согласно уравнениям (3.132) пропорционально ускорению. В этом режиме асинхронный тахогене- ратор является датчиком ускорения.

В системах синхронной связи и для преобразования угла поворота в электрический сигнал применяются сельсины и поворотные (вращающиеся) трансформаторы.

Трехфазные сельсины конструктивно не отличаются от асинхронных машин с фазным ротором. В однофазных сельсинах имеется однофазная обмотка возбуждения и трехфазная обмотка синхронизации. Поворотные трансформаторы — двухфазные асинхронные двигатели с фазной обмоткой на роторе, выведенной на кольца. Так как сельсины и поворотные трансформаторы выполняют функции датчиков и приемников в устройствах автоматического управления, при проектировании их основное внимание должно быть уделено вопросам точности и надежности.

Сельсины применяют в системах синхронной связи двух видов: синхронного поворота (передачи угла) и синхронного вращения (электрического вала).

Системы передачи угла в свою очередь можно разделить на индикаторные системы синхронной связи, в которых момент сопротивления на ведомой оси мал или отсутствует, и на трансформаторные системы синхронной связи, когда на ведомой оси имеется момент сопротивления.

На рис. 3.110 представлена схема индикаторной синхронной связи. Эта схема включает в себя два одинаковых однофазных сельсина и линию связи. Обмотки возбуждения сельсина-датчика w_Ba и сельсина-приемника w_Bn присоединены к одной сети, а концы фаз обмоток роторов сельсинов — обмотки синхронизации — через контакторные кольца и линию связи соединены между собой. При повороте ротора сельсина-датчика на угол (х_д ротор сельсина-приемника стремится повернуться на такой же угол. При а_д* а„ возникают токи 1_А, 1ц, 1_С, создающие момент в сельсине-приемнике и сельсине-датчике.

Уравнительный ток в фазах обмотки синхронизации определяется как

Рис. 3.110. Схема индикаторной синхронной связи

где АЕ — ЭДС, определяемая углом поворота сельсина-датчика; z,|, — сопротивление фазы сельсина (для датчика и приемника одинаковые).

В результате взаимодействия уравнительных токов с пульсирующим полем обмоток возбуждения сельсинов возникает синхронизирующий момент, который при изменении угла рассогласования изменяется по синусоидальне- му закону. Синхронизирующий момент приложен к сельсину-датчику и сельсину-приемнику.

Рис. 3.111. Трансформаторная система связи

Трансформаторная система связи состоит из сельсина- датчика, сельсина-приемника, линии связи, усилителя У и исполнительного двигателя ИД (рис. 3.111). Исполнительный двигатель соединен с нагрузочным механизмом, который имеет обратную механическую связь с сельсином-приемником. Обмотка возбуждения сельсина-датчика подключена к однофазной сети переменного тока и создает пульсирующее магнитное поле. Пульсирующее магнитное поле наводит в обмотке синхронизации датчика ЭДС, под действием которых в линии связи и обмотке синхронизации приемника постоянно протекают токи. Эти токи создают в сельсине-приемнике пульсирующее магнитное поле, направление которого зависит от взаимного расположения роторов приемника и датчика. Сцепляясь с обмоткой возбуждения приемника, это поле наводит ЭДС — выходное напряжение приемника. Последнее подается на усилитель, а затем на обмотку управления исполнительного двигателя, который отрабатывает заданный датчиком угол и возвращает ротор приемника в положение, при котором выходное напряжение становится равным нулю. Такое положение роторов сельсинов называется согласованным.

В целях повышения качества работы системы синхронной связи часто сельсины выполняются без скользящих контактов (рис. 3.112). Статор 1 бесконтактного сельсина практически не отличается от статора обычной асинхронной машины. В пазах статора располагается соединенная в звезду трехфазная обмотка синхронизации 6. Ротор 2 бесконтактного сельсина двухполюсный и разделен немагнитным промежутком 7 на две части. Однофазная обмотка возбуждения 5 выполняется в виде двух неподвижных кольцевых катушек, расположенных между лобовыми частями обмот-

Рис. 3.112. Бесконтактный сельсин

ки статора и тороидами 3. Наружные цилиндрические поверхности тороидов связаны внешним магнитопроводом 4. Между внешним магнитопроводом и пакетом статора имеется немагнитный зазор. Путь магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, показан на рис. 3.112. Пото- косцепление обмотки возбуждения с той или иной фазой обмотки синхронизации зависит от положения ротора, так же как и в контактном сельсине.

Главным требованием к сельсинам, работающим в системах синхронной связи, является точность, которая характеризуется погрешностью

где 0_тах1, 0_тах2 — максимальные положительное и отрицательное отклонения ротора приемника от ротора датчика при повороте на один оборот.

В зависимости от значения Д0 сельсины делят на четыре класса точности. Для первого класса Д0 не более ±30 с, а для четвертого — не более ±90 с.

Системы синхронного вращения заменяют механическое соединение двух или нескольких синхронно перемещающихся механизмов. Электрический вал применяется там, где необходимо иметь синхронное вращение механизмов, находящихся на большом удалении друг от друга, а механическое соединение нежелательно или невозможно. Электрический вал состоит из асинхронных машин с фазным ротором, контактные кольца которых соединены между собой (рис. 3.113). При рассогласовании роторов двигателей, так же как и в схеме

Рис. 3.113. Электрический вал

с сельсинами, возникают в статоре двигателей уравнительные токи и электромагнитные моменты, возвращающие роторы в согласованное положение.

Поворотные (вращающиеся) трансформаторы применяются в системах автоматического управления для преобразования механического перемещения — угла поворота ротора в выходное напряжение. Конструктивно они представляют собой двухфазные двигатели с двухфазной обмоткой ротора, выведенной на контактные кольца. Особенностью их конструкции является тщательное выполнение магнитной системы и обмоток, в результате чего уменьшается число пространственных гармоник, что обеспечивает высокую точность поворотных трансформаторов.

Последние используются в качестве синусных поворотных трансформаторов, в которых и = Lisina; синусно-косинусных поворотных трансформаторов, в которых и_А = U_msin a, и в = U_mcos а; линейных поворотных трансформаторов, в которых U = k a.

Поворотные трансформаторы также используются как построители и фазовращатели. Они могут заменять сельсины. Благодаря тому что поворотные трансформаторы — симметричные машины, в них достигается большая точность, чем в сельсинах.

Схема включения синусно-косинусного поворотного трансформатора показана на рис. 3.114. При повороте ротора поворотного трансформатора в обмотке А наводится ЭДС, изменяющаяся по закону синуса, а в обмотке В — по закону косинуса.

Если в поворотном трансформаторе используется одна обмотка на роторе, такой поворотный трансформатор называется синусным поворотным трансформатором.

При определенном соединении обмоток и значении параметров обмоток можно в значительном диапазоне изменения угла получить линейное изменение U = /(а). Такие поворотные трансформаторы называются линейными поворотными трансформаторами.

Рис. 3.114. Синуснокосинусный поворотный трансформатор

По максимальной погрешности (отклонению от синусной или линейной зависимости от угла а и ряду других показателей) поворотные трансформаторы делят на шесть классов точности. В высокоточных поворотных трансформаторах погрешность не превышает нескольких секунд.

Особое место среди асинхронных машин, применяемых в системах автоматического управления, занимают электрические машины гироскопических систем. Они являются основой навигационных систем, с их помощью осуществляется стабилизация различных космических объектов.

Асинхронные гиродвигатели выполняются с короткозамкнутым ротором. Это — обращенные машины. Внешний ротор обеспечивает больший момент инерции, который определяет большую равномерность частоты вращения. Частота вращения в несколько десятков тысяч оборотов в минуту достигается за счет повышенной частоты напряжения питания — до 400-2000 Гц [2, 16].

Асинхронные исполнительные двигатели

Для осуществления автоматического управления, регулирования или контроля во многих случаях требуется преобразование «электрического сигнала» в механическое вращение. При этом применяются исполнительные двигатели, в качестве которых часто используются асинхронные двигатели с двумя обмотками на статоре и короткозамкнутым ротором. Обмотки в пазах статора размещаются так же, как в однофазном двигателе, имеющем главную и вспомогательную фазы.

Обычные схемы включения асинхронных исполнительных двигателей приведены на рис. 3-98.

Рис. 3-98. Схемы включения асинхронных исполнительных двигателей.

Здесь одна из фаз статора называется обмоткой возбуждения (В), а другая фаза — обмоткой управления (У). Такие схемы позволяют пускать в ход и останавливать двигатель и регулировать его частоту вращения путем изменения напряжения U_У на обмотке управления; при этом обмотка возбуждения остается приключенной к сети.

В отличие от обычных асинхронных двигателей к исполнительным асинхронным двигателям предъявляется ряд особых требований:

1. отсутствие «самохода» (вращения двигателя после снятия сигнала управления);

2. изменение частоты вращения двигателя в широких пределах при изменении напряжения управления U_У по величине и фазе;

3. устойчивость работы при всех частотах вращения;

4. большой начальный пусковой момент;

5. линейность регулировочных и механических характеристик;

6. малая мощность управления;

Под самоходом двигателя понимается его вращение после снятия сигнала (напряжения) с обмотки управления. Такого вращения (самохода) не должно быть. Двигатель должен быстро останавливаться после отключения обмотки управления. В противном случае он перестает быть управляемым. Для устранения самохода двигателя необходимо, чтобы обмотка его ротора имела большое активное сопротивление.

Активное сопротивление роторной обмотки выбирается таким образом, чтобы критическое скольжение двигателя в однофазном режиме было больше единицы; обычно s_к = 2 4.

Большое сопротивление обмотки ротора исполнительного двигателя в то же время обеспечивает его устойчивую работу при широких пределах изменения напряжения на обмотке управления.

Линейность регулировочных характеристик [п = f(U_у) при M_g = const] и механических характеристик [n = f(M_g) при U_у = const] также в значительной степени обеспечивается при большом активном сопротивлении обмотки ротора; при этом под линейностью характеристик здесь понимается их приближение к пропорциональным зависимостям.

Из схем включения асинхронных исполнительных двигателей следует предпочесть схему на рис. 3-98,б, так как при этой схеме вследствие компенсации индуктивного сопротивления обмотки У емкостью заметно снижается мощность управления и в то же время возрастает начальный пусковой момент.

Быстродействие двигателя будет определяться практически только моментом инерции его вращающихся частей, так как электромагнитные процессы здесь затухают весьма быстро из-за относительно больших активных сопротивлений его обмоток. Наибольшее быстродействие имеет двигатель с немагнитным полым ротором.

1. Асинхронный исполнительный двигатель с немагнитным полым ротором наиболее часто применяется как исполнительный двигатель переменного тока в различных схемах автоматических устройств. Мощность его колеблется от десятых долей ватта до нескольких сотен ватт при частоте вращения от 1 500 до 30 000 об/мин.

Конструкция двигателя представлена на рис. 3-100, и схемы включения его обмоток — на рис. 3-101.

Рис. 3-100. Двигатель с немагнитным полым ротором.
1 — внешний статор; 2 — внутренний статор; 3 — полый ротор; 4 — корпус; 5 — подшипниковые щиты; 6 — обмотки; 7 — вал.

Рис. 3-101. Схемы включения обмоток статора.
а — раздельная; б — мостовая.

Внешний статор 1 собирается из тонких лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,2 0,5 мм (при частоте тока соответственно 500 — 50 Гц). В пазах статора помещаются обмотки 6 — возбуждения и управления. Они могут быть выполнены или в виде двух отдельных обмоток, изолированных одна от другой, или в виде обмоток, соединенных по мостовой схеме (рис. 3-101). Последняя схема применяется сравнительно редко, несмотря на то, что электрические потери здесь будут меньше, чем при двух раздельных обмотках. К недостаткам ее следует отнести электрическую связь между цепями возбуждения и управления и увеличенное число проводников для обмоток из-за наличия параллельных ветвей.

Внутренний статор 2 также собирается из лакированных листов электротехнической стали и служит для уменьшения магнитного сопротивления главному потоку, проходящему через зазор. Он насаживается на цилиндрический выступ щита.

Полый ротор 3 представляет собой тонкостенный стакан, выполняемый обычно из алюминиевого сплава. Дно стакана жестко укрепляется на валу 7. Толщина его стенки колеблется от 0,2 до 1 мм. Такой ротор имеет очень небольшой момент инерции, что во многих случаях и требуется от исполнительного двигателя.

Зазором в двигателе следует считать зазор между внешним и внутренним статорами. Он относительно велик: 0,5 — 1,5 мм. Вследствие этого возрастают намагничивающие токи обмоток, что приводит к увеличению электрических потерь в них. Кроме того, большие электрические потери возникают в роторе. Поэтому к.п.д. рассматриваемого двигателя имеет низкие значения. Из-за больших потерь приходится увеличивать размеры двигателя, чтобы получились достаточные поверхности охлаждения.

Вращающий момент двигателя создается в результате взаимодействия вращающегося поля и вихревых токов, наведенных им в цилиндрической части ротора

2. В качестве исполнительного двигателя применяется также асинхронный двигатель с ферромагнитным полым ротором. Такой ротор выполняется в виде полого цилиндра из стали при толщине его стенки от 0,5 до 3 мм. Здесь внутренний статор не требуется, так как поток будет проходить по стенкам цилиндра. На торцах ротора укрепляются диски. Сквозь центральные отверстия дисков проходит жестко связанный с ними вал. Следовательно, конструкция получается более простой, чем в предыдущем случае.

Выполнение его обмоток статора и схемы их включения такие же, как у двигателя с немагнитным полым ротором (рис. 3-98).

Воздушный зазор между статором и ротором в рассматриваемом двигателе берется небольшой (0,2 — 0,3 мм); однако намагничивающие токи его обмоток почти такие же, как у двигателей с немагнитным полым ротором. Объясняется это тем, что магнитная проводимость ферромагнитного полого ротора вследствие малой его толщины незначительна.

По быстродействию двигатель уступает двигателю с немагнитным полым ротором.

3. Находит себе применение в качестве исполнительного двигателя и короткозамкнутый двигатель с беличьей клеткой на роторе, имеющей большое активное сопротивление. Его обмотки статора включаются также по схемам, приведенным на рис. 3-98.

4. Следует еще рассмотреть асинхронный двигатель с массивным ферромагнитным ротором, который применяется в качестве исполнительного, когда приходится приводить во вращение тяжелые маховые массы и когда, следовательно, собственный момент инерции двигателя имеет относительно малое значение. Характеристики этого двигателя несколько лучше, чем у двигателя с ферромагнитным полым ротором. Здесь также иногда применяется омеднение ротора.

Конструкция массивного ротора — более простая и механически значительно более прочная и надежная, чем полого ротора и ротора с беличьей клеткой, собранного из тонких листов. Этим и объясняется, что двигатели с массивным стальным ротором в настоящее время выполняются на очень большие частоты вращения (до 120000—150000 об/мин).

К недостаткам рассматриваемого двигателя, препятствующим его применению взамен обычного короткозамкнутого двигателя, следует отнести относительно низкий максимальный момент М_м из-за повышенного индуктивного сопротивления х₂ ротора, большие потери в роторе и, следовательно, низкий к.п.д.

Асинхронные исполнительные (или управляемые) двигатели

Исполнительными(или управляемыми) двигателями называются двигатели, предназначенные для преобразования электрического сигнала – амплитуды напряжения управления или его фазы – в механическое перемещение – вращение вала.

В системах автоматики и телемехани­ки, в схемах управления, регулирования и контроля находят широкое применение самые различные исполнительные двига­тели, отличающиеся друг от друга по роду тока, частоте питающей сети, угло­вой скорости вращения и др. (рис. 1). Исполнительные двигатели являются весьма важными элементами схем авто­матики и телемеханики. От качества ра­боты исполнительных двигателей во мно­гом зависит качество работы всей, часто очень сложной системы.

Особенностью режима работы испол­нительных двигателей автоматических систем является то, что они практически никогда не работают в номинальном ре­жиме — при номинальной частоте вра­щения. Для их работы в отличие от обыч­ных, силовых, двигателей характерны частые пуски, остановки, реверсы. С целью сокращения времени переходных процессов, в которых поч­ти постоянно находятся исполнительные двигатели, их стремятся выполнить малоинерционными.

Рис. 1 — Классификация исполнительных двигателей автоматических устройств

Конструктивной особенностью исполнительных двигателей яв­ляется то, что они практически никогда не снабжаются вентилято­рами для обеспечения самовентиляции (охлаждения), что объясня­ется, во-первых, малым значением рабочей частоты вращения в следящей системе, а во-вторых, нежеланием увеличивать момент инерции ротора.

В настоящее время в качестве исполнительных двигателей ис­пользуются: а) двухфазные асинхронные двигатели с повышенным активным сопротивлением ротора; б) двигатели постоянного тока с независимым возбуждением или постоянными магнитами; в) бес­контактные двигатели постоянного тока; г) синхронные —шаговые двигатели.

Почти все исполнительные двигатели (исключение составляют лишь двигатели с постоянными магнитами и некоторые шаговые двигатели) имеют две обмотки. На одну из них— обмотку возбуж­дения — постоянно подается напряжение питающей сети. На дру­гую — обмотку управления — электрический сигнал управления по­дается лишь тогда, когда необходимо вращение вала.

От значения (или фазы) напряжения управления зависит вра­щающий момент исполнительного двигателя, частота вращения его ротора, а следовательно, и развиваемая им мощность.

Характер требований, предъявляемых к исполнительным двигателям, определяется спецификой их работы в следящих системах. Такие требования, как максимум полезной мощности, высокие КПД и cos ф, которые являются основными для обычных силовых электродвигателей у исполнительных двигателей смещаются на второй план — они не являются определяющими при оценке каче­ства исполнительных двигателей.

Основные требования, предъявляемые к ис­полнительным двигателям, таковы: 1) отсутствие само­хода — самоторможение двигателя при снятии сигнала управления; 2) устойчивость работы во всем диапазоне угловых скоростей; 3) максимальная линейность механических и регулировочных харак­теристик; 4) большой пусковой момент; 5) хорошее быстродейст­вие; 6) малая мощность управления; 7) широкий диапазон регу­лирования частоты вращения; 8) малое напряжение трогания; 9) надежность в работе; 10) малые габаритные размеры и масса.

Необходимость строгого выполнения тех или иных требований определяется назначением и областью применения исполнительно­го двигателя. К исполнительным двигателям, предназначенным для работы в следящих системах точных приборов автоматики и вычислительной техники, предъявляются повышенные требования в отношении отсутствия самохода, линейности характеристик, бы­стродействия и т. п. К исполнительным двигателям, предназначен­ным для работы в автоматических устройствах общепромышленно­го назначения, предъявляются повышенные требования в отноше­нии энергетических показателей (КПД, cos φ), использования ак­тивных материалов и т. п. Например, для двигателей, работающих при постоянном, значительном по величине моменте сопротивле­ния не обязательно выполнение требования отсутствия самохода при холостом ходе (М=0); для моментных двигателей, работаю­щих в стопорном режиме (при и=0), не обязательно выполнение требования линейности механических и регулировочных характери­стик и т. п.

Общие сведения.

По своей конструкции асинхронные исполнительные двигате­ли—это двухфазные двигатели, имеющие на статоре две сдвинутые в пространстве на 90 эл. град обмотки (рис.2): обмотку воз­буждения В, непосредственно подключенную к сети, и обмотку уп­равления У, на которую подается управляющий сигнал, изменяю­щийся по величине или фазе.

Для того чтобы токи обмоток создавали вращающееся магнит­ное поле, необходим их сдвиг во времени. В схемах автоматики сдвиг токов (напряжений) во времени достигается различными пу­тями: за счет схем управления, фазовращателей, конденсаторов или различных преобразователей. Наилучшие энергетические по­казатели, наибольшую мощность исполнительные двигатели раз­вивают при круговом вращающемся поле, которое получается в случае сдвига токов в обмотках управления Iу и возбуждения Iв на четверть периода (90°) при равенстве амплитуд магнитодвижу­щих сил обмоток Fy_m=Fв_m.

Регулирование частоты вращения асинхронных исполнительных двигателей — управление двигателями — на практике чаще всего осуществляется одним из трех способов: либо путем изменения значения (амплитуды) напряжения управления при неизменной его фазе — амплитудное управление, либо путем изменения фазы напряжения управления при неизменной его величине — фазовое управление, либо путем одновременного изменения амплитуды на­пряжения управления и угла фазового сдвига между напряжения­ми управления и возбуждения — амплитудно-фазовое управление. Каждому способу управления соответствует вполне определенная схема включения исполнительного двигателя (см. рис.2).

Рис. 2 — Схемы включения асинхронных исполнительных дви­гателей при различных способах управления: а — амплитудном; б — фазовом, в — амплитудно-фазовом (конденсатор­ный сдвиг фаз)

При амплитудном управлении (рис.2,а) обмотка возбуждения В подключается к сети U_B=U₁= const. На обмотку управления У подается напряжение Uу, сдвинутое на четверть пе­риода (β= 90°) относительно напряжения возбуждения U_В. Значе­ние напряжения управления, изменяющегося в процессе регулиро­вания по амплитуде, обычно выражают в относительных единицах как отношение Uy к приведенному (к числу витков обмотки управ­ления) напряжению возбуждения U_B, называя это отношение (α) эффективным коэффициентом сигнала:

где k=w_B / wy — коэффициент трансформации; wy, w_B— эффектив­ные числа витков обмоток.