Кулик Ю.А. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 4.64. Конструкция асинхронного двигателя с полым ротором: 1 — наружный статор; 2 — тонкостенный

алюминиевый стакан; 3 — внутренний статор; 4 — обмотка наружного статора; 5 — вал

тора так же, как и в стержнях короткозамкнутой клетки, наводятся токи. В результате их

взаимодействия с вращающимся магнитным полем создается электромагнитный момент

двигателя. Активное сопротивление r

полого ротора велико, поэтому обычно критическое

скольжение s

= 2÷4. Стакан 2 ротора располагается в воздушном зазоре между

шихтованными статорами 1 и 3, выполненными из лакированных листов

электротехнической стали. Между стенками ротора и статорами имеются воздушные

зазоры размером 0,1÷0,25 мм.

Общая величина одного расчетного зазора складывается из двух воздушных зазоров и

толщины стенки стакана немагнитного ротора и обычно составляет 0,5÷1,5 мм.

Наружный статор 1 выполнен так же, как и у обычных конденсаторных двигателей. На

нем имеются две обмотки 4, сдвинутые в пространстве под углом 90 эл.град. Внутренний

статор 5 служит для уменьшения магнитного сопротивления пути потока, проходящего

через воздушный зазор. У двигателей некоторых типов на внутреннем статоре имеются

пазы, в которых располагается одна или две статорные обмотки.

Магнитный поток из статора 1 проходит через возду

шный зазор, стакан 2, второй

воздушный зазор и далее, по внутреннему статору 3 через воздушный зазор и полый

стакан ротора, возвращается в статор 1. Вследствие большого воздушного зазора

двигатель имеет повышенное значение тока холостого хода, доходящее до 90% от

номинального, что снижает к. п. д. и является су

щественным недостатком. При

отсутствии конденсатора cosφ = 0,4÷0,5. Поэтому в тех случаях, когда двигатель соединен

с механизмами, имеющими большую инерцию, целесообразнее использовать

асинхронный двигатель обычного типа с повышенным сопротивлением ротора, который

имеет меньшие ток и габариты.

Индуктивное сопротивление х

двигателя с немагнитным ротором весьма мало. Это

благоприятно сказывается на механических и регулировочных характеристиках.

Практически сопротивлением ротора х

можно пренебречь и считать, что х

= х

. Таким

образом, сопротивление короткого замыкания х

двигателя с полым ротором уменьшается

примерно вдвое по сравнению с двигателем, имеющим обмотку ротора типа беличьей

клетки. Это позволяет при сохранении того же значения критического скольжения, что и в

двигателе обычного исполнения, уменьшить вдвое r

, в результате к. п. д. двигателя

281

увеличивается, но остается все-таки низким, порядка 20÷40%. Это объясняется большими

потерями в статоре от намагничивающего тока.

Двигатели с полым стальным ротором. В некоторых случаях применяют полый

стальной ротор, по которому замыкается магнитный поток. Такой двигатель не имеет

внутреннего статора. Поэтому воздушный зазор остается таким же, как в двигателе с

ротором обычного типа. Проникновение электромагнитного поля

в глубь ротора невелико, вследствие чего сопротивление r

ротора оказывается

значительным, и характеристики двигателя приближаются к линейным. По сравнению с

двигателем с немагнитным ротором двигатель с полым стальным ротором имеет больший

момент инерции и меньший пусковой момент, что значительно снижает его

быстродействие.

Иногда поверхность полого стального ротора покрывают слоем меди толщиной 0,05÷0,1

мм. В этом случае к контурам по стали ротора добавляются контуры по медному

покрытию, в результате чего активное сопротивление ротора уменьшается, а мощность и

момент увеличиваются. При неравномерном воздушном зазоре двигатели с полым

стальным ротором испытывают одностороннее магнитное притяжение, при котором

может иметь место прилипание ротора. Двигатели с полым немагнитным ротором

свободны от этого недостатка.

Асинхронные двигатели с полым ротором изготовляются для мощностей от долей ватта

до нескольких сотен ватт. Двигатели с полым стальным ротором имеют меньшее

распространение, чем двигатели с полым немагнитным ротором.

Способы управления. Исполнительные двигатели на статоре имеют две отдельные

обмотки, сдвинутые в пространстве под углом 90 эл. град. Одна из них (обмотка 05, рис.

4.65) постоянно присоединена к напряжению сети. Ее называют обмоткой возбуждения.

На другую обмотку (ОУ) подается сигнал управления, величина или фаза которого

определяют скорость вращения двигателя. Ее называют обмоткой управления.

Для изменения скорости вращения асинхронного исполнительного двигателя изменяют

степень эллиптичности магнитного поля от кругового до пульсирующего. При

максимальном значении сигнала на обмотке управления (α = 1) поле кру

говое. По мере

уменьшения сигнала поле приобретает более эллиптический характер. При α = 0 поле

становится пульсирующим. Управление исполнительным двигателем может

осуществляться изменением напряжения на обмотке управления по амплитуде, по фазе

или же по фазе и амплитуде. Первый способ управления называют амплитудным, второй

— фазовым, третий — амплитудно-фазовым.

При амплитудном управлении напряжение на обмотке у

правления всегда сдвинуто на

четверть периода относительно напряжения на обмотке возбуждения (рис. 4.65, а).

Регулирование производится изменением амплитуды напряжения на обмотке ОУ.

Круговое поле имеет место при номинальном сигнале на обмотке управления (α = 1)

независимо от скорости вращения двигателя. При уменьшении значения сигнала а поле

становится эллиптическим.

При фазовом управлении амплитуда напряжения на обмотке управления сохраняется

неизменной, но изменяется его

282

фаза (рис. 4.65, б). Независимо от скорости вращения двигателя круговое поле имеет

место при номинальном сигнале на обмотке управления, когда напряжение на обмотках

сдвинуто на четверть периода. При изменении фазы напряжения на обмотке управления

поле становится эллиптическим. Величина сигнала α оценивается синусом угла сдвига

фазы напряжения на обмотках. При α = 0 напряжение на обмотках управления и

возбуждения находится в фазе, и поле становится пульсирующим.

Рис. 4.65. Схемы и векторные диаграммы напряжений асинхронных исполнительных двигателей: а — с

амплитудным управлением; б — с фазовым управлением; в — с амплитудно-фазовым управлением

(конденсаторная схема)

При амплитудно-фазовом управлении сдвиг тока обычно осуществляется введением

конденсатора в цепь обмотки возбуждения (рис. 4.65, в). Конденсаторный способ питания

как наиболее простой и эффективный получил наибольшее распространение.

Регулирование двигателя осуществляется изменением напряжения на обмотке

управления. При этом в результате электромагнитного взаимодействия контуров

вращающегося двигателя изменяются величина и фаза напряжения на обмотке

возбуждения. Круговое поле имеет место только при одном режиме. Обычно параметры

схемы подбираются так, чтобы магнитное поле двигателя было круговым в момент пуска

при номинальном сигнале управления (α = 1). При вращении двигателя поле становится

эллиптическим независимо от значения сигнала управления. Образующееся при этом

обратное

поле создает тормозной момент и снижает к. п. д., но зато регулировочные свойства

двигателя оказываются хорошими.

В некоторых случаях включают конденсатор не только в цепь возбуждения, но и в цепь

обмотки управления. Вследствие компенсации индуктивности ток обмотки управления

283

уменьшается, что весьма желательно, так как мощность питающих схему усилителей

ограничена. При такой схеме питания механические характеристики двига-

Рис. 4.66 Механические характеристики исполнительного асинхронного двигателя с полым немагнитным

ротором

Рис. 4.67 Регулировочные характеристики исполнительного асинхронного двигателя с полым немагнитным

ротором

теля становятся более устойчивыми, и его полезная мощность увеличивается.

Характеристики и постоянные времени. Характеристики асинхронных исполнительных

двигателей обычно выражают в относительных единицах. Коэффициент сигнала α,

относительные момент т и скорость вращения υ имеют тот же смысл, что и у

исполнительных двигателей постоянного тока. При фазовом регулировании под

коэффициентом сигнала а следует понимать синус угла сдвига между напряжениями на

обмотках возбуждения и управления.

Механические характеристики двигателя с фазовым управлением (рис. 4.66, кривая 1)

более линейны, чем характеристики двигателя с амплитудным (кривая 2) и с амплитудно-

фазовым (кривая 3) управлением. Характеристики двигателя с фазовым управлением

имеют одинаковую жесткость при разных значениях коэффициента сигнала α (на рис. 4.66

284

они располагаются почти параллельно). Характеристики 3 при амплитудно-фазовом

управлении в большей степени, чем другие, отличаются от линейных.

Регулировочные характеристики двигателя с фазовым управлением (рис. 4.67, кривые 1)

также более линейны, чем характеристики при амплитудном (кривые 2) и амплитудно-

фазовом (кривые 3)

управлении. При малых относительных скоростях вращения v все регулировочные

характеристики имеют более линейный характер. Поэтому, для того чтобы рабочий

участок характеристики был более линейным, необходимо повысить частоту питающей

сети, что при-

Рис. 4.68. Зависимость полной механической мощности асинхронного исполнительного двигателя с полым

ротором от скорости вращения

водит к увеличению n

и к уменьшению υ. Однако при этом уменьшается коэффициент

сигнала α, что увеличивает эллиптичность поля и снижает к. п. д. двигателя.

При уменьшении коэффициента сигнала α максимальное значение полной механической

мощности Р

уменьшается (рис. 4.68). При больших значениях коэффициента сигнала α

наибольшая механическая мощность имеет место при амплитудно-фазовом управлении

(кривая 1) по сравнению с амплитудным (кривая 2) и с фазовым (кривая 5) управлением.

Из сравнения механических характеристик асинхронного исполнительного двигателя при

разных значениях активного сопротивления обмотки ротора (рис. 4.69) следует, что при

уменьшении активного сопротивления r

механическая характеристика в большей степени

отклоняется от линейной

285

Рис. 4.69. Механические характеристики исполнительного асинхронного двигателя при амплитудном

управлении, r

< r

2б

< r

2в

зависимости. При малом значении r

может появиться область неустойчивой работы, что

имеет место при сопротивлении r

(область а — а'). Кроме того, можно заметить, что в

случае α = 0,5 при уменьшении активного сопротивления r

увеличивается максимальная

теоретически возможная скорость вращения (скорость υ при т = 0). Это справедливо для

всех значений α, за исключением α = 1, когда максимальная теоретически возможная

скорость равна синхронной.

Электромеханическая постоянная времени асинхронного исполнительного двигателя

где М

— пусковой момент двигателя при круговом вращающемся поле (α = 1).

Электромеханическая постоянная времени Т

уменьшается с уменьшением частоты

питающей сети и с увеличением числа полюсов двигателя. Электромеханическая

постоянная времени исполнительных двигателей мощностью до 15÷20 вm при частоте

питающей сети f = 400÷500 гц и круговом поле имеет следующие значения: для

двигателей с полым немагнитным ротором Т

= 0,02÷0,15 сек; для двигателей с

короткозамкнутым ротором обычного типа Т

= 0,3÷1,5 сек; для двигателей с полым

стальным ротором Т

= 1,5÷3 сек. Таким образом, наибольшим быстродействием обладает

двигатель с полым немагнитным ротором.

Сравнение исполнительных двигателей постоянного тока и асинхронных. По

сравнению с исполнительными двигателями постоянного тока регулируемые асинхронные

двигатели имеют меньшую стоимость и более надежны. Кроме того, вследствие

отсутствия скользящего контакта между щетками и коллектором они не нуждаются в

защитных фильтрах от радиопомех и герметизации во взрывобезопасных помещениях.

Однако характеристики асинхронных исполнительных двигателей хуже, чем у двигателей

постоянного тока с якорным управлением. Для сравнения на рис. 2.69 и 2.70 тонкими

пунктирными линиями представлены характеристики асинхронных исполнительных

двигателей.

286

Характеристики современных асинхронных исполнительных двигателей удовлетворяют

требованиям автоматики и, поскольку такие двигатели дешевы и надежны в работе, они

получили преимущественное распространение. Их недостатками по сравнению с

исполнительными двигателями постоянного тока являются большие габариты и меньший

к. п. д.

ВОПРОСЫ

1. В чем состоят особенности регулируемого исполнительного двигателя по сравнению с обычным

асинхронным двигателем? Почему асинхронные двигатели обычного типа при пульсирующем одноосном

потоке продолжают

вращаться, а исполнительные двигатели останавливаются? При каком значении критического скольжения

отсутствует самоход двигателя?

2. Каким образом осуществляется изменение скорости вращения исполнительных двигателей? Как влияет

активное сопротивление ротора на характеристики исполнительного двигателя? Какое влияние на работу

двигателя оказывает обратно-синхронное поле? Какие преимущества и недостатки имеет двигатель с полым

немагнитным ротором?



287

§ 4.9. ИНДУКЦИОННЫЕ МАШИНЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Асинхронный тахогенератор. Особенностью конструкции асинхронного тахогенератора

по сравнению с конструкцией исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором

(см. рис. 4.64 и описание к нему) является то, что у тахогенератора обычно одна статорная

обмотка располагается на наружном статоре, а другая — на внутреннем. Одна из обмоток

статора (А, рис. 4.70) является обмоткой возбуждения. К ее зажимам подводится

напряжение

сети переменного тока, имеющего частоту f

. Другая обмотка (В) выходная, к ее зажимам

присоединяется измерительный вольтметр или усилительная схема, которые

представляют собой по отношению к тахогенератору нагрузочное сопротивление Z

нг

Создаваемый обмоткой возбуж

дения пульсирующий поток Ф пронизывает стакан ротора.

В результате в его контурах, находящихся в плоскости обмотки возбуждения А (например,

в контуре аа'), индуктируется трансформаторная э. д. с, вызывающая токи. Контуры этих

токов магнитно связаны с обмоткой возбуждения А и не связаны с перпендикулярной к

ней выходной обмоткой В. При неподвижном роторе напряжение на зажимах выходной

обмотки В отсутствует, так как обмотка возбуждения А и контуры ротора аа' не наводят в

ней никаких э. д. с.

В контурах ротора (вв'), расположенных перпендикулярно плоскости обмотки

возбуждения А, магнитный поток Ф индуктирует э. д. с. вращения Е

. Так как поток Ф

пульсирует с частотой f

то э. д. с. Е

и вызываемые ею токи являются переменными и

изменяются во времени с той же частотой. Контуры вв' расположены в одной плоскости с

выходной обмоткой статора В. Поэтому в результате трансформаторной взаимосвязи в

выходной обмотке индуктируется э. д. с, пропорциональная скорости вращения, которая

имеет частоту сети f

. Таким образом, в короткозамкнутых кон-

Рис. 4.70. Схема соединения обмоток асинхронного тахогенератора

турах ротора, расположенных перпендикулярно плоскости обмотки возбуждения

индуктируется э. д. с. вращения. В результате трансформаторного взаимодействия

вызванные ею токи ротора наводят в выходной обмотке статора э. д. с.,

пропорциональную скорости вращения.

Вследствие падения напряжения в выходной обмотке и влияния токов, вызванных

паразитными полями, выходная характеристика U

вых

= f(n) асинхронного тахогенератора

нелинейна. Ее отклонение от линейной зависимости называется амплитудной по-

288

Рис. 4.71. Зависимость амплитудной погрешности от относительной скорости вращения при индуктивном

(1), активном (2) и емкостном (3) нагрузочных сопротивлениях

Рис. 4.72. Зависимость фазовой погрешности от относительной скорости вращения при емкостном (1),

активном (2) и индуктивном (3) нагрузочных сопротивлениях

грешностью. Зависимость выходной характеристики от сопротивления Z

нг

измерительного вольтметра для асинхронного тахогенератора приблизительно

соответствует характеристике тахогенератора постоянного тока (рис. 2.40). При

увеличении нагрузочного сопротивления Z

нг

крутизна увеличивается, а характеристика

приближается к линейной.

В результате взаимодействия токов в стакане полого ротора, вызванных

трансформаторными э. д. с. и э. д. с. вращения, фаза напряжения U

вых

выходной обмотки

зависит от скорости вращения. Изменение фазы выходного напряжения называется

фазовой погрешностью.

Наименьшая амплитудная погрешность имеет место при активно-емкостной нагрузке

(рис. 4.71), наименьшая фазовая погрешность — при активно-индуктивной нагрузке (рис.

4.72). Анализируя погрешности (рис. 4.71 и 4.72), можно заметить, что при снижении

относительной скорости вращения υ все погрешности уменьшаются. Поэтому для

снижения погрешностей следует увеличивать частоту f

питающей сети, так как при этом

уменьшается υ, вследствие увеличения базисной скорости вращения n

При увеличении активного сопротивления стакана ротора все погрешности

тахогенератора резко снижаются, но уменьшается крутизна выходных характеристик. Для

увеличения активного сопротивления полого ротора его изготовляют из фосфористой

бронзы, при этом крутизна выходных характеристик асинхронного тахогенератора

289

обычно составляет 5÷10 в на 1000 об/мин. Изменение сопротивления стакана полого

ротора при нагреве существенно влияет на величину погрешности. Для уменьшения

температурной погрешности роторы асинхронных тахогенераторов иногда

Рис. 4.73. Мостиковая схема соединения обмоток статора тахогенератора для уменьшения остаточного

напряжения

Рис. 4.74. Асинхронный тахогенератор с полым немагнитным ротором (обмотки расположены на наружном

и внутреннем статорах): 1 — подшипниковый щит; 2 — полый ротор; 3 — наружный статор; 4 —

внутренний статор; 5 — подшипниковый щит

изготовляют из марганцевистого алюминия, имеющего малый температурный

коэффициент.

Погрешность тахогенератора может быть также вызвана остаточным напряжением при

неподвижном роторе, которое имеет место вследствие неточного смещения осей обмоток

статора на угол 90 эл. град. При этом в выходной обмотке индуктируется э. д. с.,

обусловленная трансформаторной связью между обмотками возбуждения и выходной. Эта

э. д. с. вносит особенно большие погрешности при мало

й скорости вращения ротора,

когда э. д. с. вращения мала. Для уменьшения влияния магнитной несимметрии обмотки

статора соединяют по мостиковой схеме (рис. 4.73), в которой остаточное напряжение

уменьшается за счет параллельного присоединения к отдельным плечам обмотки

сопротивления R или емкости С. В большинстве случаев одну обмотку статора

располагают на внешнем статоре, а другую на внутреннем (рис. 4.74).

После сборки тахогенератора при неподвижном роторе подводят напряжение к обмотке

возбуждения и поворачивают внутренний статор в положение, в котором остаточное

напряжение является наименьшим. При этом положение статора фиксируют стопорным

винтом.

290