Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Гл. 30J Однофазные машины 611

но одно из них будет сильнее, в результате чего развивается пусковой момент М

и при М

> М„ двигатель пойдет в ход. При Z

= jaL направление вращения

будет обратным по сравнению с двумя другими случаями.

Пусковые условия будут лучшими при включении емкости в пусковую

фазу. Однако необходимей величина емкости С довольно велика, вследствие

чего размеры и стоимость конденсатора также велики. Поэтому конденсаторный

пуск применяется сравнительно редко, лишь при необходимости большого пус-

кового момента. Пуск с помощью индуктивного сопротивления дает наихудшие

результаты и в настоящее время почти не используется. Чаще всего применяется

пуск с помощью активного сопротивления. При этом обычно сама пусковая обмотка

выполняется с повышенным активным сопротивлением (уменьшенное сечеиие

обмоточного провода, а также намотка части витков катушек в бифиляр). Иногда

Г\\

}

ч«

45 1JJ ' as

Рис. 30-6. Схемы включения и вид механических характеристик одно-

фазных асинхронных двигателей с пусковой обмоткой (а, б) и конденса-

торных (9, г)

применяются также схемы пуска, когда в одну фазу включается активное,' а в дру-

гую — индуктивное- или емкостное сопротивление.

После того как двигатель при пуске достигнет определенной скорости вра-

щения, пусковая обмотка отключится с помощью центробежного выключателя,

реле времени, токового .реле или вручную. При этом двигатель будет работать

только с рабочей обмоткой, и относительно режима егр работы действительно все

сказанное в | 30-1.

Типичный вид механических характеристик однофазных двигателей показан

на рис. 30-6, а и б. Штриховая лииря в области 0 < s < 0,25 соответствует вклю-

чению обеих обмоток, а штриховая линия в области 0,25 < s < 1 — включению

только рабочей обмотки.

Для работы от однофазной сети могут быть использованы также трехфазные

двигатели. К числу лучших схем включения таких двигателей относятся схемы

рис. 30-7. Две нижние схемы рис. 30'7 применяются в случае, когда выведены все

шесть концов обмотки. Двигатели с соединением обмоток согласно схемам рис. 30-7

практически равноценны двигателям, которые спроектированы для работы как

однофазные. Номинальная мощность при этом составляет 40—50% от мощности

в симметричном трехфазном режиме. После окончания пуска фаза с пусковым

сопротивлением' отключается.

Асинхронный конденсаторный двигатель (рис. 30-8) имеет на статоре две

обмотки, которые обе являются рабочими, и в одну из этих обмоток включается

емкость С

, величина которой рассчитывается так, что при номинальной нагрузке

существует только вращающееся поле прямой последовательности Обе обмотки

при этом имеют фазные зоны по 90° эл. и

сдвинуты относительно друг друга в про-

странстве также на 90° эл. Мощность обеих

обмоток при Р = Р

также одинакова,

но их числа витков, токи и напряжения

различны. Конденсаторный двигатель

в сущности представляет собой двухфаз-

ный двигатель, который подключен посред-

ством конденсатора С

к однофазной сети

и при Р = Р

имеет симметричную на-

грузку фаз. При других нагрузках сим-

метрия н. с. фаз нарушается и появляется

также обратное поле, так как при раз-

личных нагрузках величины емкости; не-

обходимые для достижения симметричной

нагрузки, также различны.

Величина емкости С

, подобранная

по рабочему режиму, недостаточна для

получения высокого пускового момента

(рис. 30-6, в). Поэтому" в необходимых

Рис. 30-7. Некоторые схемы вклю-

чения трехфазных асинхронных дви-

гателей для работы от однофазной

сети

случаях параллельно С„ на время пуска

включается добавочная, пусковая емкость

(рис. 30-6, г).

Использование материалов в конден-

саторном двигателе и его к. п. д. значи-

тельно выше, чем в однофазных двигателях с пусковой обмоткой, и почти такие

же, как у трехфазных двигателей. Коэффициент мощности конденсаторного дви-

гателя ввиду наличия конденсатора выше, чем у трехфазных двигателей равной

мощности.

-и

Рис. 30-8. Схема асинхронного конденсаторного

двигателя (а) н его векторная диаграмма при кру-

говом поле (б)

В СССР изготовляются однофазные двигатели единой серии с пусковым

сопротивлением (АОЛБ), с пусковой емкостью (ДОЛГ) и конденсаторные с рабо-

чей и пусковой емкостью (АОЛД) мощностью от 18 до 600 вт. Двигатели с пуско-

вым активным сопротивлением применяются в стиральных и холодильных маши-

нах, доильных аппаратах, машинах для стрижкн овец, центрифугах, для при-

вода мелких станков и т. д. Двигатели с конденсаторным пуском используются

при повышенных требованиях к пусковому моменту (установки для кондициони-

рования воздуха, компрессоры н др.).

Величина рабочей емкости конденсаторного двигателя определяется из

следующих условий (рис. 30-8).

Коэффициентом трансформации k называется отношение числа витков кон-

денсаторной (Ь) и неконденсаториой (а) обмоток:

= ^ = (30-12)

При чисто круговом поле напряжения фаз сдвинуты по фазе на 90® н

ь=%Г

а (30-13)

или

=kXJ

, (30-14)

а н. с. обмоток

IътКб = IаРаКб (3°-

)

и токи /„, /» также сдвинуты по фазе на 90°.

Перемножив левые и правые части равенств (30-13) и (30-15), получим

Ubh = UJa> (30-16)

т. е. полные мощности обмоток при круговом поле равны и

(30-17)

Так-как напряжения фаз, так же как и токи, сдвинуты по фазе яа 90°, то

углы сдвига фаз между напряжением и током каждой обмотки при круговом поле

равны:

L(V

, t

)=£(U

, t

) = Фоб-

в результате чего равны также активные мощности фаз обмотки.

Кроме того (рис. 30-8, а),

=*ti. 0

+ 0

и сдвиг фаз между и напряжением конденсатора составляет 90

. Согласно этим

условиям построена векторная диаграмма (рис. 30-8, б). Нетрудно установить,

что изображенные на ней треугольники токов и напряжений подобны и имеют

углы, равные q)

На основании рис. 30-8, б напряжение на конденсаторе

81П

Необходимая для получения кругового поля емкость определяется соотно-

шением

1ь-

откуда

Асинхронные машины [Разд. IV

Мощность конденсатора

Ublb

Sin ф

6 '

(30-19)

С другой стороны, полная мощность двигателя, потребляемая из сети,

Ublb

S=U

I = U

I cos фоб = U

=•••

sm ф

о6

(30-20)

Отсюда следует, что мощность конденсатора должна быть равна полной мощности

двигателя при круговом поле. Таким образом, мощность конденсатора достаточно

велика.

Двигатель с экранированными полюсами (рис. 30-9, а) имеет на статоре явно-

выраженные полюсы с однофазной обмоткой О и ротор с обмоткой в виде беличьей

клетки. Часть наконечника каж-

дого полюса охвачена (экраниро-

вана) короткозамкнутым витком К.

Ток статора l

создает в неэкра-

иированной и экранированной ча-

стях полюса пульсирующие потоки

<Ь; и (рис. 30-9, б). Поток 4>s;

индуктирует в короткозамкнутом

витке э. д. с. Е

, которая отстает

от Ф' на 90°. Короткозамкяутый

ниток имеет определенное активное

и индуктивное сопротивления,

и его ток /

отстает от э. д. с. Ё

на угол ф„ < 90°. Ток /

создает

Рис. 30-9. Устройство (а) и векторная

диаграмма потоков статора (б) однофаз-

ного асинхронного двигателя с экраниро-

ванными полюсами

поток Ф

, и результирующий по-

ток экранированной частя полюса

сдвинут по фазе относительно потока неэкранированной части полюса Ф',на неко-

торый угол if. Так как потоки <Ь[ и Ф

сдвинуты также в пространстве, то возни-

кает вращающееся поле. Это поле не круговое, а эллиптическое, т, е. содержит

также составляющую обратной последовательности, так как потоки 4>{ и <Ь

не равны по величину и сдвинуты в пространстве и во времени на недостаточно

большие углы. Тем не менее, при пуске создается вращающий момент М„ = (0,2 -4-

0,5) М

Магнитное поле простейшего экранированного двигателя содержит значи-

тельную третью пространственную гармонику, которая вызывает большой провал

кривой момента (см § 25-3). Для улучшения формы поля применяют следующие

меры: между наконечниками соседних полюсов устанавливают магнитные шунты

Ш (рис. 30-9, а) из листовой стали, увеличивают зазор под неэкранированной

частью полюса, на каждом полюсе помещают два-три короткозамкнутых витка

разной ширины.

Вследствие больших потерь в короткозамкнутом витке двигатель имеет

низкий к п. д. (до 25—40%) Экранированные двигатели простейшей конструкции

строятся на мощности от долей ватта до гО^-ЗО тп, а при усовершенствованной

конструкции — до 300 вт Область применения этих двигателей — настольные

и прочие вентиляторы, проигрыватели, магнитофоны и пр.

Глава тридцать первая

АСИНХРОННЫЕ МИКРОМАШИНЫ

АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

§ 31-1. Асинхронные исполнительные двигатели

и тахогенераторы

Асинхронные исполнительные двигатели [7-11, 60, 61] широко применяются

в системах автоматического управления. Они представляют собой асинхрон-

ные двигатели небольшой мощности (0,1—300 вт) с двухфазной обмоткой статора

и короткозамкнутым ротором (рис. 31-1). Одна из обмоток статора называется

обмоткой возбуждения (В) и находится под постоянным напряжением [/„, а вто-

рая называется обмоткой управления (У) и питается напряжением C/

, величина

тельных двигателей

(рнс. 31-1, а и б) или фаза (рис. 31-1, в) которого изменяются пел воздействием

управляющего сигнала. В первом случае управление называется а м п-д и т у д -

н ы м, а во втором — фазовым. В обоих случаях напряжения 1/

и U

сдви-

нуты по фазе, в результате чего двигатель способен развивать вращающий мо-

мент.

Обычно к исполнительным двигателям предъявляются следующие требова-

ния: 1) отсутствие самохода, т. е. необходимость самоторможения и остановки

двигателя при снятии 'напряжения управления U

; 2) устойчивая работа во всем

диапазоне скоростей вращения; 3) изменение скорости вращения в широком

диапазоне при изменении величины или фазы напряжения управления; 4) близ-

кие к линейным механические (М = f (п) при U

— const) и регулировочные

(п= / (Uy) при М = const) характеристики; 5) большая величина пускового

момента; t>) малая мощность управления; 7) быстродействие; 8) надежность в ра-

боте; 9) малые габариты и вес.

Исполнительные двигатели строятся с таким расчетом, что круговое вра-

щающееся поле в них возникает только при пуске. Это способствует получению

большого пускового момента. Отсутствие самохода, устойчивая работа и линей-

ность характеристик достигаются выбором активного сопротивления ротора

настолько большим, что критическое скольжение s

= 3 -s- 4. При этих усло-

виях кривые моментов прямой последовательности М, и обратной последова-

тельности M

имеют вид, Изображенный иа рис. 31-2. Из рисунка видно, что при

снятии напряжения управления, когда токи прямой и обратной последователь-

ности равны (см. § 30-1), результирующий момент М = Мх + Л4

в рабочем диа-

пазоне скольжений (0 < s < 1) становится отрицательным, и поэтому при t/

= 0

C-^sps 2

—//

-"'^Мг

1,0

0,8

0,6

0,4

-i-

K~r*

Рис. 31-2. Кривые вращающих

моментов асинхронного испол-

нительного двигателя при

£/„ = 0

о,г

о,б о# 1,оf

Рнс. 31-3. Вид механических (а) и регули-

ровочных (б) характеристик асинхронного

исполнительного двигателя при амплитуд-

ном управлении

ротор исполнительного двигателя, в отличне от нормального двигателя при

работе в однофазном режиме (см. § 30-1), останавливается. Вместе с тем, увели-

чение сопротивления ротора исполнительного двигателя приводит к снижению

его номинальной мощности при

/ 2 3 ¥

тех же

габаритах в два-три раза.

Вид' механических и регу-

лировочных характеристик асин-

хронных исполнительных дви-

гателей при амплитудном упра-

влении показан на рис. 31-3.

Асинхронные исполнитель-

ные двигатели имеют следующие

разновидности конструкции ро-

тора: 1) с обмоткой в виде бе-

личьей клетки, 2) полый немаг-

нитный ротор и 3) полый ферро-

магнитный ротор. Двигатель

с полым немагнитным ротором

(рис. 31-4) имеет внешний и

внутренний статоры из листо-

вой электротехнической стали,

между которыми вращается

тонкостенный (0,2—1,0 мм) ро-

тор из алюминиевого сплава,

имеющий форму стаканчика.

Двухфазная обмотка обычно

располагается на внешнем ста-

торе. Двигатель с полым ферро-

магнитным ротором не имеет внутреннего статора, так как роЛь магннтопровода

выполняет сам ротор. Для улучшения технических показателей двигателя иногда

внешнюю цилиндрическую поверхность ферромагнитного ротора или его дннща

(торцевые пробки) покрывают медью.

Двигатели с полым немагнитным ротором имеют малую механическую инер-

цию и поэтому обладают большим быстродействием. Однако величина немагнит-

6 12 3

Рис. 31-4. Устройство асинхронного испол-

нительного двигателя с полым немагнитным

ротором

1 — внешний статор; 2 — внутренний статор;

3 — обмотка; 4 — подшипниковые щиты; 5 — вал;

6 — корпус; 7 — полый ротор

ного зазора магнитной цепи, между внешним и внутренним статорами, у них

получается большой (0,5—1,5 мм), что приводит к уменьшению к. п. д. и коэф-

фициента мощности к к увеличению габаритов и веса. Из-за последних двух

факторов в ряде случаев преимущество этих двигателей в быстродействии те-

ряется. Эти двигатели также менее надежны в работе, чем двигатели с беличьей

клеткой.

Двигатели с полым ферромагнитным ротором имеют весьма большое актив-

ное сопротивление ротора, и поэтому их к. п. д. еще ниже, чем у двигателей

с полым немагнитным ротором.

Наиболее часто применяются двигатели с беличьей клеткой и полым немаг-

нитным ротором. Исполнительные двигатели изготовляются на номинальные

частоты 50—1000 гц.

В некоторых системах автоматического управления используются управ-

ляемые двигатели, роторы которых не вращаются, а лишь поворачиваются в пре-

делах некоторого небольшого угла. Воздействие этих двигателей на управляемый

объект зависит о<г величины развиваемого ими вращающего момента, и такие

двигатели называются моментными. Величина их момента также зависит

от напряжения обмотки управления.

Асинхронные тахогенераторы. Тахогенераторы переменного тока можно вы-

полнить в виде небольших синхронных генераторов, величина э. д. с. которых

при постоянном потоке возбуждения попорциональна скорости вращения. Однако

такие тахогенераторы имеют переменную частоту, что является их существенным

недостатком. В связи с этим применяются асинхронные тахогенераторы (рис. 31-5),

устройство которых вполне аналогично устройству исполнительного двигателя

с полым ротором.

Обмотка возбуждения В тахогенератора питается от сети переменного тока

с / = const и создает пульсирующий поток Ф

. При неподвижном роторе

(рис. 31-5, б) этот поток индуктирует в роторе э. д. с. трансформации, в ре-

зультате чего в роторе возникают токи, которые создают магнитный поток, дей-

ствующий по оси обмотки возбуждения. Этот поток с сигнальной обмоткой С

не сцепляется, так как эта обмотка сдвинута относительно обмотки В на 90°.

Поэтому при п — 0 напряжение сигнальной обмотки t/

= 0. При вращении

ротора в ием индуктируется также э. д. с. вращения, в результате чего в роторе

возникает также Другая система токов (рис. 31-5, в), которая создает поток Ф

сцепляющийся с сигнальной обмоткой. Этот поток пульсирует с частотой тока

возбуждения, величина его пропорциональна п, ив обмотке С индуктируется

э. д. с. £

~ п. К этой обмотке присоединяется нагрузка в виде измерительного

прибора или элемента системы автоматического регулирования.

Ф , Ф в)

Фс

Рис. 31-5. Схема (а) асинхронного тахогенератора и рас-

пределение в роторе токов трансформации (б) и враще-

ния (в)

618

Асинхронные машины [Разд. IV

§ 31-2. Вращающиеся трансформаторы

Вращающиеся, или поворотные, трансформаторы [7—11] применяются в авто-

матических и счетно-решающих устройствах для получения напряжений пере-

менного тока, пропорциональных синусу и косинусу угла поворота а ротора

трансформатора или пропорциональных самому углу поворота.

По своей конструкции вращающийся трансформатор подобен асинхронному

двигателю с фазным ротором и имеет на статоре и роторе симметричные двухфаз-

ные обмотки со сдвигом в пространстве на 90° эл. (рис. 31-6). Концы обмотки ротора

выводятся наружу с помощью щеток или при ограниченном угле поворота также

с помощью гибких проводников.

Вследствие сдвига обмотки на 90° эл. взаимная индуктивность между фазами

обмотки статора, как и между фазами обмотки ротора, равна нулю. В то же время

взаимная индуктивность между фазами обмоток

статора и ротора должна с возможно большей

точностью меняться в зависимости от угла а

по синусоидальному закону. Для этого стремятся

Zrpt

Рис. 31-бг Схема сое-

динений синусно-коси-

нусного вращающегося

трансформатора

Zxp

Рис. 31-7. Схемы соединений ли-

нейного вращающегося трансфор-

матора

к тому, чтобы-форыы кривых магнитных полей обмоток были по возможности

ближе к синусоидальной и э.^д. е., индуктируемые высшими пространственными

гармониками поля, были минимальны. Жесткие требования предъявляются к

точности Изготовления и качеству магнитопрОвода. Нередко применяются

синусные обмотки (см. § 22-4). В ряде случаев максимальная погрешность вос-

произведения функций sin а и cos а не превышает 0,02—0,03%

Обмотка статора 1с (рис. 31-6) является обмоткой возбуждения и приклю-

чается к сети переменного тока со стабилизированным напряжением. Поток

возбуждения, создаваемый этой обмоткой, индуктирует в обмотке ротора 1р

э. д. е., пропорциональную 3in а, а в обмотке 2р — э. д. е., пропорциональную

cos а. При подключении к одной или обеим обмоткам ротора нагрузки в них

возникают токи, создающие в машине вторичное магнитное -поле. Индуктируемые

этим полаа э. д. с. могут исказить синусную и косинусную зависимостй вторич-

ных напряжений от угла поворота. Во избежание этого необходимо иметь в це-

пях вторичных обмоток равные сопротивления нагрузки Z

. pa — Z

. pi либо

замкнуть вторичную обмотку статора 2с на сопротивление Z

, величина которого

равна внутреннему сопротивлению источника питания обмотки к. В обмотке

Гл. 31] Микромашины автоматических устройств

619

2с при этом индуктируется ток, который компенсирует вторичный магнитный

поток, действующий перпендикулярно оси обмотки возбуждения. Указанные

мероприятия называются соответственно вторичным и первичным

симметрированием вращающегося трансформатора.

Схемы для получения на сопротивлении нагрузки Z„

напряжения, изме,-

няющегося линейно в функции угла поворота ротора, изображены на рис. 31-7.

При соответствующем подборе величин сопротивлений Z

или Z

линейная

зависимость этого напряжения достигается в пределах 0 < а < 60°.

Вращающиеся трансформаторы применяются также для определения (по ве-

личинам напряжений вторичных обмоток) гипотенузы прямоугольного треуголь-

ника по заданным его катетам или для определения одного катета по заданным

гипотенузе и другому катету. Аналогично находится также величина некоторого

вектора по его составляющим и наоборот. Выходные напряжения трансформа-

тора подаются на входные элементы системы автоматического регулирования.

В последнее время изготовляются также вращающиеся трансформаторы

с печатными обмотками, расположенными на дискообразных или цилиндрических

поверхностях статора или ротора. Такие обмотки, выполняемые подобно печат-

ным радиомонтажиым схемам, позволяют избежать погрешностей, связанных

с зубчатым слоением статора и ротора обычного вращающегося трансформа-

тора и пр.

§ 31-3. Однофазные сельсины

Сельсины (сокращение, происшедшее от английского слова selfsynchroni-

zing — самосинхронизирующийся) применяются чаще всего- для синхронного

поворота или вращения двух или нескольких осей, не связанных друг с другом

механически, а также для некоторых дру- -

гих целей.

Однофазные сельсины чаще всего имеют

следующее устройство (рис. 31-8). На явно-

выраженных полюсах статора расположена

сосредоточенная обмотка возбуждения В,

а в пазах цилиндрического ротора — три

распределенные обмотки синхронизации С,

которые сдвинуты относительно друг друга

в пространстве иа 120° эл. и вполне анало-

гичны трехфазной обмотке нормальной ма-

шины переменного тока. Обмотки ротора

соединяются с внешними цепями с помощью

контактных колец и щеток. Сердечники ста-

тора и ротора собраны из листовой электро-

технической стали.

Рассмотрим работу однофазных сель-

синов.

В. индикаторном режиме работы (рис.

31-8) один сельсин-датчик Д управляет ра-

ботой одного или нескольких сельсинов-приемников П. Обмотки возбужде-

ния В этих оельсинов включаются в общую сеть, а обмотки синхронизации С

соединяются друг с другом, как показано на рис. 31-8. Пульсирующее поле

возбуждения индуктирует э. д. с. в «фазах» обмоток синхронизации. Если углы

поворота соответствующих фаз датчика {5

и приемника Р

шаотношению к осям

полюсов одинаковы (Р

= р

), то э. д. с. соединенных друг с другом «фаз» обмо-

ток синхронизации также одинаковы:

однофазных сельсинов при инди-

каторном режиме работы

и направлены встречно. При этом в обмотках синхронизации не возникает ника-

ких токов и электромагнитные моменты сельсинов равны нулю. Если же роторы

сельсинов будут занимать неодинаковое положение и поэтому так называемый

угол рассогласования

ЛР=Р

-Р„

будет не равен нулю, то указанные выше равенства э. д. с. нарушатся, в обмот-

ках синхронизации возникнут токи и на роторы сельсинов будут действовать

электромагнитные моменты М

и М

. Более подробный анализ этого вопроса

показывает, что моменты датчика и приемника имеют разные знаки и оба дей-

ствуют в направлении уменьшения угла рассогласования Д(1. Если бы момент со-

противления на валу сельсина-приемника был равен нулю, то ДР = 0 и ротор

Рис. 31-9. Устройство бесконтактного сельсина

этого сельсина в точности воспроизводил бы движения ротора сельсина-датчика,

притом не'только в режиме медленного поворота ротора, но и при его вращении

с определенной скоростью. В действительности на ротор сельсина-приемннка

действуют определенные, хотя и небольшие тормозные моменты. Это моменты от

трения в подшипниках, на контактных кольцах и о воздух в сельсине, а также

небольшой момент сопротивления механизма, соединенного с валом сельсина-

приемника (стрелка или шкала указательного прибора — индикатора, движок

небольшого реостата и др.). Поэтому всегда существует небольшая ошибка ДР

в передаче угла. Некоторая ошибка возникает также в результате различных

неточностей в изготовлении сельсинов, зубчатого строения их ротора и т. д.

Сельсины различных классов точности имеют максимально допустимые

значения углов рассогласования (ошибок) в пределах 0,25—2,5°. Мак-

симальный момент сельсинов-приемников обычно находится в пределах

200—2000 гс-см.

Используются также другие схемы включения и режимы работы сельсинов

[7-11, 62].

Бесконтактные сельсины (рис. 31-9), предложенные А. Г. Иосифьяиом н

А. Б. Свечарником в 1938 г., имеют то преимущество, что отсутствие скользя-

щих щеточных контактов увеличивает надежность работы сельсинов и уменьшает

их погрешности вймду уменьшения потерь на трение. В таких сельсинах обе об-

мотки размещаются на статоре 1, а ротор 3 ие имеет обмоток. Обмотки синхро-

низации 5 этого сельсина располагаются на статоре, который по своей конструк-

ции аналогичен статору асинхронного двигателя. Обмотка возбуждения 2 имеет

вид кольцевых коаксиальных катушек, охватывающих ротор. Особенностью уст-