6. Асинхронные машины cпециального назначения

			n	Ср Ср +Сп
			nн
А	Ср	Сп		M н
	В			M кр
				M п M
	а			б

Рис. 6.8. Схема включения и механические характеристики однофазного асинхронного двигателя с пусковой и рабочей емкостями

Наиболее простым по конструкции, а следовательно, и наиболее дешевым однофазным асинхронным двигателем является двигатель с экранированными полюсами [27]. Его применяют в микроприводах с невысоким пусковым моментом (0,2−0,4)Мн: вентиляторы, проигрыватели.

Две фазы потока создают эллиптичное вращающееся магнитное поле, приводящее ротор во вращение. КПД двигателя невелик вследствие больших потерь в короткозамкнутом витке. У двигателя невысокая перегрузочная способность: (1,1−1,4)Мн. Кратность пускового тока составляет (1,2−1,5)Iн, что повышает надежность двигателя, позволяя ему работать без значительного перегрева обмоток в стопорном режиме.

С начала 70-х гг. ХХ в. выпускают однофазные асинхронные двигатели, в которых пуск осуществляют за счет несимметрии магнитной системы [27]. Две фазы потока в них получают за счет создания на пути магнитного потока участков магнитопровода с высокой степенью насыщения. Обычно эти участки располагают на статоре, реже − на роторе. Энергетические характеристики и пусковые свойства такого двигателя не выше двигателя с экранированными полюсами, но его изготовление несколько проще.

6.3. Двухфазные управляемые асинхронные двигатели автоматических устройств

Управляемыми (исполнительными) двигателями автоматических устройств называют двигатели, предназначенные для преобразования электрического сигнала – амплитуды напряжения или его фазы – в механическое перемещение – вращение вала. В качестве управляемых двигателей используют асинхронные двухфазные, синхронные шаговые, постоянного тока: коллекторные и бесконтактные. Особенностью режима работы управляемого двигателя автоматической системы является то, что он прак-

260

6. Асинхронные машины cпециального назначения

тически никогда не работает в номиналь-

ном режиме – при номинальной частоте

вращения. Для его работы в отличие от

Uв

В

УУ

силовых двигателей характерны частые

Uу

пуски, остановы, реверсы.

На статоре асинхронного двухфаз-

У

ного двигателя размещены две обмотки,

Рис. 6.9. Схема асинхронного

сдвинутые одна относительно другой на

90° эл. (рис. 6.9). На одну из них (обмот-

исполнительного двигателя

ку возбуждения) постоянно подается напряжение питающей сети. На другую (обмотку управления) электрический управляющий сигнал, изменяющийся по величине или фазе, подается лишь тогда, когда необходимо вращение вала.

Регулирование частоты вращения осуществляют либо изменяя значения напряжения при неизменной фазе (амплитудное управление), либо изменяя фазы напряжения управления при неизменной амплитуде (значении) напряжения (фазовое управление), либо одновременно изменяя и величину, и фазу управляющего напряжения (амплитудно-фазовое управление). Последний способ управления реализуют, включая в цепь обмотки возбуждения фазосдвигающий конденсатор и изменяя напряжение управления только по амплитуде. При этом одновременно изменяется напряжение возбуждения как по амплитуде, так и по фазе. Во всех способах уменьшение частоты вращения достигается путем увеличения эллиптичности – возрастания обратно вращающегося поля, которое создает тормозной момент. Простота и дешевизна способов управления оправдывает их неэкономичность.

Для обеспечения устойчивой работы двигателя во всем диапазоне изменения частоты вращения от 0 до nc и устранения самохода его роторные обмотки выполняют с большим активным сопротивлением. Критическое скольжение такого двигателя всегда sкр > 1, а его механическая характеристика представлена кривой 2 на рис. 6.10, а. Цифрой 1 отмечена характеристика двигателя общего назначения. Жирными линиями показаны части характеристик, обеспечивающих устойчивую работу. Вместе с увеличением диапазона устойчивой работы у двигателя с повышенным сопротивлением отсутствует самоход: двигатель тормозится при снятии управляющего сигнала. Действительно, при переходе в однофазный режим его результирующий момент (М = М1 + М2) становится отрицательным (рис. 6.10, б) и двигатель быстро останавливается. Механическая характеристика двухфазного управляемого асинхронного двигателя при меньшем напряжении управления показана на рис. 6.10, а штриховой линией 3. Изменение частоты вращения холостого хода управляемого двигателя при изменении управляющего напряжения является его преимуществом. Нелинейность характеристик следует отнести к недостаткам таких двигателей.

261

6. Асинхронные машины cпециального назначения

n s				s
s = 0		1	0
n = nc				M1
s кр	2		M
			1	M
3
		Mкр	M 2
1			M
0			2
	а		б

Рис. 6.10. Механические характеристики асинхронных двигателей силового и исполнительного (а) и устранение самохода (б)

Для получения критического скольжения в двигателе sкр > 1 стержни короткозамкнутого ротора, по конструкции не отличающегося от силовых двигателей, выполняют из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь, фосфористая бронза и т. д.) и сравнительно малым поперечным сечением. Основным недостатком двигателя с короткозамкнутым ротором обычной конструкции является большой момент инерции, снижающий быстродействие исполнительного двигателя.

Значительное распространение получили двигатели с полым немагнитным ротором (рис. 6.11) и запрессованным в корпус 2 внешним статором 1, на котором укреплены две обмотки 3, сдвинутые в пространстве на угол 90° эл. Ротор 4 выполнен в виде тонкостенного стакана из немагнитного материала, чаще всего из алюминия. Своим дном ротор жестко укреплен на оси 7, которая свободно вращается в подшипниках 6, расположенных в подшипниковых щитах 5. Для уменьшения магнитного сопротивления на пути основного магнитного потока, проходящего через воздушный зазор, внутри ротора устанавливают внутренний статор 8. Его набирают из листов электротехнической стали и укрепляют на цилиндрическом выступе одного из подшипниковых щитов. Полый ротор обладает очень малой массой и, следовательно, незначительным моментом инерции.

В микродвигателях мощностью в единицы ватт и менее обмотки возбуждения и управления часто размещают в пазах внутреннего статора, тогда на внешнем статоре обмотки отсутствуют, он служит для уменьшения магнитного сопротивления. При такой конструкции упрощается процесс укладки обмоток в пазы и несколько повышается вращающий момент.

262

		6. Асинхронные машины cпециального назначения
	Иногда одну	из обмоток статора раз-		1	2	3	4
	мещают на внутреннем статоре, а дру-
	гую – на внешнем.
	При протекании тока по обмоткам						5
	статора создается вращающееся		маг-				6
	нитное поле и в роторе индуцируется
	ЭДС, направленная по образующей ци-
	линдра (поверхность цилиндра можно						7
	представить в виде бесконечного числа						8
	волокон – проводников ротора).
	Полый	немагнитный	ротор
	управляемого асинхронного двигателя в			Рис. 6.11. Двигатель с полым
	отличие от роторов других типов обла-
				немагнитным ротором
	дает незначительным индуктивным со-
	противлением, что повышает линейность механических характеристик.
	Характерной особенностью двигателя с полым немагнитным ротором
	является значительный ток холостого хода, составляющий 85−95 % от но-
	минального. Это объясняется тем, что в рассматриваемом двигателе расчет-
	ная величина эффективного немагнитного зазора (δэф = 0,6–1,2 мм с учетом
	толщины полого ротора) значительно больше, чем в двигателе с коротко-
	замкнутым ротором нормального исполнения (δэф = 0,03−0,15						мм). Большой
	намагничивающий ток приводит к большим электрическим потерям и зна-
	чительно снижает КПД. С целью снижения массы и габаритов двигателя по-
	вышают частоту питающего напряжения до 400−1 000 Гц.
	Уменьшить немагнитный зазор можно при использовании полого фер-
	ромагнитного ротора. В этом случае не требуется внутренний статор, посколь-
	ку магнитный поток замыкается по ротору. Для снижения степени насыщения
	материала ротора полый стакан выполняют большей толщины. Это приводит
	кповышениюмассыротораиснижениюбыстродействиядвигателя.
	6.4. Асинхронный тахогенератор

Тахогенераторами называют небольшие электрические машины, предназначенные для преобразования механического перемещения – вращения вала в электрический сигнал – выходное напряжение.

В идеальном случае тахогенератор выдает на выходе напряжение, пропорциональное частоте вращения:

U	г	= kn = k dα	,	(6.10)
		1 dt

263

6. Асинхронные машины cпециального назначения

где n – частота вращения; α – угол, на который перемещается вал механизма, связанного с тахогенератором.

Конструкция асинхронных тахогенераторов аналогична конструкции управляемых двухфазных двигателей с полым немагнитным ротором (рис. 6.11). Схема асинхронного тахогенератора приведена на рис. 6.12, а. К обмотке возбуждения В подведено неизменное по амплитуде напряжение возбуждения Uв. Вторую обмотку статора Г называют генераторной. С ее зажимов снимают выходной сигнал Uг. В общем случае она замкнута на внешнее сопротивление нагрузки Zнг. Обмотки статора размещают либо только на внешнем статоре, либо только на внутреннем статоре, в некоторых тахогенераторах они размещены на обоих статорах.

Полый ротор асинхронного тахогенератора с целью уменьшения температурной погрешности выполняют из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления: константана, манганина и т. д.

На схеме рис. 6.12, б для упрощения анализа полый ротор заменен конечным числом проводников, замкнутых накоротко по торцам ротора.

Внешняя цепь обмотки Г разомкнута. При неподвижном роторе тахогенератор аналогичен трансформатору, первичной обмоткой которого является обмотка статора В, а вторичной – обмотка ротора. Магнитный поток, созданный МДС обмотки В, пронизывает ротор и наводит в его витках трансформаторную ЭДС (условно показана на внутреннем кольце витков). Поскольку ротор короткозамкнутый, по этим виткам течет ток Iтр и создает магнитный поток, направленный, согласно закону Ленца, навстречу магнитному потоку обмотки В. Ось пульсирующего с частотой f1 напряжения обмотки возбуждения результирующего магнитного потока Фв перпендикулярна оси генераторной обмотки и не наводит в ней ЭДС.

Iв			Iв d
Uв В	Uг	Uв	В Φв Uг
	Zнг Iг	Φг	Zнг Iг
	Г	q	q
		Евр, Iвр	Г
			Етр, Iтр
			n ≠ 0
	а		б

Рис. 6.12. Схема асинхронного тахогенератора (а)

и характер распределения ЭДС и токов в полом роторе (б)

264

6. Асинхронные машины cпециального назначения

При вращении ротора с некоторой частотой n в его проводниках магнитным потоком Фв наводится ЭДС вращения Евр (условно показана на внешнем кольце витков). Под действием ЭДС вращения по ротору потекут токи, векторы которых вследствие большого активного сопротивления ротора совпадают с вектором ЭДС. Эти токи создают свой магнитный поток ротора Фг, который направлен по поперечной оси q – q тахогенератора. Поток Фг, сцепляясь с витками генераторной обмотки Г, наводит в них выходную ЭДС тахогенератора Ег.

Электродвижущая сила вращения ротора Евр, поток ротора Фг по поперечной оси, выходная ЭДС (Ег) тахогенератора по значению пропорциональны частоте вращения ротора n, т. е. Ег ~ Фг ~ n, и определяется уравнением

Ег = 4,44 wг f1Φг ,

(6.11)

где wг – число эффективных витков обмотки Г.

Частота выходной ЭДС Ег совпадает с частотой f1 потока Фг и напряжения возбуждения и не зависит от частоты вращения ротора n. Величина потока Фг пропорциональна частоте вращения ротора (коэффициент пропорциональности k1):

Фг = k1n .			(6.12)
Выражение (6.11) преобразуем следующим образом:
Ег = kЕn = kE	dα	,	(6.13)
	dt

где kE = 4,44wгk1 – коэффициент, зависящий от конструктивных параметров и напряжения тахогенератора.

Таким образом, выходная ЭДС генератора пропорциональна частоте вращения его ротора. При постоянстве магнитного потока Фв функция

Ег = f (n) является линейной.

В реальном тахогенераторе поток Фв изменяется при возрастании частоты вращения тахогенератора из-за реакции ротора и падения напряжения в его обмотках, вследствие чего появляется погрешность – нелинейность выходной характеристики. Уменьшают влияние погрешности использованием тахогенератора при частотах ниже номинальной, выполняя их для работы на напряжениях с повышенными частотами (200−400 Гц). Остаточную ЭДС, возникающую вследствие технологических погрешностей, значительно уменьшают, располагая обмотки статора В и Г раздельно на внешнем и внутреннем статорах и смещая внутренний статор (при изготовлении) в положение нулевой остаточной ЭДС.

265