Avdeiko_Adamovich_Vershinin1

дому вращающемуся полю соответствует механическая характеристика: прямое поле создает положительный вращающийся момент, обратное поле

– отрицательный, тормозной. Каждой скорости соответствуют различные по величине моменты. Результирующая механическая характеристика проходит через начало координат. Это означает, что пусковой момент равен нулю и при включении двигателя на однофазное напряжение он вращаться не будет даже при отсутствии механической нагрузки.

Если нагрузка на валу двигателя равна Мс (рис. 9.14, в), то после сообщения ротору скорости немного выше ω1 вращающий момент станет больше Мс и двигатель самостоятельно начнет набирать обороты до скорости ω, при которой Мэм = Мс. Для создания вращающегося магнитного поля при пуске в однофазных асинхронных двигателях используется вспомогательная обмотка, сдвинутая в пространстве относительно рабочей обмотки на 90º.

Рис. 9.14. Однофазный асинхронный двигатель:

а – схема включения; б – магнитный поток; в – механическая характеристика

Чтобы сдвинуть по фазе токи в этих обмотках, последовательно с пусковой обмоткой включают конденсатор. При запуске двигателя нажимают на кнопку SB, которую отпускают после разгона двигателя, и его дальнейшее вращение обеспечивается током только рабочей обмотки.

Изменение направления вращения двигателя осуществляется изменением направления тока в одной из обмоток статора.

Однофазные двигатели по технико-экономическим показателям значительно уступают трехфазным. Поэтому они изготавливаются на небольшие мощности и применяются для привода бытовых приборов.

Двухфазные асинхронные двигатели отличаются от однофазных тем,

что обе обмотки статора являются рабочими. Питаются двухфазные АД от однофазной сети, поэтому для получения кругового вращающегося магнитного поля в одной из фаз обмотки статора постоянно включен конденсатор Ср (рис. 9.15).

181

от потока, его образующего. Таким образом, суммарный магнитный поток Ф2, создаваемый током рабочей обмотки и током короткозамкнутого витка, и магнитный поток Ф1 будут сдвинуты по фазе.

Однофазные двигатели с явно выраженными экранированными полюсами применяют в маломощных устройствах (небольших вентиляторах, электропроигрывателях и т.д.) с легким пусковым режимом.

Асинхронные исполнительные двигатели (ИД) служат для преобра-

зования электрического сигнала (управляющего напряжения) в механическое перемещение вала. Конструктивно ИД представляет собой двухфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (рис. 9.17, а).

Одна из обмоток статора с выводами С1 и С2 называется обмоткой возбуждения и включается на напряжение сети. Вторая – обмотка управления с выводами У1 и У2, смещенная в пространстве на 90º, питается управляющим напряжением Uy той же частоты. Для создания вращающегося магнитного поля в цепь обмотки возбуждения (ОВ) включен фазосдвигающий конденсатор С.

Управление двигателем осуществляется путем изменения величины Uy (амплитудное управление), фазы Uy (фазовое управление) или одновременным изменением амплитуды и фазы Uy (амплитудно-фазовое управление). На рис. 9.17, б показаны механические характеристики двигателя при изменении величины Uy. В отличии от трехфазного АД, имеющего «жесткую» механическую характеристику, в ИД, благодаря большому активному сопротивлению обмотки ротора, максимальный критический момент соответствует отрицательной скорости (S > 1). Поэтому его характеристики становятся «мягкими», и ИД работает устойчиво при любой скорости от холостого хода до нуля.

Рис. 9.17. Схема включения асинхронного исполнительного двигателя (а) и его механические характеристики (б)

183

При заданной нагрузке Мс с изменением величины напряжения управления от нуля до номинального значения скорость вращения двигателя также плавно изменяется от нуля до максимального значения.

ИД должен быть быстродействующим, поэтому ротор делается легким из немагнитного материала.

Асинхронные исполнительные двигатели применяются в системах автоматического управления и регулирования различных устройств. Они изготавливаются на мощности от долей до нескольких сотен ватт и работают от сети частотой от 50 до 1000 Гц.

9.10.Включение трехфазного асинхронного двигателя

воднофазную цепь

На практике часто возникает необходимость питания сравнительно маломощного АД (до 3 кВт) однофазным напряжением.

Трехфазные обмотки сдвинуты в пространстве, что является первым условием для создания вращающегося магнитного поля. Для того чтобы выполнить второе условие (токи в обмотках должны быть сдвинуты во времени), в качестве фазосдвигающих устройств чаще всего используются конденсаторы, которые включаются по одной из схем (рис. 9.18).

Рис 9.18. Схемы включения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть

Величину рабочей емкости определяют эмпирически.

Если АД включается на холостом ходу, то пусковая емкость не требуется. Если же при пуске АД на валу создается значительная нагрузка, то параллельно рабочей емкости кратковременно для разгона двигателя включают пусковой конденсатор емкостью Cп = (2,5...3)Ср .

При выборе конденсатора необходимо учесть, что напряжение на нем может превышать амплитудное значение сетевого напряжения, а ме-

184

ханическая нагрузка должна быть такой, чтобы фазный ток однофазного режима не превышал номинальный фазный ток трехфазного режима. В этом случае нагрузка на валу двигателя должна составлять 60 – 70 % от номинальной мощности при его работе от трехфазной сети.

9.11. Сельсины

Сельсин представляет собой электрическую машину небольшой мощности, служащую для синхронного поворота или вращения двух или нескольких механически не связанных валов механизмов.

Конструктивно сельсин подобен асинхронной машине с фазным ротором. Наибольшее распространение получили однофазные сельсины. На статоре расположена обмотка возбуждения ОВ, которая подключается к сети переменного тока и служит для создания пульсирующего магнитного поля (рис. 9.19).

Рис. 9.19. Устройство и условное графическое обозначение сельсина

На роторе расположена трехфазная обмотка (обмотка синхронизации ОС). Для электрической связи обмотки синхронизации с внешней цепью используются контактные кольца, вращающиеся вместе с ротором, и неподвижные щетки. Существуют и бесконтактные сельсины.

Принцип работы сельсина заключается в том, что переменный магнитный поток, создаваемый током обмотки возбуждения, пронизывает обмотку синхронизации и наводит в ней переменную ЭДС. Причем величина ЭДС в каждой фазе зависит от пространственного расположения катушки. Если ось обмотки совпадает с направлением магнитного потока, то амплитуда ЭДС в этой обмотке будет максимальной. Если ось обмотки перпендикулярна к магнитному потоку, то сквозь плоскость каждого витка об-

185

мотки магнитный поток не проходит (он скользит вдоль этой плоскости) и ЭДС в обмотке наводиться не будет.

В устройствах автоматики используются две системы дистанционной передачи угла или синхронного вращения: индикаторная и трансформаторная.

Индикаторная система дистанционной передачи угла – применяется в тех случаях, когда момент сопротивления на ведомой оси мал. Например, на оси располагается стрелка индикаторного прибора (рис. 9.20).

Рис. 9.20. Индикаторная система дистанционной передачи угла

Простейшая синхронная передача угла содержит два сельсина: сель- син-датчик (СД) и сельсин-приемник (СП). Ротор сельсина-датчика жестко связан с валом, угол поворота которого требуется передать на стрелку индикатора.

Если роторы СД и СП расположены одинаково относительно своего магнитного потока, создаваемого током возбуждения, то в соответствующих обмотках индуктируются одинаковые ЭДС (ЕА = ЕА′, ЕВ = ЕВ′, ЕС = ЕС′), которые направлены встречно, и токи в линии передачи равны нулю. Это равновесное, согласованное состояние сельсинов.

Если ротор СД повернуть на угол α, то равновесие нарушится и в линии синхронизации возникают уравнительные токи. Токи в обмотке синхронизации СП создают магнитный поток, который взаимодействует с магнитным потоком статора и создает электромагнитный момент. Под действием этого момента ротор СП будет поворачиваться до тех пор, пока не исчезнет ток в линии связи, т.е. пока не станут равными ЭДС в соответствующих фазах ротора. Это равновесное состояние сельсинов наступит тогда, когда ротор СП повернется на такой же угол, на который повернули ротор СД.

Очевидно, индикаторная схема может быть использована не только для синхронного поворота валов, но и для их синхронного вращения.

186

Трансформаторная система дистанционной передачи угла применя-

ется в том случае, когда ведомый вал нагружен значительным моментом, создающим сопротивление его повороту. В этом случае обмотку возбуждения СП отключают от сети и подсоединяют через усилитель к исполнительному двигателю ИД, ротор которого жестко связан непосредственно или через редуктор с ведомым валом (рис. 9.21).

Рис. 9.21. Индикаторная система синхронной передачи угла

Принцип работы. ЭДС, создаваемая пульсирующим магнитным потоком обмотки возбуждения сельсина-датчика (ОВД), вызывает ток в линии связи, который, проходя по обмотке синхронизации сельсина-приемника (ОСП), возбуждает переменный магнитный поток. Этот синусоидальный поток, пронизывая обмотку возбуждения сельсина-приемника (ОВП), создает в нем переменную ЭДС, питающую через усилитель исполнительный двигатель, который будет вращать ведомый вал до тех пор, пока магнитный поток не установится перпендикулярно к оси ОВП, когда ЭДС в ней будет равна нулю. Такое состояние сельсинов называется согласованным.

Если повернуть ведущий вал на угол α, то изменятся индукционные ЭДС в фазах обмотки синхронизации сельсина-датчика (ОСД), изменятся токи в линии связи и ось переменного магнитного потока от этих токов в роторе СП будет тоже повернута на угол α.

Вертикальная составляющая этого потока, пронизывая витки ОВП, создает в нем ЭДС, и двигатель начнет отрабатывать заданный сельсиномдатчиком угол. Когда ведомый вал повернется на угол α, вновь наступит согласованный режим, т.к. магнитный поток будет перпендикулярен к оси ОВП и ЭДС на входе усилителя будет равна нулю.

Таким образом, сельсины, работающие в трансформаторном режиме, обеспечивают синхронный поворот или синхронное вращение механически не связанных валов.

187

Сельсины изготавливают для работы от сети переменного тока частотой 50 Гц или повышенной частотой 400 Гц.

9.12. Поворотные (вращающиеся) трансформаторы

Вращающиеся трансформаторы (ВТ) предназначены для получения напряжения, находящегося в определенной функциональной зависимости от угла поворота ротора.

Конструктивно ВТ схож с асинхронной машиной с фазным ротором, но в отличии от нее на статоре и роторе размещены не трехфазные, а двухфазные обмотки. Две взаимно перпендикулярные обмотки размещены на статоре с выводами С1, С2 и С3, С4 и две – на роторе с маркировкой выводов Р1, Р2 и Р3, Р4 (рис. 9.22).

α

Рис. 9.22. Поворотный трансформатор:

а– устройство; б – маркировка обмоток статора и ротора;

в– условное графическое обозначение

Электрический контакт со вторичными обмотками осуществляется с помощью контактных колец и щеток. Если угол поворота ротора ограничен, то токоподвод осуществляется через спиральные пружины без контактных колец. Одна обмотка статора (обмотка возбуждения ОВ) включается в сеть переменного тока, другая (компенсационная обмотка ОК) играет вспомогательную роль.

Принцип действия. Пульсирующий магнитный поток, создаваемый током возбуждения, пронизывая витки обмотки ротора, возбуждает в них ЭДС, амплитуда которой зависит от расположения этой обмотки относительно переменного во времени, но неподвижного в пространстве магнитного потока.

188

Если α = 0, то магнитный поток скользит вдоль витков обмотки с выводами Р1, Р2 и ЭДС в ней не возникает (Е′2 = 0). В другой обмотке (Р3, Р4) возникает максимальная ЭДС Е′′2 = Е2max .

Если α ≠ 0, то Е′2 = Е2maxsinα, а Е′′2 = Е2maxcosα.

Компенсационная обмотка включается таким образом, чтобы исключить влияние вторичного тока на основной магнитный поток. Она играет ту же роль, что и обмотка добавочных полюсов в машине постоянного тока, которая ослабляет реакцию якоря.

Таким образом, на зажимах вторичных обмоток создается ЭДС, которая пропорциональна величинам sinα и cosα.

На рис. 9.23, а показана схема включения синусно-косинусного поворотного трансформатора, а схема, изображенная на рис. 9.23, б, позволяет получить на нагрузке напряжение, линейно зависящее от угла поворота ротора в определенном диапазоне изменения α.

Рис. 9.23. Схемы включения поворотного трансформатора: а – синусно-косинусного; б – линейного

Вращающиеся трансформаторы применяют в системах автоматического регулирования в качестве датчиков угла поворота вала, в электрических счетно-решающих устройствах для решения геометрических задач, а также в системах автоматики для дистанционной синхронной передачи угла.

9.13. Асинхронный тахогенератор

Асинхронный тахогенератор (АТ) служит для преобразования механических величин (скорости вращения вала, ускорения) в электрический сигнал, что может быть использовано для измерения угловых скоростей и ускорений, а также в датчиках обратной связи по скорости в системах электропривода.

189

Конструктивно АТ аналогичен двухфазному асинхронному двигателю с полым ротором (рис. 9.24).

Рис. 9.24. Асинхронный тахогенератор

Принцип работы. Переменный магнитный поток, создаваемый током обмотки возбуждения ОВ, пронизывая проводники обмотки ротора, наводит в них, как в трансформаторе, ЭДС, под действием которой в короткозамкнутом роторе возникает переменный ток. Ток, в свою очередь, создает свой магнитный поток, направленный, по закону Ленца, навстречу основному магнитному потоку. Суммарный магнитный поток будет направлен вдоль оси обмотки возбуждения и перпендикулярно к генераторной обмотке ОГ, поэтому ЭДС в последней не возникает.

Если ротор АТ будет вращаться со скоростью n, то кроме трансформаторной ЭДС в проводниках обмотки ротора будет возникать переменная ЭДС вращения, направление которой определяется правилом правой руки.

На рисунке показано направление ЭДС при вращении ротора против часовой стрелки в момент времени, когда поток направлен вниз.

Под действием переменной ЭДС вращения в проводниках обмотки ротора возникает ток, совпадающий по направлению с ЭДС и создающий свой магнитный поток, который будет перпендикулярен к основному магнитному потоку и совпадать по направлению с осью генераторной обмотки (на рис. 9.24 показан пунктиром). В генераторной обмотке будет возникать переменная во времени ЭДС, величина которой пропорциональна скорости вращения вала ротора. Следовательно, шкалу измерительного прибора можно проградуировать в оборотах в минуту или радианах в секунду.

190