9.1. Асинхронные электродвигатели систем автоматического регулирования

Асинхронные электродвигатели широко используются для электроприводов с постоянной (нерегулируемой) частотой враще­ния, в которых требования по поддержанию частоты вращения срав­нительно невелики. Нашли применение регулируемые асинхронные электроприводы с управлением по напряжению и частоте питания. Ряд зарубежных фирм, например ВВС (Германия), АМК и Allen Bradley (США),выдвинули концепцию применения в регулируемых асинхронных электроприводах векторного управления с микропро­цессорным управлением инвертором, что позволяет получать асин­хронные электроприводы близкие по характеристикам с электропри­водами постоянного тока.

Актуальность разработки асинхронных электроприводов обу­словлена:

• экономическими факторами: минимум стоимости, отсутствие дефицитных видов материалов повышенный (на 6 - 10%) ко­эффициент полезного действия по сравнению с приводами постоянного тока;

• повышенная на 50-100% удельная мощность высокочастот­ных (200,400,1000 Гц) асинхронных электродвигателей;

• пониженный момент инерции ротора по сравнению с син­хронными электродвигателями;

• повышенная надежность (в 3 - 5 раз) по сравнению с двигате­лями постоянного тока.

В системах автоматического регулирования применяют как трехфазные, так и двухфазные асинхронные электродвигатели (АД). Трехфазные АД являются двигателями общепромышленного приме­нения, двухфазные АД - это специальные двигатели, полу­чившие название асинхронных исполнительных двигателей (АИД). АИД с ротором типа " беличья клетка" имеют такую же конструк­цию, как трехфазные АД. В системах автоматического регулирова­ния наибольшее распространение получили АИД с полым немагнит­ным ротором в виде тонкостенного стакана из сплавов алюминия. Толщина стенки стакана ротора в зависимости от мощности электродвигателя колеблется в пределах 0,1 - 1 мм. Полый ротор имеет малую массу, а следовательно, незначительный момент инерции.

Недостатком АИД с полым немагнитным ротором является большой немагнитный зазор, состоящий из двух воздушных зазоров и толщины немагнитного стакана, вследствие чего эти электродвига­тели имеют значительный ток намагничивания (до 80 - 90 % от но­минального тока) и соответственно низкий коэффициент мощности. Большой намагничивающий ток приводит к повышенным электри­ческим потерям и значительно снижает КПД электродвигателя.

Принцип действия АИД не отличается от принципа действия трехфазных АД.

Электромагнитный момент создается в результате взаимодей­ствия вращающегося магнитного поля статора с токами, наведенны­ми этим полем в обмотке ротора.

---------------------------------------------Вставлен АИД----------------------------------------------------------------

В АИД одна из обмоток статора подключена постоянно к сети через конденсаторную батарею и называется обмоткой возбуждения.

Вторая обмотка АИД подключена к преобразователю, управляющему амплитудой или фазой, подаваемого на обмотку напряжения. Эту обмотку называют обмоткой управления. При одинаковых обмотках, если приложенные к ним напряжения равны, создается круговое магнитное поле. При изменении амплитуды или фазы напряжения управления магнитное поле становится эллиптическим. Наряду с моментом вращения прямого следования фаз появляется момент обратного следования фаз, в результате среднее значение момента снижается, соответственно снижается и часторта вращения ротора.Рассматривают амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый способы управления частотой вращения АИД / 19,32 /. Простейшая силовая схема АИД представлена на рис.13.15.

Рис.13.15

Одно из основных требований к АИД заключается в том, что при снятии сигнала управления ротор должен остановиться, то есть самоход должен отсутствовать.

Для АИД также как и для ИДПТ механические и регулировочные характеристики удобно строить в относительных единицах. Обозначим /₁=; Uу/U_вн = ; M/M_пуск = m, где М_пуск - пусковой момент при номинальном напряжении .Тогда по аналогии с (10.25) можно в первом приближении записать

    m, (13.31)

где - относительная частота вращения якоря электродвигателя,  - коэффициент сигнала, m - относительный момент.

Более точное описание механических характеристик дано в /19/. Для механической характеристики, соответствующей номинальному режиму работы ( = 1),

m = 1 + с + d²,

коэффициенты c + d =  1.

Коэффициент полезного действия АИД несколько ниже, чем у одинаковых по мощности асинхронных трехфазных двигателей из- за повышенного активного сопротивления ротора.При этом наиболее высокий КПД имеют АИД с амплитудным управлением. Поэтому рассмотрим только характеристики АИД с амплитудным управлением.

Статические механические и регулировочные характеристики АИД с амплитудным управлением представлены на рис.13.17. У исполнительных электродвигателей с полым немагнитным ротором диапазон регулирования частоты вращения достигает 1 : 200.

Рис.13.17

Механические и регулировочные характеристики АИД имеют аналогичный вид при фазном и амплитудно-фазном управлении /32/. Механические характеристики АИД при всех способах управления нелинейны и их жесткость уменьшается с уменьшением сигнала управления.Улучшению линейности механических характеристик способствует увеличение активного сопротивления ротора. Допускается нелинейность механических характеристик до 10- 15 %. При всех способах управления механические характеристики обеспечивают устойчивость работы во всем диапазоне двигательного режима.

Регулировочные характеристики АИД нелинейны при всех способах управления. Наибольшая нелинейность наблюдается в режиме холостого хода (до 20%).

На линейном участке механической характеристики динамические свойства АИД аналогичны исполнительным двигателям постоянного тока. АИД можно считать апериодическим звеном первого порядка с электромеханической постоянной времени Т_м = J₀ / М_п при заданном сигнале .

-------------------------------Вставлен АИД-------------------------------------------------------------

Известно, что вектор вращающего­ся магнитного поля является круговым при соблюдении следующих условий:

• сдвиг обмоток статора в пространстве для трехфазных машин на угол 2 , а для двухфазных на угол ;

• сдвиг токов фаз обмотки статора во времени для трехфазных машин на угол 2 , а для двухфазных на угол ;

- равенство магнитодвижущих сил всех фаз между собой. Нарушение любого из этих условий приводит к тому, что по­ле становится эллиптическим. Эллиптическое поле можно предста­вить как сумму двух неравных круговых полей, вращающихся с син­хронной угловой скоростью в противоположных направлениях. Кру­говое поле, определяющее направление вращения эллиптического поля, называют прямовращающимся, а круговое поле, вращающееся в противоположном направлении, называют обратновращающимся. Прямое поле создает вращающий момент двигателя, а обратное поле - тормозной момент. При увеличении разности значений МДС фаз уменьшается результирующий вращающий момент двигателя, что при неизменном моменте нагрузки приводит к снижению частоты вращения двигателя.