Контрольные вопросы

1. Объясните, как пульсирующую намагничивающую силу (НС) однофазной обмотки асинхронной машины можно (аналитическим и гра­фическим методом) разложить на две вращающиеся НС.

2. Опишите устройство, принцип действия и характерные особенности однофазного асинхронного двигателя.

3. Опишите устройство и принцип работы однофазного асинхронного двигателя с экранированными полю­сами.

4. Перечислите основные способы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей. Укажите достоинства и недостатки этих способов.

5. Перечислите способы создания пускового момента однофазных асинхронных двигателей и приведите соответствующие схемы включения.

6. Начертите схему включения асинхронного конденсаторного двигателя и объясните условия получения кругового вращающегося поля для этого двига­теля.

Тема 6. Асинхронные исполнительные двигатели. Асинхронный тахогенератор.

6.1 Асинхронные исполнительные двигатели (АИД)

ИД служат для преобразования подводимого к ним электрического сигнала управления в механическое перемещение вала (скорость вращения). При заданном моменте нагрузки М_в частота вращения ИД n должна строго соответствовать подводимому напряжению управления U_у и меняться при изменении его амплитуды или фазы.

В качестве ИД используют обычно двухфазные АД с КЗ ротором. Одна из обмоток (обмотка возбуждения ОВ) постоянно подключена к однофазной сети с постоянным напряжением. Ко второй обмотке статора (обмотке управления ОУ) подводится напряжение управления U_у от управляющего устройства.

Частоту вращения n ИД регулируют путем изменения амплитуды и (или) фазы напряжение управления. При этом изменяется форма вращающегося магнитного поля – от кругового до пульсирующего, т.е. в общем случае является эллиптическим. Различные сочетания прямой и обратной составляющей момента эллиптического поля изменяют вид механической характеристики, вследствие чего изменяется и частота вращения ротора.

6.1.1 Конструкция АИД

Существуют четыре основные разновидности АИД, различающиеся по способу выполнения ротора:

а) с обмоткой в виде беличьей клетки (исполнение ротора обычное);

б) полый немагнитный ротор;

в) полый ферромагнитный ротор;

г) моментные АИД.

Первая разновидность - обычный АД с КЗ ротором.

АИД типа б) имеет внешний и внутренний статоры (см. похожую конструкцию исполнительного Д=Т), между которыми вращается полый тонкостенный ротор из алюминиевого сплава.

АИД типа в) не имеет внутреннего статора, так как роль магнитопровода выполняет сам ротор.

В моментных АИД ротор не вращается, а лишь поворачивается на некоторый угол. Выходной величиной таких АИД является развиваемый на валу момент М.

6.1.2 Способы управления АИД

К ИД предъявляются следующие требования:

а) отсутствие самохода, т.е. необходимость самоторможения ИД после снятия напряжения возбуждения U;

б) устойчивая работа во всем диапазоне скоростей вращения;

в) управляемость в широком диапазоне скоростей вращения;

г) линейность механических характеристик n = f(М) при U_y=const и регулировочных n = f(U_y) при M=const;

д) большой пусковой момент М_п;

е) малая мощность управления;

ж) высокое быстродействие (малая инерционность);

и) высокая надежность;

к) низкие габариты и вес.

Выполнение требований а), б) и г) достигается за счет выбора большого активного сопротивления обмотки ротора (высокоомный материал "беличьей клетки"), так что S_кр = 3 – 4. При этом механические характеристики принимают вид, показанный на рисунке при r=r^'''.

При снятии управляющего напряжения U_у АИД становится однофазным, и момент на его валу М = М_пр – М_обр становится отрицательным, т.е. тормозящим (см. п. а)).

Из принципа действия АИД вытекают три способа управления (регулирования скорости вращения) АИД:

а) амплитудный;

б) фазовый;

в) амплитудно-фазовый.

Амплитудное управление. Управление скоростью осуществляется изменением величины напряжения U_у на ОУ без изменения его фазы , которая благодаря наличию фазосдвигающего устройства (ФСУ) составляет 90⁰ (рисунок ,а).

Фазовое управление осуществляется по схеме, показанной на рисунке ,б, где фазовращатель (ФВ) позволяет плавно изменять фазовый сдвиг между U_y и U.

Амплитудно-фазовое управление осуществляется по схеме, приведенной на рисунке ,в ). При изменении U_y с помощью R_у наблюдается изменение как величины, так и фазы между U_в и U_y, так как U_в = U₁ - U_c, а U_c зависит от I_c и Х_с. Ток I_c изменяется при изменении режима (скорости и момента).

Механические характеристики АИД нелинейны при всех видах управления.

На рисунке U_y1 > U_y2 (sin ₂ > sin₁). Наиболее близки к линейным механические характеристики АИД с фазовым управлением, они имеют приблизительно одинаковую жесткость при различных β.

Регулировочные характеристики АИД также нелинейны. Ближе всего к линейным – регулировочные характеристики также АИД с фазовым управлением.

Начальные участки всех характеристик (при малых n) близки к линейным для всех видов управления. Поэтому на них обычно и работают, используя повышенные частоты напряжения питания АИД, следовательно, большие значения синхронной скорости.

6.2 Асинхронный тахогенератор (АТг)

АТг – это электрическая машина, вырабатывающая напряжение, пропорциональное скорости вращения ее вала. Конструкция АТг аналогична конструкции АИД с полым немагнитным ротором. На обмотку возбуждения (см. рисунок ) подается неизменное по амплитуде и частоте переменное напряжение U_в. Вторая статорная обмотка, ось которой перпендикулярна оси ОВ, называется генераторной, с нее снимается выходное напряжение Тг.

При неподвижном роторе наличие U_в приводит к появлению в машине пульсирующего потока возбуждения Ф_в, вследствие чего в токопроводящем роторе возникает трансформаторная ЭДС Е_тр.рот., под действием которой в КЗ роторе начинает протекать переменный ток I_тр . Наличие переменного тока вызывает появление пульсирующего потока Ф_тр, направление которого согласно правилу Ленца (см. раздел 1) противоположно потоку Ф_в.

Таким образом, по оси Тг, совпадающей с осью ОВ, устанавливается результирующий пульсирующий поток Ф. Поскольку этот поток перпендикулярен оси генераторной катушки статора, ЭДС в ней не наводится, т.е. Е_г = 0 (напомним, ротор неподвижен, т.е. n = 0).

При вращении ротора со скоростью n в роторе индуктируется ЭДС вращения, и под ее действием возникает ток I_вр. Направления ЭДС и токов в витках ротора показаны на внешних проводниках.

Как известно, Е_вр=c_Е·n·Ф. При переменном результирующем потоке Ф ЭДС Е_вр является функцией n и пульсирует с частотой f₁ (частота тока обмотки возбуждения и потока Ф). Ток I_вр ротора, вызванный этой ЭДС, вызывает появление потока Ф_вр. Этот поток направлен по оси генераторной обмотки и индуцирует в ней трансформаторную ЭДС Е_г. Частота ЭДС Е_г совпадает с частотой f₁ и не зависит от скорости вращения ротора. Это свойство является преимуществом АТг по сравнению с другим типом Тг переменного тока - синхронным Тг.

В реальном АТг величина Ф, а следовательно, и Е_г, несколько уменьшается с ростом скорости вращения ротора n из-за появления в проводниках ротора дополнительной ЭДС вращения, вызванной потоком Ф_вр: наличие потока Ф_вр вызывает появление в роторе добавочной ЭДС Е_вр.доб и добавочного тока I_вр.доб, а тот, в свою очередь, порождает поток Ф_вр.доб, направленный по оси ОВ навстречу Ф_в.

В Тг переменного тока (как асинхронных, так и синхронных) имеется фазовая погрешность, так как при изменении режима работы Тг изменяется не только величина выходного напряжения, но и его фаза.

Для снижения погрешностей преобразования скорости n в напряжение U_тг применяются следующие меры:

- очень высокая точность изготовления статора, ротора, обмоток;

- полый немагнитный ротор АТг изготавливают из материалов с большим, чем у АД, удельным сопротивлением;

- согласование характера нагрузки Тг (индуктивная, емкостная, смешанная) с параметрами Тг;

- калибровка Тг (обычно ОВ размещается на внешнем статоре, ГО – на внутреннем статоре, и при сборке устанавливают внутренний статор в положение, соответствующее минимуму погрешности).