10. Исполнительные двигатели постоянного тока. Якорное управление.

В качестве исполнительных двигателей систем автоматического управления используют в основном машины постоянного тока с независимым возбуждением.     Для регулирования угловой скорости ротора исполнительных двигателей постоянного тока используют два основных вида управления:1) непрерывное – изменением во времени амплитуды напряжения; 2) импульсное – изменением времени, в течение которого к двигателю подводится номинальное напряжение.     Напряжением управления может быть напряжение на обмотке якоря (якорное управление) или на обмотке возбуждения главных полюсов (полюсное управление).

   Якорный непрерывный способ управления.

   При анализе характеристик принимаем, что отсутствуют реакция якоря (магнитный поток машины Ф = Ф_в) и насыщение магнитопровода. Магнитный поток создается током, протекающим по обмотке возбуждения главных полюсов (рис. 11 а), либо постоянными магнитами (рис. 11 б).

Рис. 11.

В первом случае обмотка возбуждения постоянно подключается к независимому источнику питания с напряжением U, равным номинальному для двигателя (U=const, Ф=const). Угловая скорость ротора регулируется изменением напряжения управления U_y на обмотке якоря.     Анализ состоит из получения уравнений механических и регулировочных характеристик. Эти уравнения принято рассматривать в относительных единицах:

• коэффициент сигнала α = U_у/ U_у.ном;

• относительная угловая скорость ω_* = ω/ω_о.ид;

• относительный момент M_* = M_эм/M_п.

Здесь ω_ид – угловая скорость идеального х.х. при α = 1, M_п – пусковой момент при α = 1.

    Для исполнительного двигателя с якорным управлением при произвольном α уравнение при R_д = 0 принимает вид :

ω = αU_у.ном/кФ - R_я/(кФ)²M_эм = ωα _о.ид - R_я/(кФ)²M_эм,   

Делим правую и левую части уравнения на ω_ид:

ω /ω_ид = ω_* = α -R_яM_эм/(кФ)²ω_о.ид.

Находим выражение пускового момента при α = 1 , приравнивая ω нулю:

M_n = (кФ)²ω_о.ид/R_я,   

После преобразований получаем

ω _* = α - M_*.

При постоянном коэффициенте сигнала α выражение ω _* = α - M_* является уравнением механической характеристики ω_* = f(M_*) исполнительного двигателя с якорным управлением, а при постоянном моменте M_па* - уравнением регулировочной характеристики ω_* = f(α). Из выражения следует, что механические и регулировочные характеристики при якорном управлении линейны (рис. 12.).     Механические характеристики обеспечивают устойчивость работы двигателя при якорном управлении во всем диапазоне угловых скоростей ω_* =0 – 1. Жесткость механических характеристик остается неизменной при любом коэффициенте сигнала α. Максимальный вращающий момент двигатель развивает при пуске. Значение пускового момента в относительных единицах равно коэффициенту сигнала M_па* = α , т.е. пусковой момент прямо пропорционален напряжению управления. Прямо пропорциональна напряжению управления и скорость холостого хода: ω_оа* = α.     Якорный способ управления обеспечивает линейную зависимость угловой скорости ротора от напряжения управления при любом моменте нагрузки на валу (рис. 12, б.). Следует отметить, что регулировочная характеристика ненагруженного двигателя начинается от нуля только в идеальном случае (M_*=0), когда механические потери в двигателе равны нулю. У реальных исполнительных двигателей в режиме х.х. (пунктирная линия) ротор начинает вращаться при определенном напряжении трогания U_тр, отличном от нуля (соответствующий коэффициент сигнала обозначен α_тр).     Значение α_тр зависит от момента трения в двигателе и определяет зону нечувствительности; у исполнительных двигателей постоянного тока α_тр не превышает 0,05. Диапазон регулирования скорости в разомкнутом приводе составляет D = (20 - 10):I.

Рис. 12. Механические и регулировочные характеристики

при якорном управлении

При якорном управлении мощность управления, потребляемая якорем, составляет 80–95% от всей потребляемой мощности (меньшие значения относятся к двигателям меньшей мощности). Мощность управления Р_y= U_yI_y возрастает пропорционально увеличению напряжения управления и момента нагрузки на валу. Значительная мощность управления – недостаток якорного способа, поскольку возникает необходимость в мощных источниках сигнала управления (электронных, магнитных усилителях и т.д.).     Якорный способ управления исполнительными двигателями постоянного тока обеспечивает отсутствие самохода. При снятом сигнале управления ток якоря, а следовательно, и вращающий момент, равны нулю и ротор останавливается.

(вопрос 12) Тахогенераторы постоянного тока.

Тахогенератор. Общие сведения о тахогенераторах. Электрические машины малой мощности, работающие в режиме генератора, выходное напряжение которых U_г является практически линейной функцией частоты вращения вала n, называются тахогенераторами. Такие машины используются в автоматических системах управления и регулирования для измерения частоты вращения, для дифференцирования, для обратной связи по скорости и других операций. В качестве тахогенераторов применяются генераторы постоянного и переменного токов, в том числе синхронные и асинхронные генераторы. Обычно мощность таких машин менее 50 кВт.

Основными требованиями, предъявляемыми к тахогенераторам, являются: линейность характеристики U_г(n), большая её крутизна, определяемая как k = U_г/n, малая потребляемая мощность и минимальные погрешности.

Тахогенераторы постоянного тока. Тахогенераторы постоянного тока (ТГПТ) представляют собой генераторы с независимым возбуждением (рис.1, а) или с возбуждением от постоянных магнитов (рис. 1, б). ЭДС якоря определяется формулой Е=с_ЕФn. При постоянном потоке Ф   Е = k n.  При холостом ходе Е=U_г, т.е. U_г= k n. Между U_г и n линейная зависимость (прямая 1 на рис. 2). При нагрузке на магнитный поток Ф влияет реакция якоря и поэтому выходная характеристика несколько отличается от линейной (кривая 2 на рис. 2). Для сохранения линейности магнитная цепь машины должна быть ненасыщенной. Для ТГПТ допустимая погрешность составляет 0,5 – 3%. При нагрузке   имеет место падение напряжения в обмотке якоряR_яI_я, между коллектором и щётками U_щ. В этом случае U_г= Е – U_щ – R_яI_я, так как при малых скоростях Е< U_щ и U_г=0, на выходной характеристике появляется зона нечувствительности ЗН (рис. 2, кривая 3). Для уменьшения зоны нечувствительности надо уменьшить U_щ, т.е. сопротивление щёток сделать как можно меньше, а нагрузки – больше.

Кроме отмеченного недостатка, в ТГПТ имеет место пульсация выходного напряжения, которая вызвана работой коллектора: неточностью его изготовления, неравномерностью воздушного зазора, зубчатым строением якоря, неровностями коллектора и др. Преимущество ТГПТ заключается в том, что он  удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым к тахогенераторам.

Рис 1 Рис 2

(вопрос 13) Электрические машины переменного тока. Основные понятия и определения.

Двигатель переменного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели. Принципиальное различие состоит в том, что в синхронных машинах первая гармоника магнитодвижущей силы статора движется со скоростью вращения ротора, а у асинхронных — всегда должна быть разница скоростей.

Синхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения. Данные двигатели обычно используются при больших мощностях (от сотен киловатт и выше).

Существуют синхронные двигатели с дискретным угловым перемещением ротора — шаговые двигатели. У них заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие. Ещё один вид синхронных двигателей — вентильный реактивный электродвигатель, питание обмоток которого формируется при помощи полупроводниковых элементов.

Асинхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением. Эти двигатели наиболее распространены в настоящее время.

По количеству фаз двигатели переменного тока подразделяются на:

• однофазные — запускаются вручную, или имеют пусковую обмотку, или имеют фазосдвигающую цепь;

• двухфазные — в том числе конденсаторные;

• трёхфазные;

• многофазные;

14.Трёхфазный двигатель — электродвигатель, который конструктивно предназначен для питания от трехфазной сети переменного тока.

Представляет собой машину переменного тока, состоящую из статора с тремя обмотками, магнитные поля которых сдвинуты в пространстве на 120° и при подаче трехфазного напряжения образуют вращающееся магнитное поле в магнитной цепи машины, и из ротора — различной конструкции — вращающегося строго со скоростью поля статора (Синхронный двигатель) или несколько медленнее его (Асинхронный двигатель).

Наибольшее распространение в технике и промышленности получил асинхронный трёхфазный электродвигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора, также называемой «беличье колесо». Под выражением «трехфазный двигатель» обычно подразумевается именно этот тип двигателя, и именно он описывается далее в статье.

Принцип работы двух и многофазных двигателей был разработан Николой Теслой и запатентован. Доливо-Добровольский усовершенствовал конструкцию электродвигателя и предложил использовать три фазы вместо двух, используемых Н. Теслой. Усовершенствование основано на том, что сумма двух синусоид равной частоты различающихся по фазе дают в сумме синусоиду, это дает возможность использовать три провода (в четвертом «нулевом» проводе ток близок к нулю) при трех фазной системе против четырех необходимых проводов при двухфазной системе токов. Некоторое время усовершенствование Доливо-Добровольского было ограниченно патентом Н.Теслы, который к тому времени успел его продать Д. Вестингаузу.

Режимы работы

Асинхронный двигатель, согласно принципу обратимости электрических машин, может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Для работы асинхронного двигателя в любом режиме требуется источник реактивной мощности.

В двигательном режиме при подключении двигателя к трехфазной сети переменного тока в обмотке статора образуется вращающееся магнитное поле, под действием которого в короткозамкнутой обмотке ротора наводятся токи, образующие электромагнитный момент вращения, стремящийся провернуть ротор вокруг его оси. Ротор преодолевает момент нагрузки на валу и начинает вращаться, достигая подсинхронной скорости (она же и будет номинальной с учетом момента нагрузки на валу двигателя).

В генераторном режиме при наличии источника реактивной мощности, создающего поток возбуждения, асинхронная машина способна генерировать активную мощность.

Режимы работы (подробно)

Пуск — вектор результирующего магнитное поля статора равномерно вращается с частотой питающей сети, делённой на количество отдельных обмоток каждой фазы (в простейшем случае — по одной). Таким образом, через любое сечение ротора проходит магнитный поток, изменяющийся во времени по синусу. Изменение магнитного потока в роторе порождает в его обмотках ЭДС. Так как обмотки замкнуты накоротко и сделаны из проводника большого сечения («беличье колесо»), ток в обмотках ротора достигает значительных величин и, в свою очередь, создаёт магнитное поле. Так как ЭДС в обмотках пропорциональна скорости изменения магнитного потока (то есть — производной по времени от синусной зависимости — косинусу), наведённая ЭДС беличьего колеса и соответственно результирующее магнитное поле (вектор) ротора на 90 градусов «опережает» вектора статора (если смотреть на направления векторов и направление их вращения). Взаимодействие магнитных полей создаёт вращающий момент ротора.

Электроэнергия, подводимая к электродвигателю в режиме пуска и полного торможения, тратится на перемагничивание ротора и статора, а также на активное сопротивление току в обмотке ротора. (Эквивалентно работе понижающего трансформатора с коротким замыканием вторичной обмотки).

Холостой ход — после начала движения, с увеличением оборотов ротора, его скорость относительно вектора магнитного поля статора будет уменьшаться. Соответственно будет уменьшаться и скорость изменения магнитного потока через (любое) сечение ротора, соответственно уменьшится наведённая ЭДС и результирующий магнитный момент ротора. В отсутствие сил сопротивления (идеальный холостой ход) угловая скорость ротора будет равна угловой скорости магнитного поля статора, соответственно разница скоростей, наведённая ЭДС и результирующее магнитное поле ротора будут равны нулю.

Электроэнергия, подводимая к электродвигателю в режиме холостого хода, не потребляется (индуктивная нагрузка). Эквивалентно работе понижающего трансформатора на холостом ходу (или короткозамкнутыми вторичными обмотками, расположенными вдоль сердечника)

Двигательный режим — среднее между полным торможением и холостым ходом. Полезная нагрузка и механические потери не позволяют ротору достичь скорости магнитного поля статора, возникающее их относительное скольжение наводит некоторую ЭДС и соответствующее магнитное поле ротора, которое своим взаимодействием с полем статора компенсирует тормозной момент на валу.

Механическая характеристика асинхронного двигателя является «жёсткой», то есть при незначительном уменьшении оборотов крутящий момент двигателя возрастает очень сильно — «стремится поддерживать номинальные обороты». Это хорошее свойство для приводов, требующих поддержания заданной скорости независимо от нагрузки (транспортёры, погрузчики, подъёмники, вентиляторы).

Электроэнергия, подводимая к электродвигателю в двигательном режиме, потребляется (частью, обозначаемой «косинус фи») на совершение полезной работы и нагрев двигателя, остальная часть возвращается в сеть как индуктивная нагрузка. «Косинус фи» зависит от нагрузки на двигатель, на холостом ходу он близок к нулю. В характеристике двигателя указывается «косинус фи» для номинальной нагрузки.

Генераторный режим возникает при принудительном увеличении оборотов выше «идеального холостого хода». При наличии источника реактивной мощности, создающего поток возбуждения, магнитное поле ротора наводит ЭДС в обмотках статора и двигатель превращается в источник активной мощности (электрической).

Способы соединения обмоток

Звезда — начала всех обмоток соединяются вместе и соединяются с «нулем» подводимого напряжения. Концы обмоток подключаются к «фазам» трёхфазной сети. На схеме изображения обмоток напоминают звезду (катушки по радиусу направлены из центра).

Треугольник — начало одной обмотки соединяется с концом следующей — по кругу. Места соединения обмоток подключаются к «фазам» трёхфазного напряжения. «Нулевого» выхода такая схема не имеет. На схеме обмотки соединены в треугольник.

Схемы не имеют особых преимуществ друг перед другом, однако «звезда» требует большего линейного напряжения, чем «треугольник» (для работы в номинальном режиме). Поэтому в характеристике трёхфазного двигателя указывают два номинальных напряжения через дробь (как правило, это 220/380 или 127/220 вольт).

Работающие по схеме «треугольник» двигатели можно соединять по схеме «звезда» на время пуска (для снижения пускового тока) посредством специальных пусковых реле.

Начала и концы обмоток выведены на колодку «два на три» вывода так, что:

для соединения в «звезду» требуется соединить весь один ряд из трёх выводов — это будет центр («ноль»), остальные выводы подключаются к фазам.

для соединения в «треугольник» требуется соединить попарно все три ряда по два провода и подключить их к фазам.

Для смены направления вращения трехфазного электродвигателя необходимо поменять местами любые две фазы из трех в месте подключения питания к двигателю.

Работа в однофазной сети

Может работать в однофазной сети с потерей мощности (не нагруженный на номинальную мощность). При этом для запуска необходим механический сдвиг ротора, либо фазосдвигающая цепь, которая обычно строится или из ёмкости или из индуктивности или из трансформатора.

При однофазном запуске на одну из обмоток подаётся напряжение (ток) через ёмкость или индуктивность, которая сдвигает фазу тока:

вперёд на 90° — при включении в цепь емкости,

назад на 90° — и включении в цепь индуктивности,

(без учёта потерь). После запуска напряжение с фазосдвигающей обмотки снимать нельзя. Снятие с фазосдвигающей обмотки напряжения эквивалентно работе трёхфазного двигателя с обрывом одной из фаз, так же при возрастании, даже не очень значительном, тормозного момента на валу двигатель остановится и сгорит.

В некоторых случаях, при питании от однофазной сети, запуск осуществляется вручную проворотом ротора. После проворота ротора двигатель работает самостоятельно.

Трёхфазный двигатель приспособлен к трёхфазной сети, а к однофазной сети лучше подходит двухфазный двигатель со сдвигом фазы во второй обмотке либо через конденсатор (конденсаторные двигатели), либо через индуктивность.

Работа в случае пропадания одной фазы

Запуск возможен только в случае соединения обмоток «звездой» с подключением нулевого провода (что не является обязательным для работы). Если нагрузка не позволит двигателю запуститься и развить номинальные обороты, то из-за увеличения тока в обмотках и уменьшения охлаждения он выйдет из строя через несколько минут (перегрев, пробой изоляции и короткое замыкание).

Продолжение работы будет при любом типе соединения обмоток, но так как при этом перестаёт поступать примерно половина энергии, то продолжительная работа возможна только при загрузке двигателя значительно менее чем на 50 %. При большей (номинальной) нагрузке увеличение тока в работающих фазах неминуемо вызовет перегрев обмоток с дальнейшим пробоем изоляции и коротким замыканием. Это одна из частых причин преждевременного выхода из строя асинхронных двигателей.

Электрозащита

Для защиты двигателей от пропадания и перекоса (разницы напряжений) фаз питающего напряжения применяют реле контроля фаз, которые в этих случаях полностью отключают питание (с автоматическим или ручным дальнейшим включением). Возможна установка одного реле на группу двигателей.

Более грубой и универсальной защитой, обязательной по правилам эксплуатации и обычно достаточной при правильно подобранных параметрах, является установка трёхфазных автоматических выключателей (по одному на двигатель), которые отключают питание в случае длительного (до нескольких минут) превышения номинального тока по любой из фаз, что является следствием перегрузки двигателя, перекоса или обрыва фаз.

Принцип действия

Принцип действия асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии индуктированного тока ротора с магнитным потоком статора. При включении обмотки трехфазного двигателя под напряжение источника трехфазного переменного тока внутри расточки статора образуется вращающееся магнитное поле, частота вращения которого равна

n1 = 60fp ,

где n1 - частота вращения магнитного поля, об/мин; f - частота тока, Гц; p - число пар магнитных полюсов двигателя.

Силовые линии вращающегося магнитного поля пересекают стержни короткозамкнутой обмотки ротора, и в них индуктируется ЭДС, которая вызывает появление тока и магнитного потока в роторе двигателя.

Взаимодействие магнитного поля статора с магнитным потоком ротора создает механический вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться. Частота вращения ротора несколько меньше частоты вращения магнитного поля. Поэтому двигатель называется асинхронным.

Величина, характеризующая отставание ротора от магнитного поля в относительных единицах, называется скольжением, подсчитывают ее по формуле

S = (n1−n2)/n1,

где S - скольжение (относительная угловая скорость); n1 - частота вращения магнитного поля, об/мин; n2 - номинальная частота вращения ротора, об/мин.

Для включения двигателя по схеме «треугольник» нужно начало первой обмотки соединить с концом второй, начало второй обмотки - с концом третьей и начало третьей - с концом первой. Места соединения обмоток подключают к трем фазам сети

Чтобы двигатель включить в сеть по схеме «звезда», нужно все концы обмоток соединить электрически в одну точку, а все начала обмоток присоединить к фазам сети

Схемы включения всегда приводятся на обратной стороне крышки, закрывающей коробку выводов электродвигателя.

Для изменения направления вращения трехфазного асинхронного электродвигателя достаточно поменять местами две любых фазы сети независимо от схемы включения электродвигателя. Для быстрого изменения направления вращения двигателя применяют реверсивные рубильники, пакетные выключатели или реверсивные магнитные пускатели.

Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором наряду с простотой конструкции, высокой надежностью в работе, долговечностью, низкой стоимостью и универсальностью, обладает одним существенным недостатком: при его пуске возникает пусковой ток, значение которого в 5-7 раз больше номинального. Большой пусковой ток, на который электрическая сеть обычно не рассчитана, вызывает значительное снижение напряжения, что, в свою очередь, отрицательно влияет на устойчивую работу соседних электроприемников.

Чтобы уменьшить пусковые токи трехфазных асинхронных короткозамкнутых двигателей больших мощностей, их включают с помощью переключателя схем со "звезды" на "треугольник". При этом сначала обмотки двигателя соединяются по схеме "звезда", потом, после того как ротор двигателя наберет номинальную частоту вращения, его обмотки переключаются в схему "треугольник".

Снижение пускового тока двигателя при переключении его обмоток со звезды на треугольник происходит потому, что вместо предназначенной для данного напряжения сети схемы "треугольник" каждая обмотка двигателя включается на напряжение в √3 раз меньшее, а потребляемый ток снижается в три раза. Снижается также в три раза и мощность, развиваемая электродвигателем при пуске. Поэтому изложенный способ снижения пускового тока можно использовать лишь при нагрузке не более 1/3 номинальной.

На каждом электрическом двигателе должен быть технический паспорт в виде металлической пластинки, укрепленной на его корпусе. В паспорте трехфазного асинхронного электродвигателя приводятся его основные технические данные, тип электродвигателя, заводской номер, соответствие стандартам, номинальные: напряжение, ток, мощность, частота вращения, коэффициент мощности, коэффициент полезного действия, масса и др.

Вопрос №16

Трехфазный асинхронный двигатель. Основные понятия и определения.

Трёхфазный двигатель — электродвигатель, который конструктивно предназначен для питания от трехфазной сети переменного тока.

Представляет собой машину переменного тока, состоящую из статора с тремя обмотками, магнитные поля которых сдвинуты в пространстве на 120° и при подаче трехфазного напряжения образуют вращающееся магнитное поле в магнитной цепимашины, и из ротора  (различной конструкции, вращающегося несколько медленнее поля статора.

Основные параметры асинхронного двигателя указываются на его паспортной табличке: типоразмер, номинальная мощность, режим работы, номинальная частота вращения, номинальный ток, номинальное напряжение, коэффициент мощности; КПД, степень защиты IP, температурный класс изоляции.

Номинальная мощность PN двигателя зависит от температуры окружающей среды и высоты над уровнем моря. Номинальная мощность, указанная на заводской табличке, действительна при температуре окружающей среды до 40 °C и высоте не более 1000 м над уровнем моря. При отклонениях от этих данных номинальную мощность следует снизить, пересчитав ее по следующей формуле:

где PN1 – сниженная номинальная мощность [кВт];

PN – номинальная мощность [кВт];

fT – температурный коэффициент пересчета;

fH – высотный коэффициент пересчета.

По действующему стандарту на заводской табличке двигателя в качестве номинальной мощности PN указывают его выходную мощность, т. е. механическую мощность, создаваемую на валу двигателя. Двигатели большего типоразмера имеют более благоприятный КПД η и коэффициент мощности cos φ, чем двигатели меньшего типоразмера. КПД и коэффициент мощности изменяются и в зависимости от степени использования двигателя, а именно, снижаются при работе в режиме неполной нагрузки.

Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от 0 до 1, т. е. 0–100 %. Если S ≈0, то это соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя практически не испытывает противодействующего момента, если S ≈1 – режиму короткого замыкания, при котором ротор двигателя неподвижен (n2 =0). Скольжение зависит от механической нагрузки на валу двигателя и с ее ростом увеличивается.