Электромеханическая постоянная времени электродвигателя

Важнейшим параметром, характеризующим быстродействие исполнительного электродвигателя, является электромеханическая постоянная времени. Это время, в течение которого частота вращения якоря двигателя достигла бы установившегося значения, если бы в процессе разгона якорь ускорялся под влиянием определенного неизменного вращающего момента. Поэтому значение электромеханической постоянной времени электродвигателя получается разным в зависимости от условий ее определения, а именно исходят ли из номинального или пускового вращающего момента двигателя.

Значение электромеханической постоянной времени Т_м чаще всего определяют по пусковому моменту двигателя:

, (7)

где J -момент инерции якоря, кг•см²;

М_п — пусковой момент двигателя, Н•см;

ω — установившаяся угловая скорость якоря, рад/с.

Значение этой постоянной в двигателях мощностью до 20—30 Вт лежит в пределах 0,02—0,04 с. В двигателях мощностью от 30 Вт до нескольких киловатт электромеханическая постоянная достигает 0,2 с, что делает электродвигатель наиболее инерционным элементом автоматических систем регулирования. Для повышения быстродействия исполнительного двигателя в системах автоматики якорь его выполняют малоинерционным, используя конструкции полого бескаркасного якоря.

Исполнительные устройства с двигателями переменного тока

В автоматических системах регулирования в качестве исполнительных устройств широко применяются двухфазные асинхронные двигатели переменного тока.

Двухфазные асинхронные двигатели по конструктивному исполнению подвижной части подразделяются на двигатели с короткозамкнутым ротором, с полым немагнитным ротором и с полым ферромагнитным ротором.

У двигателей первого типа ротор выполнен в виде «беличьей клетки», образованной несколькими продоль­ными проводниками, замкнутыми накоротко в торцевой части поперечными кольцами.

У двигателей второго типа ротор выполняется в виде тонкостенного полого стакана. Применение полого ротора существенно уменьшает инерционность двигателя и момент трения на валу.

У двигателей третьего типа полый ротор выполняется из ферромагнитного материала, поэтому инерционность двигателя повышается.

В качестве примера на рисунке 9а, приведена конструкция электродвигателя с полым немагнитным ротором. Ротор 2, выполненный из немагнитного материалу, закреплен на валу 5 двигателя. В полости ротора распо­ложен внутренний статор 1, служащий для увеличения магнитной проницаемости на пути замыкания магнитного потока. При отсутствии внутреннего статора значительно увеличивается путь магнитного потока и воздушном пространстве полости ротора, что приводит к уменьшению магнитного потока и КПД двигателя*. Применение внутреннего статора позволяет уменьшить общий воздушный зазор между цилиндром ротора и внешним и внутренним статорами до 0,6—1,0 мм. Это обусловливает увеличение КПД двигателя и относительное уменьшение габаритов. В двухфазных асинхронных электро­двигателях часто статор с обмотками располагают внутри ротора двигателя. В пазы внешнего статора 3 закладываются две обмотки 4 таким образом, чтобы магнитные оси их были взаимно перпендикулярны (рисунок 9,б). Одна из обмоток статора является возбуждающей 0В и подключается к источнику питания переменного тока с напряжением постоянной амплитуды U_В. Вторая обмотка является управляющей ОУ и обычно питается напряжением переменного тока U_у той же частоты, что и возбуждающая обмотка 05, но сдвинутым по фазе относи­тельно напряжения U_B на 90°.

Рисунок 9 - Двухфазный асинхронный двигатель переменного тока с полым немагнитным ротором.

а — конструкция: б — схема.

Принцип действия двухфазного асинхронного двигателя основан на явлении вращающегося магнитного поля, которое возникает при подаче на обмотки статора ОВ и ОУ напряжений постоянной амплитуды, но сдвинутых по фазе на 90°.

Частота вращения магнитного поля (синхронная частота) постоянна и определяется выражением

, (8)

где f — частота питающего напряжения; р — число пар полюсов обмотки статора.

В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля с вихревыми токами, наводимыми в стенках ротора этим же вращающимся магнитным полем, в электродвигателе создается вращающий момент, увлекающий ротор в сторону вращения магнитного поля. Так как токи ротора являются следствием пересечения его вращающимся полем, то электромагнитный вращающий момент асинхронного двигателя может создаваться только при условии, когда ротор его вращается несколько медленнее вращающегося поля. При этом вращение ротора тем медленнее, чем больше механическая нагрузка на валу двигателя. Во время холостого хода двигателя, когда его вращающий момент преодолевает лишь незначительный тормозящий момент от механических потерь на трение в подшипниках и ротора о воздух, ротор вращается почти синхронно с вращающимся полем и токи в стенках ротора незначительны. В случае механической нагрузки на валу двигателя ротор отстает от вращающегося поля больше, чем при холостом ходе. При этом условии токи в стенках ротора возрастут, и их взаимодействие с вращающимся полем обеспечит необходимый вращающийся момент двигателя.

Свойства двухфазных асинхронных двигателей в установившемся режиме (n=const) определяются их статическими характеристиками: механической и регулиро­вочной.

Механической характеристикой называется зависимость вращающего момента М от частоты вращения п ротора при постоянных напряжениях возбуждении U_B u управления U_y.

Рисунок 10 - Статические характеристики двухфазного асинхронного