книги из ГПНТБ / Мещеряков, В. В. Микроэлектродвигатели электронных устройств учеб. пособие

нала с обмотки управления. Такое явление недопустимо в ис­ полнительных микроэлектродвигателях, так как в этом случае микродвигатель становится неуправляемым. Ротор исполнитель­ ного электродвигателя должен вращаться лишь при наличии сигнала — напряжения на обмотке управления. С целью устра­ нения электромеханического самохода исполнительные асин­ хронные микродвигатели выполняются с повышенным активным сопротивлением ротора г'2 ^ хт. В этом случае критическое скольжение s, ^ 1, так как st = г'2. Увеличение активного со­ противления ротора смещает максимум механической характе­ ристики в сторону меньших скоростей (больших скольжений), в результате чего результирующий электромагнитный момент микродвигателя в однофазном режиме, являющийся алгебраичеекой суммой моментов от прямого и обратного полей, умень-

Рис. 1. Механические характеристики исполнительного двух­ фазного асинхронного мнкроэлектродвигателя с полым

шается. В случае, когда критическое скольжение равно или больше единицы (sK> 1), результирующий электромагнитный момент

щая момента прямой последовательности (синхронная состав­ ляющая) ; Мэ2 — составляющая момента обратной последова­ тельной (обратно синхронная составляющая). Так как резуль­ тирующий электромагнитный момент микроэлектродвигателя с повышенным активным сопротивлением ротора при s, ^ 1 получается отрицательным (тормозным), то ротор электродви­ гателя при снятии сигнала будет быстро останавливаться. Время его остановки будет в этом случае даже меньше, чем при одно­ временном снятии напряжения с обоих обмоток — управления и возбуждения. Это объясняется тем, что при снятии только на­ пряжения управления в микродвигателе создается отрицатель­ ный (тормозной) момент, а при снятии напряжения с обеих об­ моток в микродвигателе не появляется никакого момента.

В реальных схемах снятие сигнала может производиться двумя способами (рис. 2 а, б):

Рис. 2. Способы снятия сигнала:

а — обмотка управления (У) разомкнута: б — обмотка управления (У) замкнута накоротко

1)Уменьшением напряжения управления до нуля без размы­ кания цепи управления;

2)Путем отключения цепи управления от источника питания.

Впервом случае явление электромеханического самохода устра­ нить значительно легче, чем во втором- С целью устранения этого самохода в реальных исполнительных асинхронных микродви­

гателях активное сопротивление ротора выбирается с таким рас­

и. следовательно г2. ^ хт. Такое значительное увеличение активно-

II

ного сопротивления ротора, способствуя устранению электро­ механического самохода, отрицательно сказывается на исполь­ зовании микроэлектродвигателя. Смещение механической ха­ рактеристики асинхронного микродвигателя в сторону больших скольжений или меньших скоростей резко уменьшает механи­ ческую мощность микродвигателя (Р2 = М 2п2) и увеличивает электрические потери в роторе. Поэтому номинальная мощность исполнительного асинхронного микродвигателя в 2—3 раза меньше номинальной мощности обычных асинхронных микро­ двигателей (с малым активным сопротивлением ротора) тех же

званного недостаточной величиной активного сопротивления ротора, у некоторых исполнительных микроэлектродвигателей наблюдается самоход иного типа, так называемый технологи­ ческий самоход. В случае технологического самохода ротор микродвигателя начинает вращаться незамедлительно после включения к источнику питания только обмотки возбуждения. Причиной технологического самохода является возникновение слабого эллиптического магнитного поля, обусловленного ко­ роткозамкнутыми витками в статоре. Это поле создается в ре­ зультате недоброкачественного изготовления микроэлектродви­ гателя или обмотки статора, или за счет замыкания между собой отдельных листов стали пакета статора. Причиной технологи­ ческого самохода может быть также неодинаковая магнитная проводимость статора в различных радиальных направлениях. Этот самоход чаще всего наблюдается у микроэлектродвигателей с полым немагнитным ротором весьма малой мощности (от долей ватта до нескольких ватт), ротор которых вследствие малой инерции приходит во вращение при появлении малейшей эллип­ тичности магнитного поля. Для устранения технологического самохода необходимо высококачественное изготовление микро­ электродвигателей: тщательная изоляция обмотки и листов ста­ ли, сборка пакета статора веером.

Одним из основных требований, которые предъявляются к исполнительным микродвигателям переменного тока, работаю­ щих в схемах автоматики и электроники, является требование быстродействия, т. е. возможно более короткого промежутка времени от подачи сигнала к достижению ротором микродви­ гателя заданной скорости вращения. Быстродействие ротора

12

2)от величины вращающего момента микродвигателя (чем больше момент, тем быстрей ротор достигает заданной скорости вращения);

3)от величины момента инерции вращающихся частей (при большем моменте инерции больше время разгона);

4) от скорости протяжения электромагнитных процессов, т. е. от времени, в течение которого электрический ток и магнит­ ный поток микродвигателя достигают установившихся значений. Скорость протекания электромагнитных процессов обычно во много раз больше, чем скорость протяжения электромеханических процессов. Поэтому электромагнитной постоянной времени Тэ, которая оценивает скорость протекания электромагнитных про­ цессов, можно пренебречь и быстродействие микроэлектродви­ гателя учитывать лишь электромеханической постоянной вре­ мени Ты, считая ее постоянной времени исполнительного мик­ родвигателя (Тм» Тэ).

Электромеханической постоянной времени называется такое время, в течение которого в процессе разгона достигается ско­ рость вращения ротора микроэлектродвигателя, равная 0,633 от установившейся при идеальном холостом ходе под влиянием неизменного пускового момента. Скорость вращения ротора увеличивается по экспоненциальному закону (закону показатель-

Рис. 3. Экспонента скорости ротора исполнительного двух­ фазного асинхронного мик­ роэлектродвигателя: п2 = / ( t)

при и 2 — и 1я — const, fi — = fi, = const, a, = const или

sm у = const, или —&. = const

«о

ной функции, рис. 3). Уравнение экспоненты скорости равно

13

питающей сети и число пар полюсов статора микродвигателя.

тором Тм = 0,01 -т- 0,1 сек:

б) для микродвигателей в виде простой беличьей клетки в роторе Ты = 0,2 -г 1,0 сек:

в) для микродвигателей с полым ферромагнитным ротором

Тм = 1,0 Ч- 2,0 сек.

Для повышенных частот 400 Ч- 500 гц Тм примерно в 1,5 Ч- 2 раза больше, чем в электродвигателях 50 гц. Большинство сов­ ременных методов исследования системы автоматического регу­ лирования основано на свойствах передаточной функции разомк­ нутой системы W(p), т. е. системы, у которой разомкнута жест­ кая обратная связь. Известно, чтопередаточная функция после-

14

довательно соединенных звеньев равна произведению переда­ точных функций отдельных звеньев. Следовательно передаточная функция разомкнутой следящей системы будет иметь вид:

Из этого аналитического выражения следует, что передаточная функция состоит из четырех звеньев:

1) усилительного К:

Т»Р+ 1

4)апериодического W3 — ----------,

ТуР + 1

где К — К ,КуКа— добротность системы:

К; £2ВХ— входная скорость: <русг — установившаяся

скоростная ошибка при слежении со скоростью і2„ К, — коэффициент преобразования системы, пропорциональ­

Тм— электромеханическая постоянная времени исполңитель- , ( ного микроэлектродвигателя, сек:

Ту — электромагнитная постоянная времени усилителя, сек: Фв = ав — /?.; <рв— угол рассогласования: а, — угол пово­ рота входного вала; ßB— угол поворота выходного

вала;

d

р = — — оператор.

Из выражения (1,3) следует, что передаточная функция разомк­ нутой следящей системы значительно зависит от электромехани­ ческой постоянной времени Тм исполнительного микроэлектро­ двигателя.

15

§ 1, 2. Способы управления исполнительным двухфазным асинхронным микродвигателем

Способы управления исполнительным двухфазным асинхрон­ ным микродвигателем различают следующие:

1.Амплитудное управление (изменение величины напряже­ ния управления при неизменной фазе);

2.Фазовое управление (изменение фазы напряжения управ­ ления при неизменной величине напряжения);

3.Амплитудно-фазовое управление (одновременное измене­ ние величины и фазы напряжения управления относительно напряжения возбуждения).

На практике при питании и управлении двухфазных асинхрон­

ных микроэлектродвигателей используются различные схемы: 1. Схема амплитудного управления микроэлектродвигателем

(рис. 4а); 2. Схема фазового управления микроэлектродвигателем

(рис. 46);

а — схема амплитудного управления; 6 — схема фазового управления; в — схема амплитудно-фазового управления с одним конденсахором:.*г*—1схема амплитудно-фазового управления с двумя конденсаторами

16

3. Схема амплитудно-фазового управления микроэлектродви- с одним конденсатором (рис. 4в);

4. Схема амплитудно-фазового управления микроэлектродви­ гателем с двумя конденсаторами (рис. 4г).

Схема (рис. 4а) соответствует амплитудному управлению микроэлектродвигателем. Здесь обмотка возбуждения В присое­ диняется в сеть переменного тока с постоянным по величине напряжением U1н = const. На обмотку управленияУ подается сигнал-напряжение управления Uy, которое сдвинуто по фазе относительно напряжения возбуждения UB на 90 электрических градусов посредством 'фазосмещающего элемента (обычно кон­ денсатора). Управление микроэлектродвигателем осуществляет­ ся путем изменения величины (амплитуды) напряжения управ­ ления при неизменной его фазе (у = 90° = const). При UB= U1н = = и; = KcUy имеет место круговое двухфазное вращающееся магнитное поле. При этом эффективный коэффициент сигнала равен

где ас = ~ коэффициент сигнала:

К с = Wa^ m — коэффициент трансформации для э. д. с. ста- wyKwy

тора, т. е. отношение числа эффективных витков обмотки воз­ буждения к числу эффективных витков обмотки управления с

магнитное поле микродвигателя остается круговым независимо от величины скорости вращения ротора.

Схема (рис. 46) соответствует фазовому управлению микроэлектродвигателем. При включении исполнительного асинхрон­ ного микроэлектродвигателя по этой схеме на обмотку возбуж­ дения подается постоянное по величине напряжение сети. На обмотку управления подводится постоянное по величине, но переменное по фазе относительно напряжения сети напряжение управления Uy = KcUy — UB= (71н = const. Управление микро­ электродвигателем осуществляется путем изменения фазы на­ пряжения управления (изменением угла у) посредством фазо­ регулятора. . .

Величина сигнала управления обычно оценивается коэффи­ циентом сигнала — синусом угла сдвига фазы напряжения управ-

17

ления по отношению к напряжению возбуждения или сети (sin у). При сдвиге напряжений по фазе на 90° (sin у = 1) в микроэлек­ тродвигателе независимо от величины скорости вращения ротора имеет место круговое вращающееся магнитное поле. При всех остальных коэффициентах сигнала (1 > sin у > 0) поле микроэлектродвигателя — эллиптическое, а при sin у = 0 — пульсирую­ щее.

Схема (рис. 4в) соответствует амплитудно-фазовому управ­ лению мцкроэлектродвигателем с одним конденсатором. Здесь напряжение сети UlH и напряжение управления Uy совпадают по фазе. Сдвиг токов, а следовательно, и напряжений на обмотках управления Uy и возбуждения UB достигается применением кон­ денсатора, который включается последовательно с обмоткой возбуждения. Управление микроэлектродвигателем осуществ­ ляется путем изменения величины напряжения управления Uy. При этом, несмотря на то, что фаза напряжения управления не изменяется (напряжение управления по фазе всегда совпадает с напряжением сети), с изменением величины напряжения управ­ ления Uy наблюдается одновременное изменение как величины, так и фазы напряжения возбуждения С/в. Это объясняется тем, чт* вследствие изменения тока в цепи возбуждения /„ изменяется

• ІО6

и напряжение конденсатора UQ= — Л вхс = — Л в— —, где

со^С

емкость С-мкф, ток /„ — a: UB= J Кj j y = JlJy — при круговом вращающемся магнитном поле. Коэффициент сигнала с учетом

емкости в цепи возбуждения а0 = — -. Особенностью исполни­ мы

тельного микроэлектродвигателя, включенного по схеме (рис. 4в) является то, что круговое двухфазное вращающееся магнитное

Рис. 5. Векторная диаграмма напряжений и токов статора исполнительного двухфазного асинхронного микроэлектро­ двигателя при амплитудно­ фазовом управлении и круго­ вом двухфазном вращающемся магнитном поле (s = + 1;

18

ии

^ = 1(рис. 5). Схема (рис. 4г) соответствует амплитудно-

U 1н '-'в

фазовому управлению микроэлектродвигателем с двумя конден­ саторами. При правильном выборе емкостей конденсаторов и микроэлектродвигателя, включенного по схеме (рис. 4г) создается большая, чем при включении по схеме (рис. 4в), полезная мощ­ ность и более устойчивые механические характеристики. Вслед­

и меньший ток управления /у. Это является весьма ценным свой­ ством схемы (рис. 4г), так как обычно обмотка управления пи­ тается от усилителей, имеющих ограниченную мощность. Управ­ ление микроэлектродвигателем по схеме (рис. 4г) осуществляет­ ся также, как и по схеме (рис. 4в) путем изменения величины напряжения управления при неизменной его фазе.

§1, 3.Особенности конструкции, принцип действия и области применения исполнительных двухфазных асинхронных

микродвигателей с полым немагнитным ротором

Управляемый двухфазный асинхронный микроэлектродвига­ тель с полым немагнитным ротором является в настоящее время самым распространенным исполнительным микродвигателем пе­ ременного тока. Исполнительные двухфазные асинхронные мик­ родвигатели с полым немагнитным ротором строятся мощно­ стью от долей ватта до несколько сотен ватт (до 600 вт) как для промышленной частоты (50 гц), так и для повышенных частот (300, 400, 500, 800 и 1000 гц) с синхронной скоростью вращения от 1500 до 30000 об/мин. Этот исполнительный микроэлектродви­ гатель имеет обычно на статоре две обмотки — возбуждения и управления (рис. 6а, б). Обмотка возбуждения В и управления У электрически не связаны между собой и сдвинуты в пространстве друг по отношению друга на 90 электрических градусов, что позво­ ляет получить в микродвигателе при сдвиге токов или напряжений по фазе (во времени) двухфазное вращающееся магнитное поле (круговое или эллиптическое). Цепь возбуждения В включается на постоянное напряжение по величине источника переменного

19