Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические машины. Синхронные машины и микромашины. Учебное пособие
.pdf
Рис. 2.2. Механические характеристики
РО
ПО
Рис. 2.3. Однофазный асинхронный двигатель с пусковой обмоткой
Этот момент приводит во вращение ротор двигателя. После разгона
двигателя пусковая обмотка отключается от сети.
2.2. Двухфазный асинхронный двигатель
Схема двухфазного асинхронного двигателя приведена на рис. 2.4.
Рабочий конденсатор С
тора, позволяет получить вращающееся магнитное поле. Если вращающий момент такого двигателя недостаточен для пуска двигателя
под нагрузкой, то параллельно рабочему конденсатору С
ется пусковой конденсатор С
С
автоматически отключается выключателем Q.
п
, создавая сдвиг фаз в одной из обмоток ста-
р
подключа-
р
. После разгона двигателя конденсатор
п
М
Рис. 2.4. Двухфазный асинхронный двигатель
21
2.3. Двухфазный асинхронный двигатель
с полым ротором
Такой двигатель применяют в механизмах, где требуется регулирование частоты вращения в широком диапазоне. Ротор двигателя 1,
изготовленный из немагнитного материала, вращается между внешней 2 и внутренней 3 частями статора (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Асинхронный двигатель с полым ротором
В статоре создаётся вращающееся магнитное поле, которое наводит в роторе вихревые токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем создаёт вращающий момент. Такой двигатель обладает
высоким быстродействием, так как полый цилиндр имеет небольшой
момент инерции.
2.4. Тахогенераторы
Тахогенераторами (ТГ) называются электрические машины небольшой мощности, преобразующие механическое вращение в электрический сигнал. Главное требование, предъявляемое к тахогенераторам, заключается в линейности выходной характеристики – пропорциональной зависимости между выходным напряжением U
угловой скоростью вращения n:
d
где k
Uknk
ТГ ТГ
, k – коэффициенты пропорциональности;
ТГ
,
(2.1)
d
t
φ – угол поворота.
22
ТГ
и
Из уравнения (2.1) видно, что тахогенераторы можно использовать для измерения скорости вращения и для электромеханического
дифференцирования, если за входной сигнал принять угол поворота
ротора.
По роду тока тахогенераторы можно разделить на ТГ переменного тока (синхронные и асинхронные) и ТГ постоянного тока.
По конструктивному исполнению ТГ практически не отличаются
от соответствующих
типов исполнительных двигателей. Тахогенераторы постоянного тока – небольшие коллекторные машины, поток
возбуждения в которых создаётся постоянным магнитом или независимой обмоткой. Тахогенераторы синхронного типа – небольшие
синхронные машины с постоянным магнитом в качестве ротора.
Асинхронные тахогенераторы (получили наибольшее распространение) по конструкции подобны асинхронным электродвигателям с
полым короткозамкнутым ротором. На статоре
такого тахогенератора расположены под углом 90° две обмотки, одна из которых (об-
мотка возбуждения) питается переменным током постоянной частоты и постоянного напряжения, а вторая является выходной, к ней
может быть подсоединён измерительный прибор (вольтметр, отградуированный, например, в об/мин).
Недостатки тахогенераторов:
– Не могут измерять очень медленное вращение – получающийся
сигнал чересчур мал.
– Создают дополнительную нагрузку на вращающийся вал и со-
держат трущиеся детали, требующие регулярного ухода.
С развитием электроники тахогенераторы заменяются на схемы с
оптронами открытого типа, реагирующими на отражение света от
меток на валу или на прерывание луча света крыльчаткой, размещённой на валу, т.е. на датчики
угла поворота (энкодеры).
Тахогенераторы постоянного тока выполняют с обмоткой возбуждения или с возбуждением от постоянных магнитов.
Вал якоря тахогенератора ВR соединяется с валом двигателя (рис. 2.6).
В тихоходных приводах (n = 60…120 об/мин) прокатных станов ТГ
присоединяется к валу двигателя через повышающий редуктор.
Из теории электрических машин известно, что ЭДС якоря
порциональна магнитному потоку и частоте вращения Е
При постоянном магнитном потоке Е
= Сеn, т.е. ЭДС пропорцио-
тг
про-
= СеФn.
тг
нальна частоте вращения, поэтому на обмотку возбуждения ТГ
(ОВТГ) подаётся стабилизированное напряжение.
23
Рис. 2.6. Схема включения тахогенератора ВR:
R
а – с обмоткой возбуждения; б – с возбуждением от постоянного магнита
При подключении нагрузки (измерительные приборы (ИП) и эле-
менты автоматики) напряжение на выходе ТГ уменьшается:
U
где R
– сопротивление обмотки якоря и щёточного контакта.
тг
= Етг – RТГIТГ, (2.2)
тг
На рис. 2.7 видно, что с увеличением нагрузки коэффициент пере-
дачи ТГ уменьшается.
Рис. 2.7. Выходные характеристики ТГ: Rн1 Rн2
Ток ТГ зависит от сопротивления нагрузки Rн, поэтому
U
ТГ
U Е R
ТГ ТГ ТГ
н
или
где С
Е
U С n
ТГ ТГ
– коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей.
ТГ
ТГ
11
RR RR
ТГ н ТГ н
С n
e
(2.3)
,
24
Уравнение (2.3) свидетельствует о линейности выходной характеристики, однако при больших нагрузках реальная характеристика
отклоняется от прямой вследствие влияния реакции якоря.
Допусти-
мая нелинейность выходной характеристики не более 0,5 … 1 %.
С целью повышения линейности выходной характеристики используют высокоомные измерительные приборы и небольшой диапазон скорости от 0 до половины номинальной частоты вращения ТГ.
Существенным достоинством ТГ постоянного тока является полное отсутствие фазовой погрешности и влияния характера нагрузки
на величину выходного напряжения.
2.5. Асинхронный тахогенератор
Конструкция асинхронного тахогенератора ничем не отличается
от асинхронного исполнительного двигателя (АИД) с полым немагнитным ротором. Как и в АИД, одна из обмоток статора подключается к сети переменного тока и называется обмоткой возбуждения
(ОВ), с другой – генераторной обмотки (ГО) снимается выходное
напряжение (рис. 2.8).
U
г
U
В
U
г
n
Рис. 2.8. Принцип действия асинхронного тахогенератора
Принцип действия асинхронного тахогенератора заключается в
следующем. При питании обмотки возбуждения переменным током
частоты f
возникает пульсирующий магнитный поток Фв, который
в
во вращающемся роторе индуцирует два вида ЭДС: трансформаторную ЭДС – Е
(показана внутри ротора) и ЭДС вращения – Евр (пока-
т
зана снаружи ротора).
В контурах, перпендикулярных оси обмотки возбуждения, под
действием трансформаторной ЭДС протекают токи и возникает поток Ф
, который в соответствии с принципом Ленца направлен
тр
25
встречно потоку обмотки возбуждения, однако его действие компен-
сируется увеличением тока возбуждения. Так как ось генераторной
обмотки перпендикулярна потоку Ф
, он не будет индуцировать в
тр
ней никакой ЭДС.
В контурах, параллельных оси обмотки возбуждения, но теперь
уже под действием ЭДС вращения тоже протекают токи, которые
создают свой поток Ф
. Он, пульсируя по оси генераторной обмотки,
вр
наводит в ней выходную ЭДС.
Если принять, что магнитный поток возбуждения является гармонической функцией времени
ф
= Фmsin(w1t),
вр
то мгновенное значение ЭДС вращения будет
е
= СеФmsin(w1t)n.
вр
Ток, созданный этой ЭДС,
i = e
= Се/rр·Фmsin(w1t)n.
вр/rр
(Индуктивным сопротивление ротора можно пренебречь, поскольку он немагнитный, да к тому же выполнен из материала с высоким удельным сопротивлением). При отсутствии насыщения магнитный поток пропорционален току
ф
= kфi = kфcе/rр·Фmsin(w1t)n.
вр
Тогда мгновенное значение выходной ЭДС будет
е = –W
Угловая частота сети w
/dt = –WГkфСе/rр·Фmw1cos(w1t)n = Еmsin(w1t – 90).
Гdфвр
= 2pf.
1
Так как ЭДС изменяется по гармоническому закону, её действующее значение будет
Е kn
гг
. (2.4)
Таким образом, величина выходной ЭДС асинхронного тахогенератора пропорциональна скорости вращения, а её частота равна частоте сети возбуждения.
При подключении нагрузки выходное напряжение U
меньше ЭДС Е
на величину внутреннего падения напряжения IгZг
г
станет
г
– полное сопротивление обмотки возбуждения статора АТГ.
где Z
г
26
U Е IZ
г
ггг
, (2.5)
Выражение (2.5) свидетельствует о том, что выходное напряжение
является комплексной величиной, поэтому можно говорить об амплитудной и фазовой погрешностях АТГ.
Амплитудной погрешностью называется отклонение реальной характеристики U = f(n) от идеальной (рис. 2.9). Она определяется как
выраженное в процентах отношение разницы напряжений идеального (прямая 1) и реального (кривая 2) тахогенераторов
му напряжению идеального АТГD U
= (Uги – Uг) /U
%
к номинально-
·100.
ги.ном
Уменьшению амплитудной погрешности способствует правильная калибровка АТГ, т.е. настройка схемы, в которой работает АТГ,
на оптимальный наклон идеальной выходной характеристики АТГ.
Так, если диапазон измеряемых частот вращения невелик, настройку
лучше выполнить в соответствии с рис. 2.9, а. Если диапазон достаточно широк, целесообразно откалибровать АТГ, как показано на
рис. 2.9,
б.
ном
а
Рис. 2.9. Калибровка асинхронного тахогенератора
при малом и большом диапазоне скоростей вращения
а
б
ном
Фазовая погрешность – отклонение фазы выходного напряжения
от фазы напряжения, принятого за базовое. Чаще всего в качестве
последнего берут напряжение возбуждения.
Физическая природа фазовой погрешности в основном определяется индуктивными сопротивлениями статора и особенно ротора. Её,
как и амплитудную, можно уменьшить путём соответствующего выбора характера нагрузки.
Нулевой сигнал – напряжение на генераторной
подвижном роторе. Нулевой сигнал U
не остаётся постоянным при
0
обмотке при не-
повороте ротора. Он содержит две составляющие: постоянную и переменную.
27
Асимметрия выходного напряжения – неравенство напряжений
АТГ при вращении с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях: U
U–n. Особенно ярко она проявляется на
+n
малых частотах вращения. Главная причина несимметрии заключается в наличии остаточной ЭДС (нулевого сигнала). Действительно,
при смене направления вращения фаза основной ЭДС генераторной
обмотки Е
изменяется на 180, тогда как фаза нулевого сигнала U0
г
остаётся постоянной. В результате результирующая ЭДС выходной
обмотки изменяется по величине: Е
гр(+n)
# E
. Снижение асимметрии
гр(–n)
выходного напряжения достигается уменьшением нулевого сигнала.
2.6. Шаговые электродвигатели
Шаговым электродвигателем называется вращающийся электродвигатель с дискретными угловыми перемещениями ротора, осуществляемыми за счёт импульсов сигнала управления.
Шаговые, или импульсные электродвигатели преобразуют электрические импульсы в фиксированные угловые перемещения – «шаги». Шаговые двигатели находят применение в различных механизмах, рабочие органы которых должны перемещаться дискретно. К
таким механизмам относятся киносъемочная
тура, механизмы подачи различных станков, устройства перемещения валков прокатных станов и др.
Шаговые электродвигатели с активным ротором имеют ротор, изготовленный из постоянных магнитов (рис. 2.10). Статор имеет выступающие полюсы с сосредоточенной обмоткой в виде катушек на
каждом полюсе. Питание статорных катушек производится импульсами напряжения,
поступающими с электронного коммутатора.
и проекционная аппара-
28
а б
Рис. 2.10. Шаговые двигатели с активным ротором
Пусть в начальный момент времени подано напряжение на обмот-
ки полюсов 2–2. Образуется статорное магнитное поле с горизонтально расположенными полюсами N–S. В результате взаимодействия этого поля с постоянными магнитами ротора последний займёт
указанное на рис. 2.10, а положение, при котором оси магнитных полей статора и ротора совпадают.
Далее с помощью коммутатора
напряжение снято с обмоток 2–2 и
подано на обмотки полюсов 1–1. Образуется магнитное поле статора
с вертикально расположенными полюсами. Отключение катушек 2–2
и подключение катушек 1–1 вызовет скачкообразный поворот магнитного поля статора на 90. Ротор также повернётся на 90
вслед за
магнитным полем статора.
Ротор шагового двигателя занимает определённое фиксированное
положение, соответствующее наибольшей магнитной проводимости
относительно возбуждённых статорных полюсов. Если отклонить
ротор от этого равновесного положения на некоторый угол, то магнитная проводимость для потока уменьшится, силовые линии магнитного поля деформируются, и возникнет синхронизирующий момент, возвращающий ротор в
прежнее положение.
На статоре шагового реактивного двигателя имеются явно выраженные полюсы с обмоткой возбуждения. Ротор его представляет
собой зубчатое колесо без обмотки возбуждения. Катушки статора
двигателя получают поочерёдно импульсы тока, образуя магнитное
поле, бегущее определёнными скачками по окружности статора. Явнополюсный ротор двигателя синхронно следует за этим полем статора соответствующими шагами, равными углу αш
360
2
Рт
, (2.6)
ш
где 2P – число явных полюсов ротора, равное числу роторных зубцов;
m – число обмоток управления на статоре;
α
– величина шага ротора двигателя.
ш
На рис. 2.11 представлена функциональная схема управления шаговым двигателем:
– ГИ – генератор импульсов;
– ФИ – формирователь импульсов;
– КУ – ключ управления;
– РИ – распределитель импульсов;
– ДС – дешифратор;
29
– РН – регулятор напряжения;
– УМ – усилитель мощности.
Рис. 2.11. Функциональная схема управления шаговым двигателем
2.7. Линейные шаговые двигатели
Линейные шаговые двигатели (ЛШД) обеспечивают поступательное движение рабочих органов различных механизмов (рис. 2.12). Применение ЛШД позволяет упростить кинематическую схему, что
уменьшает потери мощности и повышает точность отработки координатных перемещений.
30
Рис. 2.12. Линейный шаговый двигатель индукторного типа
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]