Асинхронный исполнительный двигатель

Исполнительные (управляемые) асинхронные двигатели применяются в системах управления для преобразования электрического сигнала в механическое перемещение.

Требования к ним:

1. Обладать самоторможением, т.е. отсутствие самохода.

Электродвигатель имеет самоход, если его ротор вращается при отсутствии сигнала управления, т.е. , где

b - угол между U_y и U_B;

U_y – напряжение управления;

U_B – напряжение возбуждения;

- эффективный коэффициент сигнала.

Встречается два вида самохода: методический и технологический.

Методический самоход проявляется при снятии сигнала управления, причина – недостаточно большое сопротивление ротора. Чтобы электродвигатель не имел самохода, надо, чтобы S_КР > 1. (т.е. причина - неправильный выбор параметров).

Критерий отсутствия самохода при любом скольжении:

Технологический самоход проявляется сразу после включения в сеть ОВ, когда сигнал еще не подан. Причина – слабое эллиптическое поле, наличие короткозамкнутых витков, неодинаковая проводимость, разная толщина стенок полого ротора и т.д. Устранение – качественное изготовление деталей, изоляции, сборка и т.д.

2. Широкий диапазон регулирования частоты вращения n_max/n_min=100…200

3. Устойчивость работы во всем диапазоне рабочих частот вращения.

4. Большой пусковой момент.

5. Хорошее быстродействие, т.е. ротор должен обладать малым моментом инерции.

Обычно в машинах малой мощности скоростью протекания электромагнитных процессов можно пренебречь по сравнению с электромеханическими процессами, т.к. постоянные времени процессов

Т_Э << Т_М

, где

- момен инерции двигателя;

М _{ПУСК 0} – пусковой момент при круговом вращающемся поле;

Т_Э – постоянная времени протекания электромангнитных процессов;

= 0,01..0,15 сек для двигателей с полым ротором;

Т_М – электромеханическая постоянная времени, которая определяется временем разгона ротора двигателя от w = 0 до w = 0,633 w_хх (w_хх - скорость холостого хода)

Если сравнить электродвигатель постоянного тока и переменного тока, то J^~ < J⁼, поэтому . Но постоянная меньше ненамного, т.к. М_ПУСК при постоянном токе в 2…4 раза больше, чем у электродвигателя переменного тока.

6. Малая мощность управления.

7. Надежность в работе

8. Максимальная линейность механических и регулировочных характеристик.

9. Малые габариты и вес.

Особенности конструкции:

Асинхронные исполнительные двигатели - это двухфазные электродвигатели, имеющие на статоре две сдвинутые в пространстве на 90 электрических градусов обмотки: ОВ – обмотку возбуждения, непосредственно подключаемую к сети и ОУ – обмотку управления, на нее сигнал подается лишь тогда, когда необходимо вращение ротора. Управляющий сигнал изменяется по величине или фазе.

Особенность режима работы

Рисунок 2.3.1 асинхронного исполнительного двигателя в том что, они почти никогда не работают в номинальном режиме при номинальной частоте вращения. Для асинхронного исполнительного двигателя харак-

терны частые пуски, остановки, реверсы, которые сопровождаются переходными процессами.

С целью уменьшения времени переходных процессов асинхронный исполнительный двигатель стараются сделать малоинерционными, следовательно, они никогда не снабжаются вентиляторами.

Для работы асинхронного исполнительного двигателя необходимо получить вращающееся магнитное поле, т.е. надо сдвинуть токи в обмотке возбуждения и

Рисунок 2.3.2 обмотке управления во времени.

Сдвиг токов осуществляется за счет схем управления, фазовращателей, конденсаторов, преобразователей. Максимальная полезная мощность Р_2max достигается при сдвиге I_Y и I_B на 90° и при равенстве амплитуд МДС обмоток F_ym = F_Bm.

Управление можно осуществить одним из трех способов:

1. Амплитудное управление – изменение величины (амплитуды) U_Y при

неизмененной его фазе (рис. 2.3.2)

Обмотка возбуждения подключается к сети U_B=U₁. На обмотку управления подключается U_У, сдвинутое на b=90° относительно U_B.

Величину U_У (переменную) оценивают эффективным коэффициентом сигнала:

, где .

Круговое вращающееся поле при амплитудном управлении имеет место при , т.е. когда приведенные к одному числу витков U_У и U_B равны по величине.

Напряжение управления, соответствующее круговому полю, называется номинальным (U_УО). При всех других напряжения U_У поле эллиптическое.

Реверс асинхронного исполнительного двигателя при амплитудном управлении достигается путем изменения фазы U_У на 180°.

2. Фазовое управление – изменение фазы U_У при неизменной его величине (рис.2.3.3)

На обмотку В подается U_B=U₁=const. На обмотку управления подается постоянное по значению (амплитуде), но переменное по фазе U_У = U’_B = U_B/k.

Управление электродвигателем осуществляется изменением угла b. Величина U_У обычно оценивается коэффициентом сигнала, который равен sinb.

При сдвиге U_У и U_B на 90°, т.е. sinb = 1 – имеем круговое вращающееся поле.

при 0 < sinb < 1 – поле эллиптическое;

при sinb = 0 – поле пульсирующее;

при sinb < 0 электродвигатель меняет направление вращения.

Рисунок 2.3.3

3. Амплитудо-фазовое управление – одновременное изменение амплитуды U_У и угла и сдвига b (рис.2.3.4)

Последовательно с обмоткой возбуждения включается фазосдвигающий конденсатор, следовательно, меняется b, а U_У изменяется по амплитуде.

Это объясняется тем, что при изменении нагрузки (частоты вращения) или U_У изменяется падение напряжения на конденсаторе, а, следовательно, и :

Рисунок 2.3.4

Регулирование частоты вращения асинхронного исполнительного двигателя при всех способах управления происходит за счет изменения вращающегося магнитного поля. Поле из кругового превращается в эллиптическое, следовательно, растет обратное поле и падает частота вращения.

Рисунок 2.3.5.

На рисунке 2.3.5. изображены механические характеристики: (1) – обычного асинхронного двигателя и

(2) – асинхронного исполнительного двигателя(S_КР всегда>1), следовательно двигатель будет устойчиво работать при любых скольжениях.

В зависимости от конструкции асинхронные исполнительные двигатели делятся на:

1. Двигатели с полым немагнитным ротором.

2. Двигатели с полым ферромагнитным ротором.

3. Двигатели с обычным короткозамкнутым ротором в виде «беличьей клетки».

2.3.1. Асинхронный исполнительный двигатель с полным немагнитным ротором

Рисунок 2.3.1.1

Асинхронный исполнительный двигатель с полым немагнит­ным ротором

(рис.2.3.1.1) состоит из внеш­него статора 4; внутреннего статора – сердечника 5; ро­тора, выполненного в виде по­лого немагнитного цилиндра 2 (тонкостенный стакан); под­шипниковых щитов 3; и вала 7. В пазах статора располагаются его обмотки 6:обмотки управления и обмотки возбуждения. Внутренний статор 5 набран из листов электротехнической стали. Полый ротор выполняют из сплавов алюминия. Толщина стенок ротора D = 0,15…0,5 мм. Воздушный зазор d = d₁+d₂+D = 0,35…1 мм. Этот воздушный зазор больше в 3 раза, чем у обычных асинхронных двигателей.

d₁ – между внешним статором и ротором

d₂ – между ротором и внутренним статором.

Так как имеется большой немагнитный промежуток, следовательно, будет большой намагничивающий ток и низкий .

Для того чтобы уменьшить потери от большого , увеличивают сечение провода. В таком двигателе меди больше, чем стали, площадь пазов составляет 60 - 70% от площади листа статора.

Полый немагнитный ротор обладает индуктивным сопротивлением значительно меньшим, чем активным (X_R = 0,05…0,1 R_R). Это способствует повышению качества механических и регулировочных характеристик.

Внешний статор не отличается от статора обычного асинхронного двигателя.

Внутренний статор располагается на выступе одного из подшипниковых щитов, служит для замыкания магнитного потока и уменьшения сопротивления магнитному потоку.

Принцип действия:

Переменный ток, протекая по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле, которое огибает полый ротор и наводит в нем вихревые токи. Токи взаимодействуют с вращающимся магнитным полем, создается вращающийся момент, следовательно, ротор вращается.

Положительные свойства асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором:

1. Малый момент инерции ротора, который в сочетании с большим пусковым моментом обеспечивает хорошее быстродействие.

2. Сравнительно хорошая линейность механических и регулировочных характеристик.

3. Высокая чувствительность – малая величина сигнала трогания, т.к. нет радиальных сил притяжения ротора к статору (ротор немагнитный).

4. Плавность и бесшумность хода, постоянство пускового момента в любом положении ротора.

Недостатки:

1. Низкий КПД, т.к. большие потери от и большое активное сопротивление ротора.

2. Низкий

3. Большие габариты и масса.(2 статора)

Характеристики двигателя строятся в относительных единицах. Удобство относительных единиц в том, что можно получить характеристики без относительного положения к номинальным данным:

Скорость , где n_c – частота вращения поля статора;

Момент , где M_КО – момент при круговом вращающемся поле и неподвижном роторе.

Эффективный коэффициент сигнала: .

1. Механические характеристики (при ):

Рисунок 2.3.1.2.

–это зависимость вращающего момента от частоты вращения при постоянном сигнале управления.

Максимальный момент имеет место при пуске (n=0). С повышением частоты вращения момент уменьшается и при n_хх М=0. Максимальный момент и максимальную скорость электродвигатель имеет при коэффициенте сигнала равным 1; при уменьшении a происходит смещение характеристик в сторону уменьшения момента и скорости.

2. Регулировочные характеристики – зависимости частоты вращения от величины или фазы сигнала управления U_у при постоянном моменте сопротивления на валу n = f(a_е) или n = f(sinb) при М = const.

амплитудное фазовое амплитудно-фазовое

Рисунок 2.3.1.3

.Эти характеристики нелинейны при всех способах управления. Наибольшую линейность имеют характеристики при фазовом управлении; наименьшую – при амплитудно-фазовом. Регулировочные характеристики при всех способах управления имеют наиболее линейные участки при малых скоростях. U_УТРºМ (моменту сопротивления)

Uутр – напряжение управления трогания – минимальное напряжение, поданное на обмотку управления, при котором ротор двигателя приходит во вращение, В.

3. Зависимости механической мощности на валу от частоты вращения

Р₂=f(n);

Р₂=m×n;

р₂=Р₂/Р_ПУСК.О

За единицу мощности принимают мощность Р_ПУСК.О, потребляемую электродвигате­лем. Р₂=m×n при пуске равна нулю при пуске, когда n=0 и холостом ходе, когда m=0 она достигает максимума при частотах приблизительно равных половине частоты вращения холостого хода (рис. 2.3.1.4)

За номинальную механическую мощность обычно принимают максимальную механическую мощность Р_2max. Частота вращения, соответствующая этой мощности, считается номинальной.

Рисунок 2.3.1.4

2.3.2. Асинхронный исполнительный двигатель с полым ферромагнитным ротором

Конструкция – статор не отличается от статора обычного асинхронного двигателя, имеет распределенную однослойную обмотку. Две обмотки ротора сдвинуты на 90 электрических градусов, пазы полузакрыты.

Ротор выполнен в виде полого ферромагнитного цилиндра, толщина стенки 0,5…3мм.

Рисунок 2.3.2.1

Магнитный поток замыкается по ротору, поэтому внутренний статор не нужен.

Воздушный зазор d = 0,2…0,3 мм. Но проводимость ротора из-за малой толщины не велика, сказывается также эффект вытеснения тока, следовательно cosj = 0,3…0,5.

Двигатель имеет большое активное сопротивление ротора S_КР > 1. Самоход отсутствует.

Механические и регулировочные характеристики близки к линейным.

Следствие увеличения сопротивления приводит к уменьшению момента, мощности на валу, КПД также уменьшается. Устраняются эти недостатки, покрытием поверхности ротора – омеднение на 0,05…0,1мм. Тогда увеличиваются момент и мощность, но растут потери в роторе и обмотке статора.

Быстродействие мало Т_М = 1…3сек (электромеханическая постоянная времени).

Появляются силы одностороннего тяжения, ротор может залипнуть.

Пути замыкания магнитного потока в асинхронном исполнительном двигателе с полым ферромагнитным ротором:

Омеднение ротора способствует уменьшению его активного сопротивления, следовательно, увеличению момента и мощности на валу и увеличению КПД.

Недостаток: ротор испытывает радиальные силы тяжения к статору, т.к. воздушный зазор неравномерный, следовательно, увеличивается момент трения в подшипниках, уменьшается срок их службы и может привести к залипанию ротора показаны на рисунке 2.3.2.2

Рисунок 2.3.2.2.

Дата добавления: 2014-01-13