СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Асинхронные исполнительные двигатели это двухфазные двигатели с двумя обмотками на статоре, сдвинутыми в пространстве на 90 электрических градусов . Для того чтобы обмотки создавали вращающееся магнитное поле, необходим временной сдвиг токов в этих обмотках.

Вращающиеся магнитные поля могут быть созданы  и двухфазными обмотками, если обе  фазы этих обмоток пространственно смещены на 90° друг относительно друга. Если фазы обмотки питать двумя токами, смещенными на 90° по фазе, то получается, как и в трехфазном электродвигателе, вращающееся магнитное поле.

В двухфазном электродвигателе создается вращающий  момент, обусловленный токами, вызванными вращающимся магнитным полем в стержнях ротора электродвигателя. Ротор получает ускорение до тех пор, пока он — как и в трехфазном асинхронном двигателе — не достигнет определенной конечной частоты вращения, которая ниже частоты вращения поля.

Если  обе фазы обмотки ротора питать от одной и той же сети однофазного  тока, то сдвиг фаз в одной из обмоток, необходимый для получения  вращающегося поля, может быть реализован путем подключения конденсатора с достаточной емкостью. На рис.1, а показана схема двухфазного асинхронного двигателя с конденсатором при питании от сети переменного тока.

В настоящее  время расширилась сфера применения двуфазного асинхронного двигателя  в виде электродвигателя с полым  ротором. В таком электродвигателе вместо обычного короткозэмкнутого ротора применяется алюминиевый цилиндр, который может вращаться в воздушном зазоре между внешним и внутренним статорами (рис.1б).

Вращающееся поле вызывает в алюминиевом цилиндре вихревые токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем в воздушном зазоре, создают вращающий момент. Цилиндр достигает конечной асинхронной частоты вращения, которая соответствует нагрузке на валу.

Небольшой момент инерции ротора электродвигателя обусловливает благоприятные рабочие  характеристики. Электродвигатели с полым ротором рассчитаны прежде всего на небольшие мощности и применяются для автоматического регулирования в компенсационных и мостовых схемах. Одна из обмоток вместе с конденсатором подключается к сети с напряжением, а на вторую обмотку подается управляющее напряжение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Общие сведения

 В зависимости  от способа сдвига токов различают  три способа управления исполнительными  двигателями: амплитудный (рис.1.1,а); фазовый (рис.1.1,б) и амплитудно-фазовый  (рис.1.1,в).

П р и а м п л и т у д н о м управлении на обмотку возбуждения подается напряжение U_в, а на обмотку управления - напряжение U_у, переменное по амплитуде и сдвинутое по фазе относительно него на 90^о. Управление двигателем осуществляется изменением величины напряжения U_у. Отношение напряжения управления U_у к напряжению возбуждения U’_в, приведенному к числу витков обмотки управления, называют эффективным коэффициентом сигнала

где k = w_в/w_у - коэффициент трансформации; w_в и w_у - эффективные числа витков обмоток возбуждения и управления; a = U_у/U_в– коэффициент сигнала.

Рис.1.1. Способы  управления асинхронным исполнительным двигателем 
 

Круговое магнитное поле и максимальная частота вращения имеют место только при a_э= 1. При a_э < 1 - поле эллиптическое, а частота вращения меньше максимальной. При a_э = 0 - поле пульсирующее; двигатель не вращается. Реверс двигателя осуществляется за счет изменения фазы напряжения управления.

П р и ф  а з о в о м управлении на обмотку возбуждения подается напряжение сети U_в, а на обмотку управления - постоянное по амплитуде напряжение, величина которого равна приведенному напряжению возбуждения U_у = U’_в, (U’_в= U_в/k). Регулирование частоты вращения осуществляется изменением фазы напряжения управления. За коэффициент сигнала здесь принимается sinb. И вновь: при sinb = 1 поле круговое, частота вращения максимальная; при sinb < 1 поле эллиптическое, частота вращения меньше максимальной. При sinb = 0 поле пульсирует, частота вращения равна нулю. При sinb < 0 двигатель изменяет направление вращения.

А м п л  и т у д н о - ф а з  о в о е управление чаще всего  реализуется как конденсаторное. На первый взгляд этот способ кажется  амплитудным, однако, это не так. Дело в том, что при изменении амплитуды напряжения управления U_у, изменяется частота вращения двигателя n, изменяется ток возбуждения I_в, а поскольку напряжение на обмотке возбуждения U^*_вравно разности напряжения сети U_с и падения напряжения на конденсаторе I_вx_к, то оно изменяется как по величине, так и по фазе

,

Коэффициентом сигнала a_e здесь принято называть отношение напряжения управления U_у к напряжению сети U_с: a_e = U_у/U_с.

Известно, что  характеристики конденсаторного двигателя во многом зависят от того, как выбраны соотношения напряжений на обмотках и емкость конденсатора. Обычно их выбирают из условия получения кругового магнитного поля при пуске двигателя.Коэффициент сигнала, обеспечивающий это условие, обозначают a_eo. Поэтому при a_eo поле круговое, при a_e < a_eo - эллиптическое, при a_e = 0 - пульсирующее.

Анализируя сказанное  выше, можно сделать вывод, что  несмотря на конструктивные различия способов управления асинхронным исполнительным двигателем, их объединяет общая идея управления: деформация магнитного поля от кругового к эллиптическому до пульсирующего.

Для обеспечения  устойчивой работы двигателя во всем диапазоне частот вращения, для расширения зоны регулирования и, как узнаем из дальнейшего, для устранения самохода, асинхронные исполнительные двигатели изготавливают с роторами, имеющими большие активные сопротивления (рис.1.2). В результате их критические скольжения всегда больше единицы (кривая 1). У обычных машин s_к = 0,1¸ 0,5 (крива 2).

Рис.1.2. Механические характеристики исполнительных (1) и  силовых (2) асинхронных двигателей 
 

Большие сопротивления  ротора приводят к увеличению потерь и снижению механической мощности. Поэтому асинхронные исполнительные двигатели имеют полезную мощность в 2 ¸3 раза меньшую, чем силовые двигатели такого же габарита.

    1.2. Уравнения токов и схемы замещения асинхронных исполнительных двигателей

В общем случае асинхронный исполнительный двигатель является несимметричной двухфазной машиной, для которой можно нарисовать известные четыре схемы замещения. Например, для обмотки управления они имеют следующий вид (рис.1.3)

Рис. 1.3. Схемы  замещения обмотки управления 
 

Здесь: s = (n₁ - n)/n₁ = 1 - n/n₁ = 1 - n; 2 - s = 1 + n, где n - относительная частота вращения.

Эти схемы позволяют  получить уравнения токов, по которым можно вывести уравнения механических, регулировочных и прочих характеристик. Однако, полученные уравнения будут слишком громоздкими. Для асинхронного исполнительного двигателя ситуацию можно существенно упростить, если в схемах замещения пренебречь всеми сопротивлениями, кроме активного сопротивления ротора r_р. Такие схемы, да и сами двигатели, будем называть "идеальными" (рис.1.4). Основанием для идеализации служит тот факт, что исполнительные двигатели выполняются с роторами, имеющими большое активное сопротивление.

 

1.3. Характеристики асинхронного исполнительного двигателя при разных способах управления

Свойства и  поведение асинхронного исполнительного двигателя определяются механическими и регулировочными характеристиками.

В общем случае напряжения и образуют несимметричную систему векторов (рис.1.5).

Рис. 1.5. система векторов 

Используя понятие  эффективного коэффициента сигнала, можно  записать

Симметричные составляющие напряжения управления будут:

Переходя от показательных функций к тригонометрическим и учитывая, что e^-jb = cosb - jsinb, подставим полученные значения U_у1 и U_у2 в (1.1)

(1.2)

Электромагнитная  мощность с точки зрения передачи энергии со статора на ротор представляет собой сумму электромагнитных мощностей  прямой и обратной последовательностей. При круговом поле они равны потерям в роторе, деленным на скольжения /в нашем случае на (1 - n) и (1 + n)/ 
 

Так как по отношению  к полю прямой последовательности машина работает в режиме двигателя, а по отношению к полю обратной последовательности в режиме электромагнитного тормоза, то результирующий момент М равен

Подставим в  это уравнение квадраты модулей  токов I_у1 и I_у2 из (1.2). После преобразований, получим:

 

Выразим момент двигателя в относительных единицах. За базисный возьмем пусковой момент, развиваемый двигателем при круговом поле (a_э= 1, sinb= 1, n = 0)

Тогда момент в  относительных единицах (m = M/M_б)

(1.3)

Уравнение (1.3) есть аналитическое выражение механических характеристик идеального асинхронного исполнительного двигателя, под которыми понимают зависимость момента от угловой скорости вращения при постоянном коэффициенте сигнала.

Решив уравнение (1.3) относительно n, получим выражение регулировочных характеристик, которые показывают зависимость угловой скорости вращения от коэффициента сигнала при постоянном моменте на валу

(1.4)

                          2 ДВУХФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ МИКРОДВИГАТЕЛИ 

      По  сравнению с асинхронными микродвигателями общего применения исполнительные микродвигатели имеют повышенное активное сопротивление ротора. Это связано с требованиями обеспечения устойчивой работы исполнительных микродвигателей во всем рабочем диапазоне угловых скоростей (скольжение s = 0÷1) и исключения параметрического самохода. Из теории асинхронных машин известно, что устойчивость их работы практически при всех реальных видах нагрузки обеспечивается только на участке от s = 0 до s = s_к (s_к – критическое скольжение).  

Рис. 2.1 

      Следовательно, активное сопротивление ротора у  исполнительного асинхронного микродвигателя должно быть таким, чтобы обеспечивалось условие s_к ≥ 1. Условие s_к > 1, как будет показано далее, является необходимым и для отсутствия параметрического самохода, который может возникнуть при неправильном выборе параметров двигателя. Критическое скольжение реальных исполнительных асинхронных микродвигателей выбирают обычно в пределах s_к = 2÷4.

      На  рис. 2.1, б представлены зависимости  вращающего момента от скольжения асинхронного микродвигателя общего применения (кривая 1) и исполнительного асинхронного микродвигателя (кривая 2).

      В зависимости от конструкции ротора различают три основных типа исполнительных асинхронных микродвигателей: с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», с полым немагнитным и полым ферромагнитным роторами.

      Исполнительные  асинхронные микродвигатели с ротором  типа «беличья клетка» имеют такое же устройство, как и трехфазный асинхронный двигатель с аналогичным ротором. Отличие состоит только в том, что в настоящее время их выпускают в основном так называемой сквозной конструкции. При такой конструкции (рис. 2.2) внутренний диаметр статора 1, на котором расположена двухфазная обмотка 2, равен наружному диаметру подшипников 5. Это позволяет обрабатывать внутреннюю поверхность статора и отверстия под подшипники в подшипниковых щитах 4 с одной установки на станке. Тем самым уменьшается эксцентриситет расположения ротора 3 в расточке статора, что дает возможность уменьшить минимально допустимый воздушный зазор до 0,03 – 0,05 мм. Уменьшение воздушного зазора при неизменных габаритных размерах и магнитном потоке обеспечивает снижение намагничивающего тока и, следовательно, уменьшение электрических потерь в статоре, повышение к.п.д. и коэффициента мощности cos φ₁. И наоборот, при неизменных габаритных размерах, намагничивающей составляющей м.д.с. статора и электрических потерях в обмотке статора, т. е. при одинаковых условиях нагрева двигателя, уменьшение воздушного зазора дает возможность увеличить основной магнитный поток (при отсутствии насыщения) и тем самым вращающий момент.