Дрючин В.Г., Ткачев Р.Ю. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи

Подождите немного. Документ загружается.

262

самостоятельного пуска однофазного двигателя нужно, чтобы магнитное поле

статора (хотя бы на короткое время) стало вращающимся. Это практически

осуществимо при наличии в статоре, кроме основной рабочей обмотки Lр, еще

вспомогательной пусковой обмотки Lп, ось которой смещена в пространстве

относительно оси рабочей обмотки на 90. При питании от однофазной сети токи в

обмотках двигателя Iр и должны быть сдвинуты по фазе друг относительно друга во

времени на угол 90

или близкий к нему. При пространственном смещении осей рабочей и

пусковой обмоток на угол 90° и фазового сдвига токов в них на угол 90 возбуждаемое

ими результирующее магнитное поле в зазоре машины будет бегущим (вращающимся)

полем.

Дело в том, что обе обмотки создают пульсирующие неподвижные поля в

воздушном зазоре машины, обратные волны которых компенсируют друг друга, так как

находятся в противофазе, а прямые волны совпадают по фазе и создают

результирующую волну, бегущую в прямом направлении.

Если токи в обмотках будут сдвинуты по фазе на угол, меньший 90°, то

образуется поле, содержащее пульсирующую и вращающиеся

составляющие. Так как поле, вращаясь, пульсирует, то это уменьшает пусковой

момент двигателя.

Конструктивно в статоре однофазного двигателя 2/З пазов занимает рабочая

обмотка, 1/З---пусковая. Поскольку обе обмотки двигат

еля включаются в одну и ту же

сеть (параллельно), для получения необходимого сдвига токов по фазе в цепь пусковой

обмотки вводится фазосмещающий элемент — активное, индуктивное или емкостное

сопротивления. После пуска двигателя пусковая обмотка отключается от сети

263

автоматически с помощью центробежного выключателя, специального реле либо

вручную кнопочным выключателем.

Для реверсирования однофазного асинхронного двигателя с пусковой обмоткой

необходимо изменить направление тока в рабочей ил

и пусковой в обмотке статора.

В этом случае результирующее поле машины, увлекающее за собой ротор, будет

вращаться в обратную сторону.

Наилучшие пусковые свойства имеют однофазные двигатели с использованием в

цепи пусковой обмотки конденсатора (рис. 11.29, а—в). Их пусковой момент больше

номинального в 1,6—2 раза (механическая характеристика на рис. 11 .29, отмечена

сплошной линией, без конденсатора — штриховой). Промышленность изготовляет

двигатели с конденсаторным пуском новой единой серии 4ААУ (4АХУ) мощностью

90—550 Вт.

При использовании трехфазных асинхронных двигателей для работы от

однофазной сети две фазы обмотки статора, соединенные последовательно, можно

сделать рабочими, а третью---пусковой, для чего последовательно с

ней на время пуска

включается конденсатор со значительной емкостью (см. рис. 11.З0,г). При этом

мощность двигателя уменьшается примерно на 30 %.

Конденсаторный двигатель. Такой асинхронный двигатель отличается от

однофазного асинхронного с конденсаторным пуском (см. рис. 11 .29,в) лишь тем, что

после пуска пусковая обмотка с конденсатором не отключается---

она рассчитывается

на длительное включение. В этом случае пусковая и рабочая обмотки в статоре

двигателя за-

264

нимают одинаковое число пазов. Двигатель работает с вращающимся магнитным

полем и потому по своим свойствам приближается к трехфазному асинхронному

двигателю. Чтобы увеличить пусковой момент конденсаторного двигателя,

параллельно рабочему конденсатору включают еще на время пуска конденсатор

большой емкости.

Промышленность изготовляет однофазные конденсаторные двигатели

общепромышленного применения серии АОЛД (с пусковым и рабочим конденсаторами)

серий 4ААТ (4АХТ), 4ААУТ (4АХУТ) с рабочим (Т) и пусковым (У) конденсаторами

мощностью до 750 Вт и серии АВЕ ---встраиваемые, которые заменили однофазные

двигатели серий ЛОЛБ, МО и другие, а также типов КД, ДГ и др. Начат выпуск

микродвигателей серий КД—Р с распределенной обмоткой статора и КД—П с явно

выраженными полюсами статора.

265

В автоматических устройствах широко применяются универсальные

короткозамкнутые асинхронные двигатели серии УАД (рис. 11.30,а и б).

В однофазной сети такой двигатель обычно работает как конденсаторный.

Его

механические характеристики показаны на рис. 11.30,в, а схемы включения в

однофазную сеть — на рис. 11.30,г.

Однофазные асинхронные двигатели с повышенным активным

сопротивлением в цепи пусковой обмотки. Двигатели широко применяются для

пр

ивода компрессора бытовых холодильников. Часто их пусковую обмотку изготовляют

из провода меньшего сечения, чем рабочую, что исключает необходимость в

специальном дополнительном резисторе. Пусковые свойства двигателей

Мп/Мном= 1--1,5; Iп/Iном=5 -- 9.

Для общего применения промышленность изготовляет двигатели типов ДХМ,

новой единой серии (4ААЕ, 4АХЕ) —

с повышенным сопротивлением в пусковой фазе (Е)

мощностью 90—550 Вт и др.

Однофазный асинхронный двигатель с расщепленными экранированными

полюсами. Двигатель состоит из явнополюсного статора 1 (рис. 11.З1,а и б) и

короткозамкнутого ротора 5 со стержнями 6, установленными параллельно валу 7

. Для

создания вращающегося поля каждый из полюсов З статора двигателя расчленяется

продольным пазом на две части, А и В, меньшая из которых В охватывается медным

короткозамкнутым витком 4.

При включении двигателя в сеть синусоидальный ток в обмотке полюсной

катушки 2 возбуждает пульсирующее магнитное поле с магнитной индукцией

sin

BBmt

. Большая часть силовых линий поля в магнитопроводе двигателя проходит

по части полюса А, другая (меньшая) пульсирует в его части В. Последняя сцеплена с

пусковым короткозамкнутым витком в индуцирует в нем э. д. с. Ек, отстающую по

фазе от потока, ее создавшего, на 90°. Эта э. д. с. создает в витке ток Iк,

266

возбуждающий свое пульсирующее магнитное поле. Это поле, согласно закону Ленца,

будет препятствовать изменению основного поля в части полюса В, т. е. будет

проявлять экранирующее действие тока короткозамкнутого витка.

Периодические изменения результирующего поля в экранированной части В

полюса по отношению к изменениям поля в его неэкранированной части А

совершаются

с запаздыванием во времени на некоторый угол а, меньший 90°, который зависит от

полей, создаваемых обмоткой статора и витком. Оси этих полей смещены в

пространстве на угол

(см. рис. 11.31,а), в результате чего образуется вращающееся

пульсирующее магнитное поле, которое действует и в воздушном зазоре

магнитопровода. Это поле, взаимодействуя с током ротора, создает небольшой

вращающий момент двигателя.

Для увеличения пускового момента пульсацию поля сглаживают путем

уменьшения разницы полей (уменьшают поле части полюса А, увеличивая воздушный

зазор под неэкранированной частью полюса, или усиливают поле под экранированной

частью полюса с помощью магнитных шунтов 8 в виде стальных пластин между

полюсными наконечниками (см. рис. 11.31,6). Двигатели имеют малые

cos

(0,4—

0,6) и

к. п. д. (0,25—-0,4) из-за больших потерь в короткозамкнутом витке. Их достоинство

---

простота конструкции и надежность в работе. На схемах они изображаются так, как

показано на рис. 11.31, в.

Нереверсивные однофазные асинхронные двигатели с расщепленными полюсами

(ротор вращается в направлении от нерасщепленной части полюса к расщепленной)

широко применяются в приводах, не требующих большого пускового момента (приводы

мелких станков, магнитофонов, электрофонов, настольных вентиляторов и др.).

Промышленностью изготовляются двигатели новой серии АД— Е (Е ---с

расщепленными полюсами) типов ДКЭ, СМ-7, ВН, ДАП-1, ДВК, ДВД-1, ВД-1, АД-1, СМ-

7А, МА11/4, ДАИ, ДВП-1, ДВН, ВЭ, ВО, НВ-62, ВН-7, ТВ-1, ВНЦ-1 и др. Разработана

единая унифицированная серия однофазных асинхронных бытовых электродвигателей с

распределенной обмоткой статора мощностью О,6—180 Вт с р = 1 и 2, в которую

входят двигатели конденсаторные, с пусковыми элементами, а также мощностью

0,б—25 Вт---явнополюсные с расщепленными полюсами, с асимметричным статором,

конденсаторные.

11.26. Исполнительные асинхронные микродвигатели

Исполнительные микродвигатели предназначены для преобразования

электрического сигнала (действующего напряжения управления или его фазы) в

механическое перемещение (вращение) вала. Двухфазные асинхронные такие

микродвигатели просты по конструкции, надежны в эксплуатации и потому получили

самое широкое (более 90 %) применение в автоматике и телемеханике. Статор этих

микро- двигателей имеет две обмотки (возбуждения ОВ и управления ОУ),

сдвинутые в

пространстве на 90°, а ротор---короткозамкнутый. Вращающееся магнитное поле в

статоре создается путем сдвига фаз во времени токов(напряжений) ОВ и ОУ.

Конструктивно микродвигатели делятся на микродвигатели с повышенным

267

сопротивлением обмотки ротора, с полым немагнитным ротором, с полым и

массивным ферромагнитным ротором. Регулиро-

вание частоты вращения микродвигателей, т. е. управление ими, практически

осуществляется изменением значения (амплитуды) напряжения управления при

неизменной его фазе (амплитудное управление), изменением фазы напряжения

управления при неизменной его амплитуде (фазовое управление, одновременным

изменением амплитуды напряжения управления и угла сдвига фаз между векторами

напряжений ОВ в ОУ (амплитудно-фазовое управление).

Изготовляются мощностью

до десятков ватт [19].

К исполнительным микродвигателям предъявляются требования отсутствие

самохода---вращения после снятия сигнала управления; регулирование частоты

вращения в широких пределах при изменении амплитуды или фазы напряжения

управления; быстродействие (малоинерционность); большое значение пускового

момента; линейность регулировочных и механических характеристик и др.

Микродвигатель с повышенным сопротивлением обмотки ротора. В таком

микродвигателе ротор обычный (короткозамкнутый) в виде «беличьей клетки»

(рис. 11 .32,а). При СНЯТИИ сигнала управления (рис. 11.32,6) магнитное поле

микродвигателя, когда

≠

, из вращающегося становится пульсирующим, т. е.

микродвигатель из двухфазного превращается в однофазный и при малом активном

сопротивлении ротора (Sкр < 1) продолжает вращаться, т. е. имеет самоход, что

нежелательно. Для устранения самохода и обеспечения прямолинейности механической

характеристики короткозамкнутый ротор микродвигателя выполняется с большим

268

активным сопротивлением, чтобы критическое скольжение Sкр= 2--4. Стержни

«беличьей клетки» ротора изготовляют из материала с повышенным удельным

сопротивлением (латунь, фосфористой бронзы и др.) и сравнительно малого

поперечного сечения.

Увеличение активного сопротивлении ротора однофазного асинхронного

микродвигателя повышает критическое скольжение и соответственно смещает

максимальный момент Ммах (см. рис. 11.28,г)

в сторону меньших частот вращения, которые при S>1 имеют отрицательное

значение. Когда S>=1, результирующий момент однофазного микродвигателя

М = М1— М11 становится отрицательным.

Поэтому, если спять сигнал управления у работающего микродвигателя с Sкр>=1,

пульсирующее поле развивает отрицательный ---тормозной момент, действующий

встречно вращающемуся ротору (см. рис. 11.32,в, например, для прямого вращения —

верхнюю часть диаграммы).

Для уменьшения момента инерция ротор микродвигателей выполняют малого

диаметра. Их ОВ и ОУ допускают длительное включение в сеть при неподвижном

роторе. Микродвигатели этого типа применяются в схемах автоматики, где

значительная инерционность микродвигателя не играет существенной роли, например в

приводах с механизмами, у которых большие моменты инерции.

Наша промышленность изготовляет этого типа микродвигатели закрытого

исполнения серий АСМ(асинхронные сервомоторы) и ДАРМ, типа РДМ-09 со

встроенным редуктором, серии ДАМ для аппаратов магнитной записи и другие типы.

Микродвигатель с полым немагнитным ротором. Статор микродвигателя

(рис. 11.33) состоит из внешних 1, 2, 5 и внутренней З частей, между сердечниками

которых в воздушном зазоре располагается полый ротор 7 в виде легкого

тонкостенного стакана из неферромагнитного материала (из сплавов алюминия или

269

бронзы), который донышком закреплен жестко с валом 6. По существу

цилиндрический ротор представляет собой «беличью клетку» со слившимися

стержнями.

Распределенные обмотки микродвигателя 4

(возбуждения и управления) обычно

располагаются в пазах сердечника внешнего статора 2. Внутренний статор З также

набирается из тонких изолированных друг от друга листов электротехнической стали и

служит для уменьшения магнитного сопротивления магнитной цепи микродвигателя.

Оси обмоток возбуждения и управления по окружности сердечника статора повернуты

в пространстве на 90°.

Принцип действия микродвигателя основан на взаимодействии вращающегося

магнитного поля статора с индуцированными им в полом роторе вихревыми токами,

действующими в осевом направлении (закон Ампера). Полый ротор с толщиной стенки

0,2—

1 мм имеет сравнительно большое активное и весьма незначительное индуктивное

сопротивления, что способствует улучшению механической и регулировочных

характеристик микродвигателя, но уменьшает его к. п. д. (11—39 %). Кроме того, из-

за

большого немагнитного зазора между сердечниками статоров (составляет 0,4—

1,5 мм)

у микродвигателя большой ток ХХ, составляющий 0,8—0,9 номинального, и небольшой

коэффициент мощности.

Главным достоинством микродвигателя является его малая инерционность

(быстродействие), что обусловлено небольшой массой ротора. Наша промышленность

изготовляет следующие серии наиболее распространенных управляемых

микродвигателей мощностью от долей до многих десятков ватт на промышленную

частоту 50 Гц и на повышенные частоты до 500—1000 Гц: АДП (на 50 Гц), И6-762,

ДИД, ЭМ , ДКМ, ДМК.

Микродвигатели с полым ферромагнитным ротором имеют большое активное

сопротивление(Sкр>> 1) и потому лишены самохода, но у них ниже к. п. д. Для его

увеличения ротор омедняют гальваническим путем. Относительно большой момент

инерции и «залипание» ротора вследствие неодинакового воздушного зазора

ограничивают применение этих микродвигателей в схемах автоматики.

Микродвигатели изготовляются серии ВК и типов АД.

Микродвигатель с массивным ферромагнитным ротором. От обычных

асинхронных он отличается лишь конструкцией ротора, который выполняется в виде

массивного цилиндра из стали или чугуна без обмотки. Ротор имеет большое активное

сопротивление (S>>1), к. п. д. и коэффициент мощности микродвигателя малы

(

2540%

=−

cos0.40.6

=−

). У микродвигателя мягкая механическая характеристика,

позволяющая регулировать частоту вращения изменением напряжения обмотки

статора. Такие микродвигатели применяются в магни

тофонах и начали использоваться

в схемах автоматики и регулируемых приводах небольшой мощности, где

быстродействие не играет существенной роли.

Наша промышленность изготовляет однофазные конденсаторные асинхронные

270

микродвигатели с массивным ферромагнитным ротором серии ДПА, типов 881-57,

856 и другие; с омедненным ротором---вентиляторные типов ВК и АД.

11.27. Асинхронные тахогенераторы

Асинхронные тахогенераторы используются в технике для измерения частоты

вращения валов, выработки ускоряющих или успокаивающих сигналов в автоматических

устройствах, осуществления обратных связей по скорости в системах

автоматического регулирования, а также для электрического дифференцирования и

интегрирования сигналов в системах автоматики [14, 19].

Асинхронный тахогенератор бесконтактный, т. е. он не имеет скользящих

контактов, что обеспечивает его надежную работу. По конструкции не отличается

от малоинерционного двухфазного асинхронного микродвигате

ля с полым немагнитным

ротором. Обмотка статора (рис. 11.34,а) двухфазная и состоит из двух обмоток,

сдвинутых в пространстве на 90°: обмотки возбуждения ОВ, которая рас-

полагается во внешнем статоре и подключается к сети переменного тока; выходной

генераторной обмотки ОГ, расположенной во внутреннем статоре и подключаемой к

измерительному прибору или к усилителю.

При включении в сеть ОВ статора в неподвижном роторе тахогенератор

представляет собой трансформа

тор, вторичной обмоткой которого является обмотка

ротора. Неподвижное в пространство пульсирующее поле ОВ

(первичной) пронизывает

цилиндр (стакан) ротора и индуцирует в нем трансформаторную э. д. сE

тр. Эта э. д. с.

создает токи в цилиндре ротора (вторичной обмотке) в направлении его оси.

Пульсирующее магнитное поле ротора, созданное индукционными токами, согласно

закону электромагнитной индукции препятствует изменению поля. В двигателе по оси

271

ОВ установится результирующее, пульсирующее с частотой сети f1 поле с потоком

полюса Фв. Результирующий поток полюса Фв, однако, при неподвижном роторе не

наводит э. д. с. в ОГ (Ег =

О), так как вектор магнитной индукции поля перпендикулярен

к оси этой обмотки.

Если же ротор начинает вращаться посторонней си

лой, то ввиду его симметрии

наведенная в нем трансформаторная э. д. с. не изменится во значению, но

дополнительно в роторе будет индуцироваться э. д. с. Евр, вращения поскольку

пульсирующее поле с потоком полюса Фв будет пересекать цилиндр. Ток в цилиндре

Iвр,

вызванный э. д. с. вращения, создает по оси ОГ пульсирующее с частотой сети f1поле

вращения с потоком полюса Фвр, которое и индуцирует в ней генераторную э. д. с. Ег.

Генераторная э. д. с. пропорциональна частоте вращения ротора. Поэтому выходное

напряжение Uг тахогенератора, если пренебречь нелинейностью магнитной

характеристики машины, также пропорционально частоте вращения ротора.

В начальной части характеристика тахогенератора U1 (п)

носит прямолинейный

характер (рис.11.34,6). При относительно большой частоте вращения ротора эта

линейность нарушается. Отклонение реальной выходной характеристики от идеальной

(штриховая прямая) для заданной частоты вращения ротора называется

амплитудной

(или скоростной) погрешностью асинхронного тахогенератора. Промышленность

изготовляет такие тахогенераторы типов ТД, АТ, ТГ.

11.28. Сельсины

Сельсины относятся к специальным электрическим микромашинам синхронной

электрической связи, которая обеспечивает одновременное вращение или

одновременный поворот на заданный угол двух или