Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели

1.1 Принцип действия и пуск однофазного асинхронного двигателя

По своему устройству однофазный асинхронный двигатель аналогичен трехфазному и состоит из статора, в пазах которого уложена однофазная обмотка (см. рис. 8.8), и короткозамкнутого ротора. Особенность работы однофазного асинхронного двигателя заключается в том, что при включении однофазной обмотки статора С1--С2 в сеть (рис. 1.1) МДС статора создает не вращающийся, а пульсирующий магнитный поток (см. § 9.4) с амплитудой Ф_mах, изменяющейся от + Ф_mах до - Ф_mах При этом ось магнитного потока остается неподвижной в пространстве.

Для объяснения принципа действия однофазного двигателя пульсирующий поток Ф_mах разложим на два вращающихся в противоположные стороны потока Ф_пр и Ф_обр (рис. 1.2), каждый из которых равен 0,5Ф_max и вращается с частотой (об/мин)

n_пр = n_обр = f₁60/ p = n₁

Условимся считать поток Ф_пр вращающийся в направлении вращения ротора, прямым, а поток Ф_о6р -обратным. Допустим, что ротор двигателя вращается против часовой стрелки, т. е. в направлении потока Ф_пр.

Частота вращения ротора n₂ меньше частоты вращения магнитного поля статора n₁, поэтому скольжение ротора относительно вращающегося потока Ф_пр будет

s_пр = (n₁ - n₂)/ n₁ = s (1.1)

Обратный поток Ф_обр вращается противоположно ротору, поэтому частота вращения ротора n₂ относительно Ф_обр - отрицательная. В этом случае скольжение ротора относительно Ф_обр определится выражением

s_обр = (1.2)

Прямое поле наводит в обмотке ротора ЭДС Е_2пр, а обратное поле -- ЭДС Е_2обр. Эти ЭДС создают в обмотке ротора токи I^/_2пр и I^/_2обр.

Известно, что частота тока в роторе пропорциональна скольжению (f₂ = sf₁). Так как s_np < s_обр, то частота тока I^/_2обр намного больше частоты тока I^/_2пр. Так, для однофазного двигателя с n₁ = 1500 об/мин, n₂ = 1450 об/мин и f₁ = 50 Гц получим:

s_np = (1500 - 1450)/ 1500 = 0,033;

f_2пр = 0,033 - 50 = 1,8 Гц;

s_обр = (1500 +1450)/ 1500 = 1,96;

f_2о6р = 1,96 - 50 = 98 Гц.

Рис.1.1 Схема включения однофазного асинхронного двигателя

Индуктивное сопротивление обмотки ротора току I^/_2обр во много раз больше ее активного сопротивления (потому что f_2обр >> f_2пр). Ток I^/_2о6р является почти чисто индуктивным, оказывающим сильное размагничивающее действие на обратное поле Ф_обр. В результате обратное поле и обусловленный им момент М_обр оказываются значительно ослабленными и ротор однофазного двигателя вращается и направлении прямого поля под действием момента

М = М_пр - М_06р, (1.3)

где М_пр -- электромагнитный момент, обусловленный прямым полем.

Рис. 1.2. Разложение пульсирующего магнитного потока на два вращающихся

На рис. 1.3 представлен график зависимости вращающего момента М в функции скольжения s = s_пр. Этот график получен путем наложения графиков М_пр = f(s_np) и М_о6р = f(s_обр)- При малых значениях скольжения s, что соответствует работе двигателя в пределах номинальной нагрузки, вращающий момент М создается главным образом моментом М_пр.

При s_пр = s_обр = 1 моменты М_пр и М_о6р равны, а поэтому пусковой момент однофазного двигателя равен нулю. Следовательно, однофазный асинхронный двигатель не может самостоятельно прийти во вращение при подключении его к сети, а нуждается в первоначальном толчке, так как лишь при s ? 1 на ротор двигателя действует вращающий момент М = М_пр - М_обр

Рис. 1.3. Механические характеристики однофазного асинхронного двигателя с пусковой и обмоткой

Приведенные на рис. 1.3 зависимости моментов показывают, что однофазный асинхронный двигатель не создает пускового момента. Чтобы этот момент появился, необходимо во время пуска двигателя создать в нем вращающееся магнитное поле. С этой целью на статоре двигателя помимо рабочей обмотки А применяют еще одну обмотку -- пусковую В. Эти обмотки располагают на статоре обычно так, чтобы их оси были смещены относительно друг друга на 90 эл. град. Кроме того, токи в обмотках статора и должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга. Для этого в цепь пусковой обмотки включают фазосмещающий элемент (ФЭ), в качестве которого могут быть применены активное сопротивление, индуктивность или ем кость. По достижении частотой вращения значения близкого к номинальному, пусковую обмотку В отключают с по мощью реле. Таким образом, во время пуска двигатель является двухфазным, а во время работы -- однофазным.

Для получения вращающегося магнитного поля посредством двух обмоток на статоре, смещенных относительно друг друга на 90 эл. град, необходимо соблюдать следующие условия (рис. 1.4):

а) МДС рабочей и пусковой обмоток и должны быть и равны и сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 90 эл. град;

б) токи в обмотках статора и должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°.

При строгом соблюдении указанных условий вращающееся поле статора является круговым, что соответствует наибольшему вращающему моменту. При частичном нарушении какого-либо из условий поле статора становится эллиптическим, содержащим обратную составляющую. Обратная составляющая поля создает тормозной момент и ухудшает пусковые свойства двигателя.

Из векторных диаграмм, приведенных на рис. 1.5, видно, что активное сопротивление и индуктивность в качестве ФЭ не обеспечивают получения фазового сдвига между токами в 90°. Лишь только емкость С в качестве ФЭ обеспечивает фазовый сдвиг ш = 90°. Значение этой емкости выбирают таким, чтобы ток пусковой обмотки в момент пуска (s = 1) опережал по фазе напряжение , на угол ц_в, дополняющий угол ц_А до 90°:

Рис. 1.4. Получение вращающегося магнитного поля двухфазной системой токов

Если при этом обе обмотки создают одинаковые по значению МДС, то в начальный период пуска вращающееся поле окажется круговым и двигатель будет развивать значительный начальный пусковой момент. Однако применение емкости в качестве ФЭ часто ограничивается значительными габаритами конденсаторов, тем более что для получения кругового поля требуются конденсаторы значительной емкости. Например, для однофазного двигателя мощностью 200 Вт необходима емкость 30 мкФ при рабочем напряжении 300--500 В.

Получили распространение однофазные двигатели с активным сопротивлением в качестве ФЭ. При этом повышенное активное сопротивление пусковой обмотки достигается тем, что она выполняется проводом уменьшенного сечения (по сравнению с проводом рабочей обмотки). Так как эта обмотка включена на непродолжительное время (обычно несколько секунд), то такая ее конструкция вполне допустима. Пусковой момент таких двигателей обычно не превышает номинального, но это вполне приемлемо при пуске двигателей при небольшой нагрузке на валу.

Рис. 1.5. Сравнение свойств фазосмещающих элементов: а -- активное сопротивление, б -- индуктивность, в -- емкость, г -- механические характеристики двигателя при различных фазосмещающих элементах; 1 -- активное сопротивление; 2 -- емкость

Применение емкости в качестве ФЭ позволяет получить пусковой момент М_п = (1,6ч2,0) М_ном. На рис. 1.5, г приведены механические характеристики однофазного асинхронного двигателя при различных ФЭ. Для большей наглядности значения момента даны в относительных единицах.

1.2 Асинхронные конденсаторные двигатели

Асинхронный конденсаторный двигатель имеет на статоре две обмотки, занимающие одинаковое число пазов и сдвинутые в пространстве относительно друг друга на 90 эл. град. Одну из обмоток -- главную -- включают непосредственно в однофазную сеть, а другую -- вспомогательную -- включают в эту же сеть, но через рабочий конденсатор С_ра6 (рис. 1.6, а).

В отличие от рассмотренного ранее однофазного асинхронного двигателя в конденсаторном двигателе вспомогательная обмотка после пуска не отключается и остается включенной в течение всего периода работы, при этом емкость С_раб создает фазовый сдвиг между токами и .

Таким образом, если однофазный асинхронный двигатель по окончании процесса пуска работает с пульсирующей МДС статора, то конденсаторный двигатель - с вращающейся. Поэтому конденсаторные двигатели по своим свойствам приближаются к трехфазным двигателям.

Необходимая для получения кругового вращающегося поля емкость (мкФ)

C_раб = 1,610⁵ I_A sin ц_A / (f₁U_A k²), (1.4)

при этом отношение напряжений на главной U_А и на вспомогательной U_B обмотках должно быть

U_A /U_B = tg ц_A ? 1.

Здесь ц_A - угол сдвига фаз между током и напряжением при круговом поле; k = щ_B k_B/ (w_Ak_A) - коэффициент трансформации, представляющий собой отношение эффективных чисел витков вспомогательной и главной обмоток; k_A и k_B -- обмоточные коэффициенты обмоток статора.

Рис. 1.6. Конденсаторный двигатель: а -- с рабочей емкостью, б -- с рабочей и пусковой емкостями, в -- механические характеристики; 1 -- при рабочей емкости, 2 -- при рабочей и пусковой емкостях

Анализ (1.4) показывает, что при заданных коэффициенте трансформации k и отношении напряжений U_A/ U_B емкость С_ра6 обеспечивает получение кругового вращающегося поля лишь при одном, вполне определенном режиме работы двигателя. Если же и изменится режим (нагрузка), то изменятся и ток I_A и фазовый угол ц_A, а следовательно, и С_раб, соответствующая круговому полю. Таким образом, если нагрузка двигателя отличается от расчетной, то вращающееся поле двигателя становится эллиптическим и рабочие свойства двигателя ухудшаются. Обычно расчет С_раб ведут для номинальной нагрузки или близкой к ней.

Обладая сравнительно высокими КПД и коэффициентом мощности (соs ц₁ = 0,80 ч 0,95), конденсаторные двигатели имеют неудовлетворительные пусковые свойства, так как емкость С_раб обеспечивает круговое поле лишь при расчетной нагрузке, а при пуске двигателя поле статора эллиптическое. При этом пусковой момент обычно не превышает 0,5М_НОМ.

Для повышения пускового момента параллельно емкости С_раб включают емкость С_пуск, называемую пусковой (рис. 1.6, б). Величину С_пуск выбирают, исходя из условия получения кругового поля статора при пуске двигателя, т. е. получения наибольшего пускового момента. По окончании пуска емкость С_пуск следует отключать, так как при небольших скольжениях в цепи обмотки статора, содержащей емкость С и индуктивность L, возможен резонанс напряжений, из-за чего напряжение на обмотке и на конденсаторе может в два-три раза превысить напряжение сети.

При выборе типа конденсатора следует помнить, что его рабочее напряжение определяется амплитудным значением синусоидального напряжения, приложенного к конденсатору U_c. При круговом вращающемся поле это напряжение (В) превышает напряжение сети U₁ и определяется выражением

U_c = U₁ (1.5)

Рис 1.7. Схемы включения двухфазного двигателя в трехфазную сеть

Конденсаторные двигатели иногда называют двухфазными, так как обмотка статора этого двигателя содержит две фазы. Двухфазные двигатели могут работать и без конденсатора или другого ФЭ, если к фазам обмотки статора подвести двухфазную систему напряжений (два напряжения, одинаковые по значению и частоте, но сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90°). Для получения двухфазной системы напряжений можно воспользоваться трехфазной линией с нулевым проводом, включив обмотки статора так, как показано на рис. 1.7, а: одну обмотку -- на линейное напряжение U_AB, а другую -- на фазное напряжение Uc через автотрансформатор AT (для выравнивания значения напряжений на фазных обмотках двигателя). Возможно включение двигателя и без нулевого провода (рис. 1.7, б), но в этом случае напряжения на обмотках двигателя будут сдвинуты по фазе на 120°, что приведет к некоторому ухудшению рабочих свойств двигателя.

1.3 Работа трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети

Трехфазный асинхронный двигатель может быть использован для работы от однофазной сети. В этом случае такой двигатель включают как конденсаторный по одной из схем рис. 1.8.

Значение рабочей емкости С_раб (мкФ) при частоте переменного тока 50 Гц можно ориентировочно определить по одной из формул: для схемы, изображенной на рис. 1.8 а,

C_pa6 ? 2700 I₁/ U_c; (1.6)

на рис. 1.8, б

C_pa6 ? 2800 I₁/ U_c; (1.7)

на рис. 1.8, в

C_pa6 ? 4800 I₁/ U_c; (1.8)

Здесь I₁ -- номинальный (фазный) ток в обмотке статора, А; U_с -- напряжение однофазной сети, В.

При подборе рабочей емкости необходимо следить за тем, чтобы ток в фазных обмотках статора при установившемся режиме работы не превышал номинального значения.

Рис 1.8. Схемы соединения обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя при включении его в однофазную сеть

Если пуск двигателя происходит при значительной нагрузке на валу, то паралелльно рабочей емкости С_раб следует включить пусковую емкость

С_п = (2,5чЗ,0)С_ра6. (1.9)

В этом случае пусковой момент становится равным номинальному. При необходимости дальнейшего увеличения пускового момента следует принять еще большее значение пусковой емкости (С_п ? 8С_ра6).

Большое значение для надежной работы асинхронного двигателя в качестве конденсаторного имеет правильный выбор конденсатора по напряжению. Следует иметь в виду, что габариты и стоимость конденсаторов определяются не только их емкостью, но и рабочим напряжением. Поэтому выбор конденсатора с большим “запасом” по напряжению ведет к неоправданному увеличению габаритов и стоимости установки, а включение конденсаторов на напряжение, превышающее допустимое рабочее напряжение, приводит к преждевременному выходу из строя конденсаторов, а следовательно, и всей установки.

При определении напряжения на конденсаторе при включении двигателя по одной из рассмотренных схем необходимо иметь в виду следующее: при включении двигателя по схеме рис. 1.8, а напряжение на конденсаторе равно U_K ? 1,3 U_С, а при включении двигателя по схемам рис. 1.9, б и в это напряжение равно U_к ? 1,15 U_c.

В схемах конденсаторных двигателей обычно применяют бумажные конденсаторы в металлическом герметичном корпусе прямоугольной формы типов КБГ -- МН или БГТ (термостойкие). На корпусе конденсатора указаны емкость и рабочее напряжение постоянного тока. При включении такого конденсатора в сеть переменного тока следует уменьшить примерно в два раза допустимое рабочее напряжение. Например, если на конденсаторе указано напряжение 600 В, то рабочее напряжение переменного тока следует считать 300 В.

Определить значение рабочей емкости С_раб, необходимой для работы трехфазного асинхронного двигателя типа АВ052-4 от однофазной сети напряжением U_c = 220 В. Номинальные данные двигателя: Р_ном = 80 Вт, напряжение 220/380 В, ток сети I_1ном = 0,56/0,32 А.

Решение. Напряжение сети 220 В соответствует соединению обмотки статора в треугольник, поэтому принимаем схему включения двигателя в однофазную сеть по рис. 1.9, в. Номинальный (фазный) ток статора I₁ = 0,32 А.

Рабочая емкость по (1.8) С_рa6 = 4800 * 0,32/220 = 6,98 мкФ. При этом рабочее напряжение конденсатора U_к ? 1,15*220 = 250 В. Принимаем в качестве С_раб батарею из двух параллельно соединенных конденсаторов типа КБГ--МН емкостью по 4 мкФ каждый (емкость батареи 8 мкФ) на рабочее напряжение 600 В.

При использовании трехфазного двигателя в однофазном конденсаторном режиме его полезная мощность обычно не превышает 70--80 % номинальной мощности, а при однофазном режиме без рабочей емкости полезная мощность двигателя не превышает 60 % его номинальной мощности.

1.4 Однофазный двигатель с экранированными полюсами

Для создания пускового момента в асинхронных двигателях малой мощности применяют конструкцию с явно выраженными экранированными полюсами (рис. 1.9, а), на которых располагают однофазную обмотку. Полюсы 1 имеют расщепленную на две части конструкцию, при этом на одну из частей каждого полюса надет короткозамкнутый виток (экран) в виде медного кольца 2. Ротор двигателя короткозамкнутый.

Рис. 1.9. Асинхронный двигатель с экранированными полюсами

При включении обмотки статора в сеть пульсирующий поток наводит в короткозамкнутом витке (экране) ток, препятствующий нарастанию магнитного потока и вызывающий фазовый сдвиг потока в этой части полюса (рис. 1.9, б). В результате потоки в обеих частях каждого полюса оказываются сдвинутыми по фазе относительно друг друга, что, в свою очередь, приводит к образованию в двигателе вращающегося магнитного поля. Часто для улучшения пусковых и рабочих характеристик двигателя между полюсами помещают магнитные шунты в виде стальных пластинок, замыкающих края полюсных наконечников полюсов статора.

Асинхронные двигатели с экранированными полюсами нереверсивны -- ротор всегда вращается в направлении от неэкранированной части полюса к экранированной. Обычно эти двигатели изготовляют мощностью не более 100 Вт и применяют для привода устройств, не требующих большого пускового момента (электропривод вентиляторов, электропроигрывателей и т. п.). Отечественной промышленностью изготовляются асинхронные двигатели с экранированными полюсами серии АД...Е, предназначенные для привода приборов с вентиляторной нагрузкой. Эти двигатели мощностью от 2,5 до 25 Вт рассчитаны на работу от сети напряжением 220 В частотой 50 Гц. Кратность пускового момента этих двигателей М_п/ М_НОМ = 0,5 ч 0,6.

2. Асинхронные машины специального назначения

2.1 Индукционный регулятор напряжения и фазорегулятор

Индукционный регулятор напряжения (ИР) представляет собой асинхронную машину с фазным ротором, предназначенную для плавного регулирования напряжения. Рассмотрим работу трехфазного ИР, получившего преимущественное применение. Ротор ИР заторможен посредством червячной передачи, которая не только удерживает его в заданном положении, но и позволяет плавно поворачивать его относительно статора. Обмотки статора и ротора в ИР имеют автотрансформаторную связь (рис. 2.1, а), поэтому ИР иногда называют поворотным автотрансформатором.

Напряжение сети U₁ подводится к обмотке ротора, при этом ротор создает вращающееся магнитное поле, наводящее в обмотке ротора ЭДС = - , а в обмотке статора -- ЭДС (рис. 2.2, а).

Фазовый сдвиг этих ЭДС относительно друг друга зависит от взаимного пространственного положения осей обмоток статора и ротора, определяемого углом б. При б = 0 оси обмоток совпадают, вращающееся поле одновременно сцепляется с обеими обмотками и ЭДС и совпадают по фазе (при этом и находятся в противофазе). При б = 180 эл. град ЭДС и окажутся в противофазе ( и совпадают по фазе). Если пренебречь внутренними падениями напряжения, то напряжение на выходе ИР определяется геометрической суммой:

= + (2.1)

При повороте ротора концы векторов и описывают окружность (рис. 2.2, б), при этом изменяется от = - при б = 0 до = + при б = 180 эл. град (рис. 2.2, в). Поворот ротора осуществляется либо вручную штурвалом, либо дистанционно включением исполнительного двигателя.

ИР применяются во всех случаях, где необходима плавная регулировка напряжения, например в лабораторных исследованиях.

Фазорегулятор (ФР). Предназначен для изменения фазы вторичного напряжения относительно первичного при неизменном вторичном напряжении. В отличие от ИР обмотки ротора и статора ФР электрически не соединены друг с другом, т. е. имеют трансформаторную связь (см. рис. 2.1, б), поэтому ФР иногда называют поворотным трансформатором.

Изменение фазы вторичного напряжения осуществляется поворотом ротора относительно статора. Первичной обмоткой в ФР обычно является обмотка статора. Фазорегуляторы применяются в устройствах автоматики (для фазового управления) и измерительной технике (для проверки ваттметров и счетчиков).

Рис. 2.1. Схемы соединения индукционного регулятора напряжения (а) и фазорегулятора (б)

2.2 Асинхронный преобразователь частоты

Как известно, частота тока в роторе асинхронной машины зависит от скольжения (f₂ = sf₁). Это свойстве асинхронных машин и. пользуется в асинхронных преобразователях частоты (АПЧ).

Рис. 2.2. Векторные диаграммы индукционного регулятора напряжения

Обмотку статора АПЧ подключают к трехфазной сети с частотой f₁, а ротор приводят во вращение приводным двигателем (ПД) в направлении против вращения поля статора (рис. 2.3). В этом случае в обмотке ротора наводится ЭДС Е₂ частотой f₂ >f₁, так как скольжение s > 1. Указанная ЭДС через контактные кольца и щетки создает на выходе АПЧ напряжение. Если требуется получить на выходе АПЧ напряжение частотой f₂ < f₁, то ротор вращают в направлении вращения поля статора с частотой вращения n₂ < n₁ (при этом s < 1).

Рис. 2.3. Схема включения асинхронного преобразователя частоты

Мощность на выходе АПЧ складывается из электромагнитной мощности Р_эм, передаваемой в обмотку ротора вращающимся полем статора, и механической мощности приводного двигателя Р_пд, т. е. Р₂ = Р_эм + Р_пд. Соотношение между мощностями Р_эм и Р_пд зависит oт скольжения. Так, при работе АПЧ со скольжением s = 2 эти мощности равны и ротор половину мощности получает от статора, а половину -- от приводного двигателя. При необходимости плавной регулировки частоты на выходе АПЧ в качестве приводного двигателя применяют электродвигатель с плавной регулировкой частоты вращения, например двигатель постоянного тока (см. гл. 29) Однако чаще всего АПЧ используют для получения определенной частоты тока f₂ и в качестве приводного применяют асинхронный или синхронный (см. гл. 22) двигатель.

2.3 Электрические машины синхронной связи

В современной технике часто возникает необходимость в синхронизации вращения или поворота осей механизмов. Эта задача успешно решается с помощью системы синхронной связи.

Синхронной связью называют электрическую связь, которая обеспечивает одновременное вращение или одновременный поворот двух (или более) находящихся на расстоянии друг от друга и механически не связанных валов. Распространены два вида систем синхронной связи: система «электрического вала» (синхронного вращения) и система «передачи угла» (синхронного поворота).

Системы электрического вала применяют для синхронного (одновременного) вращения нескольких механизмов, имеющих значительные нагрузочные моменты на валу. Для привода таких механизмов применяют обычные асинхронные двигатели с фазным ротором. При этом обмотки роторов электрически соединяй и друг с другом, а обмотки статоров включают в общую сеть трех фазного тока.

Системы передачи угла (синхронного поворота) применяют для дистанционного управления или контроля положения в пространстве каких-либо устройств. Обычно такая система выполняется на небольших асинхронных машинах (однофазных или трехфазных), называемых сельсинами.

Наибольшее применение получили однофазные сельсины. Такой сельсин имеет однофазную обмотку возбуждения и трехфазную обмотку синхронизации, соединенную звездой. Одна из обмоток располагается на роторе, а другая -- на статоре.

Рис. 2.4. Схема синхронной передачи

Простейшая синхронная передача, называемая индикаторной, содержит два сельсина: сельсин-датчик (СД) и сельсин-приемник (СП) (рис. 2.4). При включении обмоток возбуждения в сеть на напряжение U₁ в каждом из сельсинов создается магнитный поток возбуждения Ф. В обмотке синхронизации СД этот поток наводит ЭДС Е_д, а в обмотке синхронизации СП - ЭДС Е_п. Эти ЭДС направлены встречно. Если роторы СД и СП занимают одинаковые положения относительно своих статоров, то Е_д = Е_п и система находится в равновесии. Если же ротор СД повернуть на некоторый угол б_д, то ЭДС в обмотке синхронизации СД изменится, равенство ЭДС нарушится ( Е_д ? Е_п ) и в цепи синхронизации появится результирующая ЭДС

Д= Е_д + (2.2)

которая создаст ток синхронизации

I_c = ДE/ (Z_д + Z_п + Z_л) (2.3)

где Z_д , Z_п и Z_л -- сопротивления обмоток синхронизации СД и СП и сопротивление линейных проводов, Ом.

Ток синхронизации датчика взаимодействует с потоком возбуждения и создает на роторе СД электромагнитный момент, направленный встречно повороту ротора датчика, т. е. момент, противодействующий механизму, поворачивающему ротор СД на заданный угол б_д.

Ток синхронизации СП также взаимодействует с магнитным потоком возбуждения и создает электромагнитный момент, направленный в сторону поворота ротора СД. Под действием этого момента, называемого синхронизирующим, ротор приемника совершает поворот на угол б_п ? б_д . После этого ротор СП займет такое же положение относительно статора, что и ротор СД, и в системе восстановится равновесие, так как ЭДС Е_п и Е_д станут одинаковыми. Если ротор СД вновь повернуть на некоторый угол, то этот же угол поворота будет воспроизведен приемником. При вращении ротора датчика ротор приемника также будет вращаться с такой же частотой. Однако угол поворота, установленный СД, воспроизводится ротором СП с некоторой ошибкой -- рассогласованием. Для поворота ротора приемника необходимо, чтобы синхронизирующий момент, действующий на этот ротор, преодолел противодействующий момент, обусловленный силами трения в подшипниках и на контактных кольцах, а иногда еще и полезной нагрузкой на валу приемника. Ошибка в воспроизведении угла поворота оценивается углом рассогласования

И = б_д - б_п (2.4)

Ротор СП синхронно следует за ротором СД, но угол рассогласования между роторами сельсинов всегда имеется и тем больше, чем больше противодействующий момент на валу СП. Угол рассогласования обычно не превышает 2,5°, а у сельсинов высокой точности он не более 0,75°.

Значение синхронизирующего момента на роторе приемника

М_с = М_{с max} sin И (2.5)

где М_{с mах} -- максимальное значение синхронизирующего момента, соответствующее углу рассогласования 90°.

По конструкции сельсины разделяют на контактные, у которых обмотка на роторе соединена с внешней цепью через контактные кольца и щетки, и бесконтактные, не имеющие на роторе oбмоток.

Контактные сельсины в принципе не отличаются от асинхронных двигателей с фазным ротором. На рис. 2.5 показано ycтройство контактного сельсина. Статор 7 и ротор 2 этого сельсина неявнополюсные, и поэтому обе обмотки сельсина распределенные. Наличие на роторе двух контактных колец 3 указывает пи расположение на роторе обмотки возбуждения.

В некоторых конструкциях статор или ротор делают с явно выраженными полюсами, что способствует повышению синхронизирующего момента. Наличие контактных колец -- основной недостаток контактных сельсинов, так как это ведет к неустойчивости параметров сельсина и снижению его надежности.

Бесконтактные сельсины получили широкое применение в системах синхронного поворота благодаря своей высокой надежности. Эти сельсины не имеют скользящих контактов, так как их обе обмотки расположены на статоре (рис. 2.6). Ротор бесконтактного сельсина представляет собой цилиндр из ферромагнитного материала, разделенный немагнитной прослойкой на две магнитно изолированные части, образующие полюсы. Алюминий, который заливают в ротор, является магнитной изоляцией и одновременно материалом, скрепляющим части ротора. С торцовых сторон сельсина расположены тороидальные сердечники 1, выполненные из тонколистовой электротехнической стали.

Рис. 2.5. Устройство контактного сельсина

Внутренняя поверхность этих сердечников расположена над ротором, а к их внешней поверхности примыкают стержни внешнего магнитопровода 4. Однофазную обмотку возбуждения сельсина выполняют в виде двух дисковых катушек 2, расположенных с противоположных сторон статора по оси сельсина между обмоткой синхронизации 3 и тороидальными сердечниками.

Рис. 2.6 Конструктивная схема бесконтактного сельсина

В процессе работы сельсина пульсирующий магнитный поток возбуждения замыкается в магнитной системе сельсина, сцепляясь с трехфазной обмоткой синхронизации на статоре. Путь замыкания потока показан на рисунке пунктирной линией. Как видно из этого рисунка, магнитный поток, замыкаясь в магнитопроводе, проходит через воздушный зазор четыре раза. По этой причине для создания требуемого магнитного потока в бесконтактном сельсине необходима значительная МДС. Это является причиной повышенных габаритов бесконтактного сельсина по сравнению с контактным.

2.4 Асинхронные исполнительные двигатели

В системах управления, регулирования и контроля широко применяются управляемые электродвигатели небольшой мощности. С помощью этих двигателей осуществляется преобразование электрического сигнала в механическое перемещение -- вращение вала. Такие электродвигатели называют исполнительными (ИД).

Рис. 2.7. Схема включения асинхронного исполнительного двигателя

Характер требований, предъявляемых к исполнительным двигателям, определяется спецификой их работы: частые пуски, реверсы, постоянно изменяющаяся частота вращения. Основные требования - отсутствие самохода, т. е. самоторможение при снятии сигнала управления; широкий диапазон регулирования частоты вращения; линейность характеристик; большой пусковой момент; малая мощность управления; быстродействие (малоинерционность).

На статоре асинхронного исполнительного двигателя расположена двухфазная обмотка (см. § 1.2). Одна из фазных обмоток -- обмотка возбуждения (ОВ) - постоянно включена в сеть с напряжением U₁, а на другую - обмотку управления (ОУ) -- напряжение (сигнал управления) U_c подается лишь при необходимости включения двигателя (рис. 2.7).

Для работы двухфазного ИД необходимо вращающееся магнитное поле, непременным условием возникновения которого является наличие пространственного и временного сдвигов между МДС фазных обмоток статора. Пространственный сдвиг указанных МДС обеспечивается конструкцией обмотки статора, при ко торой оси фазных обмоток сдвинуты в пространстве относительно друг друга обычно на угол 90 эл. град. Временной (фазный) сдвиг МДС создается либо питанием обмотки статора двухфазной сие темой напряжений (см. § 1.2), либо включением в цепь ОУ фазовращателя -- устройства, позволяющего получать различные фазовые сдвиги напряжения на его выходе относительно напряжения на входе, т. е. относительно напряжения на обмотке возбуждения, либо включением последовательно в цепь ОВ емкости ( (рис. 2.7).

Последний способ включения ИД применяют наиболее часто Обычно значение емкости С выбирают из условия получения кругового поля при пуске двигателя. По окончании пускового периода двигатель работает с эллиптическим вращающимся полем.

В процессе управления двигателем изменяют сигнал U_с на ОУ при этом меняется как значение (амплитуда) МДС этой обмотки, так и ее фазовый сдвиг относительно МДС обмотки возбуждения. Поэтому рассматриваемый способ управления ИД называют амплитудно-фазовым.

Одно из основных требований к ИД -- отсутствие самохода. Известно, что обычные асинхронные двигатели имеют небольшое активное сопротивление обмотки ротора и работают с малым критическим скольжением. Такие двигатели непригодны в качестве исполнительных, так как они обладают самоходом, т. е. при снятии сигнала управления двигатель будет продолжать работать как однофазный. Это иллюстрирует рис. 2.8, а, на котором точка А определяет режим работы двигателя с нагрузочным моментом М_иом при наличии сигнала управления. При снятии сигнала управления поле статора становится пульсирующим (обмотка возбуждения постоянно включена в сеть) и режим работы двигателя "определяется точкой В на характеристике однофазного двигателя. При этом электромагнитный момент двигателя останется положительным.

Рис. 2.8. Устранение самохода в асинхронном исполнительном двигателе

Если же увеличить активное сопротивление ротора, то форма кривых прямого М_пр, обратного М_обр и результирующего М = М_пр + М_обр моментов изменится (рис. 2.8, б): максимумы моментов М_пр и М_обр сместятся в область больших скольжений (s_кр > 1 ). Теперь после прекращения сигнала управления, т. е. при переходе двигателя в однофазный режим, электромагнитный момент становится отрицательным М_т (точка В) и оказывает на ротор тормозящее действие, не допуская самохода.

К исполнительным двигателям предъявляется также требования малоинерционности (быстродействия), т. е. при подаче сигнала управления ротор двигателя должен очень быстро достигать установившейся частоты вращения. Выполнению этого требования способствуют увеличение пускового момента, уменьшение синхронной частоты вращения поля статора и снижение момента инерции ротора. При повышенных частотах питающего напряжения (больших синхронных частотах вращения) ИД с ротором обычной (короткозамкнутой) конструкции из-за значительного момента инерции последнего не обладают требуемым быстродействием. В этом случае применяют асинхронные исполнительные двигатели с полым немагнитным ротором (рис. 2.9). Полый немагнитный ротор представляет собой тонкостенный алюминиевый стакан 2, что, с одной стороны, обеспечивает ротору повышенное активное сопротивление, а с другой -- весьма небольшой момент инерции.

Двигатель имеет два статора: внешний 1 с обмоткой и внутренний 3 без обмотки, входящий внутрь полого стакана ротора Внутренний статор необходим для уменьшения магнитного сопро тивления основному магнитному потоку.

По сравнению с исполни тельными двигателями обычно и конструкции двигатели с полым немагнитным ротором имею! повышенные габариты и невысокий КПД. Это объясняется повышенным зазором между наружным и внутренним статорами, который складывает ся из толщины стенки стакана ротора и двух воздушных зазо ров. Как известно, увеличение воздушного зазора способствуем росту намагничивающего тока двигателя и снижению его КПД.

Рис. 2.9. Асинхронный двигатель с полым немагнитным ротором: 1 -- внешний статор; 2 -- стакан ротора; 3 -- внутренний статор; 4-- обмотка статора; 5 -- вал; 6 -- втулка крепления стакана ротора

2.5 Линейные асинхронные двигатели

Подвижная часть линейного двигателя совершает поступательное движение, поэтому применение этих двигателей для привода рабочих машин с поступательным движением рабочего органа позволяет упростить кинематику механизмов, уменьшим потери в передачах и повысить надежность механизма в целом.

Возможны линейные двигатели четырех видов: электромагнитные (соленоидные), магнитоэлектрические (с применением постоянного магнита), электродинамические и асинхронных. Асинхронные (индукционные) линейные двигатели благодаря простоте конструкции и высокой надежности получили наибольшее применение.

Для объяснения принципа работы линейного асинхронного двигателя обратимся к асинхронному двигателю с вращательным движением ротора. Если статор этого двигателя (рис. 2.10, а) мысленно «разрезать» и «развернуть» так, чтобы он образовал дугу с углом б (рис. 2.10, б), то диаметр ротора увеличится. При этом мы получим асинхронный двигатель с дуговым статором Частота вращения (об/мин) магнитного поля статора этого двигателя (синхронная частота)

n₁ = n⁰₁ б /(2р) (2.6)

где n⁰₁ -- синхронная частота вращения обычного (до «разрезания») асинхронного двигателя, об/мин; б -- угол дуги статора, рад.

Из (2.6) следует, что, изменяя угол б, можно получить дуговой асинхронный двигатель на любую синхронную частоту меньше частоты вращения n⁰₁. Дуговые двигатели применяют для безредукторного привода устройств, требующих небольших частот вращения, исключив применение сложного и трудоемкого редуктора.

Рис. 2.10. К понятиям о дуговом и линейном двигателях

Если же «разрезанный» статор развернуть в плоскость, то получим асинхронный линейный двигатель (рис. 2.10, в). Принципиальное конструктивное отличие линейного асинхронного двигателя от асинхронного двигателя с вращательным движением ротора состоит в том, что первичный элемент линейного двигателя (индуктор) создает не вращающееся, а бегущее магнитное поле и нижняя часть двигателя с короткозамкнутой обмоткой (или без нее) называемая вторичным элементом, перемещается вдоль своей оси. Скорость бегущего поля в линейном двигателе (м/с)

v₁ = 2фf₁ = f₁L_c /p (2.7)

где f₁ -- частота тока в обмотке статора, Гц; ф -- полюсное деление; L_c -- длина статора (индуктора), м.

Принцип действия линейного асинхронного двигателя основан на том, что бегущее поле индуктора, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой вторичного элемента двигателя, наводит в ней ЭДС. Возникающие в стержнях этой обмотки токи взаимодействуют с бегущим полем индуктора и создают на индукторе и вторичном элементе электромагнитные силы, стремящиеся линейно переместить подвижную часть двигателя относительно неподвижной. В некоторых конструкциях линейных двигателей подвижной частью является индуктор, а в некоторых -- вторичный элемент, называемый в этом случае бегунком. Если вторичный элемент линейного двигателя невозможно изготовить с короткозамкнутой обмоткой, то применяют вторичные элементы в виде полосы из меди, алюминия или ферромагнитной стали. Наиболее удовлетворительными получаются характеристики линейного двигателя при составном вторичном элементе, например выполненном в виде полосы из ферромагнитной стали, покрытой слоем меди.

Основной недостаток асинхронных двигателей с разомкнутым статором -- дуговых и линейных -- явление краевого эффекта, представляющего собой комплекс электромагнитных процессов, обусловленных разомкнутой конструкцией статора. К нежелательным последствиям краевого эффекта в первую очередь следует отнести появление «паразитных» тормозных усилий, направленных против движения подвижной части двигателя, и возникновение поперечных сил, стремящихся сместить подвижную часть двигателя в поперечном направлении. Кроме того, краевой эффект вызывает ряд других нежелательных явлений, ухудшающих рабочие характеристики линейных двигателей.

Линейные асинхронные двигатели применяют для привода заслонок, ленточных конвейеров, подъемно-транспортных механизмов. На рис. 2.11 показано устройство линейного асинхронного двигателя привода тележки подъемного крана. На тележке 3 расположен индуктор линейного двигателя, состоящий из шихтованного сердечника 6, в пазах которого расположена обмотка 5. Направляющая для колес 2 представляет собой стальную балку 7, к нижней части которой прикреплена стальная полоса 4. Бегущее магнитное поле индуктора наводит в стальной полосе 4 вихревые токи. Электромагнитные силы, возникающие в результате взаимодействия этих токов с магнитным полем индуктора, перемещают индуктор (тележку) вдоль стальной полосы 4.

Рис. 2.11. Линейный асинхронный двигатель привода тележки подъемного крана

Линейные асинхронные двигатели значительной мощности применяют на транспорте в качестве тяговых двигателей. Один из вариантов такого двигателя показан на рис. 2.12. Здесь индуктор 2 двигателя подвешен к транспортному средству 1, а стальная полоса 3 установлена вертикально на основании пути между рельсами. Из этой конструкции поперечная сила F_п вызванная краевым эффектом используется полезно, так как она уменьшает силу давления на несущие оси и колеса и, как следствие, уменьшает трение качения.

Рис 2.12. Линейный асинхронный двигатель привода железнодорожного транспортного средства

3. Конструктивные формы исполнения электрических машин

3.1 Нагревание и охлаждение электрических машин

Все виды потерь, происходящие в электрической машине, преобразуются в теплоту, которая частично идет на нагревание машины, а частично отдается в окружающую среду. Условно принято считать, что нагрев происходит равномерно по всему объему машины, а рассеивание теплоты происходит также равномерно со всей ее поверхности. В этих условиях уравнение теплового баланса имеет вид

q dt = тс dф + Sлф dt, (3.1)

где q -- количество теплоты, выделяемое в машине в единицу времени (Дж/с):

q = ?Р

?Р - суммарные потери мощности в двигателе, Вт; тс dф -- количество теплоты, расходуемое на нагревание машины; m -- масса нагреваемой машины; с -- удельная теплоемкость материала машины, т.е. количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг этого материала на 1°С; ф -- превышение температуры нагрева машины над температурой окружающей среды; Sлф -- количество теплоты, рассеиваемое с поверхности двигателя в окружающее пространство в единицу времени; л -- коэффициент теплового рассеяния, т.е. количество теплоты, рассеиваемое с единицы поверхности машины в 1 с при превышении температуры на 1°С.

В начальный период работы машина имеет температуру нагрева, не отличающуюся от температуры окружающей среды И₁ т.е. ф = 0. В этом случае рассеяния теплоты в окружающую среду не происходит, т.е. Sлф dt = 0 и вся выделяемая в двигателе теплота идет на его нагревание. Затем, когда температура нагрева двигателя начинает превышать температуру окружающей среды, т.е. ф > 0, часть теплоты, выделяемой в двигателе, начинает рассеиваться в окружающую среду. И, наконец, когда температура нагрева машины достигает установившегося значения И_уст = const, вся выделяемая в машине теплота рассеивается в окружающую среду, т.е. наступает режим теплового равновесия:

q dt = Sлф_уст dt (3.2)

ф_уст = И_уст - И₁ (3.3)

Из (3.2)следует, что

ф_ycm = q/ (Sл) (3.4)

Выражение (3.4) позволяет сделать вывод:

а) установившаяся температура перегрева не зависит от массы машины m, а определяется количеством теплоты q, выделяемой в ней в единицу времени, т.е. мощностью потерь электрической машины АР;

б) установившаяся температура перегрева обратно пропорциональна площади охлаждаемой поверхности S и коэффициенту теплового рассеяния л, т.е. зависит от интенсивности охлаждения машины; в машинах со специальными способами охлаждения (искусственно вентилируемых) ф_уст меньше чем у машин с естественной вентиляцией (при их одинаковой конструкции и условиях работы).

Если машина включается в сеть, когда ее температура равна температуре окружающей среды И₁, то зависимость температуры перегрева этой машины ф от времени t выражается равенством:

ф = ф_уст (1 - е^{-t / TH} ), (3.5)

где е = 2,718 -- основание натуральных логарифмов; Т_Н -- постоянная времени нагревания, показывающая время (с), необходимое для нагревания машины до установившейся температуры, если бы не было теплового рассеяния с ее поверхности.

График нагревания ф = f (t), построенный по (3.5), представляет собой экспоненциальную кривую, которая показывает, что машина нагревается до установившейся температуры перегрева ф_уст лишь спустя продолжительное время (рис. 3.1, а). Процесс нагревания сначала идет интенсивно, а затем, по мере приближения к установившейся температуре перегрева, замедляется. Теоретически машина достигает установившейся температуры перегрева за время t = ?. Проведя касательную к графику нагревания в его начальной части, получим отрезок, который в масштабе времени определяет постоянную времени нагревания. Таким образом, физически величину Т_Н можно рассматривать как время, в течение которого превышение температуры достигло бы установившегося значения ф_уст, если бы график нагревания представлял собой прямую линию.

Рис. 3.1 Графики нагревания (а) и охлаждения (б) электрической машины

Принято считать, что в реальных условиях температура перегрева достигает установившегося значения за время нагревания t = (4 - 5) Т_Н.

Если машину отключить от сети, прекратив этим ее дальнейшее нагревание, то тепловое рассеяние с ее поверхности будет происходить за счет накопленной в ней теплоты. При этом температура перегрева машины будет понижаться до ф = 0, т.е. пока температура не станет равной температуре окружающей среды. Этот процесс остывания протекает по графику охлаждения (рис. 3.1, б), построенному по уравнению:

ф = ф_уст е - ^{t / To} , (3.6)

где Т₀ -- постоянная времени охлаждения, с.

Принято считать, что температура перегрева машины достигает практически нулевого значения за время охлаждения t = (4 --5)Т₀.

Таким образом, постоянные времени нагревания и охлаждения характеризуют скорость процессов. Например, машина нагревается тем быстрее, чем меньше постоянная времени нагревания.

Итак, в процессе работы электрическая машина нагреваете, при этом для разных ее частей установлены предельно допустимые температуры перегрева.

Наиболее чувствительна к перегреву электрическая изоляция обмоток. Под действием температур, превышающих допустимые значения, ускоряется процесс теплового старения изоляции, ухудшающий ее изоляционные и механические свойства. Электроизоляционные материалы, применяемые в электротехнических изделиях, разделяются на пять классов нагревостойкости, обозначаемых А, Е, В, F и Н. В электрических машинах применяют изоляцию трех наиболее нагревостойких классов: В, F и Н. В процессе работы машины изоляция обмоток нагревается неравномерно, при этом измерение температуры нагрева в наиболее горячих точках технически невозможно. Поэтому, согласно действующему стандарту, предельные температуры нагревания изоляции обмоток принимают ниже предельно-допустимых значений соответствующего класса нагревостойкости:

Класс нагревостойкости изоляции	В	F	Н
Предельно-допустимая температура нагрева изоляции, °С	130	155	180
Предельно-допустимая температура нагрева обмоток двигателя,°С	120	140	165
Предельно-допустимые превышения температуры обмоток при И1 = 40 °С	80	120	125

Чрезмерный перегрев неблагоприятно влияет и на другие части машины, например, подшипники, контактные кольца и др.

Температура нагрева какой-либо части машины И₂ при известной температуре ее перегрева ф и температуре окружающей среды И₁ =40 °С:

И₂ = ф_уст + И₁ = ф_уст + 40. (3.7)

Для машин, работающих в условиях повышенных температур окружающей среды, например, в условиях металлургического производства, температуру И₁, принимают более 40 °С.