Учебнометодический комплекс дисциплины преподавателя по дисциплине Средства электроавтоматики (код и наименование дисциплины) для студентов специальности
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
скольжением S. 0 0 n n n S − = , или 0 0 ω ω ω − = S Поскольку скорость ротора не совпадает со скоростью вращения поля статора, то двигатель называют асинхронным. Если же скорость вращения ротора станет равной скорости вращения поля статора ω=ω 0 , то магнитное поле статора не будет пересекать проводники обмотки ротора, следовательно, в них не будет ЭДС и тока, а, значит, исчезнет вращающий момент, приложенный к ротору. Поскольку в двигателе всегда присутствует тормозной момент (хотя бы за счет сил трения), то ротор двигателя будет всегда вращаться со скоростью несколько меньшей, чем поле статора. Если же под действием сторонних сил (момента) ротор заставить вращаться со скоростью ω 0 , то такой режим работы называется режимом идеального холостого хода двигателя. На рисунке 18 представлена механическая характеристика, на которой указаны области и точки соответствующие характерным режимам работы асинхронной машины. Рисунок 18 − Механическая характеристика асинхронной машины На механической характеристике можно выделить три участка, каждый из которых соответствует одному из трех режимов работы асинхронной машины: 1. двигательный режим работы, ему соответствует изменение скольжения от S=0 до S=1; 2. режим торможения противовключением, ему соответствует изменение скольжения от S=1 до S ∞; 3. режим рекуперативного торможения или генераторный режим с возвратом энергии в сеть, ему соответствуют отрицательные значения скольжения S<0. Отметим характерные точки механической характеристики, к ним относятся: 1. S=0, M=0 , при этом скорость ротора равна синхронной 0 ω ω = , так называемый режим идеального холостого хода двигателя; 2. S=S н , М=М н – номинальный режим двигателя; 3. S=S к , М=М к – критический режим, при котором двигатель развивает максимальный момент; 4. S=1, 0, М=М п – пуск двигателя, при котором при неподвижном роторе ω =0 , двигатель развивает пусковой момент М п ; 5. S= - S к , М= - М к – при котором двигатель развивает максимальный момент в генераторном режиме, когда он работает параллельно с сетью. Эта же механическая характеристика может быть построена в других координатах М=f( ω ), она приведена ниже. Рассмотрим естественную механическую характеристику асинхронного электродвигателя, представленную на рис. 19. Рисунок 19 Участок характеристики между ω=ω 0 и ω=ω кр то есть 0 устойчивым участком, так как на этом участке увеличению тормозного момента соответствует снижение скорости и увеличение вращающегося момента и наоборот. Участок механической характеристики между ω=ω 0 и ω=ω к называют неустойчивым, так как на этом участке уменьшению угловой скорости ротора соответствует уменьшение вращающего момента двигателя. В большинстве схем автоматики силовые двигатели питаются не от трехфазных, а однофазных сетей переменного тока. Однофазные асинхронные двигатели по своему устройству в подавляющем большинстве случаев являются двухфазными. Они, как правило, имеют на статоре две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90°. Одна обмотка называется рабочей, или главной. Она подключается непосредственно к однофазной сети. Другая обмотка называется пусковой, или вспомогательной. Она подключается к однофазной сети через фазосдвигающий элемент либо только на время пуска, либо постоянно. В некоторых двигателях вспомогательная обмотка вообще не подключается к сети, а ЭДС в ней наводится потоком главной обмотки. В зависимости от типа фазосдвигающего элемента, а также от способа использования вспомогательной (пусковой) обмотки силовые однофазные асинхронные (и синхронные) микродвигатели можно разделить на пять групп: с пусковым сопротивлением; пусковым конденсатором; пусковым и рабочим конденсатором; рабочим конденсатором; экранированными полюсами. Конструктивное устройство одного из асинхронных микродвигателей с полым немагнитным ротором представлено на рис. 20. Внешний статор 4 такого двигателя ничем не отличается от статора обычного асинхронного двигателя. Он набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. В пазах статора располагаются обмотки 6 управления и возбуждения, сдвинутые в пространстве на 90°. Эти обмотки либо изолированы друг от друга, либо соединены по мостиковой схеме. Мостиковая схема представляет собой замкнутую обмотку с отпайками через 90°. Она помогает достаточно просто осуществить точный пространственный сдвиг обмоток, способствует лучшему распределению токов и потерь в них. К недостаткам схемы следует отнести, во-первых, электрическую связь цепей возбуждения и управления, во-вторых, большое число параллельных ветвей (2а) и отпаек-концов при большом числе пар полюсов (2а = 2р) и, в третьих, постоянство коэффициента трансформации k = w p /w y Внутренний статор 5 набирается из листов электротехнической стали на цилиндрическом выступе одного из подшипниковых щитов. Он служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути основного (рабочего) магнитного потока, проходящего через воздушный зазор. Рисунок 20 – Конструкция асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором: а – поперечный разрез; б – раздельная электрическая схема обмотки статора; в – мостиковая электрическая схема обмотки статора; 1 – корпус; 2 – ротор немагнитный полый цилиндр); 3 – щит подшипниковый; 4 – статор внешний; 5 – статор-сердечник внутренний; 6 – обмотка статора; 7 – ось Полый ротор двигателя 2 изготовляется в виде тонкостенного станка из немагнитного материала, обычно из сплавов алюминия. Своим дном ротор жестко укрепляется на оси 7, которая свободно вращается в подшипниках, расположенных в подшипниковых щитах 3. Толщина стенок ротора зависит от мощности двигателя и колеблется в пределах от 0,1 до 1 мм. Вследствие весьма малой массы ротор обладает незначительным моментом инерции, что является очень ценным свойством двигателя с полым немагнитным ротором, способствующим его широкому распространению. Между стенками ротора и статорами имеются воздушные зазоры, которые обычно составляют 0,15...0,25 мм. Принцип действия двигателя с полым немагнитным ротором состоит в следующем: переменный ток, протекая по обмоткам статора, создает вращающее магнитное поле, которое, пересекая полый ротор, наводит в нем вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем двигателя возникает момент, который, действуя на ротор, увлекает его в сторону этого поля. Двигатели мощностью менее 3 Вт изготовляются иначе. Их обмотки возбуждения и управления размещаются в пазах внутреннего статора, и тогда внешний статор не имеет пазов и служит лишь для уменьшения магнитного сопротивления. При такой конструкции весьма облегчается процесс укладки обмоток в пазы при малых диаметрах расточки статора и несколько повышается вращающий момент, но диаметр ротора для увеличения обмоточного пространства на внутреннем статоре приходится несколько увеличить, что обусловливает некоторое увеличение момента инерции ротора. Для устранения этого недостатка иногда используется третья конструктивная форма двигателя: одна из обмоток размещается на внутреннем, а другая – на наружном статоре. Из-за большого немагнитного промежутка двигатели с полым немагнитным ротором имеют большой намагничивающий ток (0,8... 0,9)I н и низкий коэффициент мощности cos φ. Большая сила намагничивающего тока приводит к большим электрическим потерям в обмотках двигателя и значительно снижает его КПД. С целью уменьшения электрических потерь двигатели с полым немагнитным ротором обычно конструируют так, чтобы до 70 % площади поперечного сечения статора у них занимали пазы с обмотками. В отличие от всех остальных типов роторов, применяемых для асинхронных исполнительных двигателей переменного тока, полый немагнитный ротор при большом активном сопротивлении r р обладает весьма незначительным индуктивным сопротивлением х р ≈ (0,05...0,1) r р . Это его свойство способствует значительному повышению линейности механических и регулировочных характеристик двигателей. К положительным свойствам двигателей с полым немагнитным ротором следует отнести: малый момент инерции ротора, что в совокупности со значительным пусковым моментом обеспечивает быстродействие двигателя. Электромеханические постоянные времени Т м подавляющего большинства современных двигателей не превышают 60 мс; сравнительно хорошую линейность механических и регулировочных характеристик. У большинства двигателей нелинейность μ 0,5 лежит в пределах от 0,05 до 0,15, что обеспечивает устойчивую работу двигателя почти при всех частотах вращения и кратность регулирования n max /n min = 100...200; высокую чувствительность – малый сигнал трогания, что обеспечивается малым моментом инерции ротора, малой его массой, большим пусковым моментом и отсутствием радиальных сил притяжения ротора к статору. Последнее объясняется тем, что ротор немагнитный; плавность и бесшумность хода, постоянство пускового момента в любом положении ротора, что определяется отсутствием паров на роторе, а следовательно, зубцовых гармоник поля. К недостаткам относятся: низкий КПД, у большинства двигателей даже в номинальном режиме η н =0,2...0,4 и значительно уменьшается при регулировании. Низкий КПД объясняется большими электрическими потерями в обмотке статора вследствие большого намагничивающего тока и полом роторе вследствие его большого активного сопротивления; низкий коэффициент мощности (cos φ = 0,2...0,4) вследствие большого немагнитного промежутка между наружным и внутренним статорами; большие габариты и масса, обусловленные первыми двумя недостатками. По габаритам и массе двигатель с полым немагнитном ротором больше силовых асинхронных двигателей и исполнительных двигателей постоянного тока той же номинальной мощности в 2-4 раза. В некоторых схемах исполнительные двигатели должны длительное время развивать вращающий момент при неподвижном роторе, т.е. работать на упор (в режиме короткого замыкания). С целью необходимого при таком режиме отвода выделяемой в двигателях теплоты иногда выполняются двигатели с двумя развязанными в механическом отношении роторами, находящимися в расточке одного и того же статора. Один из них – ротор исполнительного двигателя, а другой – вентиляторного. Его можно рассматривать как два двигателя, исполнительный и вентиляторный, обмотки статоров которых соединены последовательно. В режиме короткого замыкания (при неподвижном роторе) входное сопротивление исполнительного двигателя весьма незначительно, поэтому большая часть приложенного напряжения приходится на вентиляторный двигатель, ротор которого вращается с большой частотой и хорошо охлаждает исполнительный двигатель. При возрастании частоты вращения ротора двигателя вследствие увеличения его входного сопротивления происходит перераспределение напряжений: на исполнительном двигателе оно увеличивается, на вентиляторном – уменьшается. По конструктивному исполнению и свойствам асинхронные исполнительные двигатели с короткозамкнутым ротором, имеющим обмотку, выполненную в виде беличьей клетки, можно разделить на две группы: двигатели обычной конструкции, у которых механическая обработка всех деталей производится до сборки двигателя; двигатели «сквозной» конструкции, у которых посадочные места под подшипники и внутренняя поверхность статора обрабатываются в полусобранном состоянии. Рисунок 21 – Асинхронный исполнительный двигатель типа ДАУ-63П (Р н = 63 Вт; n н = 2500 об/мин) с двумя роторами: 1 – передний подшипниковый щит; 2 – полый ротор исполнительного двигателя; 3 – наружный статор; 4 – внутренний статор исполнительного двигателя; 5 – короткозамкнутый ротор вентилятора; 6 – обмотки возбуждения и управления; 7 – задний подшипниковый щит; 8 – крыльчатка вентилятора; 9 – кожух вентилятора Двигатели первой группы имеют обычный для электрических микромашин воздушный зазор 0,15...0,25 мм; а двигатели второй группы - уменьшенный до 0,03...0,07 мм. Двигатели обычной конструкции применяются чаще всего в обычной промышленной автоматике. Они имеют невысокую стоимость. Двигатели сквозной конструкции применяются в особо ответственных схемах приборной автоматики. Они имеют лучшие характеристики, но и более высокую стоимость. Двигатели с ротором обычной конструкции чаще всего применяются в тех схемах автоматики, где быстродействие системы не играет существенной роли. Поэтому в быстродействии (Т = 0,2...1,5 с) эти двигатели, имеющие зазор 0,15...0,25 мм, значительно уступают двигателям с полым немагнитным ротором. Однако по некоторым свойствам они выгодно отличаются от последних. Двигатель с обмоткой в виде беличьей клетки на роторе может быть выполнен со значительно меньшим, чем у двигателя с порам ротором, магнитным сопротивлением на пути рабочего порока, что позволяет снизить намагничивающий ток, электрические потери от него в обмотке статора, а следовательно, повысить cos ϕ и КПД. В схемах промышленной автоматики в настоящее время большое распространение получил простой и дешевый асинхронный исполнительный двигатель типа РДМ-09 с короткозамкнутой выполненной в виде беличьей клетки обмоткой на роторе. Статор этого двигателя, набираемый из листов электротехнической стали, имеет восемь зубцов, на каждом из которых располагается по одной катушке. Четыре катушки (через одну) составляют обмотку возбуждения, последовательно с которой включается конденсатор емкостью 1мкФ, четыре другие катушки - обмотку управления. Обе обмотки рассчитаны на напряжение питания 127 В и частоту питающей сети 50 Гц. Номинальная частота вращения двигателя 1200 об/мин. В двигатель РДМ-09 встроен редуктор с передаточным отношением, соответствующим одному из восьми возможных вариантов, что позволяет изменять частоту вращения на выходе от 1,92 до 76,8 об/мин. Двигатели сквозной конструкции (рис. 22) появились сравнительно недавно. Особенностью этих двигателей является то, что диаметр расточки под подшипники (в подшипниковых щитах) у них равен внутреннему диаметру статора, что позволяет производить окончательную обработку (шлифовку) внутренней поверхности статора и отверстий под подшипники после сборки (установки подшипниковых щитов) одновременно. Такая конструкция двигателя позволяет уменьшить воздушный зазор между статором и ротором до 0,03...0,05 мм, что способствует снижению намагничивающегося тока, потерь в обмотке статора, а, следовательно, повышает cosφ, КПД и коэффициент использования двигателя. Рисунок 22 – Асинхронный исполнительный двигатель сквозной конструкции Ротор для уменьшения момента инерции обычно изготовляется малого диаметра. Необходимая мощность обеспечивается за счет увеличения его длины. Обычно отношение длины ротора к его равно 2...3. Преимущество исполнительных двигателей сквозной и обычной конструкции типа беличьей клетки ротора по отношению к двигателям с полым немагнитным ротором особенно ощутимо при очень малых мощностях – от сотых долей ватта до 3...5 Вт и больших мощностях – свыше 200...300 Вт. В этом случае потери от намагничивающего тока в процентном отношении у двигателей с полым ротором особенно велики. К положительным свойствам двигателей сквозной конструкции следует отнести: более высокие cosφ и КПД; меньшие массу и габаритные размеры в определенных диапазонах номинальных мощностей. Недостатками двигателей с обычным короткозамкнутым ротором являются: сравнительно большой момент инерции ротора, что ведет к увеличению электромеханической постоянной времени; сравнительно большой сигнал трогания, что обусловлено массой ротора, наличием действующих на ротор радиальных сил одностороннего магнитного притяжения к статору из-за ферромагнитных свойств ротора; наличие высших зубцовых гармоник поля. Синхронная машина состоит из двух частей: индуктора и якоря. Индуктором называют часть машины, в которой создается первичное магнитное поле. Якорем называют часть машины, в которой индуцируется ЭДС. Наибольшее распространение получили синхронные машины, в которых якорь неподвижен, а индуктор вращается. Рассмотрим устройство (рис. 23) синхронной трехфазной машины, в которой якорь является статором, а индуктор является вращающимся ротором. Рисунок 23 Статор такой машины по конструкции аналогичен статору асинхронной машины и состоит из трех основных частей: корпуса (станины), сердечника и обмоток. Сердечник представляет собой полый цилиндр, набранный из электротехнической стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности сердечника имеются пазы, в которые укладывается обмотка статора. Пазы, как правило имеют прямоугольное сечение. Обмотка статора состоит из трех одинаковых фазных обмоток, сдвинутых в пространстве друг относительно друга на 120 0 В синхронных машинах применяют роторы двух конструкций: явнополюсные и неявнополюсные. Неявнополюсные роторы используются в синхронных генераторах рассчитанных на скорость вращения ротора 1500 и 3000 оборотов в минуту. В синхронных двигателях используют только явнополюсные роторы. и соединенных звездой. Явнополюсный ротор содержит вал, на котором закреплен обод, а к нему крепятся полюса. Сердечники полюсов набираются из пластин, из электротехнической стали толщиной 0,5 мм, на полюсах крепится обмотка возбуждения, по которой пропускают постоянный ток, подводимый через щетки и контактные кольца, закрепленные на роторе. Кроме этого в сердечниках полюсов делают пазы, в которые укладывают медные стержни, по одному стержню в каждый паз. С торцов стержни между собой закорачиваются сегментами или кольцами, образуя короткозамкнутую обмотку такого же типа как обмотка у короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя, которая является пусковой обмоткой. На электрических схемах синхронная машина изображается (рис. 24) в виде двух концентрических окружностей (внешняя окружность изображает обмотку ротора). К обмотке статора подключается трехфазная сеть, а к обмотке ротора сеть постоянного тока. Рисунок 24 При пуске обмотка статора подключается к трехфазной сети. Ротор приводится в движение благодаря наличию короткозамкнутой пусковой обмотки. Трехфазные токи, проходя по обмоткам статора создают вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью |