Концепция разрабатываемой схемы
После длительных размышлений и изучений уровня существующей техники, как и истории всего двигателестроения я пришел к выводу — что совершенный роторный мотор не должен иметь в своём устройстве ни одной детали или части, совершающей возвратно — поступательные или колебательные движения и испытывающей знакопеременные нагрузки.
Именно только в таком варианте роторный двигатель будет иметь неоспоримые и многократные преимущества перед поршневым мотором и сразу же вытеснит его из техники двигателей малой и средней мощности. Именно как произошло в 50-60-х годах в области авиционного применения двигателей, где турбореактивные двигатели быстро и навсегда вытеснили поршневые моторы в схемах средних и больших самолетов.
Итак — совершенный роторный мотор такой, в котором все движущиеся детали совершают лишь простое вращательное движение. Именно по причине отсутствия такого положения дел двигатель Ванкеля и не смог стать эффективнее, чем поршневые моторы- планетарное вращение ротора в нем порождает массу трудно разрешимых технических проблем.
Вначале я разработал схему, которая потом- при тщательном изучении материалов этой схемы, оказалась известна (точнее забыта), а именно — применена 140 лет назад в России инженером — механиком Н.Н. Тверским для паровых установок и вполне эффективно эксплуатировалась в десятках моторов долгое время. Но потом, как это часто бывает в России, об этой технической удаче просто забыли…
Получилось, что я повторно «изобрел» принцип, который уже применялся более ста лет назад. Было очень досадно — вот изобрел, но уже оказался не первым. Но у Н.Н. Тверского на его «подводных миноносках» и паровых яхтах стояла лишь машина простого расширения — применить ее для работы в режиме ДВС было невозможно.
Но — сама схема по идее была настолько красивая и совершенная, что я начал ломать голову — а как её применить для ДВС? Через некоторое количество времени, наполненного бесконечными размышлениями, экспериментами на картонных и плексигласовых модельках, и вычерчиванием бесконечных схем как на компьютере,так и вручную — по старинке, у меня было уже готово несколько вариантов решения технической задачи- как вмонтировать в схему нашего великого инженера Тверского такты сжатия рабочей смеси.
Но всякая теоретическая идея должна воплотиться в практику, чтобы доказать свое право на эффективную жизнь или потерпеть фиаско в столкновении с реальностью. Поэтому я немедленно занялся изготовлением опытно — экспериментальной модели, которая сейчас — июнь 2023 года, уже практически собрана, и готовится к режиму опытной эксплуатации.
Ниже несколько фотографий вырисовывающегося мотора.
Прошу не бросаться в критическую атаку и говорить о массивности корпуса и толщине стенок- это опытная модель и ее задача лишь подтвердить работоспособность принципа…. В этой модели нет даже охлаждения — поэтому массивный корпус должен играть роль массы для отвода тепла от поверхности рабочей камеры. Но уже делаются рабочие чертежи опытно — промышленного образца, который выглядит уже существенно иначе…
Устройство и характеристики асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором
Двигатели с полым немагнитным ротором в настоящее время являются весьма распространенными исполнительными двигателями переменного тока. Основное достоинство их – малоинерционность. что достигается особой конструкцией ротора.
Полый немагнитный ротор выполняется в виде тонкостенного алюминиевого стакана и не имеет сердечника. Такая конструкция обладает малым моментом инерции и обеспечивает весьма ценное свойство – быстродействие.
Двигатели с полым немагнитным ротором выпускаются мощностью от долей до сотен ватт как на промышленную частоту 50 Гц, так и на повышенные частоты – 400, 500, 800 и 1000 Гц.
Конструкция двигателя с полым немагнитным ротором представлена на рис. 3.41. Принцип действия этого двигателя состоит в следующем: переменный ток, протекая по обмоткам статора 3, поле, которое, пересекая полый ротор 4, наводит в нем вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем возникает вращающий момент, который, действуя на ротор, увлекает его в.сторону поля. Внешний статор 1 ничем не отличается от статора асинхронного двигателя обычной конструкции. Он набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. В пазах статора располагают обмотки 3 управления и возбуждения, сдвинутые в пространстве на 90 эл. град. Эти обмотки выполняют разделенными (рис. 3.42, а) либо соединенными по мостиковой схеме (рис. 3.42, б).
Рис. 3.41. Асинхронный двигатель с полым немагнитным ротором
Рис. 3.42. Схемы обмоток статора асинхронного исполнительного двигателя
Мостиковая схема представляет собой замкнутую обмотку с пайками через 90 эл. град. Она позволяет сравнительно просто осуществить пространственный сдвиг обмоток точно на 90 эл. град и способствует лучшему распределению токов и потерь в обмотке. Однако из-за наличия электрической связи цепей возбуждения и управления, а также из-за большого числа отпаек при большом числе пар полюсов (2р) мостиковая схема применяется реже.
Внутренний статор 2 (см. рис. 3.41) набирают из листов электротехнической стали на цилиндрическом выступе одного из подшипниковых щитов 5. Он служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути основного (рабочего) магнитного потока.
Полый ротор двигателя 4 выполняют в виде тонкостенного стакана из немагнитного материала – чаще всего из сплавов алюминия. Ротор жестко укреплен на валу 6, который свободно вращается в подшипниках. Толщина стенок ротора зависит от мощности двигателя и составляет мм. Уменьшение толщины стенок связано с технологической сложностью изготовления стакана ротора.
Между стенками ротора и внешним и внутренним статорами имеются воздушные зазоры, величины которых обычно не превосходят мм.
В двигателях мощностью менее 1,5 Вт обмотки возбуждения и управления часто размещают в пазах внутреннего статора. При этом внешний статор не имеет пазов и служит лишь для уменьшения магнитного сопротивления. Такая конструкция значительно облегчает процесс укладки обмоток в пазы, что особенно важно при малых диаметрах расточки статора, и несколько повышает вращающий момент. При этом диаметр ротора для увеличения обмоточного пространства на внутреннем статоре приходится несколько увеличивать, что приводит к некоторому возрастанию момента инерции ротора. Для частичного уменьшения последнего иногда одну из обмоток размещают на внутреннем, а другую – на наружном статоре.
Характерная особенность двигателя с полым немагнитным ротором – большой немагнитный промежуток на пути потока, который состоит из двух воздушных зазоров (между внешним статором и ротором; между ротором и внутренним статором) и толщины стенки немагнитного стакана ротора. Таким образом, общая величина немагнитного промежутка между внешним и внутренним статорами составляет мм.
Вследствие большого немагнитного зазора двигатели с полым немагнитным ротором имеют большой намагничивающий ток ( от номинального тока) и низкий коэффициент мощности. Последний недостаток у двигателей с конденсаторным сдвигом фаз практически мало ощущается, но большая величина намагничивающего тока всегда приводит к большим электрическим потерям в обмотках двигателя и значительно снижает его к. п. д.
В отличие от всех типов роторов, применяемых в асинхронных исполнительных двигателях, полый немагнитный ротор при большом активном сопротивлении r2 обладает весьма незначительным индуктивным сопротивлением х2. Это свойство ротора способствует значительному повышению качества механических и регулировочных характеристик двигателей.
О рабочих свойствах асинхронных исполнительных двигателей с полым ротором принято судить по их характеристикам, основными из которых являются:
1. Механические характеристики – зависимости вращающего момента М от частоты вращения n2 при постоянном сигнале управления:
при или .
2. Регулировочные характеристики – зависимости частоты вращения n2 от величины или фазы сигнала управления при постоянном моменте сопротивления на валу:
или при .
3. Зависимости механической мощности на валу Р2 от частоты вращения n2 при постоянном сигнале управления:
или при .
Для придания характеристикам универсальности – пригодности для оценки свойств двигателей различных мощностей, частот вращения и т. п. – их строят в относительных единицах.
За базовые (единичные) величины в системе относительных единиц принимают постоянные для любого двигателя величины;
· за единицу момента – пусковой момент при круговом вращающемся поле;
· за единицу частоты вращения – синхронную частоту ;
· за единицу мощности – мощность потребляемую двигателем при пуске, при круговом вращающемся поле;
· за единицу напряжения управления – номинальное напряжение управления обеспечивающее круговое вращающееся поле при пуске.
Вращающий момент m, частота вращения v, мощность p2 напряжение управления – коэффициент сигнала а – в относительных единицах находятся как отношения действительных величин M, n2, P2, UУ к соответствующим базовым (единичным) величинам:
; ;
; .
На рис. 3.43, 3.44 и 3.45 приведены механические и регулировочные характеристики, а также зависимости механической мощности на валу от частоты вращения для исполнительных двигателей с полым немагнитным ротором при следующих способах управления: а – амплитудном; б – фазовом; в – амплитудно-фазовом.
Рис. 3.43. Механические характеристик и исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором при различных способах управления
Механические характеристики исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором. При различных способах управления (рис. 4.43) эти характеристики похожи друг на друга. Максимальный момент имеет место при пуске (при v = 0). С увеличением частоты вращения момент постепенно уменьшается и при частоте вращения холостого хода становится равным нулю. Максимальный вращающий момент и максимальную частоту вращения холостого хода двигатель имеет при коэффициенте сигнала, равном единице . При уменьшении коэффициента сигнала наблюдается смещение механических характеристик в сторону меньших частот вращения и вращающих моментов.
Механические характеристики при всех способах управления нелинейны – вращающий момент уменьшается с возрастанием частоты вращения не по прямолинейному закону. Наибольшую линейность имеют характеристики при фазовом управлении, наименьшую – при амплитудно-фазовом.
Сравнивая механические характеристики при амплитудном (рис. 3.43, а) и амплитудно-фазовом (рис. 3.43, в) способах управления, можно заметить, что при амплитудно-фазовом управлении двигатель развивает больший момент при средних частотах вращения, но имеет меньшие частоты вращения холостого хода. Первое объясняется тем, что с увеличением частоты вращения v напряжение UB непосредственно на обмотке возбуждения конденсаторного двигателя (после конденсатора) не остается постоянным, как при других способах управления, а возрастает. Это вызывает увеличение магнитного потока машины, а, следовательно, и вращающего момента.
Уменьшение частоты вращения холостого хода в конденсаторном двигателе по сравнению с двигателем при амплитудном управлении объясняется наличием обратного вращающегося поля, которое имеет место при всех режимах амплитудно-фазового управления, кроме пускового (v=0) при a=a0.
Регулировочные характеристики (рис. 3.44). Эти характеристики нелинейны – частота вращения двигателя при всех способах управления с увеличением сигнала управления растет не по прямолинейному закону. Последнее является весьма существенным недостатком исполнительных двигателей переменного тока, так как в схемах автоматики всегда стремятся к линейному регулированию.
Рис. 3.44. Регулировочные характеристики исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором
Наибольшую линейность имеют характеристики при фазовом управлении (рис. 3.44, б), наименьшую – при амплитудно-фазовом (рис. 3.44, в).
Регулировочные характеристики при всех способах управления имеют наиболее линейные участки при малых относительных частотах вращения (в начальной их части). Именно поэтому на практике стараются работать в зоне малых относительных частот вращения, для чего применяют двигатели, рассчитанные на повышенные частоты переменного тока f1:
(3.84)
Рассматривая семейства регулировочных характеристик, нетрудно заметить, что напряжение (сигнал) трогания двигателя, т. е. то минимальное напряжение управления, при котором ротор двигателя, имея определенную нагрузку на валу, трогается с места, пропорционально моменту сопротивления . Напряжение трогания в относительных единицах (коэффициенты сигнала ) равно моменту сопротивления m.
Зависимости механической мощности на валу от частоты вращенияp2=f(v) (рис. 3.45). Эти характеристики нетрудно получить из механических характеристик путем умножения вращающего момента m на соответствующую ему частоту вращения v:
p2=mv (3.85)
Механическая мощность на валу р2 равна нулю при пуске, когда v=0, и холостом ходе, когда m=0, и достигает максимума при частотах, примерно равных половине частоты вращения холостого хода.
Рис. 3.45. Зависимость механической мощности на валу от частоты вращения исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором
За номинальную мощность исполнительного двигателя обычно принимают максимальную механическую мощность р2max. Частота вращения, соответствующая этой мощности, считается номинальной.
Чем больше механическая характеристика приближается к линейной, тем меньше максимальная механическая мощность двигателя и тем ближе поминальная частота вращения к частоте, равной половине частоты холостого хода. Наибольшие номинальные частоты вращения, а следовательно, и максимальные механические мощности имеют двигатели с амплитудно-фазовым управлением (рис. 3.45, в), наименьшие – двигатели с фазовым управлением (рис. 3.45, б).
К положительным свойствам двигателей с полым немагнитным ротором следует отнести: малую инерционность ротора, значительный диапазон регулирования частоты вращения, высокую надежность, бесшумность, хорошую стабильность характеристик.
К недостаткам следует отнести низкие к. п. д. и , большие габариты и вес.
§
В схемах автоматики, где приводимый во вращение механизм обладает значительным моментом инерции, и быстродействие системы не играет существенной роли, нет необходимости в малоинерционных исполнительных двигателях. В этих схемах с успехом используются асинхронные исполнительные двигатели с короткозамкнутым ротором (рис. 3.46, а также рис. 3.3, а). Постоянная времени этих двигателей составляет с.
Рис. 3.46. Асинхронный исполнительный двигатель сквозной конструкции
В отличие от двигателя с полым немагнитным ротором двигатель с короткозамкнутым ротором имеет небольшой воздушный зазор ( мм), способствующий увеличению вращающего момента, уменьшению намагничивающего тока, а следовательно, повышению и снижению потерь в двигателе.
В последнее время для получения малого воздушного зазора начали выпускаться двигатели «сквозной» конструкции (рис. 3.46). У этих двигателей внутренний диаметр статора равен наружному диаметру подшипников. Последнее позволяет производить окончательную обработку внутренней поверхности статора и отверстий под подшипники после сборки двигателя с одного установа. При соответствующей качественной обработке цилиндрических поверхностей ротора двигатель сквозной конструкции надежно работает даже при одностороннем воздушном зазоре в мм.
Чтобы уменьшить момент инерции ротора, его делают малого диаметра D2, а необходимую мощность получают за счет увеличения длины L2. Обычно .
Увеличенный за счет малого воздушного зазора вращающий момент М и малый диаметр ротора позволяют получить двигатели с хорошим быстродействием – с электромеханической постоянной времени примерно равной постоянной времени двигателей с полым немагнитным ротором.
Механические и регулировочные характеристики исполнительных двигателей с короткозамкнутым ротором аналогичны характеристикам двигателей с полым немагнитным ротором. Однако напряжение трогания у них несколько больше, поскольку на ферромагнитный ротор (в отличие от немагнитного) действуют силы радиального притяжения, которые из-за неравномерного воздушного зазора (что всегда имеет место на практике) притягивают ротор к статору и тем самым дополнительно нагружают подшипники.
В схемах промышленной автоматики большое распространение получил асинхронный двигатель со встроенным редуктором типа РДМ-09. Статор этого двигателя, набираемый из листов электротехнической стали, имеет восемь зубцов, на каждом из которых располагают по одной катушке. Четыре катушки (через одну) составляют обмотку возбуждения, а другие четыре катушки — обмотку управления. Обе обмотки рассчитаны на 127 В. Последовательно с обмоткой возбуждения включают конденсатор емкостью 1 мкФ. Ротор двигателя короткозамкнутый. Частота вращения ротора при частоте f1=50 Гц равна 1200 об/мин.
Рис. 3.47. Исполнительный двигатель РДМ-09
В двигатель РДМ-09 встроен редуктор с передаточным отношением, соответствующим одному из восьми вариантов (табл. 3.3).
Мощность, потребляемая двигателем, 14 ВА, масса 950 г, основные размеры указаны на рис. 3.47.
Таблица 3.3
Номер параметра | Передаточное отношение | Частота вращения выходного вала, об/мин | Максимальный момент вращения. Нм |
1/15,625 | 76,8 | 0,153 | |
1/39,062 | 30,7 | 0,384 | |
1/76,562 | 15,65 | 0,75 | |
1/137 | 8,76 | 1,135 | |
1/268 | 4,48 | 1,47 | |
1/478 | 2,51 | 1,47 | |
1 /670 | 1,79 | 1,47 | |
1/625 | 1,92 | 0,6I3 |
§
Наряду с двигателями, имеющими полые немагнитные и короткозамкнутые роторы (см. § 8.1), в качестве исполнительных, а также силовых двигателей применяются асинхронные двигатели с полыми ферромагнитными роторами.
Статоры таких двигателей ничем не отличаются от статоров двухфазных асинхронных машин. Роторы выполняются в виде полых ферромагнитных цилиндров, имеющих толщину мм. Цилиндр ротора 1 укрепляется на валу двигателя либо с помощью двух торцевых металлических пробок 2 (рис. 3.48, а), либо с помощью одной пробки 2, запрессованной в центральную часть цилиндра (рис. 3.48, б).
Рис. 3.48. Полые ферромагнитные роторы с двумя и одной пробками
Так как ротор ферромагнитный, то магнитный поток двигателя замыкается непосредственно по ротору (рис. 3.49). Таким образом, в отличие от двигателя с полым немагнитным ротором здесь нет необходимости во внутреннем статоре. Воздушный зазор между ротором и статором в этих двигателях небольшой ( мм), поэтому м.д.с. воздушного зазора невелика. В этом отношении двигатели с ферромагнитным ротором выгодно отличаются от двигателей с полым немагнитным ротором, однако суммарная м. д. с., а следовательно, и намагничивающий ток двигателя практически не отличаются от м. д. с. и намагничивающего тока двигателя с полым немагнитным ротором. Причиной этого является то, что магнитная проводимость полого ферромагнитного ротора вследствие малой толщины стенок, а также эффекта вытеснения потока весьма незначительна. Значения двигателей не превосходят .
Рис. 3.49. Пути потока в двигателе с полым ферромагнитным ротором
Вследствие большого активного сопротивления ротора, что обусловлено большим удельным сопротивлением стали и эффектом вытеснения тока, критическое скольжение двигателей с полым ферромагнитным ротором значительно больше единицы. Этим объясняется тот факт, что рассматриваемые двигатели не имеют самохода и устойчиво работают во всем диапазоне частот вращения. По этой же причине механические и регулировочные характеристики двигателей с полым ферромагнитным ротором весьма близки к линейным. Они более линейны, чем характеристики двигателей с полым немагнитным и короткозамкнутым роторами. Характеристики двигателя становятся более прямолинейными с увеличением частоты питающей сети.
Как следствие чрезмерно большого активного сопротивления ротора у двигателей, рассчитанных на повышенную частоту, наблюдается некоторое уменьшение (по сравнению с двигателями, имеющими полый немагнитный ротор) вращающего момента, мощности на валу и увеличение потерь в роторе. Последнее приводит к снижению к. п. д. двигателя.
Для устранения указанных недостатков у некоторых двигателей производят омеднение ротора: гальваническим путем покрывают цилиндрическую поверхность ротора слоем меди толщиной мм, а торцевые поверхности – слоем меди до 1 мм. Омеднение ротора способствует уменьшению его активного сопротивления, а следовательно, увеличению момента и мощности двигателя. Причем омеднение цилиндрической поверхности менее эффективно, так как оно одновременно с увеличением момента и мощности на валу двигателя вызывает повышение потерь в роторе и обмотке статора от возрастающего (вследствие увеличения немагнитного промежутка между статором и ротором) намагничивающего тока.
В схемах автоматики двигатель с полым ферромагнитным ротором не получил широкого распространения, поскольку его ротор имеет большой момент инерции. Электромеханическая постоянная времени этого двигателя составляет с.
Существенный недостаток двигателя с полым ферромагнитным ротором – его ротор при неравномерном воздушном зазоре (чего практически нельзя избежать в процессе производства) испытывает силы притяжения к статору. Это увеличивает момент трения в подшипниках, а у некоторых двигателей приводит «залипанию» ротора.
§
§
В схемах автоматики асинхронные тахогенераторы выполняют такие же функции, как и тахогенераторы постоянного тока (см. § 4.4). Они также делятся на точные, предназначенные для работы в дифференцирующих и интегрирующих схемах, и менее точные, предназначенные для следящих систем в цепях обратной связи по скорости.
В отличие от тахогенераторов постоянного тока асинхронные тахогенераторы являются бесконтактными (не имеют скользящих контактов), а, следовательно, они более надежны.
По конструкции асинхронные тахогенераторы не отличаются от асинхронных исполнительных двигателей с полым немагнитным ротором (см. § 10.3). На их статоре также расположены две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90 эл. град (рис. 3.50): одна из обмоток ОВ подключена к сети и называется обмоткой возбуждения; с другой обмотки ОГ, называемой выходной или генераторной, снимается выходное напряжение тахогенератора.
Рис. 3.50. Принцип действия асинхронного тахогенератора
Принцип действия асинхронного тахогенератора состоит в следующем. Переменный ток возбуждения создает пульсирующий поток , который, пронизывая полый ротор, наводит в нем э. д. с. трансформации. Контуры токов ротора от э. д. с. трансформации располагаются в плоскостях, перпендикулярных потоку возбуждения (рис. 3.50, а). Они создают поток ротора , который направлен навстречу потоку возбуждения и компенсируется возрастающим током обмотки возбуждения (см. § 6.4).
При вращении ротора его «волокна» пересекают поток возбуждения и в них, кроме э. д. с. трансформации, наводятся еще э. д. с. вращения (резания). Под действием э. д. с. вращения по ротору протекают токи, контуры которых при большом активном сопротивлении ротора практически совпадают с осью потока возбуждения (рис. 3.50, б). Эти токи создают магнитный поток ротора , который направлен по поперечной оси тахогенератора. Поток сцепляется с витками генераторной обмотки ОГ и наводит в них э. д. с. – выходную э. д. с. тахогенератора. Так как поток изменяется с частотой сети, то и частота выходной э. д. с. равна частоте сети и не зависит от частоты вращения ротора.
Э. д. с. ротора, а, следовательно, поток и выходная э. д. с. пропорциональны частоте вращения ротора: .
Выходное напряжение тахогенератора меньше э. д. с. на величину падения напряжения в генераторной обмотке с сопротивлением :
Основными требованиями, предъявляемыми к выходной характеристике асинхронного тахогенератора , являются:
линейность ;
постоянство фазы при изменении n;
наибольшая крутизна – большое при малых ;
симметрия – постоянство при вращении ротора в различных направлениях с одинаковыми частотами вращения;
стабильность – независимость выходной характеристики от температуры, условий эксплуатации, времени и т. п.
Особенно жесткие требования предъявляются к выходной характеристике тахогенераторов, работающих в счетно-решающих устройствах (в дифференцирующих и интегрирующих схемах). Теоретически выходное напряжение тахогенератора может быть исследовано путем анализа выражения выходной характеристики:
, (3.86)
где – коэффициент трансформации, т. е. отношение эффективных чисел витков генераторной и возбуждающей обмоток ( , – обмоточные коэффициенты генераторной обмотки и обмотки возбуждения); – напряжение возбуждения; – относительная частота вращения – отношение действительной частоты вращения n к синхронной ; и – комплексные коэффициенты, зависящие от параметров тахогенератора – его активных и индуктивных сопротивлений.
Линейность выходной характеристики – амплитудная погрешность. Как видно из выражения (3.86), выходное напряжение не является линейной функцией частоты вращения v. Нелинейность появляется за счет члена . Если бы он был равен нулю, то было бы пропорционально v и тахогенератор был бы идеальным.
При проектировании тахогенераторов член стараются уменьшить. Последнее достигается за счет снижения как v, так и В.
Чтобы уменьшить относительную частоту вращения , тахогенераторы проектируют на большую частоту с наименьшим числом пар полюсов р. Обычно . Тахогенераторы с р=1 стараются не проектировать, так как при этом трудно бороться с возникающей магнитной и электрической асимметрией.
Коэффициент можно записать как
, (3.87)
где Zн – сопротивление нагрузки тахогенератора; ZSB и rrB – полное сопротивление обмотки возбуждения и активное сопротивление ротора, приведенное к обмотке возбуждения.
Чтобы уменьшить , работают при больших сопротивлениях нагрузки , а ротор тахогенератора (для увеличения ) выполняют из материалов с большим удельным сопротивлением фосфористой или марганцовистой бронзы или из сплавов типа манганин, нейзильбер.
К уменьшению коэффициента трансформации и сопротивления обычно не прибегают, так как первое ведет к снижению крутизны выходной характеристики (так как ), а второе – к увеличению габаритов тахогенератора.
Отклонение реальной 1 выходной характеристики от идеальной 2 (прямолинейной) называется амплитудной погрешностью тахогенератора (рис. 3.51). Амплитудная погрешность определяется как отношение (выраженное в процентах) величины отклонения реальной выходной характеристики от идеальной ( ) к максимальной э. д. с. генераторной обмотки . При настройке схемы тахогенератор нужно откалибровать (установить наклон идеальной характеристики) таким образом, чтобы амплитудная погрешность была минимальной. На рис. 3.51, а и б приведены характеристики соответственно при неправильной и правильной калибровке.
Рис. 3.51. Реальная и идеальная выходные характеристики асинхронного тахогенератора
Физически наличие амплитудной погрешности можно объяснить целым рядом факторов:
1) падением напряжения в генераторной обмотке ;
2) уменьшением потока вследствие размагничивающего действия магнитного потока реакции генераторной обмотки (рис. 3.52);
3) отклонением потока ротора от поперечной оси (рис. 3.53, а) из-за изменения индуктивного сопротивления рассеяния ротора , (поток ротора направлен точно по поперечной оси только тогда, когда индуктивное сопротивление рассеяния ротора , рис. 3.53, б);
4) изменением тока возбуждения , а, следовательно, и магнитного потока в результате действия дополнительной э. д. с., наведенной в обмотке возбуждения потоком ротора ; этот поток создается токами ротора, возникающими в результате пересечения поперечными «волокнами» ротора магнитного потока (рис. 3.54).
Рис. 3.52. К вопросу о размагничивающем действии генераторной обмотки
Рис. 3.53. К вопросу о направлении потока ротора в зависимости от э.д.с. вращения
Рис. 3.54. К вопросу о продольном потоке ротора
Для получения минимальной амплитудной погрешности стараются работать при малых относительных частотах вращения v – уменьшают диапазон рабочих частот вращения до в тахогенераторах высокой точности и до в тахогенераторах следящих систем и тахогенераторах для измерения частоты вращения. В первых из них , во-вторых . Амплитудная погрешность тахогенератора может быть значительно уменьшена в случае применения определенной по величине активно-емкостной нагрузки (компаундирование).
Фазовая погрешность. Выходное напряжение асинхронного тахогенератора не совпадает по фазе с напряжением возбуждения и не остается постоянным по фазе при изменении частоты вращения. Отклонение выходного напряжения по фазе от исходного (соответствующего точке калибровки тахогенератора), измеренное в угловых градусах или минутах, называется фазовой погрешностью тахогенератора . Фазовая погрешность в основном определяется индуктивными сопротивлениями ротора и обмоток статора. Величина ее, так же как и величина амплитудной погрешности, может быть значительно снижена за счет правильного выбора характера нагрузки. Фазовую погрешность можно устранить, применив некоторую активно-индуктивную нагрузку, однако, как следует из вышесказанного, при этом возрастет амплитудная погрешность.
Величина фазовой погрешности у современных тахогенераторов высокой точности составляет несколько минут, а у обычных тахогенераторов – несколько градусов.
Следует отметить, что как амплитудная, так и фазовая погрешности меняются с изменением частоты вращения (рис. 3.55).
Рис. 3.55. Зависимость амплитудной и фазовой погрешностей от частоты вращения
Крутизна выходной характеристики. Чем больше крутизна выходной характеристики , тем больше чувствительность тахогенератора и всей автоматической системы, в которой он работает.
Крутизна зависит от величины магнитного потока возбуждения , сопротивления ротора Z2, числа витков генераторной обмотки wГ. Чем больше поток обмотки возбуждения , тем больше э. д. с., ток ротора, поток , а, следовательно, и выходное напряжение UГ. Чем меньше Z2 и больше число витков генераторной обмотки wГ, тем больше ток ротора и выходное напряжение тахогенератора UТГ, а значит, и его крутизна kТГ.
Увеличение крутизны выходной характеристики тахогенератора почти всегда ведет к увеличению его амплитудной и фазовой погрешностей. Действительно, увеличение крутизны требует уменьшения сопротивления ротора Z2 (а оно в основном активное), в то же время снижение r2ведет к уменьшению линейности выходной характеристики и к увеличению фазовой погрешности. То же самое можно сказать и о влиянии wГ. Поэтому при проектировании тахогенераторов всегда исходят из того, что от него требуется – либо большая крутизна kТГ , либо меньшие погрешности и .
Крутизна современных тахогенераторов весьма различна и определяется назначением тахогенератора. У точных тахогенераторов , а у тахогенераторов следящих систем .
Несимметрия выходной характеристики. В схемах автоматики очень важно, чтобы выходное напряжение UТГ тахогенератора по величине не зависело от направления вращения. При изменении направления вращения только фаза выходного напряжения должна меняться на обратную (на 180°).
Практически у всех тахогенераторов выходная характеристика несимметрична – напряжение при вращении ротора в различных направлениях имеет различную крутизну, особенно в начальной части выходной характеристики (при малых n).
Большое влияние на несимметрию оказывает нулевая (остаточная) э. д. с. т. е. э. д. с., наводимая в генераторной обмотке при неподвижном роторе. Теоретически при n=0 в генераторной обмотке не должно находиться никаких э. д. с., так как обмотки и должны иметь пространственный сдвиг на 90 эл.град. Однако, сдвиг обмоток отличается от указанного значения. Кроме того, в тахогенераторах имеют место: несимметрия магнитной цепи (неравенство магнитных проводимостей в различных радиальных направлениях), неравномерность воздушного зазора, неодинаковая толщина стенок стакана ротора, наличие магнитных потоков рассеяния и емкостных связей между обмотками. В результате в генераторной обмотке тахогенератора даже при n=0 наводится некоторая .
Величина остаточной э. д. с. изменяется по величине при изменении положения ротора. Остаточную э. д. с. можно разделить на переменную ( ) и постоянную ( ) составляющие. Постоянная составляющая обусловливается неточным смещением обмоток, магнитной несимметрией стали и воздушного зазора, наличием потоков рассеяния и емкостных связей. У большинства тахогенераторов она составляет мВ. Переменная составляющая обусловливается в основном неодинаковой толщиной (электрической проводимостью) стенок стакана ротора и составляет мВ.
Для снижения постоянной составляющей часто обмотки возбуждения и генераторную размещают на разных статорах (рис. 3.56) – одну 4 на внутреннем статоре 3, другую 2 на внешнем статоре 1. При сборке тахогенератора внутренний статор поворачивают, находят положение, соответствующее минимальному значению нулевой э. д. с., и в этом положении закрепляют. Кроме того, листы пакетов стали статоров тщательно изолируют, собирают веером, а пакеты хорошо обрабатывают.
Рис. 3.56. Асинхронный тахогенератор с полым немагнитным ротором
Для уменьшения переменной составляющей тщательно обрабатывают (калибруют) ротор. В особо точных тахогенераторах применяют дополнительные компенсационные обмотки, включаемые по специальным схемам.
Выходная э. д. с. тахогенератора фактически представляет собой сумму основной генераторной э. д. с. и остаточной :
.
Так как при изменении направления вращения остается постоянной, a меняет фазу на 180°, то, как видно из диаграммы
(рис. 3.57), э. д. с. меняется по величине . Следовательно, важнейшим способом снижения несимметрии выходной характеристики является уменьшение нулевой (остаточной) э. д. с.
Рис. 3.57. Влияние остаточных э.д.с. на ассиметрию выходного напряжения асинхронного тахогенератора
Стабильность выходной характеристики. Очень важно, чтобы выходная характеристика тахогенератора была стабильной, т. е. не зависела от изменения температуры, нагрузки, условий эксплуатации, времени работы и т. п.
В реальных тахогенераторах при изменении температуры меняются активные сопротивления обмотки возбуждения, ротора, генераторной обмотки. В результате выходная характеристика несколько искажается.
Характеристика тахогенератора видоизменяется вследствие изменения насыщения, наличия непостоянного по величине остаточного магнетизма, изменения величины и характера нагрузки и т. п. Нестабильность выходной характеристики приводит к дополнительным погрешностям, которые называются в зависимости от фактора, их вызывающего: температурной, остаточного магнетизма, нагрузочной, частотной и т. п.
Методы борьбы с дополнительными погрешностями тахогенератора самые разнообразные. Однако большинство из них сводится к стабилизации нагрузки, частоты, входного напряжения и т. п.
Положительные качества рассматриваемого тахогенератора – бесконтактность, малая инерционность, высокая надежность, малый момент сопротивления.
Его недостатки – нелинейность выходной характеристики, фазовая погрешность и нулевое напряжение, малая выходная мощность при значительных габарите и весе.
§
Вращающиеся (поворотные) трансформаторы (ВТ) предназначены для получения напряжения, находящегося в определенной функциональной зависимости от угла поворота ротора.
По конструкции ВТ схож с асинхронной машиной, выполненной с фазным ротором (рис. 3.58). Он состоит из корпуса 1, шихтованного сердечника статора 2 с обмотками 3, шихтованного сердечника ротора 4 с обмотками 5, контактных колец 6 и щеток 7.
Рис. 3.58. Устройство вращающегося трансформатора
На статоре ВТ обычно располагают две распределенные обмотки, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на 90 эл. град. Обмотки статора могут быть разделенными или соединенными по мостиковой схеме (см. рис. 3.42). Одна из обмоток статора называется обмоткой возбуждения и подключается к сети переменного тока; другая называется компенсационной и ее схема включения зависит от назначения ВТ.
В пазах ротора расположены также две взаимно перпендикулярные обмотки, называемые вторичными. Схема соединения их зависит от назначения ВТ.
Выводы обмоток, расположенных на статоре, обозначают С1, С2, СЗ и С4, в отличие от обмоток, расположенных на роторе, выводы которых обозначают P1, Р2, РЗ и Р4.
Ротор ВТ может поворачиваться относительно статора на некоторый угол или вращаться. Электрический контакт с обмотками ротора осуществляется либо посредством контактных колеи и щеток (рис. 3.58), либо посредством спиральных пружин, если ВТ работает в режиме ограниченного поворота. В последнем случае угол поворота ротора ограничивается максимальным углом закручивания спиральных пружин.
Принцип работы ВТ основан на том, что при повороте его ротора взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора изменяется в определенной функциональной зависимости от угла поворота. При этом э. д. с., наводимые в обмотках ротора пульсирующим магнитным потоком, строго следуют этой зависимости.
Поворот ротора ВТ осуществляется посредством редукторного механизма высокой точности, который либо встраивается в корпус машины, либо изготавливается отдельно, а затем соединяется с валом ВТ.
Если ВТ предназначен для работы в режиме поворота ротора в пределах определенного угла, то обмотки возбуждения и компенсационную располагают на статоре, а вторичные – на роторе. В случае работы ВТ в режиме непрерывного вращения ротора обычно применяют «обратное» расположение обмоток: обмотки возбуждения и компенсационную располагают на роторе, а вторичные – на статоре. Если компенсационная обмотка замыкается накоротко, то при обратном расположении обмоток на роторе будет лишь два контактных кольца, что имеет большое значение при больших частотах вращения ротора.
В зависимости от характера изменения э. д. с. Его выходной обмотки при повороте ротора ВТ разделяются на следующие типы:
синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), на выходе которого имеется два напряжения: U2 – находящееся в синусной зависимости от угла поворота ротора ; U3 – находящееся в косинусной зависимости от угла ;
линейный вращающийся трансформатор (ЛВТ), у которого выходное напряжение U2 находится в линейной зависимости от угла ;
вращающийся трансформатор-построитель (ПВТ), предназначенный для решения геометрических задач.
Выпускаемые отечественной промышленностью ВТ предназначены для работы от сети с частотой 400 Гц.
§
СКВТ в синусном режиме. В этом режиме СКВТ используется лишь одна (синусная) обмотка ротора (рис. 3.59, а). При включении в сеть обмотки возбуждения в ней появляется ток , который наводит магнитный поток Ф1.
Рис. 3.59. Синусный вращающийся трансформатор
Сцепляясь со вторичной обмоткой, этот поток индуктирует в ней
э. д. с. E2, величина которой зависит от положения вторичной обмотки относительно обмотки возбуждения, т. е. от угла поворота ротора . При холостом ходе на выходе ВТ появляется напряжение
, (3.88)
где – наибольшее значение напряжения, соответствующее .
При подключении нагрузки ZH к зажимам вторичной обмотки P1 – Р2 в ее цепи появляется ток I2,. Созданный этим током магнитный поток Ф2 можно разложить на две составляющие: составляющую а, направленную по продольной оси ВТ встречно магнитному потоку возбуждения, и составляющую , направленную по поперечной оси ВТ, т. е. перпендикулярно обмотке возбуждения, и вызывающую искажение магнитного поля ВТ (рис. 3.59, б).
Размагничивающее влияние составляющей уравновешивается увеличением тока в обмотке возбуждения.
Э. д. с. самоиндукции, наводимая составляющей в обмотке , нарушает синусоидальную зависимость напряжения U2 от угла и вызывает значительную погрешность вращающегося трансформатора, которая возрастает с увеличением нагрузки (тока I2). Устранение искажающего действия э. д. с. самоиндукции обычно осуществляется так называемым симметрированием трансформатора. Симметрирование может быть первичным и вторичным.
В синусном режиме СКВТ, когда включена только одна вторичная обмотка, применяется первичное симметрирование, основанное на использовании компенсационной обмотки . Если внутреннее сопротивление источника Zi, и соединительных проводов Zл мало (Zi Zл ≈ 0), то обмотка замыкается накоротко. Если же Zi достаточно велико, что имеет место при питании ВТ от источника небольшой мощности, то обмотка замыкается на резистор сопротивлением ZК.Н. = Zi Zл.
Магнитный поток , сцепляясь с компенсационной обмоткой, наводит в ней э. д. с. EK. Так как обмотка замкнута накоротко, то в ней появляется ток IK который создает в магнитной цепи машины магнитный поток компенсационной обмотки ФK. Этот поток в соответствии с правилом Ленца, направлен против потока (поток является причиной возникновения EK и потока ФK). В результате поток окажется в значительной степени скомпенсированным потоком ФK, и погрешность ВТ, вызванная нагрузкой, значительно уменьшится.
СКВТ в синусно-косинусном режиме. В этом режиме в схему СКВТ включают обе обмотки ротора – и , смещенные в пространстве относительно друг друга на 90° (рис. 3.60, а). Зависимость напряжения обмотки от угла поворота ротора определяется выражением (3.88), а напряжение на выходе обмотки
(3.89)
Из выражения (3.89) видно, что напряжение U3 при повороте ротора на угол изменяется пропорционально косинусу этого угла.
Рис. 3.60. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор
Таким образом, на выходе СКВТ получается два напряжения – U2 и U3: первое изменяется пропорционально , а второе – пропорционально (рис. 3.60, б).
Обмотки и обычно имеют одинаковые параметры, а поэтому наибольшие значения напряжений и также одинаковы:
где U1 – напряжение на входе ВТ, т. е. на зажимах обмотки возбуждения .
Таким образом, выражения напряжений на выходе СКВТ [см. (3.88) и (3.89)] могут быть записаны иначе:
(3.90)
(3.91)
Рассмотрим работу СКВТ в случае неравенства нагрузок:
где – сопротивление нагрузки в цепи синусной обмотки; – сопротивление нагрузки в цепи косинусной обмотки.
При включении этих нагрузок в цепях обмоток ротора появятся токи и , которые создадут в магнитной цепи ВТ магнитные потоки и (рис. 3.60, в). Поперечные составляющие этих потоков и направлены навстречу друг другу и частично взаимно компенсируются. Полная взаимная компенсация поперечных потоков происходит при равенстве м. д. с. синусной и косинусной обмоток по поперечной оси:
(3.92)
где k2 и k3 – обмоточные коэффициенты обмоток ротора.
Токи в обмотках ротора при полной компенсации
(3.93)
(3.94)
где Z2 и Z3 – полные сопротивления синусной и косинусной обмоток трансформатора.
Подставив выражения токов из (3.93) и (3.94) в равенство (3.92) получим
(3.95)
Синусная и косинусная обмотки делаются одинаковыми, поэтому и . Тогда равенство (3.95) видоизменяется:
или
Таким образом, полная взаимная компенсация поперечных составляющих потоков обмоток ротора происходит при равенстве нагрузочных сопротивлений в синусной и косинусной цепях вращающегося трансформатора, такая компенсация поперечных составляющих потоков реакции вторичных обмоток называется вторичным симметрированием.
Если же нагрузочные сопротивления и не равны, то вторичное симметрирование получается неполным, так как поперечные составляющие и взаимно компенсируются лишь частично, и в магнитной цепи ВТ появляется магнитный поток, направленный по поперечной оси: .
Этот поток наводит в роторных обмотках э. д. с. самоиндукции, что ведет к искажению заданных функциональных зависимостей выходных напряжений. Магнитный поток при может быть скомпенсирован за счет первичного симметрирования, т. е. за счет потока , создаваемого током короткозамкнутой компенсационной обмотки.
При полном вторичном симметрировании ВТ входное сопротивление не зависит от положения ротора (угла ). Поэтому ток и мощность, потребляемые ВТ, также не зависят от угла . На этом основан метод подбора нагрузочных сопротивлений синусной и косинусной обмоток для осуществления полного вторичного симметрирования, называемый методом амперметра (рис. 3.61). Сущность метода состоит в том, что подбираются такие значения и , при которых поворот ротора не вызывает изменения показаний амперметра А, включенного в цепь обмотки возбуждения.
Рис. 3.61. Схема настройки симметрирования СКВТ методами амперметра и вольтметра
Более точным методом вторичного симметрирования является метод вольтметра. Так как при полном вторичном симметрировании поперечные составляющие потоков синусной и косинусной обмоток взаимно уравновешиваются, то в компенсационной обмотке э. д. с. не наводится. Следовательно, сопротивления и подбираются таким, чтобы показание вольтметра V, включенного в цепь компенсационной обмотки, было нулевым во всех положениях ротора.
§
Для получения линейной зависимости выходного напряжения от угла поворота ротора α необходимо, чтобы это напряжение определялось уравнением
, (3.96)
где m – величина постоянная, определяемая магнитными и электрическими параметрами ЛВТ.
При m ≈ 0,54 зависимость (3.96) получается линейной с точностью до 1% в пределах изменения угла поворота от 0° до 60° (рис. 3.62). Для получения указанной зависимости применяют следующую схему включения обмоток ЛВТ: синусную обмотку соединяют последовательно с компенсационной обмоткой, а косинусную обмотку замыкают на некоторое неизменное сопротивление ZC(рис. 3.63). При этом величина сопротивления ZCвыбирается такой, чтобы обеспечить полное вторичное симметрирование обмоток при заданной нагрузке ZH.
Рис. 3.62. Зависимость
Рис. 3.63. ЛВТ со вторичным симметрированием
Для определения требуемой величины ZC можно воспользоваться уравнением:
(3.97)
Иными словами, для полного вторичного симметрирования обмоток необходимо, чтобы полное сопротивление цепи косинусной обмотки было равно удвоенному полному сопротивлению цепи синусной обмотки (включая сопротивления компенсационной обмотки ZК и нагрузки ZH).
Однако полное вторичное симметрирование обмоток возможно лишь при неизменной нагрузке ЛВТ (ZH = const). В случае переменной нагрузки ЛВТ применяется схема первичного симметрирования обмоток (рис. 3.64), в которой обмотка возбуждения включается последовательно с косинусной обмоткой и сопротивлением ZC, а компенсационная обмотка замыкается на некоторое сопротивление ZHК. Сопротивления ZC и ZHК выбираются такими, чтобы магнитный поток компенсационной обмотки ФК и поперечный поток косинусной обмотки , были взаимно скомпенсированы при любом значении угла .
Рис. 3.64. Принципиальная схема ЛВТ с первичным симметрированием
§
Вращающиеся трансформаторы-построители применяются для решения геометрических задач. Так, с помощью ПВТ можно определить гипотенузу и угол прямоугольного треугольника по двум заданным катетам. На рис. 3.65, а представлена схема включения обмоток ПВТ. Обмотки возбуждения и компенсационную включают в сеть через потенциометры, позволяющие устанавливать на входе этих обмоток напряжения U1 и UK. Роторную обмотку включают на измерительный прибор ИП, отградуированный в линейных единицах; роторная обмотка питает обмотку управления ОУ исполнительного двигателя ИД. Обмотка возбуждения исполнительного двигателя включена в сеть через конденсатор С. Вал исполнительного двигателя механически соединен с валом ПБТ.
Допустим, что известны катеты а и b прямоугольного треугольника (рис. 3.65, б). В определенном масштабе величины этих катетов могут быть выражены напряжениями U1 и UK, которые подаются на вход обмоток и посредством потенциометров. Токи в обмотках статора и создают в ненасыщенной магнитной системе ПВТ взаимно перпендикулярные магнитные потоки и , пропорциональные заданным напряжениям на входе обмоток. Вектор результирующего магнитного потока , равного геометрической сумме векторов и , расположится относительно векторов и под теми же углами, что и гипотенуза с относительно катетов а и b (рис. 3.65, в). Результирующий поток статора , сцепляясь с обмотками ротора, наводит в них э. д. с. Е2 и Е3.
Э. д. с. создает в цепи ОУ исполнительного двигателя ток . В результате ротор двигателя приходит во вращение, поворачивая ротор ПВТ.
Э. д. с. , создавая напряжение , на зажимах измерительного прибора, приводит его в действие. Исполнительный двигатель поворачивает ротор ПВТ до тех пор, пока обмотка не займет положение, перпендикулярное результирующему потоку Ф. В этом случае э. д. с. Е3 и ток в обмотке управления двигателя станут равными нулю, и двигатель остановится.
Рис. 3.65. Вращающийся трансформатор-построитель
В указанном положении ротора ось обмотки ПВТ станет параллельной результирующему потоку Ф и ее э.д.с. достигнет наибольшего значения, что фиксируется измерительным прибором ИП, шкала которого отградуирована в линейных единицах с учетом заданного масштаба. Как указывалось, магнитная система ПВТ ненасыщенна, поэтому при и магнитный поток пропорционален гипотенузе с треугольника, угол поворота ротора построителя равен углу ВАС, а показание ИП определяет модуль гипотенузы с.
В схемах автоматики наряду с рассмотренными выше двухполюсными ВТ применяются также многополюсные.
Многополюсные вращающиеся трансформаторы используются в двухканальных схемах синхронной связи для систем точного отсчета, а также в схемах с малым углом поворота. Они, как правило, выполняются плоскими – имеют малую длину и большой диаметр (рис. 3.66), что позволяет увеличивать число полюсов.
Рис. 3.66. Статор и ротор многополюсного ВТ
Обычно такие ВТ встраиваются непосредственно в прибор, поэтому не имеют подшипниковых щитов. Статор 1 и ротор 2 таких ВТ располагаются непосредственно на поворачивающихся друг относительно друга частях механизма.
§
К ВТ предъявляются высокие требования в отношении точности воспроизведения заданной функциональной зависимости выходного напряжения от угла поворота ротора.
Все погрешности ВТ разделяются на систематические и случайные.
Систематические погрешности обусловлены принципом работы, конструкцией, неточностью изготовления и условиями эксплуатации ВТ. Эти погрешности проявляются в следующем:
1) погрешности, обусловленные принципом работы, в СКВТ проявляются в неточности симметрирования обмоток, а в ЛВТ – в отклонении зависимости от линейной зависимости при значениях ;
2) погрешности от конструктивных особенностей вызываются изменением магнитной проводимости зазора вследствие зубчатости статора и ротора, в нелинейности кривой намагничивания ВТ;
3) погрешности от неточности изготовления ВТ проявляются асимметрией магнитопровода, неточностью скоса пазов и др.; погрешности от неточности изготовления ВТ проявляются асимметрией магнитопровода, неточностью скоса пазов и др.;
4) погрешности, определяемые условиями эксплуатации ВТ, вызываются колебаниями частоты и напряжения в питающей сети, отклонениями температуры окружающей среды за допустимые пределы, предусмотренные ТУ, и т. п.
Случайные погрешности ВТ вызываются разбросом свойств применяемых материалов, нарушением технологического режима изготовления и другими случайными причинами.
Таблица 3.5
Тип ВТ | Показатель погрешности | Класс точности | |||
СКВТ | Максимальная ошибка, % | ±0.05 | ±0,1 | ±0.2 | ±0,3 |
Асимметрия нулевых точек, угл. мин | ±2 | ±3,5 | ±6 | ±8 | |
Максимальное значение э. д. с. в компенсационной обмотке, % | 0,4 | 0,6 | 0,9 | 1.5 | |
ЛВТ | Максимальная ошибка, % | – | ±0,1 | ±0,2 | ±0.3 |
Асимметрия, угл. град | – | ±3,5 | ±6 | ±8 |
Точность ВТ характеризуется следующими показателями:
1) Погрешностью воспроизведения синусоидальной зависимости напряжения от угла поворота (для СКВТ), Эту погрешность обычно измеряют максимальной ошибкой отклонения напряжения от заданной зависимости UВЫХ ,%.
2) Погрешностью воспроизведения линейной зависимости (для ЛВТ), выраженной в угловых минутах или в процентах от UВЫХ.
3) Асимметрией нулевых точек, заключающейся в следующем. В сеть включают сначала одну обмотку статора, а затем другую, определяя каждый раз такое положение ротора, при котором напряжение на какой-либо его обмотке равно нулю. Теоретически при переключении напряжения с одной обмотки статора на другую угол поворота ротора должен быть равен 90°, но практически он несколько отличается от 90°. Отклонение фактического угла поворота ротора от 90° и определяет асимметрию нулевых точек в угловых минутах.
4) Величиной э. д. с. компенсационной обмотки, измеряемой в процентах от наибольшего значения э. д. с. обмотки ротора.
5) Величиной остаточной э. д. с. обмоток ротора, соответствующей наименьшей э. д. с. на выходе ВТ. Эти э. д. с. обусловлены наличием паразитных (емкостных и магнитных) связей между обмотками ВТ. Остаточная э. д. с. измеряется в процентах от наибольшего значения э. д. с. обмотки ротора и находится в пределах от 0,003 до 0,1%.
В зависимости от допускаемых погрешностей ВТ подразделяются на четыре класса точности: 0, 1, 2 и 3. Значения основных показателей погрешностей для этих классов приведены в табл. 3.5
§
Синхронными машинами называются электрические машины переменного тока, у которых магнитное поле, созданное обмоткой переменного тока, вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор, т. е. синхронно с ротором.
В настоящее время подавляющее большинство электрической энергии переменного тока вырабатывается с помощью синхронных генераторов. Генераторы, приводимые во вращение гидротурбинами, называются гидрогенераторами. На тепловых станциях с помощью паровых турбин приводят во вращение турбогенераторы. Во всевозможных промышленных установках можно встретить синхронные генераторы, приводимые во вращение двигателями внутреннего сгорания. Во всех перечисленных случаях механическая энергия турбин или двигателей превращается в электрическую энергию переменного тока.
Частота энергии переменного тока, вырабатываемой синхронными генераторами, зависит от частоты вращения ротора и числа пар полюсов :
(4.1)
Однако в современной технике синхронные машины используют не только в качестве генераторов. В силовом электроприводе, в устройствах автоматики, в устройствах звукозаписи применяют большое количество синхронных машин, работающих в двигательном режиме, – синхронных двигателей.
Основная особенность синхронного двигателя – при постоянной частоте тока питающей сети его ротор вращается со строго постоянной (синхронной) частотой вращения
(4.2)
§
Любая синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора (рис. 4.1). Статор и ротор разделены воздушным зазором, который у крупных синхронных машин обычно значительно больше, чем у асинхронных машин, одинаковых по мощности.
Рис. 4.1. Устройство явнополюсной синхронной машины
По конструкции статор синхронной машины принципиально не отличается от статора асинхронной машины (см. § 8.1). Сердечник статора 1 набирают из штампованных изолированных листов электротехнической стали. В пазах статора размещают распределенную обмотку переменного тока 2 (обычно трехфазную). На валу 4 укрепляют ротор 3 с обмоткой возбуждения.
Концы этой обмотки подводят к контактным кольцам 5. Для подачи постоянного тока в обмотку возбуждения по контактным кольцам скользят щетки 6. Источником постоянного тока в рассматриваемой машине служит возбудитель 7, представляющий собой генератор постоянного тока, якорь которого укреплен на общем валу с ротором синхронной машины.
Постоянный ток, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитное, поле ротора – поле возбуждения.
Роторы синхронных генераторов бывают с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.
Явно полюсный ротор (рис. 4.2) состоит из вала 1, на котором укреплены сердечники полюсов с полюсными катушками 2. Сердечники полюсов заканчиваются полюсными наконечниками 3, которые обычно обрабатывают таким образом, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором получался неравномерным. Он минимален под серединой полюса и максимален у его краев (рис. 4.3, ). Делается это для того, чтобы кривую магнитной индукции В0 в воздушном зазоре, имеющую форму трапеции при равномерном зазоре 1, максимально приблизить к синусоиде 2.
Рис. 4.2. Явнополюсный ротор Рис. 4.3. Распределение магнитной индукции
в зазоре синхронной машины
Синхронные машины с явно выраженными полюсами обычно многополюсные. Они, как правило, рассчитываются на небольшие частоты вращения. Так, гидрогенератор Куйбышевской ГЭС имеет 88 полюсов
(2р = 88) и вращается с частотой n1= 68,3 об/мин.
Гидрогенераторы всегда явно полюсные. Так как при малых частотах вращения n1 (которые развивает гидротурбина) гидрогенераторы должны выдавать электроэнергию промышленной частоты 50 Гц, то они должны иметь большое число пар полюсов:
Роторы гидрогенераторов имеют большой диаметр (для размещения полюсов) и малую длину.
Турбогенераторы являются быстроходными синхронными машинами. Объясняется это высокой частотой вращения паровых турбин, к. п. д. которых возрастет с увеличением частоты вращения. Обычно турбогенераторы делаются двухполюсными (2р=2) и имеют частоту вращения n1 =3000 об/мин.
При такой большой частоте вращения явнополюсная конструкция ротора непригодна из-за недостаточной механической прочности. Поэтому турбогенераторы имеют неявнополюсный ротор – кованый стальной цилиндр с профрезерованными продольными пазами для укладки обмотки возбуждения (риса. 4.4, б). Неявнополюсные роторы имеют сравнительно небольшой диаметр при значительной длине.
Рис. 4.4. Магнитная цепь синхронной машины
В синхронных машинах применяются два способа возбуждения: электромагнитное возбуждение и возбуждение постоянными магнитами.
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения постоянным током различают независимое возбуждение и самовозбуждение.
При независимом возбуждении для получения постоянного тока применяют возбудитель В (см. рис. 4.1), который располагается на одном валу с синхронной машиной и представляет собой генератор постоянного тока, мощность которого не превышает от мощности синхронной машины.
При самовозбуждении для питания обмотки возбуждения постоянным выпрямленным током, получаемым от генератора, используются выпрямители.
В случае возбуждения постоянными магнитами ротор не имеет обмотки возбуждения, а его полюсы представляют собой постоянный магнит. Это дает возможность получить машину без контактных колец, а, следовательно, повысить ее надежность и к. п. д.
На полюсных наконечниках явно выраженных полюсов ротора имеются пазы, в которых укладывают стержни демпферной (успокоительной) короткозамкнутой обмотки, выполняемой по типу короткозамкнутой обмотки ротора асинхронных машин (см. рис. 8.5, а). Эта обмотка служит для успокоения ротора (уменьшения качаний) в генераторах, а также для пуска в синхронных двигателях.
Синхронные машины небольшой мощности иногда выполняют обращенными (по типу машин постоянного тока). У таких машин обмотка переменного тока размещается в пазах ротора и выводится к трем контактным кольцам, а обмотка возбуждения размешается на явно выраженных полюсах статора. Мощными эти машины не делаются, так как при такой конструкции через контактные кольца приходится пропускать большой переменный ток (основной ток машины) при высоком напряжении, тогда как в машинах обычного исполнения через контактные кольца ротора проходит небольшой по величине ток возбуждения при напряжении до
440 В.
Синхронные двигатели малых мощностей весьма разнообразны по конструкции.
§
Синхронные генераторы в зависимости от типа обмотки статора могут быть одно-, двух- и трехфазными. Наибольшее распространение получили трехфазные генераторы. На рис. 4.5 представлена электромагнитная схема такого генератора. Трехфазная обмотка статора состоит из трех однофазных обмоток, равномерно распределенных по статору и сдвинутых в пространстве на 120° относительно друг друга (рис. 4.5). Посредством первичного двигателя, в качестве которого применяются турбины (паровые или гидравлические), двигатели внутреннего сгорания или электродвигатели, ротор генератора приводится во вращение с частотой .
Рис. 4.5. Электромагнитная схема синхронного генератора
Магнитное поле ротора, созданное постоянным током, подведенным на зажимы И1 – И2 обмотки возбуждения, вращаясь вместе с ротором, пересекает проводники обмотки статора и наводит в ее фазах э. д. с. , и одинаковой величины и частоты, но сдвинутые по фазе на 120° относительно друг друга. Частота наведенной э. д. с. пропорциональна частоте вращения ротора [см. (4.1)].
При подключении к выводам С1, С2 и СЗ обмотки статора нагрузки (потребителя энергии) ZH в цепи генератора появляются токи , и .Таким образом, синхронный генератор, потребляя механическую энергию первичного двигателя, отдает электрическую энергию переменного тока.
Э. д. с. фазы обмотки статора определяется выражением
(4.3)
где – обмоточный коэффициент обмотки статора;
Ф – вращающийся магнитный поток ротора;
– число витков фазы обмотки статора.
Обмотки статора синхронных машин делают распределенными с укороченным шагом (см. § 8.2), что способствует уменьшению амплитуды высших гармоник в кривой э. д. с., наводимой в обмотке статора.
Величина линейной э.д.с. на выходе синхронного генератора ЕЛзависит схемы соединения фазных обмоток статора: при соединении в звезду ; при соединении в треугольник ЕЛ = Е1.
§
При включении в сеть трехфазной обмотки статора в синхронной машине возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого n1 пропорциональна частоте тока в сети f1:
Принцип работы синхронного двигателя рассмотрим на примере модели, представляющей собой две разделенные воздушным зазором системы полюсов: внешнюю и внутреннюю (рис. 4.6). Внутренняя система (ротор) расположена на валу и может вращаться.
Если внешняя система полюсов неподвижна, то благодаря силам взаимного притяжения внутренняя система расположится так, что ее полюсы будут находиться под полюсами внешней системы противоположной полярности. При этом силы, действующие на полюсы внутренней магнитной системы , не будут создавать электромагнитного момента (рис. 4.7, а), так как они направлены по оси полюсов.
Рис. 4.6. Модель синхронного двигателя Рис. 4.7. Принцип действия синхронного двигателя
Если же внешнюю систему полюсов вращать с небольшой частотой n1, то в первоначальный момент внешняя система сместится относительно внутренней системы на некоторый угол (рис. 4.7, б). В результате сила также повернется относительно оси полюса ротора. Теперь эту силу можно рассматривать как сумму двух составляющих: , при этом нормальная составляющая будет направлена по оси полюса ротора, а тангенциальная составляющая , направленная перпендикулярно оси полюса ротора, создаст вращающий момент. Совокупность сил , действующих на все полюсы ротора (внутренней системы), создаст электромагнитный момент М, который приведет ротор во вращение с синхронной частотой n1. Таким образом, внутренняя система полюсов будет вращаться синхронно с внешней системой.
Трехфазный синхронный двигатель отличается от рассмотренной модели тем, что вместо внешней системы полюсов в нем имеется статор с обмоткой, которая при включении в сеть создает вращающееся магнитное поле с тем же числом полюсов, что и на роторе. Благодаря магнитной связи этого поля с полюсами ротора возникает электромагнитный момент. В результате электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора синхронного двигателя, преобразуется в механическую энергию вращения ротора.
Ротор синхронного двигателя может вращаться лишь с частотой, равной частоте вращения поля статора. Действительно, если предположить, что ротор двигателя вращается с частотой, отличной от частоты вращения поля статора, то в некоторые моменты времени полюсы ротора будут находиться под одноименными полюсами поля статора, что приведет к исчезновению тангенциальных составляющих сил , создающих электромагнитный момент. А в отдельные моменты времени силы будут приобретать направление, при котором электромагнитный момент окажется направленным в сторону, противоположную направлению вращения поля статора. В результате ротор вращаться не будет.
Свойство синхронных двигателей работать с синхронной частотой является их особенностью и преимуществом по сравнению с двигателями других типов. По конструкции синхронные двигатели принципиально не отличаются от синхронных генераторов с демпферной обмоткой на полюсах.
Большое распространение в системах автоматики получили синхронные двигатели, в которых полюсы ротора возбуждаются постоянными магнитами. Такие двигатели не требуют постоянного тока для возбуждения, имеют более высокий к. п. д. (из-за отсутствия потерь на возбуждение) и надежнее в эксплуатации, так как не имеют контактных колец и щеток.
§
Существенным недостатком синхронных двигателей является отсутствие у них пускового момента. Инерционность ротора не позволяет ему сразу (мгновенно) развить частоту вращения, равную частоте вращения поля, которая устанавливается, как только в обмотке статора появляется ток. В результате над полюсами ротора проходят полюсы поля статора разной полярности, а поэтому между полем статора и полюсами ротора не возникает устойчивой магнитной связи, способной создать электромагнитный момент, действующий в одном направлении.
Для пуска синхронного двигателя необходимо предварительно привести ротор во вращение с частотой, близкой к синхронной. В этом случае при медленном перемещении поля относительно ротора ротор втягивается в синхронизм, т. е. начинает вращаться с частотой вращения поля – с синхронной частотой.
Для получения пускового момента в специальных пазах полюсных наконечников ротора синхронного двигателя располагают короткозамкнутую обмотку, называемую пусковой. Эта обмотка представляет собой ряд стержней 1, выполненных из немагнитного электропроводящего Материала (меди, латуни и т. п.), замкнутых с обеих сторон короткозамыкаюшими кольцами или пластинами 2 (рис. 4.8). Она подобна короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного двигателя (см. рис. 8.2, а).
Рис. 4.8. Пусковая обмотка синхронного двигателя
Пуск синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением осуществляется в следующем порядке. Замкнув обмотку возбуждения на сопротивление r (рис. 4.9), подключают к сети обмотку статора. Вращающееся поле статора наводит в пусковой обмотке э. д. с., которые создают в стержнях обмотки токи. В результате взаимодействия этих токов с вращающимся полем статора образуется вращающий момент, который приводит ротор двигателя во вращение. Таким образом, в период пуска синхронный двигатель работает как асинхронный (см. § 8.4). Рассмотренный способ пуска в ход синхронного двигателя называется асинхронным. После того как частота вращения ротора достигнет величины, близкой к синхронной обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока, а возбужденный ротор втягивается в синхронизм – двигатель начинает работать как синхронный.
Максимальный момент сопротивления (нагрузки), при котором ротор еще втягивается в синхронизм, называется моментом входа двигателя в синхронизм МВХ.
Рис. 4.9. Схема включения синхронного двигателя при асинхронном пуске
Следует обратить внимание на то, что в процессе асинхронного пуска двигатель должен быть невозбужденным. В противном случае магнитный поток возбуждения наведет в обмотке статора э. д. с., которая создаст ток. Взаимодействие последнего с полем ротора образует тормозящий момент (см. рис. 13.10), ухудшающий пусковые свойства синхронных двигателей с постоянными магнитами (см. § 13.5). Кроме того, в процессе пуска двигателя нельзя оставлять разомкнутой обмотку возбуждения, так как вращающееся поле статора в начальный момент пуска наводит в обмотке возбуждения э. д. с., величина которой может оказаться опасной для изоляции обмотки. Для предотвращения этого обмотку возбуждения перед пуском двигателя в ход замыкают на активное сопротивление r, примерно в десять раз большее сопротивления обмотки возбуждения.
Величина пускового момента при асинхронном пуске зависит его активного сопротивления пусковой обмотки (см. § 8.9).
Кроме рассмотренного асинхронного пуска, синхронные двигатели могут быть пущены в ход еще двумя способами: с помощью вспомогательного (разгонного) двигателя и плавным повышением частоты тока – частотный пуск.
В первом случае ротор синхронного двигателя разгоняется до частоты вращения, близкой к синхронной, вспомогательным двигателем, который после входа синхронного двигателя в синхронизм отключается от сети.
Во втором случае частота вращения ротора двигателя постепенно доводится до синхронной путем плавного повышения частоты питающего напряжения f 1 от нуля до номинальной.
Оба последних способа пуска на практике применяются сравнительно редко.
§
Электромагнитный момент синхронного двигателя с явнополюсным ротором определяется выражением
(4.4)
где – число фаз обмотки статора; – э.д.с. обмотки статора; ; – напряжение (фазное), подведенное к обмотке статора; и – индуктивные сопротивления обмотки статора по продольной и поперечной осям. Ом; – угол между осью результирующего магнитного потока и осью полюсов ротора, град; – угловая синхронная скорость;
Анализ выражения (4.4) показывает, что электромагнитный момент синхронного двигателя с явнополюсным ротором представляет собой сумму двух моментов – основного момента
(4.5)
и реактивного момента
(4.6)
Основной момент МОСН„ зависит от величины магнитного потока возбуждения ( ) и от напряжения питания U1. Реактивный момент не зависит от ФB, поэтому он имеет место даже при отсутствии возбуждения синхронной машины.
Таким образом, результирующий электромагнитный момент синхронного двигателя
Появление реактивного момента обусловлено разностью магнитных сопротивлений явнополюсной синхронной машины по продольной и поперечной осям (см. рис. 4.4, а). Даже при отсутствии возбуждения в синхронной явнополюсной машине магнитное поле статора за счет притяжения явно выраженных полюсов ротора создает силы FМ, тангенциальные составляющие которых стремятся повернуть ротор в положение, при котором магнитный поток статора имеет на своем пути минимальное магнитное сопротивление (рис. 4.10). Магнитное поле статора вращается, а поэтому между осью полюса и осью потока статора появляется пространственный угол сдвига , который и обусловливает появление составляющей . Совокупность сил , действующих на каждый полюс ротора, создаст реактивный момент МP, направленный в сторону вращения поля статора.
Рис. 4.10. К понятию о реактивном моменте
Если ротор двигателя неявнополюсный , то реактивного момента не возникает, так как магнитное сопротивление ротора по продольной и поперечной осям одинаково (см. рис. 4.4. б).
Из выражений (4.5) и (4.6) следует, что как основной, так и реактивный моменты зависят от угла (рис. 4.11). Зависимость основного момента от угла представляет собой синусоиду с максимальным значением момента при = 90°. Зависимость реактивного момента также синусоидальна, но с двумя максимальными значениями момента в пределах изменения угла от 0 до 180°: положительным (при °) и отрицательным (при °). Зависимость электромагнитного момента , полученная путем сложения составляющих моментов, называется угловой характеристикой синхронного двигателя.
Рис. 4.11. Угловая характеристика синхронного двигателя
С увеличением нагрузочного момента растет угол сдвига между осью потока статора и осью полюсов ротора (угол ). В этом случае увеличивается электромагнитный момент М. При угле , равном некоторому критическому значению , электромагнитный момент становится максимальным MMAX. Дальнейший рост нагрузки (угла ) обусловливает уменьшение электромагнитного момента. При этом неуравновешенная часть нагрузочного момента вызывает снижение частоты вращения ротора, что ведет к «выпадению» двигателя из синхронизма и к его остановке.
Таким образом, работа синхронного двигателя будет устойчивой лишь при нагрузках, соответствующих значениям угла , не превышающим . Максимальный момент синхронного двигателя принято называть моментом выхода из синхронизма.
Отношение максимального электромагнитного момента к номинальному называется перегрузочной способностью синхронного двигателя. Обычно перегрузочная способность синхронных двигателей
Если ротор синхронного двигателя неявнополюсный, то момент двигателя М равен основному моменту МОСН, так как вследствие равенства и реактивный момент в этом случае равен нулю.
Угловая характеристика такого двигателя представляет собой синусоиду (рис. 4.11, кривая МОСН).
§
Рабочие характеристики синхронного двигателя (рис. 4.12) представляют собой зависимости частоты вращения n1 потребляемого тока I1, полезного момента М2, и коэффициента мощности , от полезной мощности Р2 при неизменных напряжении U1, частоте сети f1 а также величине тока возбуждения IB.
Большой интерес представляет возможность повышения коэффициента мощности синхронного двигателя изменением тока в обмотке возбуждения. В процессе работы синхронного двигателя в обмотке статора наводится э. д. с. Е1 величина которой приблизительно равна напряжению U1. При неизменном напряжении U1 можно считать, что э. д. с. Е1 также неизменна: . Э. д. с. наводится результирующим магнитным потоком машины Ф, который в синхронной машине создается совместным действием двух м. д. с.: обмотки возбуждения и обмотки статора , и при работе машины практически не изменяется.
Следовательно, если изменять м. д. с. возбуждения , то м. д. с. статора будет также изменяться, ибо их сумма должна остаться неизменной: . Иными словами, если постепенно увеличивать ток возбуждения, то м. д. с. будет возрастать, а – уменьшаться. Уменьшение может произойти лишь за счет уменьшения I1, а точнее – его реактивной (индуктивной) составляющей – намагничивающего тока, так как число витков обмотки статора остается неизменным. Уменьшение реактивной составляющей тока I1 вызовет повышение коэффициента мощности . Постепенно увеличивая ток возбуждения, можно добиться такого положении, когда ток I1 не будет иметь реактивной составляющей, т. е. станет чисто активным. В этом случае коэффициент мощности двигателя . При дальнейшем увеличении тока возбуждения (при перевозбуждении), когда магнитный поток возбуждения Ф, становится больше, чем это необходимо для наведения э. д. с. E1 в составе тока вновь появится реактивная составляющая.
Рис. 4.12. Рабочие характеристики синхронного двигателя
Однако теперь эта составляющая тока является размагничивающей, т. е. она опережает по фазе напряжение U1 (емкостный ток). Это, как и при недовозбуждении, приводит к уменьшению двигателя.
Зависимость I1 от тока возбуждения для различных значений нагрузки Р2 представлена U-образными кривыми синхронного двигателя (рис. 4.13). Ток возбуждения IВ.Н. соответствует коэффициенту мощности двигателя . При значениях тока возбуждения IВ .< IВ.Н или IВ .> IВ.Н коэффициент мощности .
Рис. 4.13. U – образные характеристики синхронного двигателя
При недовозбуждении (IВ .< IВ.Н) двигатель работает с отстающим током, т. е. для сети является индуктивностью, а при перевозбуждении (IВ .> IВ.Н) – с опережающим током, т. е. для сети является емкостью.
Возможность изменения , синхронных двигателей с электромагнитным возбуждением за счет изменения тока возбуждения является весьма ценным качеством.
§
Синхронный двигатель с постоянными магнитами отличается от двигателя с обмоткой возбуждения тем, что магнитное поле ротора создается здесь за счет постоянных магнитов. Двигатель не имеет скользящих контактов, не требует источника питания постоянного тока и в то же время по своим пусковым и рабочим свойствам весьма близок к двигателю с обмоткой возбуждения постоянного тока.
Роторы двигателей с постоянными магнитами сочетают в себе элементы синхронных двигателей (постоянные магниты) и элементы асинхронных двигателей (короткозамкнутую обмотку, выполненную в виде беличьей клетки).
В настоящее время получили распространение две конструкции роторов с постоянными магнитами: в первой из них (рис. 4.14, а) постоянный магнит 1 и шихтованный сердечник 2 с короткозамкнутой обмоткой располагаются в расточке статора 3 радиально; во второй (рис. 4.14, б) – аксиально. Роторы последней конструкции обычно применяют для многополюсных машин с малым внутренним диаметром статора в тех случаях, когда выполнение лучшей в электромагнитном отношении первой конструкции затруднительно.
Рис. 4.14. Роторы синхронных двигателей с постоянными магнитами
При пуске двигатель работает как асинхронный – его момент создается за счет взаимодействия вращающегося поля с наведенными им токами в короткозамкнутой обмотке ротора. При частоте вращения, близкой к синхронной, ротор за счет взаимодействия поля постоянных магнитов с вращающимся магнитным полем статора втягивается в синхронизм и в дальнейшем работает с синхронной частотой вращения.
Особенность процесса пуска в ход двигателей состоит в том, что они пускаются в возбужденном состоянии, в то время как при пуске в ход двигателей с электромагнитным возбуждением обмотку возбуждения отключают от истопника постоянного тока (см. § 13.2).
В процессе разгона ротора (под действием асинхронного момента) магнитное поле постоянных магнитов наводит в обмотках статора э. д. с., которая не уравновешивается напряжением источника питания, так как ее частота при n2 < n1 не равна частоте источника . Под действием этой э. д. с. в цепи обмотки статора возникают токи, которые взаимодействуют с полем ротора и создают тормозной (генераторный) момент МТ, направленный встречно полезному асинхронному моменту Ма. Это несколько ухудшает пусковые свойства двигателей с постоянными магнитами (рис. 4.15) и требует особого внимания, при проектировании – правильного выбора параметров двигателя и прежде всего степени возбужденности постоянных магнитов.
Рис. 4.15. Механические характеристики синхронного двигателя с постоянными магнитами
Дело в том, что увеличение возбужденности постоянных магнитов, с одной стороны, способствует повышению момента (а, следовательно, и механической мощности) в синхронном режиме, а с другой – способствует возрастанию тормозного момента при пуске, т. е. ухудшению пусковых свойств. При неправильном выборе степени возбужденности двигатель либо не будет пускаться (вследствие большого тормозного момента), либо не будет развивать должной механической мощности в синхронном режиме.
Синхронные двигатели с постоянными магнитами получили довольно широкое распространение вследствие хороших пусковых и рабочих свойств. Эти двигатели надежны в работе, имеют постоянную мгновенную частоту вращения (за один оборот), высокие к. п. д. и .
§
Реактивный двигатель, в отличие от рассмотренного (см. гл. XIII) двигателя, не имеет обмотки возбуждения. Его основной магнитный поток создается за счет намагничивающего тока обмотки статора. В двух- и трехфазных двигателях обмотка статора создает вращающееся магнитное поле.
Анализ выражения (4.4) показывает, что при отсутствии магнитного потока возбуждения полюсов ротора (Е0=0) первое слагаемое, представляющее собой основной момент, равно нулю.
Таким образом, в реактивном двигателе действует лишь реактивный момент [см. (4.6)]
,
который и приводит ротор двигателя во вращение с синхронной частотой вращения n1.
Необходимым условием возникновения реактивного момента является неравенство индуктивных сопротивлений обмотки статора по продольной и поперечной осям , что имеет место лишь при явнополюсном роторе. Следовательно, ротор реактивного двигателя обязательно должен быть явнополюсным.
Конструктивно реактивный двигатель отличается от асинхронного лишь ротором. Наиболее часто в реактивных двигателях применяется ротор, устройство которого представлено на рис. 4.16, а. Этот ротор отличается от короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя лишь наличием впадин-вырезов на цилиндрической поверхности, образующих явно выраженные полюсы. Короткозамкнутая обмотка ротора, выполненная по типу беличьей клетки, обеспечивает асинхронный пуск реактивного двигателя.
Рис. 4.16. Типы роторов реактивных двигателей
В реактивных двигателях, предназначенных для работы в схемах синхронной связи, ротор изготовляют из алюминия 2, в который при отливке закладывают полосы из стали 1 (рис. 4.16, б).
В системах автоматики часто применяют однофазные реактивные двигатели. Обмотку статора этих двигателей выполняют такой же, как и у асинхронных конденсаторных электродвигателей, и включают по аналогичным схемам (см. § 9.5).
§
Вращение ротора реактивного двигателя осуществляется под действием реактивного момента, причина возникновения которого была рассмотрена ранее (см. § 13.3). Из выражения, определяющего величину реактивного момента, следует, что максимальное значение момента наступает при нагрузке, соответствующей углу ° (рис. 4.17, кривая 1).
Рис. 4.17. Угловая характеристика реактивного двигателя
Однако выражение (4.6) не учитывает влияния активного сопротивления обмотки статора на зависимость , которое в реактивных двигателях малой мощности довольно значительно. Под влиянием активного сопротивления обмотки статора максимальное значение реактивного момента наступает при ° . Это увеличивает крутизну кривой в ее начальной части (рис. 4.17, кривая 2), а, следовательно, повышает величину удельного синхронизирующего момента МУД.
Удельный синхронизирующий момент – это момент, приходящийся на 1° угла : и определяющий устойчивость работы реактивного двигателя.
Максимальный момент реактивного двигателя принято называть моментом выхода из синхронизма. Дело в том, что если нагрузка на валу двигателя достигнет значения, при котором угол , произойдет «выпадение» двигателя из синхронизма. В этом случае ротор двигателя либо останавливается, либо продолжает вращаться асинхронно под действием электромагнитного момента, создаваемого токами пусковой короткозамкнутой обмотки.
Из выражения (4.6) видно, что величина реактивного момента пропорциональна квадрату подводимого к двигателю напряжения . Следовательно, реактивные двигатели весьма чувствительны к колебаниям напряжения сети.
Представим индуктивные сопротивления обмотки статора по продольной и поперечной осям в виде:
; (4.7)
где и – индуктивности обмотки статора по продольной и поперечной осям:
; (4.8)
Причем и – магнитные проводимости по продольной и поперечной осям машины.
Подставив выражения (4.7) и (4.8) в (4.6), получим формулу реактивного момента:
, (4.9)
где и – магнитные сопротивления по поперечной и продольной осям машины.
Из формулы (4.9) следует, что реактивный момент пропорционален разности магнитных сопротивлений по поперечной и продольной осям машины.
С углублением впадин на роторе (см. рис. 4.16, а) возрастает разность магнитных сопротивлений по поперечной и продольной осям и реактивный момент увеличивается, а, следовательно, увеличивается и момент выхода из синхронизма. Однако, углубление впадин на роторе целесообразно лишь до определенного предела, так как с увеличением глубины впадин возрастает средняя величина воздушного зазора. Это ведет к уменьшению вращающего момента в пусковом асинхронном режиме. Последнее приводит к снижению пускового момента и момента входа двигателя в синхронизм – наибольшего момента сопротивления, при котором ротор двигателя еще втягивается в синхронизм. Для втягивания в синхронизм необходима частота вращения ротора не менее т. е. скольжение .
На рис. 4.18 показан ряд зависимостей электромагнитного момента от скольжения при разных значениях активного сопротивления пусковой клетки, причем . Величина момента входа в синхронизм определяется скольжением s=0,05. Из сделанных на рисунке построений видно, что чем больше активное сопротивление пусковой клетки, тем меньше момент входа в синхронизм.
Рис. 4.18. Влияние пусковой клетки реактивного двигателя на Мпуск и Мвх
Установлено, что наилучшие соотношения между максимальным моментом (моментом выхода из синхронизма), начальным пусковым моментом и моментом входа в синхронизм получаются при следующих отношениях полюсной дуги bп к полюсному делению и максимального воздушного зазора к минимальному (см. рис. 4.16, а):
;
Существенный недостаток реактивных двигателей – низкий коэффициент мощности, что обусловлено значительной величиной намагничивающей составляющей тока статора.
Напомним, что в реактивном двигателе магнитный поток создается исключительно током статора; кроме того, среднее значение воздушного зазора из-за наличия впадин на роторе достаточно велико, что ведет к повышению сопротивления магнитной цепи машины. Указанные обстоятельства являются также причиною низкого к. п. д., который в двигателях мощностью в несколько десятков ватт обычно составляет , а в двигателях мощностью до 10 Вт – не превышает 20%.
По габаритам реактивные двигатели больше синхронных и асинхронных двигателей обычного типа, что объясняется низким к. п. д., малым , и небольшой величиной реактивного момента.
В последнее время появились синхронные реактивные двигатели, у которых значительная разность магнитных сопротивлений по поперечной и продольной осям создается не за счет глубины межполюсных впадин, а за счет внутренних вырезов 1 в шихтованном сердечнике 2 ротора (рис. 4.19). Эти вырезы обычно заливаются алюминием. Такие двигатели обладают повышенными пусковыми и рабочими свойствами.
Рис. 4.19. Ротор реактивного двигателя с внутренними вырезами
§
Редукторные двигатели весьма разнообразны как по устройству, так и по принципу действия. Их особенностью является то, что они работают не на первой (основной), а на высших гармониках вращающегося магнитного поля, частота вращения которых в пространстве значительно меньше частоты вращения первой гармоники этого поля *.
____________________________________________________________________________
* Пространственная гармоника v вращающегося поля изменяется с частотой f1, но имеет в v раз большее число пар полюсов (по сравнению с первой гармоникой поля):
Рассмотрим редукторный двигатель реактивного типа. На рис. 4.20 представлена магнитная система такого двигателя. Статор и ротор двигателя набирают из изолированных листов электротехнической стали, в которых делают открытые пазы (на рисунке пазы полукруглые, в реальных двигателях они прямоугольные). В пазах статора располагают трехфазную (или двухфазную) обмотку, которая создает вращающееся магнитное поле. Число зубцов статора Z1=8 (обозначены 1, …. , 8), а ротора Z2=10 (обозначены 1′, … , 10′). В общем случае разность Z2-Z1, должна быть равна четному числу.
Рис. 4.20. Редукторный двигатель реактивного типа
Рассмотрим упрощенно, без разложения поля на высшие гармоники, принцип действия редукторного двигателя. Допустим, что поток статора вращается по часовой стрелке и в рассматриваемый момент направлен по оси АA’, про ходящей через зубцы статора 1 и 5 Ротор при этом занимает положение, соответствующее минимальному магнитному сопротивлению на пути потока; его зубцы 1′ и 6′ располагаются против зубцов статора 1 и 5. В следующий момент времени магнитный поток, повернувшись на одно зубцовое деление статора, соответствующее углу , будет направлен по оси ВВ’. Ротор, стремясь занять положение, при котором сопротивление потоку было бы минимальным, также поворачивается на некоторый угол , так что под зубцами статора 2 и 6 расположатся зубцы ротора 2′ и 7′. При этом угол поворота ротора будет меньше угла поворота магнитного потока статора на величину :
(4.10)
Для конструкции, представленной на рис. 14.20, угол поворота ротора .
Таким образом, при повороте потока статора на 360° (на восемь зубцовых делений статора) ротор повернется лишь на 72°, т. е. ротор двигателя будет вращаться с частотой, в пять (360/72 = 5) раз меньшей частоты вращения потока статора. В общем случае частота вращения ротора:
(4.11)
где р – число пар полюсов обмотки статора.
Например, если обмотка статора двигателя (рис. 14.5) имеет 2р=2 полюса и включена в сеть с частотой f1=50 Гц, то частота вращения ротора
об/мин.
Обычно реактивные двигатели с зубчатым ротором изготавливают на малые частоты вращения. Например, при 50 Гц, 2р=2, Z1=198; Z2=200 частота вращения ротора
об/мин.
Таким образом, при питании от сети промышленной частоты рассматриваемый двигатель даёт возможность без каких-либо дополнительных устройств (редукторов) получить небольшие частоты вращения. Именно благодаря этому свойству двигатели называют редукторными.
§
Работа гистерезисного двигателя основана на действии гистерезисного момента. Для объяснения физической сущности возникновения этого момента обратимся к рис. 4.21, где показаны два полюса постоянного магнита (поле статора); между ними расположен цилиндр (ротор) из магнитно-твердого материала. Под действием внешнего магнитного поля ротор намагничивается. На стороне, обращенной к северному полюсу постоянного магнита, возбуждается южный полюс, а на стороне ротора, обращенной к южному полюсу постоянного магнита, – северный полюс. На ротор начинают действовать силы , направленные радиально к его поверхности (рис. 4.21, а). Если полюсы постоянного магнита вращать вокруг ротора, то вследствие явления магнитного запаздывания (гистерезиса) активная часть ротора не будет перемагничиваться одновременно с изменением направления вращающегося магнитного поля, и между осью поля ротора и осью внешнего поля появится угол . Силы , действующие на ротор, изменят свое направление также на угол , а тангенциальные составляющие этих сил создадут гистерезисный момент МГ (рис. 4.21, б).
Рис. 4.21. К вопросу о гистерезисном моменте
Явление магнитного запаздывания заключается в том, что частицы ферромагнитного материала (помещенного во внешнее магнитное поле), представляющие собой элементарные магниты, стремятся ориентироваться в соответствии с направлением внешнего поля. Если внешнее поле изменит свое направление, то элементарные частицы меняют свою ориентацию. Однако повороту элементарных частиц препятствуют в магнитно-твердых материалах внутренние силы молекулярного трения. Для изменения направления этих частиц необходима определенная м. д. с., вследствие чего перемагничивание ротора несколько отстает от изменения направления внешнего поля. Это отставание (магнитное запаздывание) характеризуется углом гистерезисного сдвига между вектором магнитного потока ротора и вектором магнитного потока обмотки статора (рис. 4.21, в). Величина этого угла зависит исключительно от магнитных свойств материала ротора.
На преодоление сил молекулярного трения расходуется часть подводимой мощности, которая составляет так называемые гистерезисные потери. Величина этих потерь зависит от частоты перемагничивания ротора , а, следовательно, от скольжения:
(4.12)
где – величина гистерезисных потерь при неподвижном роторе (при s=1), т. е. в режиме короткого замыкания.
Так как электромагнитная мощность, передаваемая ротору, равна потерям в роторе, деленным на скольжение (см. § 8.8):
(4.13)
а вращающий момент – электромагнитной мощности, деленной на синхронную угловую скорость: , то, очевидно, величина гистерезисного момента не зависит от частоты вращения ротора (скольжения). График представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс (рис. 4.22).
Рис. 4.22. Механические характеристики гистерезисного двигателя
Величина угла гистерезисного сдвига зависит от ширины петли гистерезиса: чем шире петля гистерезиса магнитного материала, тем больше угол гистерезисного сдвига. На рис. 4.23 представлены две петли гистерезиса: обычной стали (кривая 2) и сплава викаллой (кривая 1).
Рис. 4.23. Петля гистерезиса обычной стали и викалоя
Применение обычной стали для изготовления ротора не обеспечивает получение гистерезисного момента достаточной величины. Только магнитно-твердые материалы, такие, как сплавы типа викаллой, дают возможность получить большой гистерезисный момент. Роторы гистерезисных двигателей обычно делают сборными. Магнитно-твердая часть выполняется в виде шихтованного или массивного кольца 1, размещающегося на втулке 2 (рис. 4.24), жестко насаженной на вал 3.
Рис. 4.24. Сборный ротор гистерезисного двигателя
В машинах с нешихтованным (массивным) ротором вращающееся поле статора наводит в роторе вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с полем статора возникает электромагнитный момент МВ.Т, величина которого пропорциональна скольжению:
(4.13)
где – потери на вихревые токи в роторе при s = 1, т. е. в режиме короткого замыкания, Вт; – угловая синхронная скорость, рад/с.
Наибольшей величины момент достигает при неподвижном роторе (s=1), т. е. в момент пуска электродвигателя. Затем, по мере возрастания частоты вращения (уменьшения скольжения), момент убывает (см. рис. 4.21), при синхронной частоте он становится равным нулю.
Таким образом, электромагнитный вращающий момент гистерезисного двигателя создается совместным действием двух моментов: от вихревых токов и гистерезисного
(4.14)
На рис. 4.21 представлена зависимость результирующего момента гистерезисного электродвигателя от скольжения: . Характер этой кривой зависит от соотношения и .
Гистерезисный двигатель может работать с синхронной и асинхронной частотами вращения. Однако работа двигателя в асинхронном режиме неэкономична, так как связана со значительными потерями на перемагничивание ротора, величина которых возрастает с увеличением скольжения. Из приведенных на рис. 4.25 рабочих характеристик видно, что при переходе гистерезисного двигателя в асинхронный режим его к. п. д. резко снижается.
Рис. 4. 25. Рабочие характеристики гистерезисного двигателя
Достоинства гистерезисных двигателей – простота конструкции и надежность в работе, большой пусковой момент, плавность входа в синхронизм, сравнительно высокий к. п. д., бесшумность в работе, малое изменение тока от пуска до номинальной нагрузки .
Недостатки гистерезисных двигателей – низкий коэффициент мощности и сравнительно высокая стоимость.
Кроме того, гистерезисные двигатели при резких колебаниях нагрузки склонны к качаниям, что создает неравномерности хода (вращения). Объясняется это отсутствием у гистерезисных двигателей пусковой клетки, которая при резких изменениях нагрузки оказывает на ротор успокаивающее (демпфирующее) действие. Наиболее сильные качания наблюдаются у шихтованного ротора, в котором вихревые токи сильно ограничены. Вызываемая качаниями неравномерность вращения ограничивает области применения гистерезисных двигателей.
В СССР гистерезисные двигатели выпускаются серийно на промышленную (50 Гц) и на повышенные (400, 500 Гц) частоты в трехфазном и однофазном исполнениях.
На рис. 4.26 показано устройство гистерезисного двигателя. В корпус 1 запрессован шихтованный сердечник статора 2 с обмоткой 3. Ротор двигателя сборный, он состоит из магнитно-твердого кольца 4, втулки 5 и вала 6. Подшипниковый шит 7 обеспечивает фланцевое крепление двигателя при его установке.
Рис. 4.26. Устройство гистерезисного двигателя
§
В настоящее время в схемах автоматики наряду с автоматическими системами непрерывного действия, которые осуществляются с помощью исполнительных двигателей (см. гл. III и X) обычного исполнения, применяются системы дискретного (импульсного) действия. Такие системы осуществляются с помощью шаговых исполнительных двигателей.
Шаговые двигатели – устройства, которые преобразуют электрические импульсы напряжения управления в дискретные (скачкообразные) угловые или линейные перемещения ротора с возможной его фиксацией в нужных положениях.
Шаговые двигатели появились в 30-х годах прошлого столетия.
Первые шаговые двигатели выполнялись в виде электромагнита, приводящего во вращение храповое колесо (рис. 4.27).
Рис. 4.27. Шаговый двигатель с электромагнитом и храповиком
За одно включение электромагнита (за один такт) храповое колесо перемещается на вполне определенный угол – шаг, величина которого определяется величиной зубцового шага храпового колеса. Для обеспечения реверса на валу двигателя устанавливалось два храповых колеса, повернутых на 180° относительно друг друга, и двигатель снабжался двумя электромагнитами. Несмотря на наличие целого ряда недостатков, храповые шаговые двигатели и в настоящее время находят еще довольно широкое применение.
Вслед за храповыми двигателями еще в прошлом веке появились шаговые двигатели, по устройству мало отличающиеся от синхронных реактивных двигателей с явно выраженными полюсами на роторе и статоре.
На рис. 4.28, а (справа) изображена схема одного из таких двигателей, имеющего три пары явно выраженных полюсов на статоре, снабженных согласно включенными обмотками (соответственно 1, 2, 3), и невозбужденный двухполюсный ротор. На том же рисунке (слева) изображен ключ – коллектор (коммутатор), с помощью которого осуществляется управление двигателем. Коммутатор выполнен в форме цилиндра с контактной пластиной КП, охватывающей дугу в 180°. Контактная пластина электрически соединена с контактным кольцом К, по которому скользит щетка Щ; на нее подается питание от сети постоянного тока ( ). По внешней поверхности цилиндра коммутатора скользят щетки Щ1, Щ2, ЩЗ, сдвинутые в пространстве на 120° относительно друг друга. Каждая из щеток соединена с одним концом соответствующей обмотки двигателя. Другие концы обмоток соединены между собой, к их общему проводу подводится питание от источника постоянного тока (-).
Рис. 4.28. Шаговый двигатель с контактным коммутатором
В положении, изображенном на рис. 4.28, а, включена обмотка 1, и ось полюсов ротора (при отсутствии момента сопротивления на валу) совпадает с осью обмотки 1 (рис. 4.28, б). При повороте цилиндра коммутатора на угол, примерно равный 60°, по часовой стрелке под напряжением оказываются две обмотки (1 и 2), при этом ротор двигателя повернется по часовой стрелке на угол 30° и займет положение, соответствующее рис. 4.28, в. При повороте цилиндра коммутатора далее на угол, несколько больший 60°, по часовой стрелке цепь обмотки 1 разорвется, обмотка 1 отключится, питаться будет только обмотка 2, и ротор двигателя повернется еще на 30°, заняв положение по оси обмотки 2 (рис. 4.28, г).
За полный цикл коммутации (поворот ротора коммутатора на 360°) ротор рассматриваемого двигателя занимает шесть различных положений, которые соответствуют определенной последовательности включения обмоток двигателя. Ротор двигателя при этом повернется на 180°, т. е. шаг двигателя равен 30°.
Частота вращения ротора двигателя зависит от частоты вращения цилиндра коммутатора, т. е. от частоты коммутации обмоток. Ротор любого шагового двигателя обладает моментом инерции; на валу ротора обычно имеется момент сопротивления. Для каждого шагового двигателя существует вполне определенная максимальная частота коммутации, при которой ротор двигателя еще следует за дискретно (скачкообразно) перемещающимся полем статора. Эту частоту называют частотой приемистости.
Для простоты анализа физических процессов здесь был рассмотрен простейший шаговый двигатель с контактным коммутатором. Аналогичные двигатели были предложены еще в 1892 г. В настоящее время из-за ряда недостатков контактные коммутаторы заменены более надежными электронными коммутаторами на полупроводниковых элементах, которые формируют импульсы вполне определенной формы и частоты, подаваемые на обмотки управления шаговых двигателей.
Применяемые в настоящее время шаговые двигатели в подавляющем большинстве являются многофазными и многополюсными синхронными электрическими машинами. В отличие от синхронных двигателей обычного исполнения их роторы не имеют пусковой короткозамкнутой обмотки, что обусловливается частотным (а не асинхронным) пуском шаговых двигателей. Роторы шаговых двигателей могут быть возбужденными – активными или невозбужденными – пассивными.
На рис. 4.29 изображена схема m-фазного шагового двигателя. Для упрощения анализа физических процессов рассмотрим работу этого двигателя с невозбужденным двухполюсным ротором.
Питание обмоток статора может быть однополярным либо двухполярным. При однополярной питании напряжение изменяется от 0 до U: при двухполярном от U до –U.
Современные электронные коммутаторы могут обеспечивать питание обмоток статора либо порознь, либо группами в различных сочетаниях. Каждому состоянию – такту коммутации, число которых зависит от способов включения обмоток, соответствуют вполне определенные величины и направления векторов результирующей м. д. с. и потока двигателя Ф, а, следовательно, и вполне определенное положение ротора в пространстве.
Так, если обмотки рассматриваемого двигателя питать поочередно (1-2-3-…-m) однополярными импульсами, то ротор двигателя будет иметь m устойчивых положений, которые совпадают с осями обмоток (рис. 4.29, а и в).
Рис. 4.29. К вопросу о принципе действия m – фазного шагового двигателя
На практике для увеличения результирующей м. д. с., магнитного потока и синхронизирующего момента обычно одновременно питаются две, три и большее количество обмоток. При этом ротор двигателя в режиме холостого хода занимает положения, в которых его ось совпадает с результирующим вектором м. д. с. В случае, когда питается четное число обмоток, положение результирующего вектора м. д. с. и ротора совпадает с линией, проходящей между двумя средними обмотками (рис. 4.29, б). В случае, когда питается нечетное число обмоток, устойчивые положения ротора совпадают с осью средней обмотки (рис. 4.29. а). Таким образом, в обоих случаях ротор двигателя будет иметь m устойчивых положений. Однако соседние положения при этом будут смещены на угол .
Если поочередно включать то четное, то нечетное число обмоток, например 1-2, 2, 2-3, 3, … , m-1, то число устойчивых положений ротора n увеличится вдвое: n=2m.
На практике управление двигателя, при котором обмотки включаются поочередно равными группами по два, три и т. д., называют симметричным. Поочередное включение неравных групп обмоток называют несимметричным управлением.
Кроме однополярного и двухполярного, симметричного и несимметричного способов управления шаговыми двигателями различают еще потенциальный и импульсный способы управления.
При потенциальном управлении напряжения на обмотках изменяются только в моменты поступления управляющего сигнала – команды. При отсутствии последующего сигнала управления одна или группа обмоток, возбужденные предшествующим сигналом, остаются под напряжением, и ротор занимает вполне определенное фиксированное положение.
При импульсном управлении любая обмотка (или группа обмоток), возбужденная сигналом – импульсом управления, по истечении некоторого времени, определяемого длительностью импульса, автоматически отключается. Фиксация положения ротора в период паузы между импульсами обеспечивается либо внутренним реактивным моментом (если ротор активный), либо специальными магнитными или иными фиксирующими устройствами.
Кроме двухполюсных широко используются также многополюсные (2р>2) шаговые двигатели. Ротор ненагруженного моментом сопротивления многополюсного шагового двигателя при одном и том же питании обмоток может находиться в одном из р устойчивых положений. Таким образом, в m-фазном двигателе может быть либо рm устойчивых положений (при симметричном управлении), либо 2рm положений (при несимметричном управлении).
Современные электронные коммутаторы допускают переход от симметричного к несимметричному способам управления; от питания одной обмотки к питанию нескольких обмоток и т. п. Все это позволяет в довольно широких пределах менять величину шага у одного и того же двигателя, производить его реверс, торможение и т. д.
Характер движения ротора шагового двигателя определяется частотой и характером изменения управляющих импульсов. В зависимости от этого различают следующие режимы работы шаговых двигателей: 1) статический; 2) квазистатический; 3) установившийся; 4) переходный.
Статическим режимом шагового двигателя называется режим, при котором по обмоткам статора протекает постоянный ток; ток создает неподвижное в пространстве магнитное поле, и ротор двигателя не вращается. Под действием момента нагрузки ротор может лишь отклоняться на некоторый угол от положения устойчивого равновесия.
Квазистатический режим работы – это режим отработки единичных шагов, при котором переходные процессы, сопровождающие отработку шага, к началу следующего шага полностью заканчиваются, и частота вращения ротора в начале каждого шага равна нулю. Предельная частота импульса, при которой еще обеспечивается квазистатический режим, определяется временем протекания электромагнитных переходных и особенно механических переходных процессов, т. е. временем колебаний (качаний) ротора. Для уменьшения или полного устранения качаний ротора в конце шага применяют различные демпфирующие устройства.
Наиболее радикальным методом устранения качаний ротора, а, следовательно, увеличения предельной частоты квазистатического режима является гашение кинетической энергии, запасенной ротором при отработке шага, которое достигается за счет принудительного или естественного торможения ротора (старт-стопное управление).
При принудительном торможении после перевода управляющего импульса с первой обмотки (или группы обмоток) на вторую через некоторый промежуток времени, за который ротор отрабатывает часть шага и запасает определенное количество кинетической энергии, управляющий импульс переводится снова на первую обмотку. На ротор начинает действовать тормозящий его движение момент. При правильном выборе времени и величины тормозящего момента ротор останавливается в конце шага. После чего управляющий импульс вновь переводится на вторую обмотку и ротор, отработав шаг, фиксируется практически без колебаний.
При естественном торможении отработка шага происходит в два этапа: на первом этапе движение ротора осуществляется за счет положительного синхронизирующего момента, возникающего в результате сдвига м. д. с. статора на часть полного шага; на втором этапе – за счет кинетической энергии, запасенной ротором при отрицательном (тормозном) моменте. При перемещении ротора на величину полного шага м. д. с. сдвигается на оставшуюся часть шага и фиксирует ротор в этом положении. Естественное торможение применимо лишь в тех двигателях, у которых полный шаг делится на несколько элементарных шагов.
Установившийся режим работы шаговых двигателей – режим, соответствующий постоянной частоте управляющих импульсов. Ротор двигателя в установившемся режиме, имея постоянную среднюю частоту вращения, может совершать как периодические, так и непериодические колебания.
Переходные режимы работы шаговых двигателей – пуск, ускорение, замедление, реверс – являются основными эксплуатационными режимами работы большинства шаговых двигателей. Физические процессы, происходящие в переходных режимах, определяются как параметрами двигателя и его нагрузки, так и начальными условиями, при которых начинается переходный процесс.
Основным требованием, которое предъявляется к шаговым двигателям в переходных режимах, является требование отсутствия потери шага, т. е. сохранения синхронизма при любом характере изменения частоты управляющих импульсов.
Основными параметрами, которые определяют качество работы шагового двигателя в переходных режимах, являются следующие:
1) частота собственных круговых колебаний, зависящая от числа пар полюсов р, амплитуды статического синхронизирующего момента ММАХ и момента инерции ротора J:
;
2) электромагнитная постоянная времени, зависящая от индуктивности обмоток L и их активного сопротивления r:
;
3) коэффициент внутреннего демпфирования, зависящий от амплитуды потокосцепления и активного сопротивления обмоток статора r:
;
Рабочие характеристики шаговых двигателей определяются как параметрами самих двигателей и характером их нагрузки, так и особенностями электронного коммутатора.
В связи с многообразием рабочих режимов рабочие характеристики шаговых двигателей весьма разнообразны. В качестве примера рассмотрим предельные динамические характеристики пуска двигателя типа ШД-2-5, представляющие собой зависимость частоты приемистости f от момента сопротивления нагрузки МC. Из представленных на рис. 4.30 двух динамических характеристик видно, что с увеличением момента сопротивления частота приемистости снижается. При этом характеристика 1 двигателя, соответствующая моменту инерции нагрузки , располагается выше характеристики 2, соответствующей моменту инерции .
Рис. 4.30. Предельные динамические характеристики пуска шагового двигателя
В настоящее время разработано большое количество шаговых двигателей различных конструкций. На рис. 4.31 показано устройство шагового двигателя типа ШД-2. В расточке статора 1 расположен активный ротор – звездочка 2, представляющий постоянный магнит.
Рис. 4.31. Устройство шагового двигателя типа ШД-2