Исследование асинхронного исполнительного двигателя с полным немагнитным ротором

1)Токи и сдвинуты по фазе на угол

; (12)

где - пространственный сдвиг осей обмоток возбуждения и управления.

2)Намагничивающие силы обмоток статора равны между собой .

Обычно задаётся равным 90 электрических градусов, так как в таком случае вращающееся поле имеет максимальную величину

. (13)

Поэтому сдвиг фаз токов и также задаётся равным 90.

Если одно или оба из этих условий не выполняются, то поле становится эллиптическим, а мгновенная частота вращения вектора поля - непостоянной. Чем больше отклонение от указанных условий, тем в большей степени поле отличается от кругового. Эллиптическое поле может быть представлено суммой двух неравных по величине круговых полей, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой по абсолютной величине скоростью . Прямое поле имеет постоянную максимальную амплитуду (13), а амплитуда обратного поля тем больше чем существеннее отклонения от указанных условий. Прямое поле создаёт полезный вращающий момент , а обратное - тормозящий момент , так что итоговый момент , развиваемый двигателем, равен

. (14)

Выражение (10) справедливо, когда ,т.е. когда поле статора круговое, при эллиптическом же поле момент равен

; (15)

где - ток обмотки управления, приведенный к числу витков обмотки возбуждения;

- фазы напряжений управления и возбуждения соответственно;

;

активное и реактивное сопротивления ротора, приведенные к

обмотке статора;

реактивное сопротивление намагничивания двигателя, приведенное к обмотке возбуждения.

Выражение (15) как и (10) можно представить в виде (11).

6. Способы управления АИД

Таким образом, меняя степень выполнения условий кругового поля можно менять результирующий вращающий момент, развиваемый двигателем, а значит менять скорость его вращения, то есть управлять двигателем. Отсюда три, применяемых на практике, способа управления АИД:

1)Амплитудное управление, когда меняется по амплитуде при неизменной фазе;

2)Фазовое управление, когда меняется фаза при неизменной амплитуде;

3)Амплтудно-фазовое управление, когда одновременно меняются и фаза и амплитуда .

Анализ работы АИД при разных способах управления показывает, что амплитудное и амплитудно-фазовое управления дают практически одинаковые характеристики двигателя, а при фазовом управлении требуется повышенная мощность от устройства управления, особенно при малых сигналах управления. Кроме того, практическая реализация амплитудного и фазового управления схемно более сложна. Поэтому реальное применение находит только амплитудно-фазовое управление, которое и рассмотрено далее.

Амплитудно-фазовое управление реализуется с помощью схемы, показанной на рисунке 3. Для обеспечения сдвига фаз между и в цепь обмотки возбуждения включается конденсатор. Величина его ёмкости рассчитывается из условия получения кругового поля при пуске двигателя. Изменение управляющего напряжения с помощью потенциометра изменяет также и угол . Это объясняется тем, что , а ток возбуждения меняется при изменении Недостаток всех трёх методов управления АИД - малая экономичность, так как из-за наличия обратного поля в статоре и роторе возникают значительные электрические потери.

7. Явление самохода и способы его устранения

Двигатель имеет самоход, если его ротор вращается при отсутствии сигнала управления. Практически, этот режим может возникнуть, когда подано только напряжение возбуждения - это технологический самоход, или когда снимается поданное ранее напряжение управления - методический (параметрический) самоход.

Причиной технологического самохода является появление слабого эллиптического поля, порождённого паразитными токами. Причиной появления последних может служить либо замыкание между листами стали магнитопровода статора, либо наличие короткозамкнутых витков в обмотках, либо разная магнитная проводимость машины в различных радиальных направлениях, либо изменение толщины стенок ротора по его окружности и прочее. Устранить этот вид самохода можно при тщательном контроле за технологией изготовления двигателя.

Методический самоход может возникнуть когда сигнал управления снимается, а нагрузка на валу двигателя незначительна. Анализ явления показывает, что причина заключается в малом активном сопротивлении ротора. Для устранения этого вида самохода активное сопротивление ротора делают весьма значительным, выполняя стакан из алюминиевых сплавов с относительно низкой проводимостью. К сожалению, это одновременно ухудшает энергетические параметры двигателя: снижается к.п.д., уменьшается выходная мощность на валу, падает пусковой момент. Именно поэтому номинальная мощность исполнительных двигателей в два- три раза ниже номинальной мощности силовых асинхронных двигателей (для которых характерно малое ) тех же габаритов.

8. Статические свойства АИД

О статических свойствах АИД судят по его характеристикам, которые для универсальности, то есть для возможности сравнения свойств двигателей разных мощностей, скоростей вращения и т.п., строят в относительных единицах. При этом за базовые (единичные) величины принимают постоянные для любого двигателя параметры: пусковой момент при круговом вращающемся поле; синхронную скорость вращения ; мощность , потребляемую двигателем при пуске при круговом поле; номинальное напряжение управления , при котором получается круговое вращающееся поле при пуске. Вращающий момент , скорость вращения , мощность на выходе , напряжение управления, или иначе, коэффициент сигнала в относительных единицах находятся как отношение действительных величин к соответствующим базовым величинам:

(16)

Кроме того, для отображения разных способов управления вводят ещё следующие относительные единицы:

-эффективный коэффициент сигнала

(17)

где -коэффициент приведения обмоток статора.

-коэффициент сигнала при фазовом управлении - ,

где - угол сдвига фазы между напряжениями управления и возбуждения .

-номинальный коэффициент сигнала

; (18)

где - напряжение питающей двигатель сети - рисунок 3.

Как и у любого устройства автоматики основными статическими характеристиками АИД являются:

1)Характеристика преобразования вход-выход которая для двигателей называется регулировочной. Она представляет собой зависимость скорости вращения от величины или фазы сигнала управления при постоянном моменте сопротивлении на валу. Семейства этих характеристик для различных способов управления представлены на рисунке 6. Зависимость является регулировочной характеристикой для амплитудного управления; - для фазового управления; - для амплитудно-фазового управления.

Эти характеристики нелинейны, наиболее линейные участки лежат в области малых , то есть в начальной части графиков. Поэтому на практике стараются работать в зоне малых , для чего применяют двигатели, рассчитанные на повышенные частоты переменного тока, так как

. (19)

Рисунок 6 - Регулировачные характеристики асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором

Регулировочные характеристики показывают также, что напряжение трогания двигателя, то есть минимальное , при котором ротор, имея определённую нагрузку на валу, трогается с места, пропорционально моменту нагрузки в действительных величинах, а в относительных величинах равно моменту нагрузки , или , или для соответствующих способов управления.

2)Характеристика нагрузочная, которая у двигателей называется механической, представляет собой зависимость вращающего момента от скорости вращения при постоянном сигнале управления:

(20)

Из механических характеристик видно, что вращающий момент и скорость вращения достигают своих максимальных значений при единичном коэффициенте сигнала. Механические характеристики при всех способах управления носят нелинейный характер. Меньше всего нелинейность

Рисунок 7 - Механические характеристики асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором для разных способов управления

проявляется при фазовом управлении, а больше всего при амплитудно-фазовом. Однако при амплитудно-фазовом управлении двигатель развивает больший момент на средних скоростях вращения, так как в этом случае возрастает с увеличением , а не остаётся постоянным как при других способах управления. При амплитудно-фазовом управлении наблюдается также наименьшая скорость холостого хода, так как при этом типе управления в магнитопроводе машины всегда имеется обратное вращающееся поле, кроме случая пускового режима при и .

3)Характеристика рабочая - зависимость выходной мощности от скорости вращения вала двигателя при постоянном сигнале управления:

. (21)

Рисунок 8 - Зависимость механической мощности на валу от скорости вращения асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором при разных способах управления

Эти характеристики нетрудно получить из механических, так как

. (22)

Обычно максимальное значение принимают за номинальное её значение и соответствующую скорость вращения также считают номинальной. Для разных способов управления эти величины различны, наибольшие они при амплитудно-фазовом управлении.

9. Динамические свойства АИД

В асинхронных исполнительных двигателях имеются значительные индуктивности и подвижные инерционные массы. Поэтому в этих двигателях наблюдаются и электромагнитные и механические переходные процессы. Однако первыми при практических расчётах обычно пренебрегают, так как их длительность в несколько раз меньше длительности вторых. Но даже в этом случае точные аналитические выражения для переходной характеристики и передаточной функции АИД получаются весьма громоздкими ввиду нелинейности механических и регулировочных характеристик. Поэтому при расчётах применяют линеаризацию (полную или на отрезке) этих кривых. На линейных участках динамические свойства АИД описываются следующей моделью:

; (23)

; (24)

. (25)

где

- описывается (1);

- угол поворота ротора;

- угловая скорость вращения ротора:

; (26)

-коэффициент передачи двигателя:

; (27)

- коэффициент управления по напряжению:

. (28)

Для регулировочной характеристики обычно применяют полную линеаризацию - рисунок 9, тогда

; (29)

- коэффициент внутреннего демпфирования, определяющий жёсткость рассматриваемого участка механической характеристики:

; (30)

Если используется линеаризация механической характеристики, то

; (31)

где - угол наклона линии, замещающей рассматриваемый участок характеристики, к оси скоростей - рисунок 9.

Рисунок 9 - Линеаризация механической (а) и регулировочной (б) характеристик асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором

Рекомендуется применять линеаризацию на участке номинальной работы с помощью секущей АС, что даёт параметры передаточной функции, близкие к номинальным, и тогда их можно вычислить по паспортным данным двигателя.

; (32)

; (33)

где -электромеханическая постоянная времени АИД, то есть время, в течение которого ротор ненагруженного двигателя, обладающего моментом инерции , разгоняется от неподвижного состояния до скорости идеального холостого хода , равной синхронной скорости - см. (1). Кроме того, при необходимости электромеханическую постоянную времени для амплитудного и амплитудно-фазового управления можно вычислить по приближённой формуле

; (34)

а для фазового управления

. (35)

Однако нужно учитывать, что формулы (34) и (35) дают несколько завышенные (до 15%) значения .

Увеличение частоты питающей сети и уменьшение числа пар полюсов приводит к росту , так как возрастает синхронная скорость . Для снижения при проектировании АИД рекомендуются следующие меры:

1)снижение момента инерции ротора , как, например, у полого немагнитного ротора;

2)увеличение пускового момента за счёт совершенствования конструкции, уменьшения воздушного зазора.

Итак, асинхронный исполнительный двигатель с полым немагнитным ротором в динамическом отношении является инерционным звеном первого порядка (24), если за выходной сигнал принимается скорость вращения вала, или инерционным интегрирующим звеном (25) если выходным сигналом будет угол поворота вала двигателя.

10. Программа экспериментальных исследований АИД

1) Ознакомиться с конструкцией асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором, представленной в разобранном виде на стенде.

2) Ознакомиться с лабораторным макетом для проведения экспериментальных исследований. Определить назначение измерительной, регулирующей и коммутирующей аппаратуры макета.

3) Снять зависимость пускового момента от напряжения управления и от величины ёмкости в цепи обмотки возбуждения. Для этого:

3.1)Затормозить диск электромагнитного тормоза относительно его электромагнитов.

3.2)Переключателем S3 включить ёмкость С1 и тумблером S1 подать напряжение возбуждения - смотри Приложение Б. Записать значение .

3.3)Включить тумблер S2, и, задавая с помощью ЛАТР Т1 величины напряжения управления ,указанные в таблице 1,отсчитывать соответствующие величины пускового момента и заносить их в таблицу 1.

3.4)Повторить п. 10.3.3. для емкостей С2 и С3. Переключение емкостей производится с помощью S3.

3.5)Растормозить диск электромагнитного тормоза. Вывести ЛАТР Т1 в ноль. Выключить S1 и S2, а переключателем S3 включить С2.

Таблица 1 - Данные эксперимента по пункту 3

4)Снять рабочие и механические характеристики двигателя, для чего выполнить следующие действия:

4.1)Включить напряжение возбуждения (S1) и управления (S2) и с помощью ЛАТР Т1 задать В.

4.2)С помощью ЛАТР Т2 задавать значения М от 0 до 14 гдм через 2 гдм и заносить в таблицу 2 соответствующие показания измерительных приборов для .

4.3)С помощью ЛАТР Т1 задать В и повторить п. 10.4.2., кроме точки грдм.

4.4)вести в ноль ЛАТР Т1 и ЛАТР Т2. Выключить S1 и S2.

Таблица 2 - Данные эксперимента по пункту 4

5)Снять регулировочные характеристики АИД, для чего выполнить следующие действия:

5.1)Включить S1 и S2, подать В и убедиться, что .

5.2)С помощью ЛАТР Т1 задавать значения , указанные в таблице 1, с помощью измерительных приборов отсчитывать показания и заносить их в таблицу 3.

5.3)Установить В, задать с помощь ЛАТР Т2 Нсм, повторить п. 10.5.2.

5.4)Вывести ЛАТР Т1 и ЛАТР Т2 в ноль. Выключить S1 и S2. Вынуть вилки ХР1 и ХР2 питания ЛАТРов из розеток.

Таблица 3 - Данные эксперимента по пункту 5

11. Расчёты и построения

1) Построить зависимости пускового момента при трёх значениях С в одной системе координат (семейство характеристик). Определить , как максимальное значение пускового момента, и величину С0, при котором он достигнут. 2) Произвести необходимые расчёты и заполнить расчётную часть таблицы 2 и таблицы 3. Использовать формулы:

, Вт;

, Вт;

, %;

;

;

;

;

;

где для исследуемого двигателя;

;

В.

3)Построить семейство механических характеристик для и .

4)Построить три семейства рабочих характеристик:, , в размерных единицах для и на трёх рисунках и определить номинальную скорость вращения согласно рекомендациям пункта 8.3.

5)Построить семейство регулировочных характеристик для двух значений ; используя величину , полученную в п. 11.4., определить .

6)Используя паспортные данные из Приложения А и формулы (27), (29), (32), (33) рассчитать динамические параметры двигателя и записать его передаточные функции (24), когда выходным сигналом является угловая скорость вращения, и (25), когда выходным сигналом является угол поворота ротора. При расчётах нужно быть внимательным к размерности величин: следует брать в Нм; в об/мин; в кгм2.

7)Эти же динамические параметры рассчитать по экспериментально найденным и сравнить с величинами из пункта 11.6.

12. Содержание отчёта

1)Цель работы.

2)Схема электрическая принципиальная лабораторного макета.

3)Таблицы экспериментальных данных и расчётных величин.

4)Расчёты.

5)Рисунки семейств характеристик, указанных в п.п.11.1, 11.3, 11.4 и 11.5.

6)Выводы по работе.

13. Контрольные вопросы

)Назначение асинхронного исполнительного двигателя?

2)Достоинства и недостатки асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором?

3)Как устроен асинхронный исполнительный двигатель с полым немагнитным ротором?

4)При каких условиях в двухфазном асинхронном исполнительном двигателе создается вращающееся магнитное поле?

5)По какому пути замыкаются силовые линии магнитного поля статора?

6)Когда вращающееся магнитное поле статора будет круговым, когда эллиптическим? Чем определяется степень эллиптичности поля?

7)Как возникает магнитное поле полого немагнитного ротора?

8)Почему скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения поля статора?

9)Как возникает механический вращающий момент в асинхронном исполнительном двигателе?

10)Какие существуют способы управления асинхронным исполнительным двигателем?

11)Что такое самоход асинхронного исполнительного двигателя? Виды самохода и его причины?

12)Виды статических характеристик асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором?

13)Чем вызваны переходные процессы в асинхронном исполнительном двигателе? Какой инерционностью при анализе динамики двигателя пренебрегают и почему?

14)Что представляет собой асинхронный исполнительный двигатель с полым немагнитным ротором в динамическом отношении когда его выходным сигналом является угол поворота вала или когда скорость вращения вала?

15)Как называются динамические параметры асинхронного исполнительного двигателя? Их связь между собой?

Приложении е А

Технические характеристики двигателя АДП-262

В лабораторной работе исследуется асинхронный исполнительный двигатель с полым немагнитным ротором типа АДП-262, имеющий следующие технические характеристики:

- номинальная частота 50 Гц;

- номинальная полезная мощность 9,5 Вт;

- потребляемая мощность 47,5 Вт;

- номинальная скорость вращения 1850 об/мин;

- скорость вращения холостого хода 2650 об/мин;

- номинальный вращающий момент 5,0 Нсм;

- пусковой момент 9,0 Нсм;

- обмотка возбуждения (сетевая):

- номинальное напряжение 110 В;

- номинальный ток 0,23 А;

- номинальная мощность возбуждения 23 Вт;

- ёмкость в цепи обмотки 2,5 мкФ;

- активное сопротивление обмотки 190 Ом;

- обмотка управления:

- максимальное напряжение 125 В;

- напряжение трогания 2 В;

- номинальный ток управления 0,58 А;

- ток управления при пуске 0,6 А;

- номинальная мощность управления 26 Вт;

- активное сопротивление обмотки 38 Ом;

- момент трогания ненагруженного ротора 0,08 Нсм;

- момент инерции ротора 16610-7 кгм2;

- электромеханическая постоянная времени 0,055 с;

- к.п.д. 20%;

- вес двигателя 1,6 кг;

- габариты Ф70122 мм.

Приложение Б

Схема электрическая принципиальная лабораторного макета

Страницы: 1, 2