Гіроскопічні, моментні й тороїдні асинхронні двигуни

 

Деякі виконавчі асинхронні двигуни використовуються для спеціального призначення. У зв'язку з цим вони мають конструктивні особливості. Такими машинами є гіроскопічні й моментні двигуни. Крім того, розповсюджується ще один конструктивний тип виконавчих двигунів – тороїдні.

 

Гіроскопічні асинхронні двигуни

 

Гіроскопічні трифазні асинхронні двигуни (рис. 11.5), які застосовуються в гіроскопічних системах літальних апаратів, виконуються із зовнішнім ротором 1 та внутрішнім нерухомим статором 2. При заданих габаритах гіроскопічного пристрою таке виконання двигуна дозволяє збільшити діаметр ротора й одержати великий момент інерції його.

Рис. 11.5. Конструктивна схема гіроскопічного асинхронного двигуна

 

Точність роботи гіроскопічного пристрою визначається величиною й постійністю кінетичного моменту Jω/g. Збільшення кінетичного моменту досягається збільшенням моменту інерції ротора J та швидкості його обертання ω.

Напруга живлення цих двигунів становить звичайно 36-40 В при частоті 400, 500, 1000 і більше Гц. Швидкості обертання досягають 10000-60000 об/хв.

Номінальні потужності на валу цих двигунів знаходяться в межах від часток Вт до кількох десятків Вт.

Гіроскопічні двигуни звичайно працюють без механічного навантаження на валу, а потужність витрачається тільки на втрати на тертя в підшипниках та ротора об повітря. Практично корисна потужність на валу цього двигуна може вважатись дорівнюючою втратам на тертя в роторі об повітря.

У зв'язку з підвищеним моментом інерції ротора у цих двигунів відносно велика електромеханічна стала часу. Час розгону двигуна може досягати кількох хвилин. Зменшення цього часу може бути досягнуто збільшенням пускового моменту. Одним із способів збільшення пускового моменту є збільшення напруги на двигуні під час пуску. У виготовлених гіроскопічних трифазних асинхронних двигунах коефіцієнт перевантажувальної здатності становить .

 

Моментні асинхронні двигуни

 

В деяких системах автоматичного регулювання (САР) та керування (САК) в якості вимірювальних або керуючих елементів застосовують одно - та трифазні асинхронні двигуни з білячою кліткою, які працюють в режимі загальмованого ротора. Такі двигуни називають моментними. Їх застосовують, наприклад, в гіроскопічних пристроях у якості коригуючих двигунів (гіровертикаль).

Рис. 11.6. Схема вмикання моментного двигуна

 

Вони створюють коригуючий момент для збереження постійності положення осі гіроскопа у просторі. Ця непостійність положення осі гіроскопа є наслідком впливу невеликого моменту тертя й виявляється у повільному відході осі. Якщо моменти тертя в системі значні, то застосовуються трифазні асинхронні двигуни.

За конструкцією моментний асинхронний двигун подібний до гіроскопічних. Двигун багатополюсний реверсивний. Має малу осьову довжину й відносно великий діаметр. Внутрішній статор двигуна з обмотками закріплюється на рамці, а зовнішній ротор – на кришці гіроскопа.

Обмотка керування (рис. 11.6) складається з двох частин, укладених у ті ж самі пази біфілярно. Якщо на обмотку подати змінну напругу керування , зсунуту відносно напруги збудження , то в двигуні виникає обертаючий момент . При подачі напруги на обмотку момент змінить свій знак. Якщо обмотки , увімкнені паралельно, то через них проходять рівні один одному струми, й =0. Якщо струми будуть не рівними, виникає момент певного знаку. Ці перемикання здійснюються за допомогою спеціальних чутливих елементів – перемикачів. Наприклад, у якості маятникового чутливого елемента гіровертикалі використовується рідинний перемикач, який є рідинним реостатом. Це герметична посудина частково заповнена струмопровідною рідиною з відносно високим питомим опором. Залишене в посудині повітря створює бульбашку. Коли основа перемикача буде в горизонтальному положенні, повітряна бульбашка перекриває контакти таким чином, що струми в обмотках та однакові, рівні. При відхиленні основи від горизонтального положення струми в обмотках та перерозподіляються, оскільки повітряна бульбашка намагається розміститись у найвищому положенні. Виникає коригуючий момент на валу двигуна того чи іншого знаку. Внаслідок цього вісь ротора гіроскопа повертається до істинної вертикалі.

Потужність моментного двигуна практично дорівнює втратам в обмотках статора і ротора і визначає тепловий режим двигуна у загальмованому стані.

 

11. 3. 3. Тороїдні двигуни [39]

 

Тороїдні електродвигуни – спільна назва електродвигунів різних типів: асинхронних з масивним феромагнітним ротором, гістерезисних та двигунів з постійними магнітами, об'єднаних наявністю в конструкції тороїда, який має намотану у загальному випадку багатофазну обмотку спірального типу (кільцеву або граммівську). Використання тороїда дозволяє створити плоскі електродвигуни, прості за конструкцією й технологією виготовлення, а спіральна тороїдна обмотка – виконати багатополюсну систему для мініатюрних електродвигунів малої потужності на тороїдах малого розміру, у яких неможливо або важко виконати велику кількість полюсів іншими способами. Таким чином, за допомогою тороїдних двигунів можливо одержати достатньо низькі швидкості обертання ротора без застосування редукторів.

Статорна обмотка тороїдного двигуна може намотуватись як вручну, так і на верстатах для намотування тороїдів (СНТ-5, СНТ-8, СНТ-12). Ці верстати дозволяють намотувати дротом 0,05-0,4мм тори з найменшим внутрішнім діаметром 5-20мм.

При виконанні такої обмотки на торі з внутрішнім діаметром 12мм можливо виготовити звичайним способом не більше 8 полюсів, а за допомогою спіральної обмотки – кілька десятків.

На рис. 11.7 наведені обмотка й принцип створення полюсів та векторна діаграма МРС (рис. 11.7., б).

а) б) в)

Рис. 11.7. Обмотка (а) векторна діаграма МРС (б) та принцип створення полюсів (в) тороїдного двигуна

 

Виконання обмотки на гладкому тороїді – статорі сприяє усуненню втрат від зубцевих гармонічних.

а) б)

Рис. 11.8. Конструктивні схеми тороїдних двигунів з двобічним торцевим (а) та порожнистим (б) ротором

 

У зв'язку з особливістю розташування обмотки з торців обох боків тороїда частіше виконується конструкція з двобічним торцевим розташуванням ротора (рис.11.8, а). В деяких випадках доцільна звичайна конструкція (рис.11.8, б). На валу з обох боків тороїда розташовуються феромагнітні диски з магнітом'якого матеріалу. При виконанні гістерезисного синхронного двигуна ротор виготовляється з магнітотвердого матеріалу. Тороїди та тори виготовляються або навиванням зі стрічкової сталі 3412, 3421, холоднокатаної сталі, або з магнітом'якого фериту.

Іноді на кінцях тора виконують пази для виготовлення двошарової обмотки. Обмотка може виконуватись одношаровою або двошаровою. Двошарова має переваги, оскільки може виконуватись зі скороченим кроком для зменшення просторових гармонічних в кривій поля.

 

11. 4. Методи керування асинхронними виконавчими двигунами

 

Виконавчі асинхронні двигуни, як це видно з розгляданих конструкцій, на статорі мають дві окремі обмотки, зсунуті у просторі. Обмотка збудження постійно з'єднана з напругою мережі. На обмотку керування подається сигнал керування.

Для змінення швидкості обертання асинхронного виконавчого двигуна змінюють ступінь еліптичності магнітного поля від колового до пульсуючого. При максимальному сигналі керування поле колове. Зі зменшенням сигналу воно стає еліптичним, а при відсутності сигналу керування – пульсуючим.

Способи керування швидкістю обертання ротора виконавчого асинхронного двигуна (способи керування) витікають з теорії про форму обертового магнітного поля. Керування здійснюється зміною напруги на обмотці керування (амплітудний спосіб), фази між напругами керування та збудження (фазовий спосіб), просторового кута між обмотками керування й збудження (просторовий спосіб), або зміною за фазою й амплітудою (амплітудно-фазовий спосіб), комбінований. В останньому випадку іноді вмикають конденсатор не тільки в ланцюг збудження, а й у ланцюг керування. При цьому у зв'язку з компенсацією індуктивності обмотки керування з'являється можливість знизити напругу , тобто зменшити потужність керування , що дуже важливо у зв'язку з обмеженою потужністю джерела керуючого сигналу.

 

Амплітудне керування

 

При цьому способі керування величина може бути визначена коефіцієнтом сигналу (рис.11.9):

а) б)

Рис. 11.9. Схема вмикання (а) та векторна діаграма напруг (б) при амплітудному керуванні асинхронним виконавчим двигуном

(11.5)

Напруга змінюється у відповідності зі зміною α, залишаючись зсунутою за фазою на 90º по відношенню до напруги . Для визначення основних властивостей двигуна застосуємо метод симетричних складових.

За формулами (11.1) – (11.4):

 

(11.6)

 

(11.7)

 

При амплітудному керуванні:

 

тому

 

 

,

 

де ефективний коефіцієнт сигналу:

 

(11.8)

 

Тоді:

(11.9)

 

(11.10)

 

Струм прямої та зворотної послідовностей для обмотки збудження:

 

(11.11)

 

(11.12)

 

де , - повні опори відповідних схем заміщення (рис.11.10).

а) б)

Рис. 11.10. Схеми заміщення виконавчого двигуна для прямої (а) та зворотної (б) послідовностей

 

Для обмотки керування:

 

 

Тому

(11.13)

 

 

(11.14)

 

(11.15)

 

(11.16)

 

Схеми заміщення складаються окремо для прямої та зворотної послідовностей, оскільки вони різняться величиною активного опору ротора. Цей опір залежить від ковзання ротора відносно прямої та зворотної послідовностей:

 

(11.17)

 

(11.18)

де

. (11.19)

а) б)

Рис. 11.11. Спрощені схеми заміщення двигуна

Оскільки ротор виконавчого двигуна має підвищений активний опір, знехтуємо всіма іншими опорами, тобто «ідеалізуємо» двигун. Тоді схема заміщення й аналіз суттєво спростяться (рис.11.11). В цьому разі

(11.20)

 

 

(11.21)

 

(11.22)

 

(11.23)

 

Для струму керування:

 

(11.24)

 

(11.25)

 

З одержаних виразів визначимо механічні й регулювальні характеристики виконавчого двигуна при амплітудному керуванні.

Для двофазного статора:

 

(11.26)

 

(11.27)

 

Результуюча електромагнітна потужність з урахуванням (11.26), (11.27), після перетворень:

 

. (11.28)

 

Обертаючий момент двигуна:

. (11.29)

 

При коловому полі та ν=0:

 

(11.30)

де - момент на валу двигуна при короткому замкненні. Тоді відносний момент дорівнює:

 

(11.31)

 

Звідси відносна швидкість обертання ротора:

 

(11.32)

 

За формулою (11.32) можливо побудувати механічну ν(m) при та регулювальну ν() при m=const характеристики для ідеалізованого двигуна (рис.11.12).

а) б)

Рис. 11.12. Механічні (а) та регулювальні (б) характеристики двигуна

 

Зі зменшенням механічні характеристики стають більш м'якими, що є недоліком асинхронного двигуна, оскільки це призводить до нелінійності регулювальних характеристик.

Точки перетинання кривих ν() з віссю характеризують чутливість двигуна (напруга зрушення).

Швидкість холостого ходу при m=0 з формули (11.32) дорівнює:

 

(11.33)

Потужності керування та збудження для ідеалізованого двигуна розраховуються таким чином. Струм є чисто активним. Тому, враховуючи (11.5),(11.8):

 

(11.34)

 

(11.35)

 

Струм керування, враховуючі (11.24), (11.25):

 

(11.36)

 

Тоді з (11.34), (11.36):

 

(11.37)

 

 

Напруги керування та збудження:

 

(11.38)

 

(11.39)

Струм збудження зсунутий відносно напруги на 90º. Тому, враховуючи формули (11.24), (11.25), (11.35), після перетворень одержуємо:

; (11.40)

 

(11.41)

 

Якщо поле колове, то в режимі пуску , . Тоді

 

(11.42)

Звідки

(11.43)

 

де - потужність, споживана двигуном у режимі короткого замкнення.

Виходячи з формул (11.37), (11.41) та (11.43), відносні потужності

 

; (11.44)

 

(11.45)

 

Співвідношення (11.44) свідчить про те, що зі зміненням різко зменшується , тому при малих значеннях споживана потужність мала. З формули (11.45) витікає, що при пуску не залежить від .

Механічна потужність у відносних одиницях, виходячи з формули (11.31):

(11.46)

При фіксованому сигналі максимальне значення виникає при деякій швидкості обертання , яка може бути визначена дослідженням (11.46) на максимум функції та враховуючі (11.33):

(13.47)

Враховуючи (11.47) у (11.46), одержимо:

(11.48)

При холостому ході, коли , (11.19), . Зі зменшенням використання двигуна погіршується.

Особливості роботи реального двигуна полягають у такому. Характеристики реального двигуна потрібно розглядати за певною схемою заміщення. Тому розглянемо основні відмінності характеристик реального двигуна у порівнянні з ідеалізованим.

В реальному двигуні при <1 швидкість більша, ніж в ідеалізованому, оскільки опір впливає на струм більше, ніж на . Зі схеми заміщення рис. 11.10 одержуємо вирази для струмів ротора:

(11.49)

 

(11.50)

Зі збільшенням швидкості ν збільшується нерівність

Тому зростає, а зменшується. Тому в реальному двигуні зворотний магнітний потік менший, ніж в ідеалізованому.

У зв'язку зі збільшенням опору на складову зменшується за формулою (11.30) та відносний момент m (11.31). А це призводить до збільшення швидкості обертання (11.32). Таким чином, механічні характеристики реального двигуна криволінійні, що пояснюється впливом опору (рис.11.13).

 

а) б) в)

Рис. 11.13. Характеристики реального двигуна механічна (а) регулювальна (б) погрішностей (в) у порівнянні з ідеалізованим

 

Регулювальні характеристики ν() на графіку для реального двигуна розташовується вище, ніж для ідеалізованого, тобто при фіксованому значенні m потрібна швидкість може бути досягнута при менших сигналах .

Суттєвим недоліком є не лінійність характеристики ν() навіть для ідеалізованого двигуна (11.32).

При малих сигналах регулювальну характеристику наближено можливо вважати лінійною, якщо знехтувати :

 

(11.51)

При цьому виникає погрішність:

(11.52)

Потужності реального двигуна суттєво відрізняються від потужностей ідеалізованого двигуна, оскільки в останньому випадку не враховувався струм холостого ходу, який для двигуна з порожнистим ротором становить , де - номінальний струм. Тому можливо вважати потужність обмотки збудження при будь-яких та .

Потужність обмотки керування сильно залежить від :

, (11.53)

де - повний опір обмотки керування.

 

 

Фазове керування

 

При фазовому керуванні напруги фаз , а кут між векторами дорівнює β.

Рис. 11.14. Векторна діаграма напруг при фазовому керуванні

 

Спрощуємо аналіз, вважаючи, що К=1, . З векторної діаграми рис.11.14 можливо записати:

(11.54)

(11.55)

 

Повні опори схем заміщення:

 

; (11.56)

. (11.57)

 

Зі співвідношень (11.54) – (11.57) струми дорівнюють:

 

(11.58)

(11.59)

 

Якщо розглядати ідеалізований двигун, то зі співвідношень (11.20) – (11.23):

(11.60)

(11.61)

Тоді з формул (11.58), (11.59), враховуючи (11.60), (11.61):

(11.62)

(11.63)

Зі співвідношень (11.26) – (11.28) одержимо з урахуванням (11.62), (11.63)

. (11.64)

Електромагнітний момент, враховуючи (11.29):

(11.65)

 

При коловому полі () та ν=0 момент на валу двигуна при короткому замкненні:

(11.66)

Зі співвідношень (11.65), (11.66) відносний момент на валу двигуна:

, (11.67)

а відносна швидкість обертання з (11.67):

(11.68)

Механічні та регулювальні характеристики наведені на рис. 11.15.

а) б)

Рис. 11.15. Механічні (а) та регулювальні (б) характеристики двигуна при фазовому регулюванні

 

Залежності ν(m) подано паралельними та прямолінійними. При малих нахил характеристик менший (суцільні лінії), ніж при амплітудному керуванні (штрихові лінії). Швидкість холостого ходу при фазовому керуванні менша, ніж при амплітудному при тому ж сигналі . Це пояснюється тим, що при фазовому керуванні струм більший, ніж при амплітудному. Регулювальні характеристики при фазовому регулюванні також лінійні.

Для реального двигуна характеристики нелінійні, а швидкість при більша, ніж у ідеалізованого двигуна, що пояснюється впливом індуктивного опору .

Якщо ν=0, то повна потужність, яка споживається обмоткою керування

,

тобто не залежить від . Тому потужність є великою при малих , що є недоліком фазового керування. Інший недолік – порівняно складна зміна фази керуючого сигналу.

Перевага фазового керування – мала не лінійність механічної ν(m) та регулювальної характеристик.

 

Просторове керування

 

В цьому випадку ; , а просторовий кут . Керування швидкістю обертання здійснюється зміною просторового кута γ між осями обмоток збудження та керування (рис.11.16).

а) б)

Рис. 11.16. Схема вмикання двигуна (а) та векторна діаграма напруг (б) при просторовому керуванні

 

Коефіцієнт сигналу . Форма поля залежить від :

=1 – колове;

0< <1 – еліптичне;

=0 – пульсуюче.

Для просторового керування дійсні ті ж співвідношення для моментів та потужностей, що й при фазовому керуванні із заміною на , оскільки форма магнітного поля в двигуні має однакову залежність як від часового, так і від просторового кутів зсуву між векторами .

Просторове керування звичайно здійснюється в двигунах з порожнистим ротором. При цьому на зовнішньому статорі встановлюється обмотка збудження, а на внутрішньому – обмотка керування. Поворотом внутрішнього статора відносно зовнішнього здійснюється регульований зсув між осями обмоток збудження та керування (рис.11.17).

Рис. 11.17. Просторове керування двигуном з порожнистим ротором

 

 

Амплітудно-фазове керування

 

Відповідно до рис.11.18 напруга має таку ж фазу, як живляча напруга , тобто , а

. (11.69)

 

Рис. 11.18. Схема вмикання двигуна при амплітудно-фазовому керуванні

 

Зі зміною та, відповідно, швидкості обертання змінюються за величиною й фазою струм та напруга збудження .

Якщо підібрати й С такими, щоб поле було коловим, то векторна діаграма напруг та струмів для цього випадку наведена на рис. 11.19.

Рис. 11.19. Векторна діаграма струмів та напруг при коловому полі

 

При цьому відсутня зворотна складова поля, а струми пов'язані співвідношеннями:

(11.70)

(11.71)

(11.72)

Підставляючи з (11.71) та (11.72) у (11.70) та порівнюючи уявні й дійсні частини окремо, одержимо:

(11.73)

(11.74)

Підставимо з (11.74) у (11.73) й одержимо:

(11.75)

З одержаних співвідношень для видно, що визначити можливо тільки для реального двигуна, коли . Тому ідеалізація у даному випадку застосовуватись не може. Звичайно визначають за умови одержання колового поля при пуску, тобто в режимі короткого замикання. Тоді:

(11.76)

. (11.77) В реальному виконавчому двигуні з амплітудно-фазовим керуванням регулюється напруга . При цьому струм збудження практично змінюється дуже мало у зв'язку з великою складовою намагнічуючого струму, яка залишається незмінною. Тому характеристики ν(m) та ν(α) при цьому способі керування (рис.11.20, суцільні лінії) подібні до відповідних характеристик при амплітудному керуванні.

 

а) б)

Рис. 11.20. Механічні (а) та регулювальні (б) характеристики двигуна при амплітудно-фазовому керуванні

 

Отже, колове поле виникає лише при ν=0. Зі зменшенням α швидкості стають спочатку близькими, а потім – більшими, ніж при амплітудному керуванні ідеалізованим двигуном, у зв'язку із впливом опору .

Не лінійність механічних характеристик ν(m) при амплітудно-фазовому керуванні більша, ніж при інших способах, у зв'язку зі збільшенням зворотної складової магнітного потоку при збільшенні швидкості.

Регулювальні характеристики ν(α) також нелінійні. Зі збільшенням швидкості обертання ν зростає потужність , оскільки дещо збільшується напруга .

Основною складовою струму статора двигуна з порожнистим не магнітним ротором є намагнічуючий струм. Тому струм зі зміною режиму роботи змінюється мало, а потужність збільшується лише на 10-20 % з переходом від режиму короткого замикання до режиму холостого ходу. Тому всі інші характеристики двигуна при амплітудно-фазовому керуванні мало відрізняються від характеристик при амплітудному керуванні.

Перевагою цього способу керування є порівняна простота схеми й можливість одержання великих пускових моментів. Недолік – деяке зменшення стійкості при малих швидкостях обертання.

 

 

Комбіноване керування

 

Комбінований метод поєднує всі способи керування. Цей метод належить до просторових способів керування, оскільки здійснюється зміною просторового кута γ (рис.13.21).

Рис. 11.21. Комбіноване керування виконавчим двигуном

 

При зміні γ змінюються амплітуди й фази напруг та . Жорсткість механічних характеристик така ж, як при амплітудно-фазовому керуванні при . Якщо параметри двигуна визначені певним чином, то жорсткість механічної характеристики ν(m) не буде змінюватись при зміні α.

 

11.5. Порівняння різних методів керування асинхронними виконавчими двигунами

Порівнюючи різні способи керування асинхронними виконавчими двигунами, можливо зробити деякі висновки.

1. Лінійність механічних та регулювальних характеристик найвища при фазовому керуванні. При цьому критерієм лінійності регулювальної характеристики слід брати рівняння (11.68). Найменша лінійність характеристики при амплітудно-фазовому керуванні.

Всі початкові ділянки регулювальних характеристик (при малих швидкостях ν) практично лінійні. Якщо їх використати як робочі ділянки, то для одержання необхідних кутових швидкостей необхідно збільшувати частоту живлячої мережі. Це призводить до збільшення кутової швидкості обертового поля та зменшення швидкості ν й сигналу α, що збільшує еліптичність поля й зменшує ККД двигуна.

2. Потужність обмотки керування при амплітудному та амплітудно-фазовому керуванні практично однакова й пропорційна . При фазовому керуванні величина α практично не впливає на потужність . Тому при малих α потужність більша, ніж при інших способах керування. Це є недоліком фазового й просторового керування.

3. Ступенем використання двигуна вважається електромагнітна потужність при коловому полі й нерухомому роторі, яка припадає на одиницю об'єму.

Якщо напруги збудження однакові, то ступінь використання для всіх способів однакова. Для всіх методів керування зі зменшенням коефіцієнта сигналу α зменшується потужність . При великих α найбільша потужність виникає при амплітудно-фазовому керуванні.

4. Керуючий сигнал зрушення при всіх способах керування пропорційний моментові опору на валу.

5. Найвищий cosφ=0.8-0.25 виникає у двигунів з амплітудно-фазовим керуванням за рахунок вмикання конденсатора.

6. Найпростішим є амплітудно-фазове керування (конденсаторна схема), при якому не потрібні додаткові пристрої для зсуву фаз між напругами та . Тому така схема широко застосовується в системах автоматики.

В кожному конкретному випадку вибір способу керування повинен визначатись умовами роботи системи, елементом якої є двигун, та вимогами до цього елемента.

На закінчення розглянемо залежність електромеханічної сталої часу від амплітуди й фази сигналу керування. За формулою (11.4):

.

При амплітудному керуванні з урахуванням формул (11.19), (11.33) можливо записати:

(11.78)

Визначимо залежність пускового моменту від . З формули (11.31):

.