ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МИКРОМАШИНЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Электрические микромашины автоматических устройств гораздо разнообразнее микромашин общепромышленного применения, что объясняется спецификой выполняемых ими функций. Для них характерно не силовое преобразование энергии, а преобразование одной величины в другую. Например, электрического сигнала в механическое перемещение, углового смещения в напряжение и т.д.

Такие показатели работы, как КПД, cosj, полезная мощность, весьма важные для силовых электрических машин общего применения, здесь оказываются несущественными. Главными являются требования высокой точности работы, хорошего быстродействия, надежности и стабильности характеристик.

Микромашины автоматических устройств можно разделить на следующие группы:

1)исполнительные или управляемые микродвигатели;

2)информационные микромашины;

3)электромашинные усилители;

4)электрические микромашины гироскопических систем.

1. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Исполнительными (управляемыми) двигателяминазываются электромеханические устройства, преобразующие электрический сигнал в механическое вращение вала. Такие двигатели являются очень важными элементами систем автоматики и телемеханики. От качества их работы во многом зависит качество работы всей, порой очень сложной системы.

Главные требования, предъявляемые к исполнительным двигателям:

• отсутствие самохода - вращение двигателя при отсутствии сигнала управления;
• широкий диапазон регулирования частоты вращения;
• устойчивость работы во всем диапазоне угловых скоростей;
• высокое быстродействие;
• максимальная линейность механических и регулировочных характеристик;

Особенность исполнительных двигателей заключается в том, что они практически никогда не работают в установившимcя режиме. Для них характерны частые пуски, реверсы, остановы и другие переходные режимы. В конструктивном отношении это закрытые машины, в большинстве случаев без вентилятора. Последний не нужен по причине малой эффективности в переходных режимах и нежелания увеличивать момент инерции.

В зависимости от питающего напряжения исполнительные двигатели подразделяются на три группы:

1) асинхронные исполнительные двигатели;

2) исполнительные двигатели постоянного тока;

3) шаговые двигатели.

Почти все исполнительные двигатели (за малым исключением) имеют две обмотки. На одну из них - обмотку возбуждения (ОВ), напряжение подается постоянно, на другую - обмотку управления (ОУ), напряжение подается лишь на время отработки перемещения.

АСИНХРОННЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

§ 1.1. Общие сведения

Асинхронные исполнительные двигатели это двухфазные двигатели с двумя обмотками на статоре, сдвинутыми в пространстве на 90 электрических градусов (рис.1.1). Для того чтобы обмотки создавали вращающееся магнитное поле, необходим временной сдвиг токов в этих обмотках. В зависимости от способа сдвига токов различают три способа управления исполнительными двигателями: амплитудный (рис.1.1,а); фазовый (рис.1.1,б) и амплитудно-фазовый (рис.1.1,в).

При амплитудном управлении на обмотку возбуждения подается напряжение U_в, а на обмотку управления - напряжение U_у, переменное по амплитуде и сдвинутое по фазе относительно него на 90^о. Управление двигателем осуществляется изменением величины напряжения U_у. Отношение напряжения управления U_у к напряжению возбуждения U’_в, приведенному к числу витков обмотки управления, называют эффективным коэффициентом сигнала

где k = w_в/w_у - коэффициент трансформации; w_в и w_у - эффективные числа витков обмоток возбуждения и управления; a = U_у/U_в– коэффициент сигнала.

Рис.1.1. Способы управления асинхронным исполнительным двигателем

Круговое магнитное поле и максимальная частота вращения имеют место только при a_э= 1. При a_э < 1 - поле эллиптическое, а частота вращения меньше максимальной. При a_э = 0 - поле пульсирующее; двигатель не вращается. Реверс двигателя осуществляется за счет изменения фазы напряжения управления.

При фазовом управлении на обмотку возбуждения подается напряжение сети U_в, а на обмотку управления - постоянное по амплитуде напряжение, величина которого равна приведенному напряжению возбуждения U_у = U’_в, (U’_в= U_в/k). Регулирование частоты вращения осуществляется изменением фазы напряжения управления. За коэффициент сигнала здесь принимается sinb. И вновь: при sinb = 1 поле круговое, частота вращения максимальная; при sinb < 1 поле эллиптическое, частота вращения меньше максимальной. При sinb = 0 поле пульсирует, частота вращения равна нулю. При sinb < 0 двигатель изменяет направление вращения.

Амплитудно - фазовое управление чаще всего реализуется как конденсаторное. На первый взгляд этот способ кажется амплитудным, однако, это не так. Дело в том, что при изменении амплитуды напряжения управления U_у, изменяется частота вращения двигателя n, изменяется ток возбуждения I_в, а поскольку напряжение на обмотке возбуждения U^*_вравно разности напряжения сети U_с и падения напряжения на конденсаторе I_вx_к, то оно изменяется как по величине, так и по фазе

Коэффициентом сигнала a_e здесь принято называть отношение напряжения управления U_у к напряжению сети U_с: a_e = U_у/U_с.

Известно, что характеристики конденсаторного двигателя во многом зависят от того, как выбраны соотношения напряжений на обмотках и емкость конденсатора. Обычно их выбирают из условия получения кругового магнитного поля при пуске двигателя.Коэффициент сигнала, обеспечивающий это условие, обозначают a_eo. Поэтому при a_eo поле круговое, при a_e < a_eo - эллиптическое, при a_e = 0 - пульсирующее.

Анализируя сказанное выше, можно сделать вывод, что несмотря на конструктивные различия способов управления асинхронным исполнительным двигателем, их объединяет общая идея управления: деформация магнитного поля от кругового к эллиптическому до пульсирующего.

Для обеспечения устойчивой работы двигателя во всем диапазоне частот вращения, для расширения зоны регулирования и, как узнаем из дальнейшего, для устранения самохода, асинхронные исполнительные двигатели изготавливают с роторами, имеющими большие активные сопротивления (рис.1.2). В результате их критические скольжения всегда больше единицы (кривая 1). У обычных машин s_к = 0,1¸ 0,5 (крива 2).

Рис.1.2. Механические характеристики исполнительных (1) и силовых (2) асинхронных двигателей

Большие сопротивления ротора приводят к увеличению потерь и снижению механической мощности. Поэтому асинхронные исполнительные двигатели имеют полезную мощность в 2 ¸3 раза меньшую, чем силовые двигатели такого же габарита.

§ 1.2. Уравнения токов и схемы замещения асинхронных исполнительных двигателей

В общем случае асинхронный исполнительный двигатель является несимметричной двухфазной машиной, для которой можно нарисовать известные четыре схемы замещения. Например, для обмотки управления они имеют следующий вид (рис.1.3)

Рис. 1.3. Схемы замещения обмотки управления

Здесь: s = (n₁ - n)/n₁ = 1 - n/n₁ = 1 - n; 2 - s = 1 + n, где n - относительная частота вращения.

Эти схемы позволяют получить уравнения токов, по которым можно вывести уравнения механических, регулировочных и прочих характеристик. Однако, полученные уравнения будут слишком громоздкими. Для асинхронного исполнительного двигателя ситуацию можно существенно упростить, если в схемах замещения пренебречь всеми сопротивлениями, кроме активного сопротивления ротора r_р. Такие схемы, да и сами двигатели, будем называть "идеальными" (рис.1.4). Основанием для идеализации служит тот факт, что исполнительные двигатели выполняются с роторами, имеющими большое активное сопротивление.

Для последних схем замещения уравнения токов принимают вид:

(1.1)

§ 1.3. Характеристики асинхронного исполнительного двигателя при разных способах управления

Свойства и поведение асинхронного исполнительного двигателя определяются механическими и регулировочными характеристиками.

В общем случае напряжения и образуют несимметричную систему векторов (рис.1.5).

Рис. 1.5.

Используя понятие эффективного коэффициента сигнала, можно записать

Симметричные составляющие напряжения управления будут:

Переходя от показательных функций к тригонометрическим и учитывая, что e^-jb = cosb - jsinb, подставим полученные значения U_у1 и U_у2 в (1.1)

(1.2)

Электромагнитная мощность с точки зрения передачи энергии со статора на ротор представляет собой сумму электромагнитных мощностей прямой и обратной последовательностей. При круговом поле они равны потерям в роторе, деленным на скольжения /в нашем случае на (1 - n) и (1 + n)/

Так как по отношению к полю прямой последовательности машина работает в режиме двигателя, а по отношению к полю обратной последовательности в режиме электромагнитного тормоза, то результирующий момент М равен

Подставим в это уравнение квадраты модулей токов I_у1 и I_у2 из (1.2). После преобразований, получим:

Выразим момент двигателя в относительных единицах. За базисный возьмем пусковой момент, развиваемый двигателем при круговом поле (a_э= 1, sinb= 1, n = 0)

Тогда момент в относительных единицах (m = M/M_б)

(1.3)

Уравнение (1.3) есть аналитическое выражение механических характеристик идеального асинхронного исполнительного двигателя, под которыми понимают зависимость момента от угловой скорости вращения при постоянном коэффициенте сигнала.

Решив уравнение (1.3) относительно n, получим выражение регулировочных характеристик, которые показывают зависимость угловой скорости вращения от коэффициента сигнала при постоянном моменте на валу

(1.4)

Рассмотрим механические и регулировочные характеристики а также характеристики мощности при различных способах управления идеальным асинхронным исполнительным двигателем.

Далее...