Управление асинхронными исполнительными двигателями

Двухфазные асинхронные двигатели получили наибольшее применение в качестве исполнительных двигателей. На статоре такого двигателя расположена двухфазная обмотка (см. раздел 5.5.4). Одна из обмоток фазы статора — это обмотка возбуждения ОБ, которая постоянно включена в сеть переменного тока на неизмененное напряжение (/,. Другая обмотка фазы статора — это обмотка управления ОУ, на нее подают сигнал управления напряжением V_у от блока управления БУ (рис. 5.67,а, б).

Для работы асинхронного исполнительного двигателя необходимо, чтобы обмотка статора создавала вращающееся магнитное поле. Условие возникновения такого поля — наличие в двигателе пространственного и временного сдвига МДС обмоток фазы статора (см. раздел 5.5.2). Пространственный сдвиг МДС обеспечивается конструкцией двигателя: обмотки фазы статора расположены так, что их оси сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 90 эл. град.

Временной (фазовый) сдвиг МДС создается включением обмоток статора по специальным схемам, содержащим фазовращатель или фазодвигающий конденсатор в цепи одной из обмоток фазы.

Для управления асинхронными исполнительными двигателями применяют три способа: амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый.

При амплитудном управлении напряжение управления V_у независимо от его значения имеет фиксированный фазовый сдвиг на 90° относительно напряжения {У, (рис. 5.67,в).

Рис. 5.67. Схемы включения (а, б) и векторные диаграммы (в, г, д) асинхронных исполнительных двигателей: а — амплитудное управление; б — фазовое и амплитудно-фазовое управление; в — амплитудное управление; г — фазовое управление; д — амплитудно-фазовое управление.

Управление исполнительным двигателем выполняется путем изменения амплитуды напряжения управления. Изменение частоты вращения магнитного поля двигателя вызвано тем, что при равенстве МДС обмоток возбуждения и управления фазы статора (F = F_e) вращающееся поле в двигателе круговое, а при изменении напряжения U_y равенство нарушается, поле становится эллиптическим и на ротор двигателя действует не только прямой (вращающий), но и обратный (тормозящий) момент (см. раздел 5.5.2). Реверс двигателя при амплитудном управлении достигается изменением фазы t/, Ha 180°.

Относительное значение напряжения управления при амплитудном управлении определяется эффективным коэффициентом сигнала

где  — обмоточные коэффициенты обмоток возбуждения и управления; W_e и w_y — число витков в этих обмотках.

Круговое вращающееся поле статора соответствует «» = !•.

При фазовом управлении напряжение управления имеет постоянную амплитуду , управление двигателем выполняется путем изменением угла фазового сдвига этого напряжения относительно I/, в диапазоне Р = 0-^90° (рис. 5.67,г). Коэффициент сигнала при фазовом управлении а = sin р. При фазовом сдвиге между напряжениями U_у и.

?/, на угол р = 90° вращающееся поле статора круговое и а = 1. Если р < 90°, магнитное поле статора становится эллиптическим, если р — 0 — пульсирующим. Если р < 0, т. е. угол фазового сдвига отрицательный, то двигатель изменяет направление вращения ротора.

При амплитудно-фазовом управлении в цепь обмотки возбуждения ОБ (рис. 5.67,6) включают фазосдвигающий конденсатор С. При изменении значения (амплитуды) напряжения управления и изменяется ток в обмотке управления и возбуждения. Это приводит к изменению как величины, так и фазы напряжения на обмотке возбуждения I/, (рис. 5.67,д). Емкость конденсатора С выбирается такой, чтобы при номинальном напряжении управления V_ноиу и неподвижном роторе (п_г = 0) вращающееся поле в двигателе было круговым. Этому режиму соответствует коэффициент сигнала а — а₀. При других значениях напряжения управления вращающееся поле в двигателе становится эллиптическим. Реверс двигателя осуществляется так же, как и при амплитудном способе управления.

У асинхронных двигателей существует два типа самохода параметрический и технологический. Причина параметрического самохода — неправильный выбор параметров двигателя при его проектировании, а технологического самохода — появление в двигателе дефектов.

Параметрический самоход возникает при снятии управляющего сигнала. Общепромышленные асинхронные двигатели имеют небольшое активное сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора и работают с малым критическим скольжением. Они непригодны в качестве исполнительных двигателей, так как обладают самоходом. Это объясняется тем, что при снятии сигнала управления (отключение обмотки управления) двигатель продолжает работать как однофазный. В этом случае поле статора становится пульсирующим и электромагнитный момент двигателя остается положительным и будет вращать ротор в прежнем направлении с меньшей частотой вращения. В результате при а_е = 0 двигатель самопроизвольно вращается, что недопустимо в системах автоматики. Если в двигателе увеличить активное сопротивление обмотки ротора, то критические скольжения, соответствующие прямому М и обратному М_кробр моментам, возрастут до значений, превышающих единицу, (рис. 5.50). При а_е — 0 и переходе двигателя в однофазный режим электромагнитный момент двигателя становится тормозящим, М_Т

оказывает на ротор тормозящее действие и исключает самоход. Для надёжного устранения самохода активное сопротивление обмотки ротора увеличивают так, чтобы $ > 2. При этом увеличиваются электрические потери мощности в роторе (д/>₂ = /₂Д₂), снижаются КПД двигателя и пусковой момент М_п, уменьшается пусковой ток 1_П. Повышенное сопротивление Я_г двигателя допускает работу двигателя при неподвижном роторе, в режиме короткого замыкания.

Технологический самоход возникает из-за замыканий между частью листов пакета статора, межвитковых замыканий или неодинаковой магнитной проводимости магнитной системы двигателя в различных радиальных направлениях. Качественное изготовление всех элементов двигателя позволяет устранить технологический самоход.

Характеристики асинхронного исполнительного двигателя при амплитудном, фазовом и амплитудно-фазовом управлении. Введем обозначения: пусковой момент при круговом вращающемся магнитном поле М_по относительный момент т — М/М_по; синхронная частота вращения л, = /60/р; относительная частота вращения V = л₂/л,.

Рис. 5.68. Механические характеристики асинхронного исполнительного двигателя при амплитудном (а), фазовом (б), амплитудно-фазовом (в) управлении.

Механические характеристики т = /(v) при а_е = const асинхронных исполнительных двигателей при различных способах управления почти не отличаются друг от друга (рис. 5.68). Все они нелинейны, особенно при больших значениях коэффициента сигнала а. При амплитудно-фазовом управлении в зоне средних значений частоты вращения (v = 0,2−0,8) двигатель развивает больший вращающий момент, чем при амплитудном и фазовом способах управления.

Это объясняется тем, что с ростом частоты вращения v увеличиваются напряжение U_в на обмотке возбуждения (рис. 5.67,6), магнитный поток возбуждения и, следовательно, электромагнитный вращающий момент двигателя.

Частота вращения ротора приближается к синхронной (v «l) только при наибольших значениях коэффициента сигнала (а_е = 1; sin р —1; а/а₀ = 1). С уменьшением коэффициента сигнала а, снижается частота вращения v холостого хода, так как с уменьшением напряжения управления вращающееся поле статора становится все более эллиптическим, увеличивается обратная составляющая этого поля, создающая на роторе тормозной момент. При амплитудно-фазовом управлении даже при значении коэффициента сигнала а/а₀ = 1 частота вращения холостого хода меньше синхронной (v < l). Это вызвано тем, что значение фазосдвигающей емкости С выбирается из условия получения кругового вращающегося поля только при пуске двигателя, т. е. при т = 1, поэтому в режиме холостого хода (т = 0) вращающееся поле двигателя становится эллиптическим.

Пунктиром представлены прямые, которыми можно аппроксимировать механические характеристики двигателя.

Регулировочные характеристики асинхронных исполнительных двигателей при амплитудном v = f{a_e), фазовом V = /(sinр) и амплитудно-фазовом v = f[a/a₀) способах управления нелинейны (рис. 5.69). Для всех способов управления начальные участки регулировочных характеристик при небольшой частоте вращения очень близки к прямолинейным, поэтому асинхронные исполнительные двигатели целесообразно использовать при небольших частотах вращения у = 0,4. При этом исполнительные двигатели рассчитаны на работу от сети переменного тока с частотой 400−500 Гц.

Из регулировочных характеристик следует, что минимальное значение сигнала управления (а_е] эт/?; а/а₀), при котором ротор двигателя с нагрузкой на валу приводится во вращение (напряжение трогания), равно относительному значению электромагнитного момента т .

Зависимости механической мощности от частоты вращения р₂ = /(у) при неизменном коэффициенте сигнала показаны на рис. 5.70.

Рис. 5.69. Регулировочные характеристики асинхронного исполнительного двигателя при амплитудном (а), фазовом (б), амплитудно-фазовом (в) управлении.

Рис. 5.70. Зависимость механической мощности от частоты вращения асинхронного исполнительного двигателя при амплитудном (а), фазовом (б); амплитудно-фазовом (в) управлении

Анализ характеристик показывает: при всех способах управления они нелинейны.

Наибольшее значение механической мощности двигателя соответствует частоте вращения v = 0,52 -з- 0,58. Наибольшую механическую мощность двигатель развивает при амплитудно-фазовом, а наименьшую — при фазовом управлении.

С помощью зависимости р₂ = f{y) можно определить номинальную мощность и частоту вращения асинхронного исполнительного двигателя. За номинальную механическую мощность принимают наибольшее значение мощности при коэффициенте сигнала а_е = 1; sin /3 = 1; а/а₀ = 1, за номинальную частоту вращения принимают частоту вращения, соответствующую номинальной мощности.

Выбор способа управления асинхронным исполнительным двигателем определяется условиями работы автоматической системы и требованиями, предъявляемыми со стороны системы к исполнительному двигателю. Наибольшее практическое применение получил амплитудно-фазовый способ управления с включением фазосдвигающего конденсатора в цепь обмотки возбуждения (рис. 5.67,6). Это объясняется простотой схемы управления и высоким значением коэффициента мощности (cos.