В следящих приводах переменного тока в качестве ИД, как правило, используют асинхронные двухфазные двигатели (АДД). Достоинством ИД переменного тока является простота конструкции, а следовательно, и изготовления, а также долговечность. Срок службы двигателей переменного тока из-за отсутствия коллекторного узла по существу зависит от работы подшипников.
Конструктивно АДД состоит из статора и ротора. Статор АДД выполняется в виде пакета изолированных листов электротехнической стали. В пазы статора уложены две обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на 90°. Одна из обмоток называется обмоткой возбуждения, а другая — обмоткой управления.
Ротор АДД, как правило, выполняется в виде полого немагнитного стакана из сплавов алюминия (двигатели ДИД, ДГ) или беличьего колеса (двигателя ДКМ, ДКИ и др). В первом случае внутри стакана располагается магнитопровод (внутренний статор). Он служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути рабочего магнитного потока, проходящего через воздушный зазор, в котором вращается полый ротор.
Обмотка короткозамкнутого ротора (беличье колесо) представляет собой цилиндрическую клетку из медных или латунных стержней, расположенных в пазах сердечника ротора. Торцы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же металла, что и стержни, Сердечник ротора, собранный из листов стали, насажен на вал АДД. Часто короткозамкнутая обмотка изготовляется посредством заливки пазов сердечника ротора расплавленным алюминием. Полый ротор можно рассматривать как короткозамкнутую клетку с бесконечным числом стержней, расположенных друг от друга на бесконечно малом расстоянии.
АДД с полым ротором имеют малый момент инерции ротора, плавный и бесшумный ход.
Основными недостатками АДД с полым ротором являются:
- большой воздушный зазор между внешним и внутренним статором (0,5 ... 1,5 мм) и, следовательно, большой ток намагничивания;
- невысокая механическая прочность ротора. При больших нагрузках и вибрациях тонкостенный стакан деформируется и может заклинься.
АДД с короткозамкнутым ротором имеют значительно меньший воздушный зазор (до 0,15 мм) и, следовательно, меньший намагничивающий ток. Это позволяет уменьшить габаритные размеры такого двигателя по сравнению с двигателем с полым ротором той же мощности. Один из основных недостатков АДД с короткозамкнутым ротором — сравнительно больший момент инерции ротора.
В силовых следящих приводах переменного тока применяются главным образом АДЦ с короткозамкнутым ротором, а в маломощных приборных следящих приводах - АДД с полым ротором.
Принцип действия АДЦ, как известно, основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, которые являются результатом наведения ЭДС в роторной обмотке (стержнях беличьего колеса, теле полого цилиндра) от вращающегося магнитного поля. Для реверсирования АДЦ достаточно изменить направление вращения магнитного поля, что достигается изменением на 180° фазы напряжения на одной из обмоток АДД.
Режимы работы АДЦ можно разделить на:
— симметричные, при которых имеет место круговое вращающееся магнитное поле. Для создания кругового магнитного поля нужно, чтобы МДС обеих обмоток были одинаковы и сдвинуты на угол ±90°;
— несимметричные, отличающиеся тем, что вращающееся магнитное поле не круговое (часто эллиптическое).
Несимметрия режима объясняется:
— несимметрией обмоток возбуждения и управления при одинаковых напряжениях Uy и UB и сдвиге фаз между ними = ± 90 электрических градусов;
— сдвигом фаз между напряжениями на обмотках управления и возбуждения, отличающимися от ± π/2;
— различием действующих значений напряжений Uy и UB вследствие того, что напряжение на обмотку возбуждения может подаваться от трансформатора, а на обмотку управления — от усилителя и изменяться по величине;
— тем, что обмотка возбуждения может питаться через фазосдвигающий конденсатор.
Управление угловой скоростью АДЦ может производиться следующими основными способами: амплитудным, фазовым и конденсаторным реализующими несимметричные режимы работы АДЦ. Симметричные режимы работы АДД обеспечиваются амплитудно-частотным, частотно-токовым и релейным способами управления.
При амплитудном управлении напряжения на обмотке возбуждения постоянно, сдвиг фаз между напряжениями на обмотках АДЦ также постоянен и равен ±π/2. Изменение степени эллиптичности магнитного поля и, следовательно, регулирование скорости АДЦ осуществляютпутем изменения амплитуды напряжения на обмотке управления. Так, если АДЦ имеет одинаковые обмотки, то при равенстве напряжений на этих обмотках получается круговое магнитное поле и ротор при нулевом моменте нагрузки вращается с синхронной скоростью
(3.10)
где f — частота напряжения питания; р — число пар полюсов АДЦ.
При уменьшении амплитуды напряжения на обмотке управления увеличивается степень эллиптичности магнитного поля. Эллиптическое магнитное поле можно представить в виде суммы двух круговых полей, вращающихся с одинаковой угловой скоростью, но в разных направлениях. Одно из этих полей, направление вращения которого совпадает с направлением вращения эллиптического магнитного поля АДЦ, называется прямым полем, или полем прямой последовательности. Прямое магнитное поле создает движущий момент на валу АДД. Другое поле, называемое обратным, или полем обратной последовательности, создает тормозной момент. При эллиптическом поле АДЦ и нулевом моменте нагрузки ротор вращается с угловой скоростью, при которой тормозной момент обратного поля уравновешивается движущим моментом прямого поля, т.е. с угловой скоростью, которая меньше угловой скорости прямого поля (меньше синхронной угловой скорости). При нулевом напряжении на обмотке управления вращающееся поле вырождается в пульсирующее, которое можно представить в виде суммы двух равных по величине круговых полей, вращающихся в разных направлениях. Моменты, создаваемые этими полями, при неподвижном роторе равны по величине и противоположны по направлению. Поэтому при нулевом напряжении на обмотке управления угловая скорость двигателя равна нулю. Реверсирование АЦЦ осуществляют изменением на 180° фазы напряжения на обмотке управления.
При фазовом управлении АДЦ величина напряжений на обмотках возбуждения и управления постоянна. Регулирование угловой скорости осуществляют путем изменения сдвига фаз между напряжениями на этих обмотках. При нулевом сдвиге фаз имеет место пульсирующее магнитное поле и поэтому угловая скорость АДЦ равна нулю.
При конденсаторном управлении АДЦ сдвиг фаз между напряжениями на обмотках возбуждения и управления осуществляют включением последовательно с обмоткой возбуждения конденсатора, а угловую скорость регулируют изменением амплитуды напряжения на обмотке управления. Конденсаторное управление отличается от амплитудного тем, что амплитуда и фаза напряжения на обмотке возбуждения при изменении угловой скорости АДЦ не остаются постоянными вследствие изменения падения напряжения на конденсаторе.
При амплитудно-частотном управлении АДЦ управляющий сигнал в следящем приводе приводит к одновременному изменению частоты и амплитуды напряжений на обеих обмотках двигателя по определенным законам. Техническая реализация этого способа управления сложна и связана, как правило, с применением ключевых полупроводниковых Усилителей мощности, а в настоящее время и с применением микропроцессоров.
Частотно-токовый способ управления двигателями переменного тока получил распространение в промышленности в последние десятилетия. При таком способе управления в обмотки ИД задаются токи, мгновенные значения которых определяются входным сигналом (требуемым моментом на валу ИД) и угловым положением ротора ИД и при этом отвечают требованиям к мгновенным значениям токов много- фазной симметричной системы. При этом механические характеристики ИД абсолютно мягкие (моментное управление), как у системы У-ИД постоянного тока с параметрическим управлением ИД при ко.с = о. Усилительные устройства при частотно-токовом управлении ИД достаточно сложные.
При использовании АДЦ в релейных приводах к источникам переменных напряжений, сдвинутых по отношению друг к другу на угол 90°, подключаются одновременно обе обмотки АДД или отключаются от них.
В следящих приводах небольшой мощности применяют главным образом амплитудный, конденсаторный и релейный способы управления. В мощных следящих приводах наиболее выгодны энергетически амплитудно-частотный и частотно-токовый способы управления.