Электроприводы переменного тока

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 U_y и U_B 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 U_y и U_B 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 осуществляют путем 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 к_о.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.