Контрольные вопросы

1. Почему магнитный усилитель выполняется на двух сердечниках? Как правильно соединить его рабочие обмотки?

2. Почему при изменении тока управления изменяется ток нагрузки?

3. Пояснить основной закон магнитного усилителя.

4. Какой физический смысл имеют режимы холостого хода и короткого замыкания? От чего зависит кратность регулирования?

5. Объяснить влияние обратной связи на коэффициенты усиления.

6. Объяснить вид регулировочной характеристики МУС.

7. Объяснить работу МУС при положительных токах управления.

Библиографический список

1. Миловзоров В.П. Электромагнитные устройства автоматики: Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1983. 408 с.

2. Подлипенский B.C., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматики/Под ред. Ю. А. Сабинина. СПб.: Политехника, 1995.

3. Преображенский А.А., Шамрай Б.В. Электромагнитные устройства информационно-измерительной техники: Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1982. 264 с.

Лабораторная работа №4 исследование конденсаторного асинхронного двигателя

1. Цель работы

Изучение принципа действия и исследование основных характеристик конденсаторного асинхронного двигателя.

2. Краткие теоретические сведения

Электрическая машина переменного тока состоит из неподвижной части - статора и вращающейся - ротора. В таких машинах обмотки размещаются в пазах на внешней поверхности ротора и на внутренней поверхности статора. Проводники обмоток соединяются в секции, а последние - в катушки.

Принцип действия электрических машин переменного тока основан на получении вращающегося магнитного поля, частота вращения которого определяется частотой питающей сети f и числом пар полюсов машины p:

.

Асинхронной называют такую машину переменного тока, у которой частота вращения ротора n₂ отличается от частоты вращения поля и изменяется в зависимости от нагрузочного момента. Асинхронные машины применяют, в основном, как двигатели в двух исполнениях:

1. с короткозамкнутым (так называемой беличьей клеткой) ротором;

2. с фазным (с контактными кольцами) ротором.

В настоящее время широкое распространение получили асинхронные микромашины мощностью от долей ватта до 500 Вт с различной частотой вращения. По конструкции их делят на:

1) трехфазные двигатели с короткозамкнутым и массивным ротором;

2) однофазные двигатели с конденсаторным пуском и с расщепленными или экранированными полюсами;

3) двухфазные исполнительные двигатели с короткозамкнутым и полым немагнитным ротором.

В лабораторной работе исследуется асинхронный конденсаторный двигатель, схема включения которого представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1

В пазах статора такого двигателя укладываются две взаимно перпендикулярные обмотки с числом витков и , каждая из которых занимает одинаковое число пазов.

Последовательно с одной из обмоток, например , постоянно включен конденсатор С_р, обеспечивающий фазовый сдвиг тока по отношению к фазе тока другой обмотки. Питание обмоток осуществляют от сети переменного тока. При изучении такого двигателя он рассматривается как двухфазный, хотя и питается от однофазной сети.

Как известно[1], для получения вращающегося магнитного поля необходимо, чтобы обмотки в машине создавали несколько магнитных потоков (минимум два), сдвинутых в пространстве и во времени. При включении в цепь обмотки конденсатора С_р токи в обмотках и будут сдвинуты по фазе на угол :

,

,

где и - действующие значения токов в соответствующих обмотках.

Токи и , протекая по обмоткам и , создают пульсирующие магнитодвижущие силы (МДС) и , закон изменения которых в пространстве (х - расстояние вдоль зазора рассматриваемой точки относительно середины полюса) и во времени для случая можно записать в следующем виде:

, ,

причем и определяются как

, ,

где - полюсный шаг, а и - обмоточные коэффициенты. Выражение для основной пространственной гармоники МДС имеет вид:

.

Из последнего выражения следует, что пульсирующая синусоидально во времени и пространственно распределенная основная гармоника МДС разлагается на две, бегущие в разные стороны основные гармоники с половинной амплитудой:

• бегущая по направлению вращения ротора волна:

;

• обратно бегущая волна:

.

Результирующая МДС двухфазной обмотки будет равна сумме составляющих пульсирующих МДС каждой обмотки:

.

Круговое вращающееся поле двухфазной обмотки будет иметь место только при выполнении следующих условий:

1) пространственный сдвиг осей обмоток равен 90 электрических градусов;

2) фазовый сдвиг токов в обмотках и ;

3) равенство амплитудных значений МДС и , и соответственно магнитных потоков: .

Поле в машине имеет одну составляющую, вращающуюся в пространстве с частотой .

Для изменения направления вращения поля на обратное достаточно поменять фазу тока в одной из обмоток на 180 градусов.

Если теперь в расточку статора поместить ротор с обмотками, то вращающееся магнитное поле статора, пересекая проводники последней, будет наводить в ней э.д.с_.. . В короткозамкнутой обмотке ротора будут протекать токи , взаимодействие которых с магнитным полем статора создаст силу на роторе, и последний придет во вращение, развивая вращающий момент . При этом направление вращения ротора совпадает с направлением вращения поля статора. Значение э.д.с. , индуцируемой в обмотке ротора, и ее частота зависят от частоты пересечения вращающимся полем проводников обмотки ротора, т.е. от разности частот вращения магнитного поля (синхронная частота) и ротора . Следовательно, ротор вращается несинхронно с полем статора, и такая машина называется асинхронной. Частоту вращения ротора относительно поля статора выражают скольжением

.

Вращающий момент двигателя зависит от скольжения, и эта зависимость определяет механическую характеристику двигателя:

,

где - число фаз статора, - приведений ток ротора, - приведенное активное сопротивление ротора, - синхронная угловая скорость.

Электромагнитная мощность асинхронной машины:

.

Механическая мощность на валу:

.

Мощность потерь:

.

Следовательно,

.

Это означает, что при регулировании частоты вращения асинхронного двигателя в сторону уменьшения мощность на валу Р₂ уменьшается в раз, т. е. регулирование частоты вращения дается ценой уменьшения мощности на валу двигателя.

Асинхронная машина может работать в нескольких режимах. В двигательном режиме ротор вращается по направлению вращения поля статора, причем . При этом скольжение изменяется от 1 до 0. Мощность на валу . Таким образом, в двигательном режиме асинхронная машина потребляет из сети электрическую мощность и отдает механическую на валу.

Генераторный режим будет иметь место, когда ротор с помощью какого-либо первичного двигателя разовьёт частоту вращения . При этом скольжение , т.е. поток статора будет вращаться относительно ротора в противоположном направлении, а э.д.с. и ток в обмотке ротора меняют свое направление на противоположное. Электромагнитный момент становится тормозным. В этом режиме машина потребляет механическую энергию от первичного двигателя и выдает в сеть электрическую.

Режим электромагнитного торможения возникает тогда, когда ротор машины с помощью первичного двигателя будет вращаться встречно направлению вращения поля статора. При этом скольжение , а . В данном режиме машина потребляет механическую энергию от первичного двигателя и электрическую из сети, развивая на валу тормозной момент.

Частота индуцируемой э.д.с. в обмотке ротора определяется частотой вращения кругового поля относительно ротора:

.

Следовательно, при пуске асинхронного двигателя частота э.д.с. обмотки ротора меняется от f₁ при до при . Обычно при номинальной нагрузке двигателя средней и большой мощностей , в двигателях малой мощности .

Для конденсаторного асинхронного двигателя емкость рабочего конденсатора С_р выбирается таким образом, чтобы при номинальном режиме магнитное поле статора было круговым. Во всех других случаях поле в машине отлично от кругового. Так, если изменилось напряжение питания одной из обмоток ( ), при соблюдении эл. градусов и градусов результирующее поле двухфазной обмотки можно выразить следующим равенством:

.

Результирующее поле имеет две составляющие - правобегущую и левобегущую с разными амплитудами. Конец вектора магнитного потока описывает не окружность, а эллипс. Круговое поле, вращающееся в одном направлении с эллиптическим, называют прямым, соответственно, другое поле – обратным.

Прямое поле создает вращающий момент двигателя , а обратное тормозной .

Скольжение ротора относительно обратного поля:

.

Момент двигателя от действия обратного поля

.

Результирующий вращающий момент двигателя равен разности моментов от прямого и обратного полей:

.

Появление обратного поля, создающего тормозной момент, ухудшает энергетические показатели двигателя, но улучшает регулировочные свойства.

Определим емкость рабочего конденсатора С_р. Круговое поле в двигателе создается при равенстве МДС и , и сдвиге этих МДС на 90 градусов в пространстве и во времени, т. е.

или .

В результате имеем:

,

где K - коэффициент трансформации для обмоток статора двигателя.

Последнее равенство выполняется тогда, когда напряжения и сдвинуты по фазе на 90°, а приведенное к числу витков напряжение равняется , т.е.

.

П остроим векторную диаграмму конденсаторного двигателя при круговом поле (рис.2.2). Для этого используем уравнения токов и напряжений , пренебрегая потерями в конденсаторе. Из векторной диаграммы определим:

.

С другой стороны

.

Рис. 2.2 Отсюда

.

Коэффициент трансформации:

.

При изменении нагрузки двигателя токи , и углы и меняются. Вращающееся поле становится эллиптическим.

При выборе конденсатора необходимо учитывать, что напряжение на нем

,

может быть выше напряжения сети U.

При пуске двигателя с включенным конденсатором С_р поле принимает эллиптическую форму, и пусковой момент составят до 30% от . С целью улучшения пусковых характеристик конденсаторного двигателя параллельно с конденсатором С_р на период пуска включают пусковой конденсатор С_n (рис.2.1). Емкость этого конденсатора рассчитывают исходя из условия получения достаточного пускового момента . По окончании пуска двигателя конденсатор С_п отключают, и двигатель работает только с конденсатором С_р. Для конденсаторного двигателя коэффициент мощности , а КПД достигает .

В системах автоматики применяются два вида асинхронных двигателей малой мощности: силовые и управляемые. Исследуемый в данной работе двигатель относится к силовым. Управляемые двигатели конструктивно мало отличаются от силовых и выпускаются в двух основных конструктивных вариантах:

1. с короткозамкнутым ротором типа "беличья клетка" с повышенным активным сопротивлением,

2. с ротором в виде полого немагнитного стакана, имеющего повышенное сопротивление.

Возможны амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый способы управления асинхронными двигателями.

При амплитудном управлении обмотку возбуждения (обмотку В на рис.2.1) подключают к сети с номинальным напряжением, а на обмотку управления (обмотку А) подают напряжение , сдвинутое по фазе относительно на 90 градусов. Управление частотой вращения ротора осуществляют изменением амплитуды U_y при неизменной его фазе.

При фазовом управлении на обмотку управления подают напряжение, номинальное по величине и переменное по фазе. Обмотку возбуждения подключают, как и при амплитудном управлении, к сети. Управление частотой вращения осуществляют изменением фазы напряжения U_у.

Амплитудно-фазовое управление осуществляется тем, что напряжение изменяется как по амплитуде, так и по фазе и реализуется одновременным изменением амплитуды и фазы при или последовательным включением в цепь конденсатора и изменением по амплитуде напряжения . В последнем случае происходит также изменение как по амплитуде, так и по фазе.

В большинстве случаев используют амплитудное управление двигателем. Два других способа управления из-за относительной сложности применяются редко.

К основным характеристикам асинхронных двигателей относят механические, регулировочные и рабочие характеристики.

Механическая характеристика есть зависимость при и .

Регулировочная характеристика определяет зависимость между частотой вращения и напряжением на управляющей обмотке, т.е. при и . Для исполнительных двигателей регулировочная характеристика должна быть линейной.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют зависимости момента M, частоты вращения ротора п₂, коэффициента полезного действия , токов и I_у от полезной мощности на валу двигателя Р₂ при и .