13.4. Синхронные микромашины

13.4.1. Синхронные микромашины, как и обычные синхронные ма­шины, имеют ту особенность, что частота вращения п\ = я₂ жестко свя­зана с частотой сети питания/j. Поэтому синхронные двигатели ис­пользуются в основном в устройствах, где нужно поддерживать постоянную скорость вращения (в часовых и программных механиз­мах, радиоприборах, лентопротяжных механизмах приборов, кинообо­рудовании). Кроме того, синхронные генераторы дают возможность индуцировать ЭДС повышенной частоты и измерять скорость враще­ния вала.

Синхронные микромашины можно классифицировать таким образом:

синхронные микродвигатели с постоянными магнитами;

реактивные двигатели;

индукторные машины;

шаговые двигатели;

синхронные тахогенераторы.

13.4.2. В синхронных микродвигателях ротор имеет постоянные магниты и пусковую короткозамкнутую обмотку типа «беличье коле­со». Пуск такого двигателя осуществляется простым включением в сеть. Во время пуска до входа двигателя в синхронизм машина работает в асинхронном режиме. Ротор создает два момента:

асинхронный;

тормозной.

Обычный асинхронный момент (М_а) создается «беличьей клеткой» (рис. 13.14).

Постоянные магниты на роторе создают тормозной момент. Этот

	момент отсутствует в обычных синхронных двигателях, так как во время пуска обмот­ка возбуждения отключается от источника постоянного тока. Постоянные магниты со­здают тем больший тормозной момент, чем большей является степень возбуждения этих магнитов (рис. 13.15). Момент, кото­рый разгоняет ротор, — результирующий:
На результирующей механической ха­рактеристике появляются провалы, кото­рые ухудшают условия пуска (рис. 13.16). Например, при моменте на валу Mj кри­вая 2 (когда высока степень возбуждения постоянных магнитов) не обеспечивает синхронного вращения вала. И только уменьшение возбуждения дает возмож­ность войти в синхронизм. Двигатели с постоянными магнитами по сравнению с другими типами син­хронных машин имеют более высокие КПД и коэффициент мощности, стабиль­ность скорости вращения. Но они потреб­ляют больший пусковой ток, что имеет значение при работе от полупроводнико­вых преобразователей.

13.4.3. Реактивный синхронный микродвигатель имеет явнополюсный ротор с постоянными магнитами. Магнитная анизотропия приво­дит к возникновению тангенциальной силы, ко­торая ориентирует ротор таким образом, чтобы магнитное сопротивление было минимальным (рис. 13.17). Как и в двигателях других типов, ско­рость вращения ротора равна скорости вращения поля. Магнитная анизотропия ротора может созда­ваться не только формой по­стоянных магнитов. На рис. 13.18 показан ротор реактив­ного синхронного микродви­гателя, который состоит из пакетов листовой электротех­нической стали, разделенных алюминием. Реактивные двигатели имеют небольшой пусковой момент и coscp не более 0,5. Но эти двигатели обладают простой конструкцией, надежнее и дешевле, чем синхронные двигатели с обмоткой возбуждения на ро­торе. Они не нуждаются в источнике питания постоянного тока для об­мотки ротора.

13.4.4. Гистерезисным синхронным микродвигателем называется машина, вращающий момент которой создается благодаря явлению маг­нитного запаздывания при перемагничивании ротора. Статор такого двигателя имеет обычную конструкцию с полюсами, создающими вра­щающееся магнитное поле.

Основным материалом ротора является магнитотвердый ферромаг­нетик. Этот материал имеет очень широкую петлю гистерезиса.

Под действием магнитного поля статора ротор намагничивается, но из-за явления гистерезиса ось намагничивания отстает от оси враща­ющегося магнитного поля. Благодаря углу несогласования и возникает гистерезиеный момент. Если момент сопротивления на валу будет боль­ше гистерезисного, то двигатель не будет работать в синхронном режи­ме. Чем шире петля гистерезиса, тем больше гистерезиеный момент.

Преимущества гистерезисных микродвигателей — это простота кон­струкции и надежность в работе, высокий КПД (55...65%), малый пус­ковой ток. Но стоимость машины значительно повышается из-за доро­гих ферромагнетиков. Коэффициент мощности гистерезисных микродвигателей не превышает 0,5.

13.4.5. В электрических машинах наблюдается явление зубчатых ко­лебаний, т. е. неустойчивость значений электрических величин (тока, напряжения, ЭДС) вследствие того, что ротор барабанного типа выпол­нен зубчатым. Это, конечно, нежелательное явление. Но в индуктор­ных машинах специальная конструкция ротора дает возможность ге­нерировать ЭДС повышенной частоты.

Статор индукторного синхронного генератора имеет обмотку воз­буждения и обмотку якоря, в которой индуцируется переменная ЭДС. Ротор выполняется без обмотки с большим количеством зубцов. Он вра­щается внешней силой, и из-за наличия зубцов поток обмотки возбуж­дения превращается в пульсирующий. Этот поток пронизывает обмот­ку якоря и наводит ЭДС, частота которой полностью определяется скоростью вращения ротора и количеством зубцов

где /j — частота ЭДС генератора;

z₂ — количество зубцов ротора;

п₂ — скорость вращения ротора.

Индукторные генераторы имеют низкий КПД (до 0,5) из-за больших дополнительных потерь в стали, связанных с высокой частотой перемагничивания.

13.4.6. Шаговые синхронные двигатели дают возможность преоб­разовывать импульсы электрической величины в пульсирующее дви­жение ротора.

Статор шагового двигателя имеет явные полюсы с обмотками управления. Ротор бывает нескольких типов. Достаточно распростра­нен ротор с постоянными магнитами.

На обмотки управления подают импульсы напряжения от коммута­тора. Обмотки создают поле, которое скачками изменяет свою ориента­цию по отношению к импульсам источника. Ротор ориентируется син­хронным моментом в соответствии с полем статора также скачками.

Шаговые синхронные микродвигатели распространены в цифровой вычислительной технике и приборах управления.

13.5. Информационные микромашины

13.5.1. Информационные электрические микромашины предназна­чены для преобразования угла поворота, угловой скорости или ускоре­ния в электрический сигнал.

К информационным микромашинам можно отнести:

поворотные трансформаторы;

сельсины.

13.5.2. Поворотные трансформаторы относятся к электрическим машинам переменного тока. Поворотные трансформаторы изготовля­ются для частоты тока 400 Гц и выше.

Поворотный трансформатор — это такая машина, которая преобразует угол поворота вала в напряжение, пропорциональное этому углу либо его функции (косинусу или синусу).

Поворотные трансформаторы распространены в автоматических и вы­числительных устройствах, в системах автоматического регулирования для измерения рассогласования. Они также используются в устройствах для решения геометрических и тригонометрических задач, связанных с построением треугольников, преобразованием координат и т. п.

Конструкция поворотных трансформаторов позволяет использовать несколько схем их включения. В зависимости от схемы включения раз­личаются несколько режимов работы поворотных трансформаторов:

а) синусно-косинусные поворотные трансформаторы обеспечивают напряжение, на одной выходной обмотке пропорциональное синусу, а на другой — пропорциональное косинусу угла поворота;

б) линейный поворотный трансформатор обеспечивает выходное на­пряжение, пропорциональное углу поворота вала;

в) построитель — это поворотный трансформатор, на две вход­ные обмотки которого подаются сигналы, пропорциональные состав­ляющим вектора в прямоугольных координатах, а на выходе снимают­ся напряжение и угол, которые характеризуют его модуль и аргумент;

г) масштабные поворотные трансформаторы на выходе выдают напряжение, пропорциональное входному, а коэффициент пропорцио­нальности определяется углом поворота.

13.5.3. По конструкции скользящего контакта поворотные трансфор­маторы могут быть:

контактные;

бесконтактные.

Контактные поворотные трансформаторы имеют контактные коль­ца на роторе, аналогичные кольцам асинхронного двигателя с фазным ротором. В бесконтактных поворотных трансформаторах напряжение с обмоток ротора снимается либо с помощью спиральных пружин, либо магнитной связью.

Поворотный трансформатор состоит из двух частей:

статора;

ротора.

Статор имеет сердечник из материала, обладающего малым магнит­ным сопротивлением (или шихтованный сердечник из электротехни­ческой стали либо из пермаллоя). Статор имеет две взаимноперпенди-кулярные обмотки.

Ротор также имеет ферромагнитный сердечник и две взаимноперпендикулярные обмотки (рис. 13.19). 13.5.4. В любом случае обмотка возбуждения стато­ра В включается в сеть переменного тока и индуцирует в машине магнитный поток. Этот поток, в свою очередь, индуцирует ЭДС в обмотках ротора. Частота этой ЭДС равна частоте тока в сети, а действующее значение зави­сит от расположения ротора относительно статора. Если использовать как рабочую обмотку S ротора (синусную), то ЭДС этой обмотки будет пропорцио­нальна синусу угла поворота вала. Такой поворотный трансформатор называется синусным.

Если за рабочую взять обмотку С ротора (косинусную), то ЭДС этой обмотки будет пропорциональна косинусу угла поворота вала. Это — косинусный поворотный трансформатор.

При использовании обоих обмоток ротора (в пределах коэффициен­та трансформации k = 0,52...0,56) можно получить линейную зависи­мость выходного напряжения от угла поворота вала. Такой поворот­ный трансформатор называется линейным.

13.5.5. В обмотках ротора поворотного трансформатора протекает ток, т. е. имеет место явление реакции ротора. Компенсация этой реак­ции называется симметрированием поворотного трансформатора. Сим­метрирование дает возможность значительно уменьшить погрешности трансформатора.

Симметрирование бывает: первичное (со стороны статора); вторичное (со стороны ротора). Первичное симметрирование состоит в том, что обмотка статора К (компенсаци­онная) включается на сопротивление ZK или накоротко. Нагрузка включается на одну обмотку ротора (синусную или коси­нусную), рис. 13.20.
	При вторичном симметрировании (на­пример, линейного поворотного трансфор­матора) компенсационная обмотка и обмотка синуса соединяются последовательно _ и включается на нагрузку Zj. Напряжение на этом сопротивлении является выходным на­пряжением трансформатора. Сопротивление нагрузки косинусной обмотки Z2 подбирает­ся из условия постоянного выходного сопро­тивления. Схема линейного поворотного трансформатора с вторичным симметриро­ванием приведена на рис. 13.21.

13.5.6. Трансформатор-построитель используют для определения гипотенузы прямоугольного треугольника по двум кате­там, для преобразования координат из пря­моугольной системы в полярную и др.

Масштабные поворотные трансформа­торы применяют для согласования масшта­бов отдельных узлов схем.

13.5.7. Электрические микромашины син­хронной связи называются сельсинами. Сельсины обеспечивают синхронный и синфазный поворот или враще­ние двух или нескольких осей, не связанных механически между со­бой. В простейшем случае синхронная связь осуществляется с помо­щью двух сельсинов, связанных между собой электрически.

Сельсин, механически соединенный с ведущей осью, называется дат­чиком. Второй сельсин соединяется с ведомой осью и называется приемником.

При повороте ротора сельсина-датчика на угол 0_Д ротор сельсина-приемника должен повернуться на такой же угол 9_П, т. е. система стре­мится ликвидировать рассогласование между положением роторов дат­чика и приемника, которое характеризуется углом рассогласования 9 = = 9_Д - 6_П. В идеальном случае система обеспечивает 9 —> 0.

Системы синхронной связи обеспечивают:

синхронность поворота (передача угла);

синхронность вращения (электрический вал). •

Различают два режима работы сельсинов:

индикаторный;

трансформаторный.

В индикаторном режиме сельсин-датчик задает угол поворота. У сельсина-приемника нет момента сопротивления на валу, он имеет обыч­но только индикаторную стрелку. Между сельсинами есть лишь электри­ческая связь. Стрелка отклоняется на угол, отвечающий углу 9_Д

В трансформаторном режиме на вал сельсина-приемника действу­ет момент сопротивления, т. е. ротор приемника поворачивает какой-то механизм. В этом случае сигнал рассогласования усиливается и подает­ся на исполнительный механизм.

13.5.8. Сельсины по количеству фаз бывают: однофазные;

трехфазные.

По конструкции контактов сельсины разделяются на две группы:

контактные;

бесконтактные.

Работа контактных сельсинов в системах синхронной связи принци­пиально не отличается от работы бесконтактных сельсинов.

Устройство сельсина напоминает конструкцию асинхронного дви­гателя с фазным ротором.

Сельсин имеет:

статор;

ротор.

Две обмотки (возбуждения и синхронизации) могут располагаться как на статоре, так и на роторе. Обмотка возбуждения всегда включает­ся в сеть переменного тока и создает пульсирующий магнитный поток. Обмотку синхронизации всегда выполняют из трех катушек, соединен­ных звездой. Если обмотка возбуждения расположена на роторе, то сель­син имеет два контактных кольца. Если на роторе находится обмотке синхронизации, то у сельсина три контактных кольца.

Некоторые сельсины имеют короткозамкнутую демпферную обмот­ку или механические демпферы.

13.5.9. При индикаторном режиме работы на валу приемника по­чти нет момента сопротивления. Для поворота ротора приемника ну­жен незначительный вращающий момент.

Обмотки возбуждения датчика и приемника включаются в сеть пе­ременного тока (рис. 13.22). Обмотки синхронизации соединены меж­ду собой линией связи ЛС.

Пульсирующие пото­ки, создаваемые обмотка­ми возбуждения, индуци­руют в обмотках синхро­низации ЭДС. Если угол рассогласования, не равен нулю, то в обмот­ках протекает ток, который создает в машинах синхро­низирующие моменты.

Вал датчика заторможен, поэтому синхронизирующий момент по­ворачивает вал приемника на тот же угол

Иногда угловую величину нужно передать на расстояние в несколь­ко мест. Это случается, когда установлено несколько пультов управле­ния или наблюдения. В таком случае к одному сельсину-датчику под­ключают несколько сельсинов-приемников (рис. 13.23).

В трансформаторном режиме обмотка возбуждения приемника индуцирует ЭДС соответственно углу рассогласования (рис. 13.24). Этот сигнал через усилитель Ус подается на обмотку управления исполни­тельного двигателя ИД, который поворачивает также ось приемника. Когда рассогласование ликвидируется, выходное напряжение становится равным нулю и ось остановится.

13.5.10. Трехфазные сельсины представляют собой обычные асин­хронные двигатели с фазным ротором. Обмотки статора включаются в общую трехфазную сеть переменного тока. Обмотки ротора через кон­тактные кольца соединяются линией связи.

На рис. 13.25 приведена схема, которая называется электрическим валом. Такая схема трехфазных сельсинов дает возможность стабили­зировать вращение двух исполнительных механизмов (ИМ\ и ИМ2). Исполнительные механизмы работают от асинхронных двигателей АД\ яАД1. На одном валу с ними расположены сельсины С] и С2, соединен­ные между собой линией связи. При синхронном вращении ток в линии связи отсутствует. При несогласовании в сельсинах возникают синхро­низирующие моменты. Один момент повышает скорость отстающего механизма, а второй тормозит механизм, работающий с опережением. Постепенно система приближается к согласованию.

13.5.11.С ельсины применяются в системах синхронной связи для устройств автоматики, телемеханики, измерительной техники и др. Электрические микромашины широко используются также для преоб­разования величины и вида напряжения, частоты тока. Электромашин­ные усилители с помощью сигнала малой мощности управляют боль­шой мощностью выходного сигнала. Электрические микромашины применяются довольно широко в различных областях техники.