Однофазные двигатели 3 страница

Кроме указанных режимов работы существуют переходные режимы - пуск, ускорение, замедление, реверс. В этих режимах также недопустима потеря шагов.

Пуск ШД обычно осуществляется из фиксированного неподвижного состояния путем скачкообразного увеличения частоты коммутации. Пусковые свойства двигателей характеризуются частотой приёмистости, т.е. максимальной частотой коммутации, при которой возможен пуск без выпадения из синхронизма (без потери шагов). Частота приёмистости возрастает с увеличением максимального момента, уменьшением шага, снижением постоянной времени обмоток, величины нагрузки и момента инерции, приведённого к валу ротора.

Торможение ротора осуществляется скачкообразным прекращением коммутации. Предельная частота торможения, при которой ротор останавливается без потери шагов, как правило, выше частоты приёмистости.

Реверс осуществляется скачкообразным изменением алгоритма коммутации. Предельная частота реверса всегда меньше частоты приёмистости.

Основными характеристиками, определяющими свойства ШД как электромеханического преобразователя, являются рабочие динамические характеристики. К ним относятся предельная механическая характеристика и зависимость частоты приёмистости от момента нагрузки. Предельная механическая характеристика – это зависимость тактовой частоты коммутации или, что то же самое, средней скорости вращения ротора, от момента нагрузки на валу, при котором ротор ШД выпадает из синхронизма. Под частотой приемистости понимают максимальную частоту тактовых импульсов, при которой возможен пуск ШД из неподвижного состояния без потери шага. Различие этих двух характеристик заключается в том, что первая из них соответствует выходу из синхронизма в режиме вращения ротора, а вторая – при пуске. Поэтому отличие характеристик чисто количественное. На рис. 3 сплошными линиями показан ряд механических характеристик ШД. Они имеют вид горизонтальных отрезков. У синхронных двигателей с круговым вращающимся полем эти отрезки ограничены максимальным синхронизирующим моментом , а у ШД в квазистатическом режиме они ограничены моментом нагрузки в соответствии с выражением (1) или пусковым моментом .

В установившемся режиме с частотами коммутации выше предельной частоты квазистатического режима выход из синхронизма наступает при меньших моментах нагрузки вплоть до нулевого при частоте коммутации , когда работа ШД становится вообще невозможной (линия 1 рис. 3). Однако на практике предельная частота коммутации может быть существенно выше вследствие влияния явления механического резонанса. При этом максимальный момент нагрузки на некоторых частотах может превышать значение, соответствующее статическому режиму. В целом предельная механическая характеристика с учетом резонансных явлений имеет вид кривой 2 на рис. 3.

Шаговые двигатели находят широкое применение в маломощном приводе систем автоматического управления станков, роботов и манипуляторов, в телемеханике и вычислительной технике.

Устройство и принцип действия

Электрические машины постоянного тока широко применяются в промышленности и быту. Электродвигатели постоянного тока являются основой для создания автоматизированных систем приборного электропривода, приводов роботов и оптических систем. В качестве источников электроэнергии для них используются различные полупроводниковые преобразователи, позволяющие получить уникальные параметры автоматических систем управления. Машины постоянного тока, как и любые другие электромеханические преобразователи могут работать в двигательном и генераторном режимах. Однако с развитием силовой электроники использование генераторов постоянного тока стало в большинстве случаев нецелесообразным, поэтому основное внимание в этом разделе будет уделено двигателям.

На рисунке 1 показан общий вид двигателя постоянного тока (а) и его конструктивная схема (б).

Корпус 1 является основной конструктивной единицей и соединяет воедино все элементы машины, но кроме этого он служит также магнитопроводом для основного магнитного потока. Вал якоря 2 установлен в корпусе подшипниках. На валу закреплен цилиндр, в виде пакета листов электротехнической стали, в котором сделаны пазы. В эти пазы уложена обмотка якоря. На схеме она показана в сечении в виде отдельных проводников. С внешней электрической цепью обмотка якоря соединяется с помощью коллектора 3 и скользящих по нему щеток 4. Внутри корпуса расположены главные 5 и дополнительные 6 полюсы двигателя. На главных полюсах установлена обмотка 8, называемая обмоткой возбуждения. Она подключается к источнику постоянного тока и служит для создания основного магнитного поля двигателя. В машинах малой мощности вместо обмотки возбуждения часто используют постоянные магниты. На дополнительных полюсах также расположена обмотка, которая включена последовательно в электрическую цепь якоря 7. В машинах малой мощности дополнительные полюсы обычно не устанавливают.

Принцип действия двигателя постоянного тока рассмотрим на примере витка провода, расположенного в магнитном поле (рис. 2). Концы витка подключены к кольцу, разделенному на две части, по которому скользят щетки. Если щетки подключить к источнику постоянного тока, то в витке будет протекать электрический ток и в результате взаимодействия тока с внешним магнитным полем возникнет электромагнитная сила и соответствующий вращающий момент . Под действие этого момента виток придет во вращение и в тот момент, когда плоскость витка займет горизонтальное положение верхнее полукольцо перейдет на нижнюю щетку, а нижнее – на верхнюю. Ток в верхнем и нижнем проводниках изменит свое направление, но в зоне северного полюса ток в любом проводнике будет направлен от щетки, а в зоне южного полюса – в направлении щетки. При этом направление действия сил, момента и направление вращения будут сохраняться.

Важнейшим элементом двигателя постоянного тока является разрезанное кольцо, называемое коллектором. Количество его пластин в реальных машинах существенно больше, чем в рассмотренной модели, однако функции те же – обеспечение электрического соединения обмотки вращающегося якоря с неподвижными элементами внешней электрической цепи и синхронное изменение направления тока в элементах обмотки. В результате переключения проводников витка ток в каждом из них меняет свое направление каждые пол-оборота, т.е. коллектор преобразует постоянный ток во внешней цепи якоря в переменный ток обмотки якоря, причем частота этого тока строго соответствует угловой частоте вращения . В терминах преобразовательной техники коллектор является инвертором, ведомым частотой ротора.

Вращение витка в магнитном поле приводит к появлению в нем ЭДС индукции . Она направлена встречно по отношению к току в проводниках и к приложенному напряжению питания и поэтому называется противо-ЭДС.

Очевидно, что увеличение вращающего момента можно получить, заменив рамку из одного витка несколькими витками, т.е. катушкой или секцией. Затем можно увеличить число таких секций, расположив их равномерно по окружности якоря и соединив между собой последовательно, чтобы в них протекал одинаковый ток. При этом переключать секции нужно будет чаще, и коллектор превратится в набор пластин, число которых равно числу секций обмотки. Так как все секции образуют последовательное соединение, то к каждой пластине коллектора присоединяется начало одной секции и конец другой. Устройство коллектора показано на рис. 3.

Электрическая и магнитная цепь машины

Магнитная цепь машины служит для создания и распределения магнитного поля в рабочем зазоре. Как следует из схемы машины, основной магнитный поток замыкается по главным полюсам, ярму корпуса, воздушным зазорам между якорем и главными полюсами и между главными полюсами и ярмом, и сердечнику якоря. В зависимости от числа главных полюсов магнитная система может быть двух- четырех- шестиполюсной и т.д.

Распределение магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре показано на рисунке 1. Здесь схема двигателя развернута на плоскость вдоль зазора. Почти постоянное значение индукции под главными полюсами необходимо для получения постоянной ЭДС в проводниках обмотки, находящихся под полюсом. Оно обеспечивается специальной сложной формой полюсных наконечников.

Расстояние между осями полюсов, выраженное в любых единицах (линейных, угловых, числе пазов и др.) называется полюсным делением.

Электрическая цепь машины состоит из обмотки якоря, коллектора и щеток. При рассмотрении принципа работы двигателя было отмечено, что проводники обмотки якоря образуют замкнутую последовательную цепь, которая разделяется щетками на две одинаковые параллельные ветви. Число пар параллельных ветвей обмотки связано с числом пар полюсов магнитного поля и зависит от схемы обмотки. В простейшем случае . Ток якоря, текущий через щетки разделяется и в каждой секции течет ток параллельной ветви

Обычно секции обмотки якоря укладывают в пазы пакета так, что в каждом пазу оказываются проводники двух секций, начало одной и конец другой (рис.2 (а)). Если активные стороны секций находятся на расстоянии полюсного деления , т.е. шаг секции равен полюсному делению, то в них наводится максимальная ЭДС. Однако на практике шаг секций делают несколько больше или меньше полюсного деления, т.к. при небольшом отклонении это несущественно влияет на величину ЭДС, но значительно улучшает работу щеток. Все секции обмотки одинаковы и равномерно распределены по окружности якоря, поэтому в них наводятся одинаковые ЭДС, смещенные по фазе на угол , где n - число секций. Вследствие фазовой симметрии ЭДС секций суммарная ЭДС в контуре обмотки всегда равна нулю (рис. 2 (б)), а ЭДС, создаваемые в каждой ветви , одинаковы по величине и направлены встречно току. Неравенство ЭДС параллельных ветвей вызывает протекание уравнительных токов внутри цепи обмотки, вызывающих дополнительные потери.

Ось симметрии машины перпендикулярная оси главных полюсов называется геометрической нейтралью. Для получения максимальной ЭДС якоря щетки должны устанавливаться между точками, имеющими наибольшую разность потенциалов. Такие точки соответствую геометрической нейтрали машины. Смещение щеток с геометрической нейтрали приведет к тому, что в параллельных ветвях окажутся секции с противоположным направлением ЭДС и общая ЭДС якоря уменьшится. При достаточно большом количестве секций влияние сдвига щеток с нейтрали на некоторый угол можно учесть множителем , т.е.

Кроме геометрического понятия нейтрали существует также физическое, определяемое через магнитное поле машины.. Под физической нейтралью понимают ось, проходящую через точки магнитного поля с нулевым значением индукции. На рисунке 1 физической нейтрали соответствуют точки на осях m-n, т.е. в данном примере физическая нейтраль совпадает с геометрической.

Электродвижущая сила и электромагнитный момент

При вращении якоря в проводниках его обмотки наводится ЭДС равная . Среднее значение этой ЭДС за половину периода , где - среднее значение магнитной индукции в зазоре, определяемое по кривой , Ф - магнитный поток. Тогда полная ЭДС всех витков обмотки в одной параллельной ветви ( , где N -число проводников в обмотке; a - число пар параллельных ветвей), равная ЭДС всей обмотки якоря будет или, с учетом того, что , где D -диаметр якоря, p - число пар полюсов:

Конструктивный коэффициент или постоянная ЭДС в этом выражении соответствует внесистемной единице скорости вращения – об/мин. Если вместо скорости вращения якоря использовать угловую частоту , то и .

Таким образом, ЭДС обмотки якоря пропорциональна величине магнитного потока главных полюсов и скорости или частоте вращения.

Электромагнитный момент, создаваемый взаимодействием токов обмотки якоря и магнитного поля машины можно определить из выражения для электромагнитной силы, действующей на проводник с током . Так как момент, создаваемый всеми витками равен , а ток в них , то окончательно для момента получим

.

Конструктивный коэффициент или постоянная момента равна постоянной ЭДС в системе единиц СИ. Для внесистемной единицы скорости вращения .

Реакция якоря

Реакцией якоря называется воздействие магнитного поля, создаваемого током якоря, на магнитное поле главных полюсов машины. В режиме холостого хода ток якоря равен нулю и магнитное поле машины образуется только главными полюсами (рис (а)). Оно симметрично относительно оси главных полюсов и относительно геометрической нейтрали. Если отключить обмотку возбуждения и подключить якорь к источнику питания, то протекающий в обмотке якоря ток создаст магнитное поле, показанное на рисунке (б). Магнитная ось полюсов этого поля совпадает с осью щеток и перпендикулярна оси поля главных полюсов. Вращение якоря не влияет на картину поля якоря, т.к. распределение тока в обмотке якоря остается постоянным. В рабочем режиме машины включены обе обмотки и магнитное поле образуется суммированием обоих полей. В результате ось магнитного поля поворачивается на некоторый угол и на этот же угол поворачивается физическая нейтраль. Так как при одинаковом направлении вращения, направление тока якоря двигателя и генератора разное, то направление магнитного поля якоря и смещение физической нейтрали в этих режимах будет противоположеным. В режиме генератора нейтраль смещается в сторону вращения, а в режиме двигателя – против вращения.

В результате смещения часть проводников параллельной ветви, расположенных между щеткой и нейтралью окажется под полюсом противоположной полярности и будет создавать тормозной момент.

Изменение нагрузки машины будет приводить к изменению тока якоря и соответствующему усилению или ослаблению его магнитного поля. Поэтому угол будет изменяться с нагрузкой.

Помимо смещения нейтрали реакция якоря уменьшает общий магнитный поток за счет того, что поле под главными полюсами искажается. Под одним краем полюса оно ослабляется, а под другим усиливается, но усиление поля в результате насыщения края полюса оказывается меньше ослабления и результирующий магнитный поток уменьшается, что отрицательно сказывается на энергетических показателях машины.

Смещение физической нейтрали оказывает также негативное влияние на процесс коммутации.

Наиболее эффективным средством уменьшения влияния реакции якоря является компенсационная обмотка. Она укладывается в специальные пазы главных полюсов и включается последовательно в цепь якоря. Магнитное поле компенсационной обмотки направлено встречно и, как следует из ее названия, компенсирует магнитное поле якоря. Ток компенсационной обмотки равен току якоря, поэтому компенсация происходит при всех режимах от холостого хода до полной нагрузки. В результате поле машины под главными полюсами остается практически неизменным. Однако в межполюсном простанстве часть МДС якоря остается не скомпенсированной и оказывает отрицательное влияние на работу щеточно-коллекторного узла. Компенсация реакции якоря в этой области осуществляется применением добавочных полюсов. Компенсационные обмотки сильно усложняют и удорожают машину, поэтому они используются только в специальных двигателях средней и большой мощности.

Другим способом компенсации является увеличение зазора между краями главных полюсов и якорем. Для сохранения потока при увеличении зазора требуется увеличение МДС обмотки возбуждения. Это приводит к увеличению полюсов, катушек и в целом к ухудшению массогабаритных показателей. Увеличение зазора используют в машинах малой и средней мощности.

В микромощных машинах (< 1 кВт) реакцию якоря компенсируют установкой щеток на физическую нейтраль. При этом полная компенсация возможна только при одном значении тока якоря, т.е. только при какой-либо одной постоянной нагрузке. Однако в результате сдвига все же в машине существенно улучшается коммутация.

Коммутация

Коммутацией с электрических машинах называется процесс, связанный с изменением направления тока в секциях обмотки, при переключении их из одной параллельной ветви в другую. Этот процесс сопровождается появлением ЭДС, вызывающих искрение между щетками и коллектором.

Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутирующей, а продолжительность процесса коммутации – периодом коммутации: , где – соответственно число пластин коллектора, скорость вращения, ширина щетки и ширина пластины коллектора.

На рисунке 1 схематически показано переключение секции обмотки из одной ветви в другую при ширине щетки равной ширине коллекторной пластины. Движения якоря происходит справа налево. В положении (а) ток якоря протекает через щетку и пластину 1 и далее разделяется на параллельные ветви, в одну из которых включена секция 1, а в другую (правую) – коммутирующая секция 2. Затем щетка замыкает накоротко пластины коллектора 1 и 2 и коммутирующую секцию 2 (рис. (б)), а в следующий момент сбегает со щетки 1, размыкая секцию 2 и включая ее в левую параллельную ветвь. В результате перехода коммутирующей секции из правой ветви в левую ток в ней изменяется от до .

В замкнутой накоротко щеткой коммутирующей секции обмотки действуют несколько ЭДС, вызывающих ток . Основными из них являются ЭДС самоиндукции и ЭДС вращения или ЭДС поля реакции якоря , где – соответственно индуктивность поперечного поля в зоне коммутации, число витков коммутирующей секции, активная длина проводников секции и линейная скорость паза якоря.

ЭДС самоиндукции по своей природе препятствует изменению тока коммутирующей секции и может быть весьма значительной, т.к. период коммутации составляет с.

ЭДС вращения наводится в секции в результате пересечения ею поперечного магнитного поля, создаваемого реакцией якоря и дополнительными полюсами. Поле реакции якоря создает ЭДС всегда направленную согласно с ЭДС самоиндукции и усиливает ее действие. Дополнительные полюсы устанавливают в машине для компенсации поля реакции якоря. С их помощью можно полностью компенсировать, недокомпенсировать или перекомпенсировать это поле. ЭДС вращения в этих случаях будет соответственно нулевой, отрицательной или положительной.

Таким образом, в коммутирующей секции в общем случае действует суммарная ЭДС .

В случае ток в секции изменяется по линейному закону (кривая 1 рис.2) и в момент схода щетки с пластины коллектора искрения не наблюдается. Это эквивалентно размыканию электрической цепи с чисто активным сопротивлением.

Если , что соответствует отсутствию дополнительных полюсов в машине или неполной компенсации поля якоря, коммутация происходит замедленно (кривая 2 рис. 2) и в момент схода щетки с пластины коллектора в магнитном поле коммутирующей секции еще имеется большой запас энергии рассеиваемой в виде искры на сбегающем краю щетки. Размыкание происходит по типу размыкания цепи, содержащей индуктивность. Мощность искры зависит от величины тока нагрузки.

Подбором параметров обмотки и формы дополнительных полюсов можно создать условия, когда . При этом изменение тока в секции происходит по кривой 3. Такая коммутация называется ускоренной и процессы при размыкании эквивалентны цепи с емкостью. Можно выбрать параметры потока дополнительных полюсов так, чтобы плотность тока под сбегающим краем щетки была минимальной или даже нулевой. Тогда искрение на этом краю будет отсутствовать. Однако при ускоренной коммутации наблюдается склонность к искрообразованию на набегающем краю щетки в виде искры пробоя.

Искрообразование в процессе коммутации приводит к сложным электрохимическим процессам, вызывающим эрозию и ускоренный износ щеток и коллектора. Ухудшение контакта между щетками и коллектором вследствие эрозии вызывает также снижение энергетических показателей двигателей. В ответственных приводах с двигателями постоянного тока предусматриваются периодические регламентные работы. Для этого двигатель разбирают, заменяют щетки и шлифуют коллектор.

Основным средством улучшения коммутации являются дополнительные полюсы, магнитное поле которых подбирается таким образом, чтобы коммутация была линейной или слабо усукоренной. Дополнительные полюсы устанавливают практически во все машины мощностью выше 1 кВт.

В машинах меньшей мощности коммутацию настраивают установкой щеток за физическую нейтраль, смещая их у двигателей против направления вращения, а у генераторов – по направлению вращения якоря. При этом избыточный сдвиг за физическую нейтраль будет создавать в коммутирующих секциях ЭДС, аналогичную ЭДС дополнительных полюсов. Практически это осуществляют под нагрузкой поворотом щеточного узла до положения, при котором искрение минимально. Однако этот способ малоэффективен, т.к. настройка возможна только одного какого-либо режима работы.

Скорость вращения и механические характеристики двигателей

Основным элементом двигателей постоянного тока является якорь. Электромагнитные процессы в цепи якоря определяют характер и качество преобразования энергии. Важнейшей из характеристик, связывающей два главных параметра электромеханического преобразователя с вращательным движением – скорость или частоту вращения и электромагнитный момент , является механическая характеристика или . Она показывает влияние механической нагрузки (момента) на валу двигателя на скорость вращения, что особенно важно знать при выборе и эксплуатации двигателей.

Современные приводы обычно представляют собой автоматизированные системы, предназначенные для решения сложных технологических задач, большинство из которых требуют управления процессом преобразования энергии в двигателе и, в частности, управления скоростью его вращения. Поэтому помимо механической характеристики разработчикам и пользователям необходимо знать возможности и особенности регулирования, которые описываются регулировочной характеристикой , где - управляющая величина.

Механические характеристики могут быть естественными и искусственными. Под естественными характеристиками понимают характеристики полученные при номинальных параметрах источника питания и отсутствии каких-либо регулировочных устройств в цепях якоря и возбуждения. Все остальные характеристики называются искусственными.

Уравнение механической характеристики машины постоянного тока можно получить из уравнения Кирхгофа для цепи якоря

, где - напряжение на якоре, - сопротивление якоря, а - противо-ЭДС.

Подставляя выражение для противо-ЭДС получим уравнение скоростной или электромеханической характеристики

.

Выражая ток якоря через электромагнитный момент, получим уравнение механической характеристики

или в системе СИ –

.

Преобразование характеристики выполнено с учетом того, что в системе СИ , а также того, что константы и , являются выражениями для числа витков обмотки якоря взаимодействующих с магнитным потоком Ф, поэтому произведение является потокосцеплением якоря.

Полученные выражения справедливы для любой машины постоянного тока при условии независимости величин , Ф. и , но они могут видоизменяться, если между этими величинами появляется связь.