Способы управления исполнительными асинхронными микродвигателями

Способы регулирования угловой скорости ротора исполнитель­ного асинхронного микродвигателя, или способы управления, вы­текают из теории о форме вращающегося магнитного поля. Изменяя напряжение управления U_у и углы β и γ раздель­но или одновременно, воздействуют на форму магнитного поля ста­тора и тем самым на угловую скорость ротора.

Амплитудное управление (рис. 2.9). Обмотку возбуж­дения В подключают к сети переменного тока с номинальным на­пряжением U₁. Ha обмотку управления У подают сигнал – напря­жение управления U_y, сдвинутое по фазе относительно напряжения возбуждения U₁ на угол 90°. Управление угловой скоростью рото­ра осуществляют изменением амплитуды напряжения управления при неизменной его фазе.

При равенстве приведенных напряжений управления и возбуж­дения (U_y'=U₁) эффективный коэффициент сигнала

α _е = k_трα = 1, (2.11)

а поле статора в двигателе круговое (α = U_y/U₁ – коэффициент сигнала при амплитудном управлении).

С изменением напряжения управления эффективный коэффици­ент сигнала становится отличным от единицы, а поле – эллиптиче­ским. При α _е = 0, т. е. снятом сигнале управления, поле статора становится пульсирующим.

Фазовое управление (рис. 2.10). Обмотку возбуждения В подключают к сети переменного тока с номинальным напряжением U₁. Ha обмотку управления У подают номинальное напряже­ние, переменное по фазе относительно напряжения возбуждения. Номинальным называют такое напряжение управления, которое соответствует равенству U_У' = U₁. Управление угловой скоростью ротора осуществляют изменением фазы напряжения управления (угла β). За коэффициент сигнала принимают sin β. При sin β = 1 вращающееся магнитное поле статора круговое; при l > sin β > 0 – эллиптическое, при sin β = 0 – пульсирующее.

Рис. 2.9 Рис. 2.10

Пространственное управление (рис. 2.11). Обмотку возбуждения В подключают к сети переменного тока с номиналь­ным напряжением U₁ На обмотку управления У подают номиналь­ное напряжение, сдвинутое по фазе относительно напряжения возбуждения на 90°. Управление угловой скоростью ротора произво­дят изменением пространственного угла γ сдвига обмоток возбуж­дения В и управления У. За коэффициент сигнала принимают sin γ. При sin γ = l вращающееся магнитное поле статора круговое; при 1 > sin γ > 0 – эллиптическое, при sin γ = 0 – пульсирующее.

Амплитудно-фазовое управление с конденса­тором в цепи возбуждения (конденсаторное) (рис. 2.12, а). Обмотку управления У подключают к сети переменного тока че­рез регулятор напряжения; напряжение управления U_y совпадает по фазе с напряжением сети U₁. Сдвиг фаз тока, а следовательно, и напряжения на обмотке возбуждения по отношению к обмотке управления осуществляется конденсатором, который включают по­следовательно с обмоткой возбуждения. Управление двигателем происходит за счет изменения амплитуды напряжения управления.

Рис. 2.11 Рис. 2.12

Несмотря на то что фаза напряжения управления не изменяется (совпадает с фазой напряжения сети), при изменении напряжения управления наблюдается одновременное изменение как значения, так и фазы напряжения возбуждения U_в. Такое же явление проис­ходит и при изменении угловой скорости ротора за счет изменения момента нагрузки при неизменном напряжении управления. Это объясняется тем, что напряжение возбуждения U_в равно геометри­ческой разности напряжений в сети U₁ и на конденсаторе U_C (рис. 2.12, б):

. (2.12)

Напряжение на конденсаторе U_c при изменении напряжения управления или угловой скорости ротора меняется вследствие из­менения тока в цепи возбуждения, который является функцией скольжения и коэффициента сигнала [см. значения симметричных составляющих I_в в (2.5)]:

. (2.13)

Следовательно, меняется по амплитуде и фазе напряжение на обмотке возбуждения U_в.

Поскольку круговое поле существует в двигателе только при соблюдении условия U_в = jU'_y, при заданном значении емкости кон­денсатора в цепи возбуждения круговое поле возможно только при строго определенных коэффициенте сигнала α ₀ = U_у0/U₁ и значении скольжения s.

В случае создания кругового поля при пуске двигателя (s = l) коэффициент сигнала α ₀ и емкостное сопротивление конденсатора Х_С0 определяют по формулам, получаемым при анализе симметрич­ных составляющих токов:

; (2.14)

, (2.15)

где X_в.п, R_в.п – индуктивное и активное сопротивления схемы заме­щения фазы В (см. рис. 2.8) при пуске (s = 1).

При иных напряжениях управления и режимах работы поле дви­гателя уже не будет круговым. Пуск двигателя в условиях кругово­го поля обеспечивает заданный пусковой момент при минимальной потребляемой мощности.

Увеличение в определенных пределах емкости С по отношению к C₀ позволяет увеличивать пусковой момент. Максимальное зна­чение пускового момента достигается при Х_C = Х_{C M} в условиях эл­липтического поля и возросшей потребляемой мощности, что не­обходимо учитывать при анализе теплового режима двигателя.

Емкостное сопротивление Х_{C M} при α = α ₀ и s = 1 определяют по формуле

. (2.16)

Сравнивая выражение для Х_{C 0} и Х_{C M}, нетрудно заметить, что Х_{C M} < Х_{C 0}, т.е. С_М > С₀. Максимальный пусковой момент больше пускового момента при круговом поле в n раз;

,

где α _e0 = α ₀k_тр – эффективный коэффициент сигнала при круговом поле.

В соответствии с изложенным различают два основных вида пуска асинхронных микродвигателей: при круговом поле и при мак­симальном пусковом моменте.

При заданном пусковом моменте M_п = M_п0 использование при пуске емкости С_м позволяет уменьшить сигнал управления в n раз. Общая потребляемая мощность возрастает при этом в (n⁴+1)/(2n²) раз.

Рассмотренные способы управления обеспечивают весьма широ­кий диапазон регулирования угловой скорости ротора, определяе­мый отношением минимальной и максимальной угловых скоростей. У исполнительных микродвигателей с полым немагнитным ротором он достигает 1/100 – 1/200.

Механические и регулировочные характеристики исполнитель­ных асинхронных микродвигателей в относительных единицах (ω ₂^∂ = ω ₂/ω ₁ = l - s; М^∂ = М/М_п0) соответственно представлены на рис. 2.13 и 2.14 для наиболее распространенных в схемах автомати­ки амплитудного (а), фазового (б) и амплитудно-фазового (в) спо­собов управления.

Рис. 2.13

Рис. 2.14

Рис. 2.15

Анализ механических характеристик по уравнению момента (2.9) показывает, что при всех способах управления характеристи­ки нелинейны и их жесткость уменьшается с уменьшением сигнала управления. Нелинейность механической характеристики, т. е. от­клонение ее от линейной, определяется как отношение наибольшей по абсолютному значению разности между действительным вращающим моментом и значением момента, рассчитанным по уравнению прямой линии, проходящей через точки холостого хода и пускового момента, к значению пускового момента, т. е. ∆ М^∂ _max/М_п^∂ (рис. 2.13, а). Улучшению линейности механических характеристик способст­вуют увеличение активного сопротивления ротора и в меньшей сте­пени уменьшение индуктивного сопротивления рассеяния обмоток статора и ротора. Однако, как известно, увеличение активного со­противления ротора ухудшает энергети­ческие показатели двигателя. Поэтому у исполнительных асинхронных микродви­гателей, работающих в системах автома­тики, допускается нелинейность порядка 10%. На рис. 2.15, а–в показаны зависи­мости коэффициента внутреннего демпфи­рования от угловой скорости и коэффи­циента сигнала при различных способах управления.

Как видно из рис. 2.13 и 2.15, наибо­лее линейными являются характеристики при фазовом управлении, причем жест­кость характеристик практически не ме­няется при изменении коэффициента сиг­нала. Наименее линейны механические характеристики при амплитудно-фазовом управлении. При всех способах управле­ния механические характеристики обеспе­чивают устойчивость работы во всем диа­пазоне двигательного режима и с умень­шением, коэффициента сигнала смещают­ся в сторону меньших моментов и угловых скоростей. Вращающий момент и механическая мощность, развиваемые двигателем, полу­чаются наибольшими при амплитудно-фазовом управлении. Это объясняется тем, что при увеличении угловой скорости ротора кон­денсаторного микродвигателя несколько увеличиваются напряже­ние, магнитный поток обмотки возбуждения и соответственно вра­щающий момент двигателя по сравнению с моментом при ампли­тудном и фазовом управлениях. Недостатком амплитудно-фазового управления является некоторое снижение устойчивости в области малых угловых скоростей.

Анализ регулировочных характеристик (см. рис. 2.14) и зависи­мостей коэффициента передачи от коэффициента сигнала (рис. 2.16) показывает, что при всех способах управления они нелинейны. Не­линейность, т. е. отклонение действительной регулировочной харак­теристики от линейной, наибольшая в режиме холостого хода и за­висит в основном от тех же параметров двигателя, что и нелиней­ность механических характеристик. Ближе всех к линейным харак­теристики микродвигателя с фазовым управлением, затем следуют характеристики микродвигателей с амплитудным и амплитудно-фа­зовым управлениями (рис. 2.16). При амплитудно-фазовом управлении (конденсаторном) нелинейность можно изменять в определен­ном диапазоне путем выбора соответствующей емкости конденсатора, т.е. воздействуя на эллиптичность магнитного поля. Линей­ность регулировочных характеристик улучшается при усилении эл­липтичности поля. Поэтому наибольшую линейность и крутизну ха­рактеристики имеют в начальной части. Для обеспечения линейно­сти регулирования двигатель должен работать при малых сигналах и относительных угловых скоростях. Уменьшение относитель­ных угловых скоростей наиболее эффективно достигается повыше­нием рабочей частоты напряжения питания двигателя, так как при этом пропорционально повышается синхронная угловая скорость.

Количественно нелинейность регулировочной характеристики ∆ ω _дв определяется как отношение наибольшей по абсолютному зна­чению разности между угловой скоростью, рассчитанной по уравне­нию прямой линии, аппроксимирующей действительную регулиро­вочную характеристику в номинальном диапазоне напряжений управления, и действительной угловой скоростью к наибольшему значению угловой скорости в номинальном диапазоне напряжения управления. Пример определения нелинейности при холостом ходе показан на рис. 2.14, а, где ∆ ω _дв = ∆ ω ^∂ _2max/ω ^∂ ₂₀. При нелинейности механических характеристик меньше 10% нелинейность регулиро­вочной характеристики холостого хода не превышает 20% в диапа­зоне изменения коэффициента сигнала 0 – 0, 7.

Пусковой момент при всех способах управления прямо пропор­ционален сигналу управления и в относительных единицах равен эффективному коэффициенту сигнала.

Мощностью возбуждения является мощность, потребляемая цепью обмотки возбуждения микродвигателя:

, (2.17)

где φ _в – угол сдвига между напряжением сети и током в обмотке возбуждения.

Мощность управления – это мощность, потребляемая обмоткой управления микродвигателя:

, (2.18)

где φ _у – угол сдвига между напряжением и током в обмотке управ­ления.

Анализ выражения (2.18) показывает, что при амплитудном управлении мощность управления исполнительных асинхронных микродвигателей примерно такая же, как и при амплитудно-фазо­вом, и так же сильно зависит от коэффициента сигнала. При фа­зовом управлении эта мощность с уменьшением коэффициента сиг­нала практически не меняется (рис. 2.17). В этом отношении амп­литудный и амплитудно-фазовый способы управления имеют суще­ственное преимущество перед фазовым.

Коэффициент полезного действия исполнительных асинхронных микродвигателей несколько ниже, чем у одинаковых по мощности асинхронных микродвигателей общего применения, из-за повышенного активного сопротивления ротора, причем наиболее высокий к.п.д. имеют двигатели с амплитудным управлением, затем следу­ют двигатели с амплитудно-фазовым управлением (конденсатор­ные). Самый низкий к.п.д. у двигателей с фазовым управлением (за счет большой мощности управления). Более высокий коэффи­циент мощности имеют микродвигатели с амплитудно-фазовым управлением благодаря наличию конденсатора в цепи возбуждения (cos φ = 0, 8 ÷ 0, 95).

Рис. 2.17 Рис. 2.18

Среди схем питания исполнительных асинхронных микродвига­телей наибольшей простотой отличается схема конденсаторного микродвигателя, так как она не имеет сложных устройств для сдвига фаз между напряжениями управления и возбуждения.

Таким образом, амплитудно-фазовый способ управления с кон­денсатором в цепи возбуждения двигателя имеет ряд преимуществ, поэтому его широко применяют в схемах автоматики и вычисли­тельных устройствах. Однако в каждом конкретном случае выбор способа управления должен определяться условиями работы систе­мы, звеном которой является двигатель, и требованиями, предъяв­ляемыми к этому звену.

У исполнительных асинхронных микродвигателей, работаю­щих в системах автоматики, важно обеспечить отсутствие самохо­да.

Рассмотрим явление самохода асинхронного микродвигателя. Для этого воспользуемся зависимостями M = f(s) момента прямой M₁ и обратной M₂ последовательностей при пульсирующем поле статора и различных значениях критического скольжения s_к (рис. 2.18).

На рис. 2.18 кривую результирующего момента M при пульсиру­ющем поле статора получают как сумму моментов прямой и обрат­ной последовательностей.

В случае, показанном на рис. 2.18, а, критическое скольжение по отношению к полю прямой последовательности s_к = 0, 5 и резуль­тирующий момент в пределах двигательного режима (s = 0 ÷ 1) име­ет одно направление с моментом прямой последовательности, а зна­чит, и с направлением вращения ротора. Следовательно, ротор не остановится после снятия сигнала управления, если момент сопро­тивления M_ст будет меньше максимального результирующего мо­мента (момента самохода). Возникает параметрический самоход, и двигатель работает с угловой скоростью и моментом, соответст­вующими точке А характеристики M = f(s).

В случае, показанном на рис. 2.18, б, критическое скольжение по отношению к полю прямой последовательности s_к = 1. Здесь кривая результирующего момента пересекает ось скольжения толь­ко в одной точке s = 1, и в пределах двигательного режима момент M отрицателен, т. е. является тормозящим, направленным против вращения ротора. Поэтому при снятии сигнала управления ротор обязательно остановится. То же самое произойдет и при s_к > l.

Следует отметить, что значение s_к (при соблюдении условия s_к > l), при котором гарантируется отсутствие параметрического са­мохода, зависит от схемы включения обмотки управления. Напри­мер, при снятии сигнала управления размыканием цепи обмотки управления требуемое критическое скольжение больше, чем при снятии сигнала без размыкания.

У асинхронных микродвигателей возможен также технологиче­ский самоход, который вызывается образованием короткозамкнутых витков в магнитопроводе и обмотке. При этом двигатель начи­нает работать как двигатель с экранированными полюсами.

Реверсирование исполнительных асинхронных микродвигателей производят изменением фазы напряжения управления на 180° (на­пример, путем переключения концов обмотки У). При этом маг­нитное поле статора начинает вращаться в противоположную сто­рону и изменяется направление вращения ротора.

ЛЕКЦИЯ №8