Лабораторная работа: Исследование асинхронного исполнительного двигателя с полным немагнитным ротором

Название: Исследование асинхронного исполнительного двигателя с полным немагнитным ротором Раздел: Промышленность, производство |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Содержание 1. Цель работы 2. Назначение АИД 3. Конструкция АИД 4. Магнитные поля АИД 5. Вращающий момент АИД 6. Способы управления АИД 7. Самоход и способы его устранения 8. Статические свойства АИД 9. Динамические свойства АИД 10. Программа экспериментальных исследований АИД 11. Расчеты и построения 12. Содержание отчета 13. Контрольные вопросы Приложение А Приложение Б 1. Цель работы В настоящей лабораторной работе изучается назначение, конструкция, принцип действия, а также статические и динамические свойства асинхронного исполнительного двигателя переменного тока (АИД) с полым немагнитным ротором. 2. Назначение АИДИзучаемый двигатель предназначен для работы в системах управления и автоматики (СУ и А) как преобразователь электрического сигнала, вырабатываемого устройством управления СУ и А, в скорость вращения или угол поворота вала. Существуют три разновидности асинхронных исполнительных микродвигателей: с полым немагнитным ротором, с полым магнитным ротором и с короткозамкнутой обмоткой типа беличьего колеса. В СУ и А наибольшее распространение получили асинхронные исполнительные двигатели с полым немагнитным ротором. Такие двигатели производятся на мощности от сотых долей до нескольких сотен ватт, для стандартной – 50 Гц. и повышенных частот (200, 400,500 и 1000 Гц.) питающего напряжения. Скорость их вращения лежит в диапазоне 1500¸ 3000 oб/ мин. Основными достоинствами асинхронных исполнительных двигателей с полым немагнитным ротором являются: — Малый момент инерции J ротора. — Значительный пусковой момент вследствие повышенного сопротивления ротора, что совместно с малым J приводит к значительному быстродействию двигателя, малой электромеханической постоянной времени и обеспечивает повышенную устойчивость следящих систем с таким типом двигателей. — Механическая (выходная, нагрузочная) характеристика двигателя близка к прямолинейной за счёт большого активного сопротивления ротора, обеспечивающего значительное критическое скольжение (то есть скольжение при максимальном моменте — Широкий диапазон регулирования скорости (кратность регулирования — Самоторможение двигателя при снятии сигнала управления (определяется большим — Отсутствие подвижных контактов, малый момент трения, отсутствие искрения и радиопомех, стабильность и надёжность в эксплуатации. — Независимость параметров и характеристик двигателя от температуры, давления, влажности. — Возможность улучшения массо-габаритных показателей при переходе к повышенным (400 ¸ 500 Гц.) частотам питающего напряжения. Асинхронный исполнительный двигатель с полым немагнитным ротором имеет следующие недостатки: — Большой немагнитный зазор в магнитной цепи машины ( — Значительное электрическое сопротивление ротора и, как следствие, работа двигателя при больших скольжениях, что приводит к увеличению потерь энергии в статоре и роторе, а также к снижению КПД. — Относительно увеличенные удельные (то есть приходящиеся на единицу полезной мощности) масса и габариты двигателя. 3. Конструкция АИД Конструкция АИД должна решать задачу преобразования электрической энергии в механическую, приводящую во вращение вал двигателя с присоединённой нагрузкой (объектом управления). Это преобразование в общем виде описывается законом электромагнитного усилия, который утверждает, что механическая сила возникает при взаимодействии одноимённых полей (электрических или магнитных) и приложена к инерционным источникам этих полей. В электромагнитных устройствах систем управления взаимодействуют два магнитных поля, причём одно поле должно создаваться той частью машины, которая будет вращаться, а источник второго поля может быть неподвижным. Поэтому в конструкции любой электрической машины имеется неподвижная часть- статор и подвижная- ротор. В данной лабораторной работе исследуется АИД переменного тока с полым немагнитным ротором. Схема его конструкции показана на рисунке 1, а макет имеется на рабочем столе возле лабораторного стенда. Рисунок 1 — Схема конструкции асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором Неподвижная часть машины состоит из внешнего магнитопровода 5 с обмотками 4,внутреннего магнитопровода 3, корпуса 6, левого 7 и правого 8 подшипниковых щитов с подшипниками 9 и узлов 10 соединения корпуса со щитами. Подвижная часть машины содержит вал 2 с жёстко укреплённым на нём тонкостенным цилиндром 1. Внешний магнитопровод 5 неявнополюсный, представляет собой стальное кольцо собранное из листовой электротехнической стали, по внутренней поверхности которого расположены пазы, в которые укладываются две распределённые обмотки, изготовленные из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения. Оси этих обмоток смещены в пространстве на 90 электрических градусов. Внутренний магнитопровод 3 также неявнополюсный,набран из листов электоротехнической стали и укреплён на цилиндрическом выступе одного из подшипниковых щитов 7. Он служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути рабочего магнитного потока машины и не имеет пазов и обмоток. В микродвигателях, мощность которых не превышает 1.5 Вт, диаметр расточки статора (внутренний диаметр внешнего магнитопровода 6) мал и для облегчения укладки обмоток пазы выполняют по внешней поверхности внутреннего магнитопровода 3. При этом его диаметр несколько увеличивают для увеличения обмоточного пространства. Иногда одну из обмоток размещают на внешнем, а другую на внутреннем магнитопроводе. Корпус и подшипниковые щиты в микромашинах выполняются из алюминиевых сплавов. В крупных машинах эти части конструкции выполняются обычно сварными из стальных листов необходимой толщины, реже литыми. Подшипники чаще всего используются шариковые качения, а в крупных машинах — роликовые. Если от двигателя требуется бесшумная работа, применяют подшипники скольжения – бронзовые или бронзографитные. В микромашинах используются полузакрытые пазы для укладки обмоток – рисунок 2. Внутреннюю поверхность паза изолируют 1, заполняют проводниками обмотки 2 и закрепляют проводники деревянными или пластмассовыми клиньями 3. На рисунке 2 показан паз, выполненный на внешнем магнитопроводе, если же его выполнять на внутреннем магнитопроводе, то граница пройдёт по штриховой линии. Рисунок 2 — Полузакрытый паз магнитопровода Особенностью рассматриваемого двигателя является конструкция его ротора. Вал ротора 2 свободно вращается в подшипниках 9. На валу жёстко укреплён тонкостенный цилиндр 1, который также именуется стаканом. Стакан выполняется из немагнитного токопроводящего материала, как правило, из алюминиевых сплавов. Данная технология используется для получения минимальной механической инерционности двигателя, то есть для снижения его постоянной времени. Толщина стенок зависит от мощности двигателя и составляет 4. Магнитные поля АИД Схема включения асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором показана на рисунке 3. Теория вращающихся электромеханических преобразователей энергии показывает, что общее требование к работоспособной электрической машине заключается в том, чтобы магнитные поля ротора и статора обладали одинаковым количеством пар полюсов и были неподвижны относительно друг друга при работе машины в установившемся режиме. Значит, если поле ротора вращается, то для обеспечения неподвижности относительно него, поле статора тоже должно вращаться. Поле статора создаётся токами, протекающими по двум его обмоткам. Одна из них называется обмоткой возбуждения ОВ и постоянно находится под напряжением Рисунок 3 — Схема включения АИД управления подаётся от устройства управления лишь в том случае если необходимо вращение ротора. Такая машина называется двухфазной. Чтобы эти две обмотки создавали вращающееся поле, их необходимо питать токами Рисунок 4 — Создание вращающегося магнитного поля двухфазным статором вращается против часовой стрелки. Скорость вращения w1 или n
Поле статора Основной поток статора, вращаясь, пересекает стенки стакана ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой в роторе начинают протекать значительные электрические токи, так как материал ротора токопроводящий с незначительным электрическим сопротивлением. Эти токи создают собственное магнитное поле, которое вызывает основной магнитный поток Таким образом, в магнитопроводе асинхронного исполнительного двигателя существуют два магнитных поля: вращающееся поле
а отношение
называется скольжением. Чтобы в роторе наводилась ЭДС
Частота ЭДС в роторе
Токи ротора, изменяясь с такой же частотой, создают поле ротора, которое вращается относительно ротора со скоростью
Скорость вращения поля ротора относительно статора
Значит, поле ротора неподвижно относительно статора и требование к работоспособности машины выполнено. Поля
5. Вращающий момент АИДВзаимодействие магнитных полей статора и ротора приводит к появлению механического вращающего момента, приложенного как к статору, так и к ротору. Статор укреплён неподвижно и приложенный к нему момент компенсируется реакцией элементов крепления. Ротор установлен в шарикоподшипниках и начинает раскручиваться до некоторой установившейся скорости
Весь процесс преобразования поданной на двигатель электрической энергии в механическую энергию вращения ротора с нагрузкой отображается схемой преобразований, приведенной на рисунке 5. На электрические цепи возбуждения и управления подаются напряжения соответственно возбуждения Рисунок 5 — Схема преобразований сигнала в АИД Это преобразование описывается условием равновесия электрической цепи: сумма ЭДС, разностей потенциалов и падений напряжений в электрической цепи равна нулю (иначе, интегральная форма материального уравнения или закона Ома для электрической цепи, второе правило Кирхгофа), которое Схема преобразований даёт качественную картину работы двигателя. Количественный анализ работы, основанный на законах, указанных на схеме, позволяет найти выражение для момента, развиваемого двигателем:
где
Это выражение можно понимать так:
где Годограф вектора вращающегося поля статора может иметь вид окружности или эллипса. Поле будет круговым если выполнены условия: 1)Токи
где 2)Намагничивающие силы обмоток статора равны между собой Обычно
Поэтому сдвиг фаз токов Если одно или оба из этих условий не выполняются, то поле становится эллиптическим, а мгновенная частота вращения вектора поля — непостоянной. Чем больше отклонение от указанных условий, тем в большей степени поле отличается от кругового. Эллиптическое поле может быть представлено суммой двух неравных по величине круговых полей, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой по абсолютной величине скоростью
Выражение (10) справедливо, когда
где
обмотке статора;
Выражение (15) как и (10) можно представить в виде (11). 6. Способы управления АИДТаким образом, меняя степень выполнения условий кругового поля можно менять результирующий вращающий момент, развиваемый двигателем, а значит менять скорость его вращения, то есть управлять двигателем. Отсюда три, применяемых на практике, способа управления АИД: 1)Амплитудное управление, когда меняется 2)Фазовое управление, когда меняется фаза 3)Амплтудно-фазовое управление, когда одновременно меняются и фаза и амплитуда Анализ работы АИД при разных способах управления показывает, что амплитудное и амплитудно-фазовое управления дают практически одинаковые характеристики двигателя, а при фазовом управлении требуется повышенная мощность от устройства управления, особенно при малых сигналах управления. Кроме того, практическая реализация амплитудного и фазового управления схемно более сложна. Поэтому реальное применение находит только амплитудно-фазовое управление, которое и рассмотрено далее. Амплитудно-фазовое управление реализуется с помощью схемы, показанной на рисунке 3. Для обеспечения сдвига фаз между 7. Явление самохода и способы его устраненияДвигатель имеет самоход, если его ротор вращается при отсутствии сигнала управления. Практически, этот режим может возникнуть, когда подано только напряжение возбуждения – это технологический самоход, или когда снимается поданное ранее напряжение управления — методический (параметрический) самоход. Причиной технологического самохода является появление слабого эллиптического поля, порождённого паразитными токами. Причиной появления последних может служить либо замыкание между листами стали магнитопровода статора, либо наличие короткозамкнутых витков в обмотках, либо разная магнитная проводимость машины в различных радиальных направлениях, либо изменение толщины стенок ротора по его окружности и прочее. Устранить этот вид самохода можно при тщательном контроле за технологией изготовления двигателя. Методический самоход может возникнуть когда сигнал управления снимается, а нагрузка на валу двигателя незначительна. Анализ явления показывает, что причина заключается в малом активном сопротивлении ротора. Для устранения этого вида самохода активное сопротивление ротора делают весьма значительным, выполняя стакан из алюминиевых сплавов с относительно низкой проводимостью. К сожалению, это одновременно ухудшает энергетические параметры двигателя: снижается к.п.д., уменьшается выходная мощность на валу, падает пусковой момент. Именно поэтому номинальная мощность исполнительных двигателей в два- три раза ниже номинальной мощности силовых асинхронных двигателей (для которых характерно малое 8. Статические свойства АИДО статических свойствах АИД судят по его характеристикам, которые для универсальности, то есть для возможности сравнения свойств двигателей разных мощностей, скоростей вращения и т.п., строят в относительных единицах. При этом за базовые (единичные) величины принимают постоянные для любого двигателя параметры: пусковой момент
Кроме того, для отображения разных способов управления вводят ещёследующие относительные единицы: -эффективный коэффициент сигнала
где -коэффициент сигнала при фазовом управлении — где -номинальный коэффициент сигнала
где Как и у любого устройства автоматики основными статическими характеристиками АИД являются: 1)Характеристика преобразования вход-выход которая для двигателей называется регулировочной. Она представляет собой зависимость скорости вращения от величины или фазы сигнала управления при постоянном моменте сопротивлении на валу. Семейства этих характеристик для различных способов управления представлены на рисунке 6. Зависимость Эти характеристики нелинейны, наиболее линейные участки лежат в области малых
Рисунок 6 — Регулировачные характеристики асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором Регулировочные характеристики показывают также, что напряжение трогания двигателя, то есть минимальное 2)Характеристика нагрузочная, которая у двигателей называется механической, представляет собой зависимость вращающего момента от скорости вращения при постоянном сигнале управления:
Из механических характеристик видно, что вращающий момент и скорость вращения достигают своих максимальных значений при единичном коэффициенте сигнала. Механические характеристики при всех способах управления носят нелинейный характер. Меньше всего нелинейность Рисунок 7 — Механические характеристики асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором для разных способов управления проявляется при фазовом управлении, а больше всего при амплитудно-фазовом. Однако при амплитудно-фазовом управлении двигатель развивает больший момент на средних скоростях вращения, так как в этом случае 3)Характеристика рабочая – зависимость выходной мощности от скорости вращения вала двигателя при постоянном сигнале управления:
Рисунок 8 — Зависимость механической мощности на валу от скорости вращения асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором при разных способах управления Эти характеристики нетрудно получить из механических, так как
Обычно максимальное значение 9. Динамические свойства АИДВ асинхронных исполнительных двигателях имеются значительные индуктивности и подвижные инерционные массы. Поэтому в этих двигателях наблюдаются и электромагнитные и механические переходные процессы. Однако первыми при практических расчётах обычно пренебрегают, так как их длительность в несколько раз меньше длительности вторых. Но даже в этом случае точные аналитические выражения для переходной характеристики и передаточной функции АИД получаются весьма громоздкими ввиду нелинейности механических и регулировочных характеристик. Поэтому при расчётах применяют линеаризацию (полную или на отрезке) этих кривых. На линейных участках динамические свойства АИД описываются следующей моделью:
где
Для регулировочной характеристики обычно применяют полную линеаризацию – рисунок 9, тогда
Если используется линеаризация механической характеристики, то
где Рисунок 9 — Линеаризация механической (а) и регулировочной (б) характеристик асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором Рекомендуется применять линеаризацию на участке номинальной работы с помощью секущей АС, что даёт параметры передаточной функции, близкие к номинальным, и тогда их можно вычислить по паспортным данным двигателя.
где
а для фазового управления
Однако нужно учитывать, что формулы (34) и (35) дают несколько завышенные (до 15%) значения Увеличение частоты питающей сети 1)снижение момента инерции ротора 2)увеличение пускового момента за счёт совершенствования конструкции, уменьшения воздушного зазора. Итак, асинхронный исполнительный двигатель с полым немагнитным ротором в динамическом отношении является инерционным звеном первого порядка (24), если за выходной сигнал принимается скорость вращения вала, или инерционным интегрирующим звеном (25) если выходным сигналом будет угол поворота вала двигателя. 10. Программа экспериментальных исследований АИД1) Ознакомиться с конструкцией асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором, представленной в разобранном виде на стенде. 2) Ознакомиться с лабораторным макетом для проведения экспериментальных исследований. Определить назначение измерительной, регулирующей и коммутирующей аппаратуры макета. 3) Снять зависимость пускового момента от напряжения управления и от величины ёмкости в цепи обмотки возбуждения. Для этого: 3.1)Затормозить диск электромагнитного тормоза относительно его электромагнитов. 3.2)Переключателем S3 включить ёмкость С1 и тумблером S1 подать напряжение возбуждения – смотри Приложение Б. Записать значение 3.3)Включить тумблер S2, и, задавая с помощью ЛАТР Т1 величины напряжения управления 3.4)Повторить п. 10.3.3. для емкостей С2 и С3. Переключение емкостей производится с помощью S3. 3.5)Растормозить диск электромагнитного тормоза. Вывести ЛАТР Т1 в ноль. Выключить S1 и S2, а переключателем S3 включить С2. Таблица 1 — Данные эксперимента по пункту 3
|