ГЛАВА 3.ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

§3.6. Регулирование скорости исполнительных асинхронных микродвигателей

Способы управления. Для управления исполнительными асинхронными микродвигателями применяют в основном несимметричные способы, т.е. основанные на изменении формы вращающегося магнитного поля: амплитудный (изменение U_y), фазовый (изменение β) и пространственный (изменение γ, применяется редко). Возможна комбинация этих способов.

На практике наибольшее применение получил амплитудно - фазовый способ управления с конденсатором в цепи возбуждения (конденсаторный) (рис. 3.10,а).

Равенство МДС обмоток возбуждения и управления имеет место при равенстве напряжений, приведенных к одному числу витков. Если приведение осуществить к обмотке возбуждения, то равенство МДС эквивалентно условию U'_y=U₁, где U'_y=К_тU_y, а коэффициент трансформации обмоток статора К_т = w_вэф / w_yэф.

Обмотку управления У подключают к сети переменного тока через регулятор напряжения R ; напряжение управления U_y совпадает по фазе с напряжением сети U₁. Сдвиг по фазе тока, а следовательно, и напряжения на обмотке возбуждения по отношению к обмотке управления осуществляется конденсатором, который включают последовательно с обмоткой возбуждения. Управление двигателем производится за счет изменения амплитуды напряжения управления.

Причем, несмотря на то, что фаза напряжения управления не изменяется (совпадает с фазой напряжения сети), при изменении напряжения управления наблюдается одновременное изменение как амплитуды, так и фазы напряжения на обмотке возбуждения U_в (рис. 3.10, б). Такое же явление наблюдается 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 сети и на конденсаторе = - ,где = - j хс. ,а ток возбуждения I_в зависит от скорости ротора.

Рис. 3.10

Реверсирование исполнительных асинхронных микродвигателей при амплитудном и конденсаторном способах управления производят изменением фазы напряжения управления на 180°, например, путем переключения выводов обмотки У. При фазовом и пространственном способах управления реверсирование осуществляют изменением знака угла β или γ.

Статические характеристики. Механические и регулировочные характеристики исполнительных асинхронных микродвигателей в относительных единицах представлены на рис. 3.11(скорость в относительных единицах ω_* = ω₂ / ω₁ = 1 – s; момент в относительных единицах М_* = М_эм / М_по, где М_по – пусковой момент при круговом поле). В качестве примера характеристики построены применительно к амплитудному и амплитудно-фазовому способам управления.

Анализ механических характеристик показывает, что при всех способах управления характеристики нелинейные и их жесткость уменьшается с уменьшением сигнала управления (см. рис. 3.11,а). У исполнительных асинхронных микродвигателей, работающих в системах автоматизации и управления, допускается нелинейность порядка 10%.

Рис. 3.11

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 скоростей.

Анализ регулировочных характеристик показывает ( рис. 3.11,б), что при всех способах управления они в общем нелинейные. Наибольшая нелинейность – в режиме холостого хода и зависит в основном от тех же параметров двигателя, что и нелинейность механических характеристик. Наибольшую линейность и крутизну характеристики имеют в начальной части, поэтому для обеспечения линейности регулирования двигатель должен работать при малых сигналах и относительных скоростях. При нелинейности механических характеристик меньше 10% степень нелинейности регулировочной характеристики холостого хода не превышает 20% в диапазоне изменения коэффициента сигнала 0 ÷ 0,7.

У исполнительных асинхронных микродвигателей в режиме реального х.х. (М_н*=0) регулировочная характеристика выходит не из нуля (пунктирная линия на рис.3.11,б). Объясняется это тем, что ротор начнет вращаться только при сигнале, называемом сигналом трогания α_тр, при котором электромагнитный момент двигателя превысит момент трения покоя на валу двигателя. Значение сигнала трогания, определяющего зону нечувствительности исполнительного микродвигателя, не должно превышать 0,05.

Рассмотренные способы управления обеспечивают весьма широкий диапазон регулирования. У исполнительных микродвигателей с полым немагнитным ротором он достигает D=(100 ÷ 200):1.

Динамические характеристики. При линеаризации механических характеристик во всем рабочем диапазоне выражения для динамических характеристик не отличаются от выражений (2.10) – (2.16) для двигателей постоянного тока.

Соотношение τ_м микродвигателей с полым немагнитным ротором и типа «беличья клетка» при одинаковой угловой скорости прямо пропорционально отношению моментов инерции ротора. Момент инерции полого немагнитного ротора значительно меньше, чем ротора типа "беличья клетка" того же диаметра и длины. Однако сравнение по быстродействию исполнительных асинхронных микродвигателей с полым немагнитным ротором и с ротором типа "беличья клетка" наиболее целесообразно проводить при одинаковых мощностях на валу, уровне суммарных потерь на единицу поверхности корпуса, характеризующем нагрев двигателя, нелинейности характеристик и частоте питающей сети.

Указанные факторы определяют сравнительные параметры быстродействия исполнительных асинхронных микродвигателей. В диапазоне мощностей в единицы и доли ватт (примерно до 5 Вт) при относительно небольших габаритах и массе ротора у двигателей с ротором типа "беличья клетка" можно получить меньшую постоянную времени τ_м, чем при полом немагнитном роторе. При частоте 400 Гц в указанном диапазоне мощностей у микродвигателей с полым немагнитным ротором τ_м лежит в пределах 15 ÷ 90 мс, а с ротором типа "беличья клетка" - в пределах 10 ÷ 40 мс. Среди двигателей большей мощности преимущество по быстродействию в основном имеют двигатели с полым немагнитным ротором. При частоте 400 Гц у двигателей мощностью 10 ÷ 50 Вт с полым немагнитным ротором значение τ_м лежит в пределах 15 ÷ 100 мс, а с ротором типа "беличья клетка" - в пределах 50 ÷ 300 мс.

Система «Усилитель мощности – двигатель».В реальных устройствах автоматического управления принципиальная схема, показанная на рис.3.10,а, принимает вид системы «Усилитель мощности – двигатель», показанной на рис.3.12. На вход усилителя мощности УМ подается маломощный сигнал U_зу от задающего устройства, с выхода УМ снимается сигнал U_у, необходимый для управления двигателем.

Рис.3.12

В качестве УМ таких систем используются два вида усилителей: полупроводниковые и магнитные. В настоящее время наиболее часто применяются полупроводниковые УМ, состоящие из операционного усилителя в виде интегральной схемы и каскада усиления мощности на транзисторах.