Двухфазный асинхронный двигатель

Асинхронные исполнительные двигатели являются самыми распространенными исполнительными двигателями переменного тока и представляют собой электрическую машину переменного тока.Машина имеет либо полый ротор в виде тонкостенного полого цилиндра из легкого немагнитного металла, либо обычный ротор с короткозамкнутой обмоткой, выполненный в виде беличьей клетки.

По своей конструкции двухфазные двигатели имеют на статоре две сдвинутые в пространстве на 90 эл. градусов обмотки: обмотку возбуждения ОВ, непосредственно подключенную к сети, и обмотку управления ОУ, на которую подается управляющий сигнал, изменяющийся по величине либо фазе

Для того, чтобы токи обмоток создавали вращающее поле, необходим их сдвиг во времени, который достигается   различными путями: за счет схем управления, фазовращателей, конденсаторов или различных преобра­зователей. Наибольшую мощность исполнительные двигатели развивают при круговом вращающем поле, которое получается в случае сдвига токов в обмотках управления  и возбуждения на четверть периода (90⁰) при равенстве намагничивающих сил обмоток.

Регулирование скорости вращения асинхронных исполнительных двигателей - управление двигателями - на практике чаще всего осуществляется одним из трех способов: либо путем изменения амплитуды напряжения управления - амплитудное управление, либо путем изменения его фазы напряжения при неизменной его величине - фазовое управление, либо путем одновременного изменения амплитуды напряжения управления и угла фазового сдвига между напряжениями управления и возбуждения - амплитудно-фазовое управление. На рис.1.8 представлена электрическая схема двухфазного асинхронного двигателя с амплитудным управлением. Одна из обмоток статора - обмотка возбуждения 0В - подключается к источнику питания переменного тока с фиксированным напряжением, а другая - обмотка управления ОУ - обычно питается напряжением переменного тока той же частоты, что и напряжение возбуждения, но через управляющий усилитель мощности УМ.

Необходимый для создания вращающегося магнитного поля сдвиг фаз токов в обмотках статора достигается с помощью конденсатора , включенного последовательно с обмоткой возбуждения, или за счет использования фазосдвигающей схемы управляющего усилителя.

Вращающее магнитное поле (в общем случае эллиптическое) наводит в короткозамкнутой обмотке или соответственно в стенках ротора токи, которые, взаимодействуя с магнитным потоком, создают вращающий момент, увлекающий ротор в сторону вращения магнитного поля. Для изменения направления вращения ротора достаточно изменить фазу напряжения управления  на 180⁰.

Вращающий момент на валу двигателя является функцией напряжения управления  и возбуждения ,фазового сдвига между ними и скорости вращения .

 

 

Рис. 1.8. Электрическая схема и характеристики двухфазного асинхронного двигателя

На рис. 1.8б изображены механические характеристики,  при  и регулировочные характеристики  при  двигателя, управляемого путем изменения амплитуды напряжения на обмотке управ­ления, с конденсатором  в цепи обмотки возбуждения (рис. 1.8а). Напряжения  источника питания обмотки возбуждения  совпадают по фазе.

Механические и регулировочные характеристики двухфазного асинхронного двигателя нелинейные. Проводя линеаризацию характеристик (например, как показано на рис. 1.8, б), можно получить основные уравнения двигателя, связывающие входные и выходные величины:

                           

                                             (1.22)

               ,                   (1.23)

где .

Решая совместно уравнения (1.22), (1.23) динамика асинхронного двигателя может быть записана как

где  - постоянная времени исполнительного двигателя;

 - коэффициент преобразования двигателя по напряжению;

 - коэффициент преобразования двигателя по моменту

Передаточная функция двухфазного асинхронного двигателя три М _с = 0 и при условии, что выходной величиной является угол поворота вала двигателя . имеет вид:

                                            (1.24)

Передаточная функция (1.24) справедлива в предположении быстрозатухающих электромагнитных переходных процессов в обмотках двигателя.

На рис. 1.8в показаны структурная схема двухфазного асинхронного двигателя и переходная характеристика, представляющая собой закон изменения во времени угла  при ступенчатом изменении напряжения управления . Характеристика построена по выражению для , полученному как

            (1.25)

 

II ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

 

Изучение принципа и экспериментальное определение характеристик элементов САУ производится на лабораторных макетах САУ скорости вращения электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением (рис. 1.3). На каждом стенде имеется комплект следующих элементов и устройств.

1. Электрический двигатель постоянного тока с независимым возбуждением ИД, на валу которого находятся:

а) генератор постоянного тока с независимым возбуждением ДЗ, работающий на активную нагрузку ;

б) тахогенератор ТГ, используемый в качестве преобразователя скорости вращения в напряжение.

Генератор служит нагрузкой для двигателя. Протекающий в якорной цепи генератора ток нагрузки при взаимодействии с потоком возбуждения создает электромагнитный момент, противодействующий вращающему моменту двигателя ИД. При постоянном потоке возбуждения генератора этот момент пропорционален току нагрузки .

Обмотки возбуждения двигателя ИД, генератора ДЗ и тахогенератора ТГ подключены к.источникам постоянного тока.

2. Усилитель, используемый как усилитель мощности для питания якорной цепи двигателя ИД.

3. Потенциометры  и  образующие совместно с тахогенератором ТГ измерительное устройство. К потенциометру подведено напряжение от эталонного источника питания .

Потенциометр в цепи тахогенератора позволяет изменять коэффициент усиления измерительного устройства.

На каждом стенде предусмотрены вспомогательный источник постоянного тока с потенциометром и измерительная аппаратура.

 

 

III ЗАДАНИЕ

 

1. Ознакомиться с расположением на стенде изучаемых элементов САР и с измерительной аппаратурой, необходимой при снятии характеристик этих элементов.

2. Собрать схему для снятия статических характеристик измерительного устройства, усилителя и регулируемого двигателя ИД.

3. Снять зависимость напряжения   на выходе измерительного устройства от скорости вращения вала тахогенератора.  при двух положениях движка потенциометра в цепи тахогенератора  (по указанию преподавателя): а) без нагрузки; б) с нагрузкой.

По полученным данным построить характеристики  и определить по ним значения коэффициента усиления измерительного устройства  [Вс/рад].

4. Снять зависимость скорости вращения регулируемого двигателя  от напряжения управления - , приложенного к якорной цепи и напряжения  на выходе усилителя от напряжения управления  при двух значениях тока нагрузки в цепи генератора ДЗ

.

Построить снятые характеристики . и , определить по ним коэффициенты усиления соответственно двигателя по скорости  [рад/Вс] и усилителя .

5. Снять зависимости скорости вращения двигателя  и напряжения  на выходе усилителя от тока нагрузки в цепи генератора ДЗ. Построить снятые зависимости . и .

6. Собрать схему для снятия переходных характеристик регулируемого двигателя ИД и усилителя >. Зарисовать осциллограммы переходного процесса: в двигателе — при ступенчатом изменении напряжения на величину ± и при  которое обеспечивает изменение скорости двигателя на ±- .

По снятым характеристикам оценить параметры передаточной функции соединения «усилитель-двигатель».

 

 

IV МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

Для снятия статических характеристик измерительного устройства, усилителя > и двигателя ИД, используется схема, состоящая из усилителя, двигателя ИД, на валу которого находится генератор ДЗ и тахогенератор ТГ, потенциометры ,  и  (см. рис. 1.3).

Вход усилителя подключается к вспомогательному источнику постоянного тока через потенциометр . Выход усилителя соединен с якорной цепью двигателя, а якорная цепь тахогенератора ТГ подключена к потенциометру .

Для измерений напряжений в соответствующих точках схемы используются вольтметры постоянного тока, смонтированные на стенде.

При снятии характеристики измерительного устройства цепь нагрузки генератора размыкается выключателем П2-2  движок потенциометра  -устанавливается в такое положение, чтобы при заданном значении скорости вращения: —напряжение . Изменение скорости вращения  осуществляется путем изменения напряжения на входе усилителя с помощью потенциометра .

Для каждого заданного положения движка потенциометра  записываются 5—6 значений напряжения при изменении скорости вращения  в диапазоне от 0.2 до 1.2 . Скорость вращения  определяется по напряжению тахогенератора, для которого коэффициент преобразования =0.024*60/2p[Вс/рад].

Статические характеристики двигателя ИД и усилителя . и , также как . и  снимаются одновременно.

Перед снятием характеристики  и  предварительно определяют пределы изменения величины , в которых возможно поддерживать постоянное значение тока нагрузки в цепи генератора, равное заданному значению . Изменяя с помощью потенциометра   напряжение в определенных пределах и поддерживая с помощью реостата ток нагрузки =const, записывают значения величин и  для 5—б значений .

Указанные характеристики при  (цепь нагрузки генератора разомкнута выключателем П2-2)снимаются в пределах изменения  от 0 до максимально возможного значения.

Коэффициенты усиления двигателя и усилителя определяются соответственно как  и . Соответствующие приращения скорости и напряжения берутся в окрестности точки .

Характеристики . и снимаются при =const и изменении тока нагрузки в пределах от 0 до максимально возможного значения. Причем в данном диапазоне ток изменяется равными ступенями так, чтобы при построении характеристики было не менее пяти значений и . Величина напряжения устанавливается из условия, что при скорость вращения двигателя равна .

При снятии переходных характеристик соединения «усилитель—двигатель» используется та же схема, что и при снятии статических характеристик. На вход усилителя > подключаются последовательно соединенные потенциометр  вспомогательного источника питания и генератор инфранизкочастотных колебаний. С помощью  устанавливается , которое обеспечивает ₌  (, ) С генератора подаются прямоугольные 0.8  импульсы, амплитуда которых обеспечивает максимальное изменение скорости .

Частота импульсов должна обеспечивать окончание переходного процесса во время действия импульса. Длительность развертки осциллографа и частота следования импульсов должна быть подобрана так, чтобы можно было зарисовать процесс с экрана осциллографа.

 

V Контрольные вопросы

 

1. Назовите основные характеристики, используемые при исследовании САУ и ее элементов.

2. Объясните принцип действия исполнительного двигателя постоянного тока с независимым возбуждения и способы управления им. Покажите вид статических характеристик(механических и регулировочных) при независимом управлении двигателем по якорной цепи.

3. Напишите уравнения, описывающие процессы в двигателе постоянного тока с независимым возбуждением при якорном управлении и покажите его структурную схему.

4. Напишите передаточные функции по управляющему и возмущающему воздействиям для двигателя постоянного тока с якорным управлением. Чему равны параметры ?

5. Напишите выражение переходной функции двигателя постоянного тока  и постройте динамическую переходную характеристику  с независимым возбуждении при якорном управлении.

6. Объясните принцип действия тахогенератора и его основные характеристики, запишите передаточную функцию .

7. Объясните принцип действия двухфазного асинхронного двигателя. Покажите вид механических и регулировочных характеристик двигателя.

8. Напишите уравнения, описывающие процессы, протекающие в двухфазном асинхронном двигателе, его передаточную функцию Покажите структурную схему и вид переходной характеристики двигателя.

9. Объясните методику снятия статических и динамических характеристик двигателя, измерительного и усилительного устройств.

10. Объяснить вид полученных характеристик: , , ,  и .

11. Как определить по статическим характеристикам коэффициенты преобразования измерительного устройства ,исполнительного двигателя  и усилительно-преобразовательного устройства ,

12. Объясните методику снятия и вид полученной характеристики переходного процесса двигателя . Как определить постоянную времени двигателя  по переходной характеристике?

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Теория автоматического управления/ Под ред. А.В. Нетушила. М.: Высш. шк.,1982, 400 с.

 

2. Петрова В.А., Ягодкина Т.В. Математическое описание линейных непрерывных систем автоматического управления. - М.: Изд-во МЭИ, 1992, 103 с.

3. Ягодкина Т.В., Хризолитова С.А., Бондин О.А. Применение Mathcad для решения задач теории автоматического управления. Учеб. Пос. по курсу "Основы теории управления".- М.: Изд-во МЭИ, 2004, - 64 с.

4. Колосов О.С., Хризолитова С.А. Лабораторные работы по курсу "Основы теории автоматического управления". М.: Изд. МЭИ, 1994.-30с.