Классификация электрических микромашин

Свойства двигателя с  полюсным управлением значительно  хуже, чем двигателя с якорным  управлением, поэтому в современных  автоматических устройствах применяют  главным образом исполнительные двигатели с якорным управлением.

 

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ  КОЛЛЕКТОРНЫЕ  ДВИГАТЕЛИ

 

В устройствах автоматики и различных электробытовых приборах широко применяют универсальные  коллекторные двигатели мощностью  от нескольких ватт до нескольких сотен  ватт, которые могут работать как  от источников постоянного тока,  так и однофазного тока.

Устройство. Универсальный коллекторный двигатель устроен так же, как и двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Он отличается от машины постоянного тока только тем, что его магнитная система выполняется полностью шихтованной, а катушки обмотки возбуждения состоят из двух секций и имеют промежуточные выводы (рис. 16). Выполнение статора и ротора машины шихтованными объясняется тем, что при работе на переменном токе они пронизываются переменным магнитным потоком; секционирование же обмотки возбуждения делается потому, что в этом режиме из-за падения напряжения в индуктивном сопротивлении двигателя номинальная скорость вращения оказывается меньшей, чем при работе на постоянном токе. Для выравнивания этих скоростей при работе на постоянном токе в цепь якоря включают все витки обмотки возбуждения, а при работе на переменном токе — только часть их, вследствие чего соответственно уменьшается магнитный поток машины. В универсальных коллекторных двигателях, выпускаемых отечественной промышленностью, обмотка возбуждения подразделяется на две части, включаемые с обеих сторон якоря. Такое включение (симметрирование обмотки) позволяет уменьшить радиопомехи, создаваемые двигателем.

Рис. 16. Схема включения универсального коллекторного двигателя

 

Рис. 17.   Графики   изменения   тока   якоря,   потока и электромагнитного момента универсального коллекторного двигателя (а) и его векторная диаграмма при работе  на  переменном  токе  (б)

 

При работе на постоянном токе универсальный коллекторный двигатель ведет себя так же, как двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Работа двигателя на переменном токе имеет ряд специфических особенностей.

Электромагнитный  момент при работе на переменном токе. В рассматриваемом режиме ток якоря i_a и магнитный поток Φ изменяются по синусоидальному закону:

 

    (35)

 

                  (36)

 

где γ — угол, возникающий из-за потерь мощности в стали.

Мгновенное значение электромагнитного  момента

 

  (37)

 

Графики изменения тока i_а, магнитного потока Φ и электромагнитного момента Μ показаны на рис. 17. Очевидно, что момент двигателя можно представить в виде двух составляющих — постоянной и переменной, изменяющейся с двойной частотой:

                (38)

 

   (39)

 

Электромагнитный  момент двигателя является переменным, а в отдельные промежутки времени — даже тормозным. Однако якорь двигателя вращается с равномерной частотой, так как он имеет сравнительно  большой момент инерции. Среднее значение момента

 

 .  (40)

Характеристики при работе на переменном токе. Векторная диаграмма однофазного коллекторного двигателя (рис. 17,б) строится  на  основании уравнения

(41)

 

где ΣR_а и ΣXа — сумма активных и реактивных сопротивлении  в  цепи  обмотки  якоря.

Электродвижущая сила, индуцируемая в обмотке якоря,

 

       (42)

 

Из (41) и (42) можно получить зависимость частоты вращения  от  тока  якоря:

 

          (43)

 

На основании (40) и (43) строятся зависимости n=f(l_a), M=f(l_a) и n=f(M). Так как способ возбуждения машины при работе на постоянном и переменном токе остается неизменным, а формулы (40) и (43) для частоты вращения n и момента Μ имеют такую же структуру, как и формулы (45) и (46), механические характеристики двигателя при работе в двух указанных режимах будут приблизительно одинаковыми. Однако при переменном токе, в числителе (43) появляется дополнительный член jI_aΣX_a, сдвигающий механическую характеристику двигателя в область более низких частот вращения (рис. 118, а, кривая 2). Для того чтобы приблизить ее к механической характеристике при постоянном токе (кривая 1), часть витков обмотки возбуждения при переходе на питание переменным током отключают, т. е. уменьшают магнитный поток машин. При этом обеспечиваются одинаковые номинальные частоты вращения двигателя в обоих режимах работы  (кривая 3).

В связи с уменьшением  магнитного потока двигателя при  работе на переменном токе его магнитная  система оказывается менее насыщенной, чем при работе на постоянном токе. Поэтому при работе в рассматриваемом режиме зависимость M=f(l_a) приближается к параболической; зависимость n=f(I_a) — к гиперболической в большем диапазоне изменения тока, чем при постоянном токе, а механическая характеристика  становится  более  мягкой.

Рабочие характеристики двигателя (рис. 18,б) при его работе   на   постоянном   (сплошные   линии)   и   переменном

Рис. 18. Механические (а) и рабочие (б) характеристики

 универсального  коллекторного двигателя

 

(штриховые линии) токе имеют приблизительно одинаковую форму. При переменном токе ток якоря больше, чем при постоянном, из-за появления реактивной составляющей и увеличения активной составляющей вследствие возрастания потерь в стали. По этим причинам КПД двигателя при переменном токе меньше, чем при постоянном.

При работе на постоянном токе регулирование частоты вращения осуществляют путем включения в  цепь якоря реостата, а также изменения  питающего напряжения и тока возбуждения (шунтирования обмотки возбуждения  реостатом). При работе на переменном токе регулирование частоты вращения осуществляют в основном изменением питающего напряжения; реже — включением реостата в цепь якоря.

Коммутация при  работе на переменном токе. В этом случае в коммутируемой секции кроме реактивной ЭДС е_р индуцируется еще трансформаторная ЭДС е_тр, так как эта секция сцеплена с переменным магнитным потоком. Реактивная ЭДС возникает так же, как и в машине постоянного тока, в результате изменения тока i_a в коммутируемой секции при переходе ее из одной параллельной ветви в другую. Однако в данном случае токи +i_β и —i_a в каждой параллельной ветви (рис. 11.19, а) не остаются постоянными, а   изменяются   по   синусоидальному   закону   i_a = i_amsinωt =

Рис. 19. Диаграммы, иллюстрирующие возникновение реактивной и трансформаторной

ЭДС в универсальном  коллекторном двигателе

 

= ( I_a/2a)sinωt. Следовательно, реактивная ЭДС, пропорциональная производной di/dt, будет зависеть от тока i_a в момент коммутации, т. е. в разные моменты времени она будет различной. Если пренебречь периодом коммутации Т_к по сравнению с временем Т_о между двумя последовательными коммутациями,  то можно считать,  что  производная

     ,    (44)

 

а реактивная ЭДС

 

              (45)

 

где e_pm= I_aL_peз/aT_K — максимальное значение реактивной ЭДС,  соответствующее максимальному току  якоря 1_ат.

Таким образом, реактивная ЭДС  совпадает по фазе с током якоря, пропорциональна частоте вращения n (период коммутации Т_к обратно пропорционален п) и току якоря 1_а так же, как  в машинах постоянного  тока.

Трансформаторная ЭДС индуцируется в коммутируемой секции переменным магнитным потоком машины (рис. 19,6). Так как магнитный поток изменяется по закону Ф = ф_тsinωt, то при установке щеток на геометрической нейтрали

 

(46)

 

где  w_c — число  витков в секции.

Следовательно, если не учитывать  небольшого угла γ, то она будет сдвинута относительно реактивной ЭДС на 90° (рис. 19, б). Результирующая ЭДС в коммутируемой секции будет изменяться по синусоидальному закону и в некоторые моменты времени будет иметь максимальное значение

 

                (47)

 

Установка добавочных полюсов  обеспечивает компенсацию реактивной ЭДС. Трансформаторная же ЭДС остается нескомпенсированной и создает добавочный ток, замыкающийся через щетки. Это ухудшает коммутацию машины, а следовательно, может вызвать опасное искрение и значительные радиопомехи. Особенно неблагоприятные условия возникают при пуске двигателя в случае, когда трансформаторная ЭДС достигает большого значения из-за увеличенных значений пускового тока и потока возбуждения. По этой причине коллекторные машины переменного тока  средней   и  большой  мощности  не  получили  широкого применения. В универсальных коллекторных двигателях малой мощности трансформаторная ЭДС невелика и практически не ограничивает его нагрузку, как это имеет место в более мощных машинах. Однако срок службы щеток, коллектора и всей машины при работе на переменном токе сокращается по сравнению со сроком службы  на  постоянном  токе.

 

 

ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ  УСИЛИТЕЛЬ  С  ПОПЕРЕЧНЫМ ПОЛЕМ

 

Электромашинные усилители (ЭМУ) применяют в схемах автоматики для усиления управляющих сигналов, получаемых от различных датчиков, сельсинов, поворотных трансформаторов  и других  устройств.

Электромашинные усилители представляют собой специальные электрические генераторы постоянного или переменного тока, выходная мощность которых может изменяться в широких пределах путем изменения мощности управления. Отношение выходной мощности к мощности управления называют коэффициентом усиления по мощности. Современные ЭМУ имеют весьма большие коэффициенты усиления, необходимые для усиления сравнительно слабых управляющих сигналов.

Простейшим ЭМУ является обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением, у которого, как известно, мощность, подаваемая на обмотку возбуждения (управления), во много раз меньше мощности, получаемой на выходе от обмотки якоря. Усиление мощности в этой машине происходит за счет механической энергии, поступающей от приводного двигателя, что характерно для всех других ЭМУ. Однако в генераторах с независимым возбуждением нельзя получить  большие коэффициенты усиления, необходимые для современных систем автоматического регулирования, поэтому разработан ряд специальных машин.

Существуют различные  типы ЭМУ постоянного и переменного тока с различными принципами действия. Наиболее распространенным из них является ЭМУ постоянного тока с поперечным полем. Отечественная промышленность выпускает серию таких усилителей мощностью от нескольких сотен ватт до десятков  киловатт.

Принцип действия. В схеме ЭМУ с поперечным полем (рис. 20) для простоты показана только одна обмотка управления У, хотя, как правило, таких обмоток несколько. Якорь ЭМУ приводится во вращение от постороннего (обычно асинхронного) двигателя и ничем не отличается от якоря обычной машины постоянного тока. На коллекторе устанавливается двойной комплект щеток: по поперечной q и продольной d осям. Щетки, установленные по поперечной оси, замыкаются накоротко, а к щеткам, расположенным по продольной оси, подключается сопротивление нагрузки  R_H.

 

Рис. 21.  Схема первой  (а) и второй (б) ступеней в ЭМУ с поперечным полем

Рис. 20.  Принципиальная

схема включения ЭМУ с

поперечным  полем

 

При подаче управляющего сигнала U_y на обмотку управления по ней проходит ток I_y который создает небольшой продольный поток Ф_у (рис. 21, а). При вращении якоря этот поток индуцирует в обмотке якоря ЭДС, действующую между поперечными щетками:

 

    (48)

 

Поскольку поперечные щетки  замкнуты накоротко, по обмотке якоря будет проходить значительный ток:

 

I_q = E_q/ΣR_a                        (49)

 

так как суммарное сопротивление  короткозамкнутой поперечной цепи R_а мало. При прохождении тока I_q по обмотке якоря возникает поперечный поток Ф_аq, во много раз больший потока Ф_у обмотки управления. Поток Ф_а (рис. 21,б) индуцирует в обмотке якоря между продольными щетками ЭДС

 

Е_d = с_еФ_aqп,               (50)

 

которая создает ток нагрузки

 

I_d = E_d/(R_H + ΣR_a).   (51)

 

Магнитодвижущая  сила  якоря  F_ad,  создаваемая  током I_d,   направлена   встречно   МДС   обмотки   управления   F_у поэтому продольный поток якоря Φ_αd будет размагничивать машину.   Для   компенсации   МДС   F_ad   на   статоре   ЭМУ помещают компенсационную обмотку К, которую включают в цепь нагрузки; для точного регулирования МДС компенсационной обмотки F_K параллельно ей присоединяют шунтирующий реостат  R_ш (см.  рис. 20).

Из рассмотрения принципа действия ЭМУ с поперечным полем  видно, что изменяя небольшой  ток I_у в обмотке управления, можно управлять значительным током I_d в цепи нагрузки.