5.8 Регулирование скорости вращения

5.8.1 Принципы регулирования

Частота вращения вала двигателя постоянного тока (см. п. )

.

Отсюда вытекают 3 способа изменения скорости вращения Д=Т. Первый из них - включение реостата в цепь якоря. Из механических характеристик Д=Т (||B или ПВ, рис. и ) видно, что этот способ дает возможность регулировать скорость вниз от номинальной, поскольку увеличивать напряжение на якоре сверх номинального нельзя. Основной недостаток такого регулирования – большие потери в сопротивлении и, как следствие, снижение КПД η.

Второй способ - изменение основного потока (I_в).

С уменьшением по сравнению с (при = 0) частота n возрастает. При таком регулировании КПД двигателя η остается высоким, т.к. мощность ОВ мала по сравнению с мощностью якоря . В Д||В регулирование тока возбуждения производится реостатом, включенным последовательно с ОВ, а у Д=Т с ПВ этот реостат включается параллельно ОВ.

У Д||В механические характеристики, построенные для разных значений , пересекаются вблизи точки с ординатой M_кр (см. рисунок ). Это вытекает из очевидных соотношений:

,

поскольку пусковой ток определяется соотношением и одинаков при любых значениях потока , и

,

т.е. на холостом ходу, когда М = 0 (I_а пропорционален М и тоже равен нулю) становится скоростью ХХ . Следовательно, пусковой момент Д=Т М_п пропорционален величине потока , а скорость холостого хода n₀ обратно пропорциональна ей. Поэтому можно использовать изменение потока как для увеличения скорости n по сравнению с n_ном (если момент нагрузки на валу М_в < М_кр), так для ее уменьшения в противном случае.

Верхний предел увеличения скорости определяется механической прочностью якоря и коллектора, а также условиями коммутации (скоростью изменения тока в коммутируемой секции, см. п. ).

Двигатель с последовательным возбуждением, у которого поток возбуждения зависит от тока якоря I_а, при росте потока возбуждения снижает скорость вращения (см. рисунок ).

Нижний предел скорости такого двигателя ограничивается насыщением его магнитной цепи – см. п. (магнитная характеристика М=Т имеет насыщение, т.е. ≤ ).

Третий способ регулировки скорости Д=Т - изменение напряжения U на зажимах якоря. Поскольку напряжение U, подаваемое на якорь, не должно превышать номинального значения , на которое спроектирован двигатель, то этим способом можно регулировать n в пределах от 0 до . На рисунках иллюстрируется управление скоростью Д||В и ДПВ таким способом.

5.8.2 Методы управления двигателем

Управление Д=Т в САУ подразумевает либо изменение скорости вращения пропорционально некоторому сигналу управления, либо поддержание этой скорости неизменной при воздействии внешних дестабилизирующих факторов. Используются 4 основные метода управления, реализующие перечисление выше принципы:

- реостатно-контакторное управление;

- управление по системе «генератор-двигатель» (Г-Д);

- управление по системе «управляемый выпрямитель –Д» (УВ-Д);

- импульсное управление.

Подробное исследование этих способов – предмет ТАУ и курса «Основы электропривода». Мы рассмотрим только основные положения, имеющие непосредственное отношение к электромеханике.

5.8.2.1 Реостатно-контакторное управление

Обычно используются 3 схемы:

- при регулировке скорости n от 0 до n_ном в цепь якоря включают реостат (якорное управление);

- при необходимости получить n > реостат включают в цепь ОВ (полюсное управление);

- для регулирования скорости n < и n > реостаты включают как в цепь якоря, так и в цепь ОВ .

Перечисленные схемы применяются при ручном управлении. Для автоматического управления используют ступенчатое переключение и с помощью контакторов (реле, электронных коммутаторов). Если требуется точное и плавное регулирование скорости, число коммутируемых резисторов и элементов коммутации должно быть большим, из-за чего увеличиваются габариты системы, стоимость и снижается надежность.

5.8.2.2 Управление по системе Г-Д

Регулирование частоты вращения от 0 до по схеме рис. производится регулировкой ; для получения скорости двигателя больше - изменением (уменьшение тока ОВ двигателя уменьшает его основной поток Ф_δ, что и приводит к увеличению скорости n).

Переключатель S1 предназначен для реверса двигателя (изменения направления вращения его ротора).

Поскольку управление Д осуществляется путем регулирования сравнительно малых токов возбуждения Г и Д, оно легко адаптируется к задачам САУ.

Недостаток такой схемы – большие габариты системы, масса; низкий КПД, поскольку здесь имеется трехкратное преобразование преобразование энергии (электрической в механическую и обратно, и на каждом этапе имеются потери энергии).

5.8.2.3 Система «управляемый выпрямитель – двигатель» (рисунок )похожа на предыдущую, но вместо электромашинного источника регулируемого напряжения, состоящего из, например, трехфазного, двигателя переменного тока и Г=Т, используется управляемый, например, тоже трехфазный тиристорный электронный выпрямитель (см. курс "Электронные устройства систем управления").

Сигналы управления формируются отдельным блоком управления и обеспечивают требуемый угол открывания тиристоров, пропорциональный сигналу управления U_у.

Достоинства такой системы - высокий КПД, малые габариты и масса.

Недостатком по сравнению с предыдущей схемой (Г-Д) является ухудшение условий коммутации Д из-за пульсаций его тока якоря , особенно при питании от однофазной сети.

5.8.2.4 Импульсное управление

На двигатель с помощью импульсного прерывателя подаются импульсы напряжения, модулированные (ШИМ, ВИМ, ..., см. курс "Электронные устройства систем управления") в соответствии с управляющим напряжением.

Таким образом, изменение скорости вращения якоря достигается не за счет изменения напряжения управления, а путем изменения времени, в течение которого к двигателю подводится номинальное напряжение. Очевидно, что работа двигателя состоит из чередующихся периодов разгона и торможения (см. рисунок ). Если эти периоды малы по сравнению с полным временем разгона и остановки якоря, то скорость n не успевает к концу каждого периода достигать установившихся значений n_ном при разгоне или n = 0 при торможении, и устанавливается некоторая средняя скорость n_ср, величина которой определяется относительной продолжительностью включения

.

Поэтому в САУ требуется схема управления, назначение которой – преобразование постоянного или изменяющегося сигнала управления в последовательность управляющих импульсов с относительной продолжительностью τ, являющейся заданной функцией величины этого сигнала. В качестве элементов коммутации используются силовые полупроводниковые приборы – полевые и биполярные транзисторы, тиристоры.

5.9 Микродвигатели постоянного тока (МД=Т)

В САУ эти машины (мощностью до 600 Вт) называются исполнительными двигателями (ИД).

5.9.1 МД=Т обычного исполнения

Как и в Д=Т общепромышленного назначения, основной поток ИД создается обмоткой возбуждения, расположенной на полюсах, или постоянными магнитами. В первом случае магнитная система полностью шихтована, так как ИД работает обычно в переходных режимах и, магнитный поток в ярме изменяется во времени (см. вихревые токи, раздел 1). Магнитная система выполняется ненасыщенной, чтобы реакция якоря (РЯ) не влияла на и, соответственно, на скорость вращения n. Конструкция такого ИД приведена на рис. .

5.9.2 МД=Т с полым якорем

Для снижения момента инерции якорь (т.е. та часть ЭМ=Т, которая "восприни-

мает" поток полюсов) разделен на 2 части (см. рисунок ):

- обмотка с коллектором;

- ферромагнитный сердечник (внутренний статор).

Якорь выполнен в виде полого пластмассового цилиндра, в котором запрессована обмотка из медной проволоки. Электромеханическая постоянная времени Т_м (мера инерционности ИД) снижается до

сотых долей секунды. Другая разновидность такого двигателя (рисунок , б): внутренний статор – постоянные магниты, создающие основной поток, наружный статор служит магнитопроводом.

Достоинства такого ИД - обмотки якоря не охватывают ферромагнитных зубцов, поэтому индуктивность обмотки якоря мала, и условия коммутации улучшаются. Недостатком является необходимость увеличивать МДС ОВ, т.к. воздушный зазор у такой машины больше, чем при обычном исполнении.

5.9.3 МД=Т с беспазовым якорем

Обмотка якоря такого МД расположена не в пазах, а на гладкой цилиндрической поверхности ферромагнитного якоря (рисунок ). Вследствие этого индуктивность обмотки якоря невелика, и Т_м также мала.

5.9.4 МД=Т с печатной обмоткой якоря. Применяются ИД такого типа двух разновидностей: с дисковым якорем и с цилиндрическим якорем.

Якорь машины первого вида представляет собой тонкий немагнитный диск (керамика, пластмасса, алюминий, …) с нанесенной на него печатной обмоткой (электрохимический способ) (см. рисунок ). Роль коллектора играют участки проводников на одной из поверхностей диска, по которым скользят щетки (рисунок ) Для повышения долговечности иногда используют обычный коллектор.

Якорь машины в цилиндрическом исполнении выглядит так же, как и у МД с полым ротором (см. п. 5.9.2), но обмотка якоря не запрессована в пластмассу, а наносится на обе поверхности электрохимическим способом в виде печатных проводников (рисунок ).

К достоинствам таких ИД относятся малый момент инерции якоря, хорошие условия коммутации вследствие малой индуктивности якоря ), хорошие условия охлаждения и технологичность конструкции. Недостатками являются потребность в высокой МДС возбуждения из-за большого немагнитного зазора, а также меньший срок службы (в модификации ИД с дисковым якорем и токосъемом непосредственно с печатных проводников).

6 Машины переменного тока (М~Т)

6.1 Общие сведения об ЭМ~Т

В современной промышленности преимущественно применяются многофазные М~Т. Чаще всего число фаз m=3. Действие всех многофазных машин основано на эффекте вращающегося магнитного поля.

ЭМ~Т подразделяются на 3 вида:

а) синхронные (СМ);

б) асинхронные (АМ);

в) коллекторные (КМ).

В машинах типа а) ротор вращается с той же скоростью и в том же направлении, что и вращающееся магнитное поле (синхронно). Такие машин используются чаще всего в качестве генераторов переменного тока (Г~Т), в частности, на электростанциях, производящих электроэнергию для промышленности.

В машинах типа б) (АМ) скорость вращения ротора не равна скорости вращения магнитного поля. АМ используются в основном в качестве двигателей переменного тока (Д~Т).

Машины типа в) также являются асинхронными, но их выделяют из-за особенностей, связанных с наличием коллектора. Используются такие Д~Т обычно в качестве универсальных, т.е. способных работать как на постоянном токе, так и на переменном.

6.2 Вращающиеся магнитное поле

6.2.1 Поле трехфазного тока

Трехфазная система токо0в (рисунок ) , (т.е. электрический фазовый сдвиг между токами каждой из фаз А, В и С составляет 120⁰), протекающих в катушках, расположенных по окружности так, что их оси также находятся под углом (геометрическим) 120⁰, создает в результате взаимодействия создаваемых ими пульсирующих магнитных потоков магнитное поле, вращающееся в пространстве относительно оси этой окружности с частотой n₁, равной частоте питающего катушки тока f₁. Амплитуда результирующего поля В=1,5В_м, где В_м – амплитуда поля, созданного одной катушкой.

Направление вращения поля – в сторону оси катушки, в которой ожидается максимум тока. В те моменты времени, когда поле одной из катушек максимально, результирующее поле совпадает с ним по направлению.

Для изменения направления вращения поле достаточно изменить порядок следования фаз (А, В, С) токов в катушках.

6.2.2 Поле двухфазного тока

Двухфазная система состоит из двух сдвинутых на 90⁰ (электрических) токов в фазах А и В

Если эти токи протекают по катушкам, содержащим w₁ и w₂ витков и сдвинутым в пространстве на 90⁰ (геометрических), результат векторного сложения их пульсирующих магнитных полей представляет собой вращающееся поле, частота вращения которого (в пространстве) равна n₁, направление вращения поля, как и в предыдущем случае, определяется чередованием максимумов токов в фазах.

Для того, чтобы модуль вектора В вращающегося магнитного поля оставался неизменным, т.е. поле было круговым, необходимо выполнение трех условий:

- сдвиг катушек в пространстве (геометрический, пространственный) ;

- сдвиг токов в катушках (электрический, фазовый, временной) ;

- МДС обеих катушек одинаковы .

Нарушение любого из этих условий приводит к тому, что поле из кругового превращается в эллиптическое, т.е. конец вектора магнитной индукции описывает не окружность, а эллипс. Когда одно из условий полностью не выполняется, т.е. или , или , или , то поле становится пульсирующим (вырожденный эллипс с равной нулю одной из полуосей).

6.3 Устройство и принцип действия асинхронных машин переменного тока

6.3.1 Устройство асинхронного двигателя (АД)

Неподвижная часть – статор, вращающаяся – ротор. Сердечники статора и ротора набираются из листовой стали (см. раздел 1, вихревые токи).

На внутренней цилиндрической поверхности статора и на внешней цилиндрической поверхности ротора имеются пазы, в которых размещаются проводники обмоток соответственно статора (рисунок и ротора. Обмотка статора присоединяется к внешней электрической сети (двух- или трехфазной) непосредственно, а обмотка ротора - с помощью контактных колец (аналог коллектора ЭМ=Т) - соответственно двух или трех, в зависимости от числа фаз этой обмотки - и скользящих по ним щеток выводится наружу. Это - машина с фазным ротором (рисунок ).

Обмотка ротора АД другого типа (рисунок ) не имеет связи с внешними электрическими цепями, т.е. не нуждается в контактных кольцах, и выполняется в виде т. наз. "беличьей клетки", конструкцию которой очень напоминает (рисунок ). В каждом пазу ротора находится медный (чаще – алюминиевый) стержень; торцы всех стержней электрически соединены между собой с обеих торцевых сторон ротора кольцами из такого же материала, что и стержни, замыкающими эти стержни накоротко. Такая АМ называется машиной с короткозамкнутым ротором.

В АД малой и средней мощности стержни и торцевые кольца вместе с лопастями вентилятора воздушного охлаждения выполняются путем заливки углублений на поверхности ротора расплавленным алюминием. Это - наиболее часто используемый тип АД.

Часто АМ выполняют со скосом пазов ротора или статора для снижения высокочастотных зубцовых пульсаций, как и в М=Т.

6.3.2 Принцип действия АМ

Магнитный поток Ф₁, создаваемый током i₁ c частотой f₁ обмотки статора, при своем вращении со скоростью n₁ (в пространстве внутри машины) пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. Если обмотка ротора замкнута, в ней возникают токи i₂, частота которых при неподвижном роторе совпадает с частотой f₁ (в машинах переменного тока принято всем электрическим, магнитным и механическим величинам, относящимся к статору, присваивать индекс "1", а относящимся к ротору – "2" (за исключением механической скорости вращения ротора, обозначаемой всегда буквой "n" без индекса); соответствующим индексом обозначаются скорости вращения магнитных полей – иногда ( n₂=n) они совпадает с механической скоростью вращения ротора n, иногда – нет).

В трехфазной обмотке ротора ток i₂ – так же, как и в статоре, трехфазный, с той же частотой. Этот ток создает вращающийся поток ротора Ф₂, направление и скорость вращения n₂ которого при неподвижном роторе такие же, как и у потока статора:

Поэтому потоки статора и ротора вращаются синхронно и образуют общий вращающийся магнитный поток СМ Ф.

В результате взаимодействие токов ротора и созданного ими магнитного потока Ф₂ с потоком статора Ф₁ возникают механические силы и вращающий момент М. Несколько облегчает понимание этого явления представление возникающего механического момента как аналогии взаимодействия двух постоянных магнитов: два полюса одного из них (магнитное поле статора) вращаются относительно магнитных полюсов другого (магнитное поле ротора), пытаясь увлечь "магнит" ротора за собой.

ЭДС электромагнитной индукции и токи, протекающие вследствие наличия этих ЭДС в обмотках машин переменного тока, могут быть из-за реактивного характера сопротивлений обмоток и подключенных к ним элементов сдвинуты по фазе на угол φ.

На рисунке показаны две ситуации: в первой ЭДС ротора е₂ и ток ротора i₂ совпадают по фазе (φ₂ = 0). При φ₂ = 0 все силы F_i, действующие на проводники обмотки ротора, направлены в сторону вращения поля, а суммарный электромагнитный момент, действующий на проводники и, соответственно, на удерживающий их ротор радиусом r_a,

.

При φ₂=90º силы F_i действуют в противоположные стороны, и суммарный их момент М=0. Таким образом, вращающий момент создается только активной составляющей тока ротора.

Цепь ротора АД всегда имеет определенное активное сопротивление, поэтому при пуске (механическая скорость вращения ротора n = 0) возникает пусковой момент M_п > 0, и если М_п > М_в (статический тормозящий момент на валу, создаваемый полезной нагрузкой АД), ротор придет во вращение в направлении вращающегося поля с некоторой скоростью n < n₁, т.е. будет вращаться с некоторым отставанием (скольжением) относительно поля статора.

Относительная разность скорости вращения поля и ротора называется скольжением:

,

или .

При пуске АД S=1, n=0. При синхронном вращении (скорость вращения поля статора и механическая скорость вращения ротора одинаковы, т.е. n₁ = n) скольжение S = 0.

Но при n=n₁ магнитное поле статора относительно ротора становиться неподвижным, и токи в роторе индуцироваться не будут, следовательно, вынуждающий ротор вращаться момент становится равным нулю – начинается торможение). Поэтому такой скорости (синхронной) АД достичь не может, и в режиме двигателя всегда выполняются соотношения: 0 < n < n₁, а 1 > S > 0.

При вращении ротора в сторону поля частота пересечения полем Ф проводников ротора пропорциональна разности скоростей поля n₁ и ротора n (от f₁  при n = 0 до 0 при n = n₁). Поэтому частота тока i₂ в роторе (при числе пар полюсов p = 1)

.

Подставляя в это соотношение (см. выше), получим

.

При скорость вращения поля ротора относительно самого ротора

,

а скорость вращения поля ротора относительно статора

.

Таким образом, скорость вращения поля ротора относительно статора всегда равна скорости вращения поля статора – магнитные поля статора и ротора АД имеют одну и ту же скорость (см. приведенную выше аналогию с магнитом, увлекаемым в движение вращающимся магнитным полем).

Если ротор АМ привести во вращение с помощью внешней силы по направлению вращения поля, причем создать скорость ротора больше, чем скорость вращения поля статора, направления электромагнитных сил и момента М изменятся на противоположные. Момент М, действующий на ротор асинхронной машины, при этом будет тормозящим, а машина переходит в режим генератора и отдает мощность в сеть: при скольжение .

Если ротор асинхронной машины вращать в направлении, противоположном направлению вращения поля статора (n < 0), то электромагнитный момент М будет действовать на ротор в сторону вращения поля статора, но будет тормозящим. Это – режим электромагнитного тормоза (n < 0, S > 1).

6.4 Устройство и принцип действия СМ

6.4.1 Устройство СМ

Статор СМ устроен так же, как и АМ. Обмотка статора называется еще обмоткой якоря. Ротор СМ имеет обмотку возбуждения, питаемую через 2 контактных кольца и щетки постоянным током от постороннего источника. Часто этим источником является маломощный Г=Т, устанавливаемый на валу этой же СМ. Назначение ОВ - создание в машине первичного магнитного поля.

Роторы СМ бывают явнополюсные (т.е. их магнитные полюсы конструктивно выражены явно) и неявнополюсные (рисунок ). Сердечники полюсов набираются из листовой электротехнической стали. В полюсах СД (синхронных двигателей) делают пазы, в которые укладываются стержни пусковой обмотки, выполненной из материала с высоким удельным сопротивлением (латунь, ...). Торцы этих стержней объединяются короткозамыкающие кольца (аналог "беличьей клетки" АМ). Иногда полюсы делают не шихтованными, а цельными, и тогда роль пусковой обмотки выполняют сами массивные полюсы, имеющие в этом случае электрическую проводимость в осевом и радиальном направлениях.

Маломощные СМ иногда имеют обращенную конструкцию (индукторы (полюсы) располагают на статоре, а обмотки якоря размещают на вращающемся роторе (рис. ). В таком случае электрическая связь с этой обмоткой осуществляется через 3 контактных кольца (аналог коллектора ЭМ=Т) со щетками.

Неявнополюсное исполнение ротора СМ используется в крупногабаритных машинах при больших скоростях вращения (соображения механической прочности ротора и крепления его полюсов и обмоток возбуждения).

6.4.2 Принцип действия СМ

Если ротор СМ привести во вращение со скоростью n об/сек и возбудить его (подать через контактные кольца ток в его обмотку), созданный этим током поток возбуждения Ф будет пересекать проводники обмотки статора, и в фразах последней будет индуцироваться ЭДС электромагнитной индукции с частотой

.

При подключении к обмотке статора нагрузки по ней потечет ток – машина работает в режиме генератора.

Протекание переменных токов в трехфазной обмотке статора вызывает появление в СМ вращающегося магнитного поля, как и у АМ. Это поле статора вращается в направлении вращения ротора со скоростью , т.е. n₁=n (скорость вращения поля статора равна скорости вращения ротора).

Если, наоборот, подвести к обмотке статора трехфазный переменный ток, то в результате взаимодействия полей ротора и статора поле статора увлекает за собой ротор.

6.5 Обмотки ЭМ~Т

При конструировании машин ~ Т стремятся к тому, чтобы индуцируемые в обмотках ЭДС были синусоидальными. Если эти ЭДС индуцируются вращающимся магнитным полем, то для этого необходимо, чтобы распределение магнитной индукции вдоль зазора было синусоидальным.

Рассмотрим распределение поля в зазоре в простейшем случае – однофазная сосредоточенная обмотка на статоре. Схема такой обмотки и распределение магнитодвижущей силы (намагничивающей силы) катушки F_к (на 1 зазор), в которой протекает ток катушки i_к, и индукции В в зазоре приведены на рисунке .

Эти распределения имеют форму прямоугольников, поскольку

(коэффициент 1/2 определяется наличием двух воздушных зазоров δ, встречающихся на пути магнитного потока и создающих его прохождению магнитное сопротивление R_мδ).

При изменении тока i_к во времени форма кривой распределения не изменяется, изменяется лишь величина НС F_к и, соответственно, индукции В, следовательно, при синусоидально изменяющемся во времени токе i_к в зазоре машины возникает пульсирующие магнитное поле.

Прямоугольная функция распределения индукции В в зазоре может быть разложена на гармонические составляющие по геометрическому (пространственному) углу α (1-я, 3-я и т.д. нечетные гармоники). Первая гармоника МДС изображена на рисунке пунктиром.

Чтобы приблизить форму кривой распределения поля в зазоре к синусоидальной, требуется уменьшить состав высших пространственных гармоник с номерами 3, 5, 7 и т.д. Эта задача решается использованием некоторых приемов выполнения обмоток М~Т:

а) Распределение фазных обмоток. Обмотка (рисунок )выполняется в виде катушечной группы, т.е. одна сторона катушки содержит несколько проводников, пространственно сдвинутых друг относительно друга (сдвиг характеризуется коэффициентом распределения К_р). Такая обмотка называется концентрической распределенной.

б) Укорочение обмотки. В этом случае обмотка выполняется двухслойной и с укороченным шагом, характеризующимся коэффициентом укорочения К_у. Схема такой обмотки и диаграмма распределения МДС приведены на рисунке .

в) Скос пазов статора или ротора, величина скоса задается коэффициентом скоса К_с).

Перечисленные меры позволяют улучшить форму кривой распределения индукции В зазоре, но снижают величину индуцированной в обмотке ЭДС первой гармоники. Это снижение характеризуется обмоточным коэффициентом К₀=К_рК_уК_с.

В системах автоматического управления используются специальные микромашины – вращающиеся трансформаторы, у которых выходные напряжения должны изменяться по синусоидальному закону с высокой точностью. У этих машин обмотки статора и ротора выполнены так, что количество витков в пазах изменяется по синусоидальному закону в пределах окружности зазора (т.н. "точные" обмотки).

О бмотки трехфазных машин между собой обычно соединены "звездой". Однако АД малой мощности часто выпускаются универсальными, т.е. на лобовой щиток выводят как начала, так и концы фазных обмоток. Это позволяет использовать их при двух питающих напряжениях (например, 220 и 380 В, 127 и 220 В), изменяя схему соединения обмоток на "звезду" или на "треугольник" (рисунок ).

6.6 Асинхронные машины

6.6.1 Механическая характеристика (МХ)

МХ - это зависимость скорости вращения ротора n от развиваемого момента на валу ( ) при постоянном напряжении и частоте питающей обмотки статора сети ( U₁=const и f₁=const). Часто эту зависимость представляют как M=f(S) (рисунок ). На МХ можно отметить ряд характерных точек: пусковой момент М_п, скорость идеального ХХ (синхронная скорость n_c , номинальная скорость n_н, максимальный развиваемый АД момент.

Для АД с фазным ротором можно построить семейство реостатных МХ при различных сопротивлениях в цепи фаз ротора (см. рисунок ).

6.6.2 Пуск АД

При пуске АД должны удовлетворяться следующие основные требования (как и при пуске Д=Т):

а) движущий момент, развиваемый АД при пуске (пусковой момент М_п), должен превышать тормозящий момент М_в, создаваемый механической нагрузкой на его валу: М_п > М_в;

б) величина пускового тока должна быть ограничена;

в) схема пуска должна быть максимально простой.

Основные способы пуска АД:

- прямой пуск (подключение обмотки статора непосредственно с сети);

- пуск при пониженном напряжении на статоре;

- пуск при помощи пускового реостата в цепи ротора (возможен только в машинах с фазным ротором, имеющим электрическую связь с неподвижной "внешней средой" через контактные кольца).

Первый способ применяется обычно при пуске АД малой мощности с КЗ ротором. При проектировании таких АД учитывают условие б). Увеличение скорости ротора n происходит по естественной механической характеристике от точки П (пуск) до точки Р (рабочий режим).

К недостаткам такого способа относится малая величина М_п, а также наличие броска тока при пуске - в 5 – 7 раз превышает номинальный ток I_н.

Второй способ применяется при пуске на холостом ходу, т.е. при малом моменте нагрузки М_в, поскольку при снижении U₁ в k раз момент М_п падает в k² раз. При этом способе применяются различные схемы:

- реакторный пуск (включение на время пуска в цепь статора реактивных сопротивлений, на которых падает часть питающего напряжения сети);

- включение на период пуска активных сопротивлений в цепь статора (идея аналогична предыдущему пункту);

- автотрансформаторный пуск (статор получает питающее напряжение от регулируемого трехфазного автотрансформатора);

- переключением обмоток статора со "звезды" на время пуска в "треугольник" после разгона.

Третий способ используется при пуске АД с фазным ротором. Как видно из рисунка , при некотором значении добавочного сопротивления в цепи ротора можно производить пуск при , а по мере разгона постепенно или ступенями, как на рисунке, уменьшать это сопротивление до нруля.

Несмотря на большие возможности этого способа, он требует более сложной конструкции ротора, и АД с фазным ротором обладают более высокой стоимостью. Поэтому такой способ используется при тяжелых условиях пуска, где требуется развить максимально возможный пусковой момент.

6.6.3 КЗ АД с повышенным пусковым М

Для повышения пускового момента АД применяются две конструктивные разновидности КЗ роторов:

а) АД с двойной беличьей клеткой;

б) АД с ротором, имеющим глубокие пазы.

Разновидность а) имеет 2 "беличьи клетки" на роторе: наружную и внутреннюю. Наружная выполняет роль пусковой обмотки, она выполнена из относительно тонких стержней и имеет повышенное активное сопротивление. Внутренняя – рабочая, ее стержни имеют большее сечение и обладают меньшим сопротивлением.

Индуктивное же сопротивление Х_LП пусковой обмотки мало, так как она лежит практически на поверхности якоря, и потокосцепление ее с полем рассеяния мало. Напротив, индуктивная составляющая Х_LР полного сопротивления рабочей обмотки велика, поскольку она расположена в толще ферромагнетика и пронизывается полным магнитным потоком.

При пуске частота тока в роторе f₂ , велика (f₂ = f₁), и Х_LП << Х_LР, полное сопротивление Z_П много меньше Z_Р, а его активная составляющая много больше индуктивной. При этом большая часть тока якоря АД будет протекать по наружной (пусковой) обмотке, и в этом токе активная составляющая много больше реактивной. А поскольку вращающий момент в АД создается именно активной составляющей тока ротора (см. п. 6.3.2), пусковой момент достигает значительной величины.

По мере разгона ротора частота тока f₂ уменьшается, поэтому изменяется и распределение токов между клетками: реактивные сопротивления уменьшаются и становятся незначительными по сравнению с активными, ток переходит в рабочую клетку, поскольку R_p << R_п.

Глубокопазный двигатель – его принцип действия основан также на вытеснении тока при пуске. Стержни беличьей клетки занимают объем пазов большой глубины (рисунок ), и наружные слои стержней играют роль наружной клетки (пусковой обмотки) в предыдущей конструкции, а внутренние, глубинные – роль внутренней (рабочей) о бмотки. Так же, как и в варианте с двойной "беличьей клеткой", при разных скоростях ротора n изменяется соотношение между активной и реактивной составляющими полного комплексного сопротивления обмотки, за счет чего ее сопротивление при пуске (МХ 2 на рисунке и в рабочем режиме МХ 1) различны.

6.6.4 Регулирование скорости вращения АД

Частота вращения ротора АД определяется формулой

n = n₁(1 - S) = f₁(1-S)/p,

где р – число пар полюсов обмотки статора. Отсюда вытекают три принципиально возможных метода регулирования скорости АД:

- изменение частоты f₁;

- изменение числа пар полюсов р;

- изменение скольжения S.

6.6.4.1 Частотное регулирование

Используется для управления АД с КЗ ротором. Требует наличия источника электрического тока переменной частоты, в качестве которого могут быть использованы, например, синхронный генератор переменного тока с переменной скоростью вращения; преобразователи частоты (электромагнитные или полупроводниковые).

Развиваемый АД М_макс пропорционален (U₁/f₁)², поэтому для поддержания неизменной т.н. перегрузочной способности двигателя, т.е. отношения М_макс/М_в, необходимо при изменении частоты f₁ одновременно изменять и напряжение питания статора U₁ так, чтобы отношение U₁/f₁ = const, если момент нагрузки на валу М_в не зависит от скорости вращения n, или по другим законам, определяемым зависимостью М_в=f(n).

6.6.4.2 Изменение числа пар полюсов.

Такое регулирование дает возможность получить ступенчатое изменение частоты вращения. АД, реализующие такую возможность управления, называются многоскоростными. Существуют два способа организации такого управления скоростью:

- в пазах статора АД укладываются несколько обмоток, имеющих разное число пар полюсов; при каждом значении скорости работает (подключена к сети) только одна из них;

- используется специальная обмотка, позволяющая получить разное число пар полюсов путем изменения (переключения) схемы соединения. Здесь при любой из возможных скоростей используются все обмотки статора (на рисунке приведена схема переключения обмоток АД, позволяющая реализовать число пар полюсов р 1 или 2).

Недостаток такого способа регулирования скорости – увеличенные габариты, масса и стоимость, сложность коммутационных устройств.

6.6.4.3 Регулирование изменением скольжения

Для АД с КЗ ротором возможны два способа:

Рис. 45-4. Механические характеристики при регулировании частоты вращения ротора.

1) – при различных напряжениях U₁; 2) – при введении в цепь обмотки ротора дополнительного активного сопротивления

а) изменение величины питающего напряжения U₁. Для получения более широкого диапазона регулирования активное сопротивление обмотки ("клетки") ротора должно быть достаточно велико, т.е. механические характеристики должны быть "мягче".

Очевидно, что данный способ может использоваться и для АД с фазным ротором. Для регулирования питающего напряжения U₁ используются автотрансформатор в первичной цепи или реостат. При таком способе регулирования снижается КПД, поэтому он применяется для регулирования маломощных АД.

б) Импульсное регулирование скорости. Осуществляется путем периодического включения АД в сеть и отключения его, либо периодического шунтирования резисторов, включенных последовательно в цепи питания статора. При этом АД все время работает в переходном режиме разгон – торможение (см. п. , импульсное управление Д=Т). Используется этот способ обычно для управления маломощными ИД.

Для АД с фазным ротором имеется возможность включения регулирующих устройств во вторичную цепь машины – цепь ротора. Возможны два варианта:

а) включение реостата в цепь ротора. Схема – та же, что и при реостатном пуске АД с фазным ротором. При увеличении сопротивления регулировочного реостата R_p механическая характеристика становится более мягкой, и скольжение S при неизменном моменте нагрузки на валу М_в увеличивается (скорость n уменьшается).

К недостаткам такого способа регулирования скорости можно отнести наличие потерь в R, "мягкость" механической характеристики, зависимость диапазона регулирования скорости n от величины нагрузки М_в.

б) введение добавочной ЭДС во вторичную цепь АД (цепь ротора). Этот способ используется достаточно редко в так называемых каскадных соединениях при больших мощностях электрических машин.

6.6.5 Однофазные АМ

6.6.5.1 Общие сведения

Используются как двигатели небольшой мощности в бытовой технике, как исполнительные двигатели (ИД) в САУ. Однофазный АД (ОАД) имеет на статоре однофазную обмотку, ротор выполняется в виде "беличьей клетки".

Однофазный ток i₁ статора однофазного Д создает пульсирующее магнитное поле, а не круговое. Неподвижный пульсирующий поток можно разложить на два идентичных круговых поля, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой частотой вращения n₁ (см. рисунок ). Каждое из этих полей, взаимодействуя с током ротора, создает при неподвижном роторе равные по величине, но противоположные по направлению моменты (М_пр и М_обр) – прямой и обратный.

При вращении ротора поле, направление вращения которого совпадает с направлением вращения ротора, называют прямым, поле обратного направления – обратным. Моменты, создаваемые взаимодействием этих полей с током ротора, также обозначаются М_пр и М_обр.

При пуске (n = 0) М_пр = М_обр, и результирующий момент М, действующий на ротор, равен нулю. Если же каким-то образом привести ротор во вращение, в ту или иную сторону, то один из моментов будет преобладать. Если при этом М > М_в, двигатель разгонится до определенной скорости вращения.

Таким образом, ОАД, в отличие от трехфазного АД, обладает следующими свойствами:

- М_п = 0, и его якорь вращается в том направлении, в которое приводится внешней силой (моментом);

- частота вращения ОАД на ХХ меньше, чем у трехфазного из-за наличия тормозящего момента, создаваемого обратным полем.

6.6.5.2 Разновидности ОАД

Поскольку ОАД с одной обмоткой на статоре не развивает пускового момента, необходимы дополнительные меры для его создания. Существуют много разновидностей ОАД, различающихся способами создания М_п. Часто применяются следующие:

Рис. 47-8. Механическая характеристика однофазного асинхронного двигателя с пусковой обмоткой.1 – при включенной пусковой обмотке; 2 – при отключенной пусковой обмотке.

а) Двигатели с пусковой обмоткой. На статоре укладывают помимо обмотки возбуждения пусковую обмотку (ПО), сдвинутую в пространстве на 90 относительно рабочей (т.е. на период пуска делают машину похожей на двухфазную АМ, в которой может существовать вращающееся – не обязательно круговое - поле). На период пуска эту обмотку присоединяют к той же однофазной сети через фазосдвигающие элементы – активные (резистор R_П, как на рисунке ) или реактивные Z_п, тем самым создаются условия возникновения вращающегося магнитного поля и пускового момента.

После разгона Д ПО отключают, и АД работает как однофазный (см. рисунок ). Направление вращения определяется направлением пускового момента, созданного вращающимся полем "квазидвухфазного" тока.

Поскольку ПО работает кратковременно (только в период пуска), ее изготавливают из провода меньшего сечения, чем у рабочей обмотки, и укладывают в меньшее число пазов.

В момент пуска вращающееся поле в общем случае эллиптическое. Выбором Z_П можно сделать его близким к круговому для получения максимального М_п.

б) асинхронный конденсаторный Д

Рис. 47-10. Схема асинхронного конденсаторного двигателя при круговом поле

В таком однофазном двигателе на статоре также имеется вторая обмотка, но она подключена к сети постоянно - и при пуске, и при работе. Обе обмотки здесь имеют одинаковые параметры. Для увеличения пускового момента часто используют увеличенную емкость при пуске. Для этого на время пуска параллельно рабочей емкости С подключают пусковой конденсатор С_П, после разгона его отключают.

в) двигатель с экранированными (расщепленными) полюсами.

Обмотка статора, присоединяемая к однофазной сети, выполняется сосредоточенной и укрепляется на явновыраженных полюсах. Каждый полюс разделен на 2 неравные части (П₁ и П₂) пазом. Меньшая часть полюса охватывается короткозамкнутым витком. Ротор – короткозамкнутый, обычного типа.

Магнитный поток машины Ф можно представить в виде суммы двух составляющих, представляющих собой магнитные потоки двух частей каждого полюса,

Ф = Ф_П1 + Ф_П2.

Эти потоки смещены в пространстве на угол . Кроме того, они сдвинуты по фазе во времени, поскольку ток в КЗ витке и создаваемый им поток сдвинуты по фазе относительно ЭДС, наводимой в КЗ витке основным потоком возбуждения.

В результате в машине образуется вращающееся магнитное поле. Оно не круговое, а эллиптическое. Однако, при малых моментах нагрузки М_в развиваемого машиной электромагнитного момента достаточно для приведения ее ротора в движение. Направление вращения определяется чередованием максимумов потоков «фаз».

Для увеличения пускового момента применяют ряд способов: устанавливают магнитные шунты между полюсами; увеличивают воздушный зазор под частью полюса, не охваченной КЗ витком; используют различенные конфигурации отдельных частей полюса.

К недостаткам ОАД относятся низкий М_п, большие габариты, низкий КПД. Достоинства же их - простота конструкции, отсутствие зубцов на статоре и, как следствие, минимальные высокочастотные пульсации.

6.7 Асинхронные микромашины систем автоматики

6.7.1 Асинхронные исполнительные двигатели (АИД)

ИД служат для преобразования подводимого к ним электрического сигнала управления в механическое перемещение вала (скорость вращения). При заданном моменте нагрузки М_в частота вращения ИД n должна строго соответствовать подводимому напряжению управления U_у и меняться при изменении его амплитуды или фазы.

В качестве ИД используют обычно двухфазные АД с КЗ ротором. Одна из обмоток (обмотка возбуждения ОВ) постоянно подключена к однофазной сети с постоянным напряжением. Ко второй обмотке статора (обмотке управления ОУ) подводится напряжение управления U_у от управляющего устройства.

Частоту вращения n ИД регулируют путем изменения амплитуды и (или) фазы напряжение управления. При этом изменяется форма вращающегося магнитного поля – от кругового до пульсирующего, т.е. в общем случае является эллиптическим. Различные сочетания прямой и обратной составляющей момента эллиптического поля изменяют вид механической характеристики, вследствие чего изменяется и частота вращения ротора.

6.7.1.1 Конструкция АИД

Существуют четыре основные разновидности АИД, различающиеся по способу выполнения ротора:

а) с обмоткой в виде беличьей клетки (исполнение ротора обычное);

б) полый немагнитный ротор;

в) полый ферромагнитный ротор;

г) моментные АИД.

Первая разновидность - обычный АД с КЗ ротором.

АИД типа б) имеет внешний и внутренний статоры (см. похожую конструкцию исполнительного Д=Т), между которыми вращается полый тонкостенный ротор из алюминиевого сплава.

АИД типа в) не имеет внутреннего статора, так как роль магнитопровода выполняет сам ротор.

В моментных АИД ротор не вращается, а лишь поворачивается на некоторый угол. Выходной величиной таких АИД является развиваемый на валу момент М.

6.7.1.2 Способы управления АИД

К ИД предъявляются следующие требования:

а) отсутствие самохода, т.е. необходимость самоторможения ИД после снятия напряжения возбуждения U;

б) устойчивая работа во всем диапазоне скоростей вращения;

в) управляемость в широком диапазоне скоростей вращения;

г) линейность механических характеристик n = f(М) при U_y=const и регулировочных n = f(U_y) при M=const;

д) большой пусковой момент М_п;

е) малая мощность управления;

ж) высокое быстродействие (малая инерционность);

и) высокая надежность;

к) низкие габариты и вес.

Выполнение требований а), б) и г) достигается за счет выбора большого активного сопротивления обмотки ротора (высокоомный материал "беличьей клетки"), так что S_кр = 3 – 4. При этом механические характеристики принимают вид, показанный на рисунке при r=r^'''.

При снятии управляющего напряжения U_у АИД становится однофазным, и момент на его валу М = М_пр – М_обр становится отрицательным, т.е. тормозящим (см. п. а)).

Из принципа действия АИД вытекают три способа управления (регулирования скорости вращения) АИД:

а) амплитудный;

б) фазовый;

в) амплитудно-фазовый.

Амплитудное управление. Управление скоростью осуществляется изменением величины напряжения U_у на ОУ без изменения его фазы , которая благодаря наличию фазосдвигающего устройства (ФСУ) составляет 90⁰ (рисунок ,а).

Фазовое управление осуществляется по схеме, показанной на рисунке ,б, где фазовращатель (ФВ) позволяет плавно изменять фазовый сдвиг между U_y и U.

Амплитудно-фазовое управление осуществляется по схеме, приведенной на рисунке ,в ). При изменении U_y с помощью R_у наблюдается изменение как величины, так и фазы между U_в и U_y, так как U_в = U₁ - U_c, а U_c зависит от I_c и Х_с. Ток I_c изменяется при изменении режима (скорости и момента).

Механические характеристики АИД нелинейны при всех видах управления.

На рисунке U_y1 > U_y2 (sin ₂ > sin₁). Наиболее близки к линейным механические характеристики АИД с фазовым управлением, они имеют приблизительно одинаковую жесткость при различных β.

Регулировочные характеристики АИД также нелинейны. Ближе всего к линейным – регулировочные характеристики также АИД с фазовым управлением.

Начальные участки всех характеристик (при малых n) близки к линейным для всех видов управления. Поэтому на них обычно и работают, используя повышенные частоты напряжения питания АИД, следовательно, большие значения синхронной скорости.

6.7.2 Асинхронный тахогенератор (АТг)

АТг – это электрическая машина, вырабатывающая напряжение, пропорциональное скорости вращения ее вала. Конструкция АТг аналогична конструкции АИД с полым немагнитным ротором. На обмотку возбуждения (см. рисунок ) подается неизменное по амплитуде и частоте переменное напряжение U_в. Вторая статорная обмотка, ось которой перпендикулярна оси ОВ, называется генераторной, с нее снимается выходное напряжение Тг.

При неподвижном роторе наличие U_в приводит к появлению в машине пульсирующего потока возбуждения Ф_в, вследствие чего в токопроводящем роторе возникает трансформаторная ЭДС Е_тр.рот., под действием которой в КЗ роторе начинает протекать переменный ток I_тр . Наличие переменного тока вызывает появление пульсирующего потока Ф_тр, направление которого согласно правилу Ленца (см. раздел 1) противоположно потоку Ф_в.

Таким образом, по оси Тг, совпадающей с осью ОВ, устанавливается результирующий пульсирующий поток Ф. Поскольку этот поток перпендикулярен оси генераторной катушки статора, ЭДС в ней не наводится, т.е. Е_г = 0 (напомним, ротор неподвижен, т.е. n = 0).

При вращении ротора со скоростью n в роторе индуктируется ЭДС вращения, и под ее действием возникает ток I_вр. Направления ЭДС и токов в витках ротора показаны на внешних проводниках.

Как известно, Е_вр=c_Е·n·Ф. При переменном результирующем потоке Ф ЭДС Е_вр является функцией n и пульсирует с частотой f₁ (частота тока обмотки возбуждения и потока Ф). Ток I_вр ротора, вызванный этой ЭДС, вызывает появление потока Ф_вр. Этот поток направлен по оси генераторной обмотки и индуцирует в ней трансформаторную ЭДС Е_г. Частота ЭДС Е_г совпадает с частотой f₁ и не зависит от скорости вращения ротора. Это свойство является преимуществом АТг по сравнению с другим типом Тг переменного тока - синхронным Тг.

В реальном АТг величина Ф, а следовательно, и Е_г, несколько уменьшается с ростом скорости вращения ротора n из-за появления в проводниках ротора дополнительной ЭДС вращения, вызванной потоком Ф_вр: наличие потока Ф_вр вызывает появление в роторе добавочной ЭДС Е_вр.доб и добавочного тока I_вр.доб, а тот, в свою очередь, порождает поток Ф_вр.доб, направленный по оси ОВ навстречу Ф_в.

В Тг переменного тока (как асинхронных, так и синхронных) имеется фазовая погрешность, так как при изменении режима работы Тг изменяется не только величина выходного напряжения, но и его фаза.

Для снижения погрешностей преобразования скорости n в напряжение U_тг применяются следующие меры:

- очень высокая точность изготовления статора, ротора, обмоток;

- полый немагнитный ротор АТг изготавливают из материалов с большим, чем у АД, удельным сопротивлением;

- согласование характера нагрузки Тг (индуктивная, емкостная, смешанная) с параметрами Тг;

- калибровка Тг (обычно ОВ размещается на внешнем статоре, ГО – на внутреннем статоре, и при сборке устанавливают внутренний статор в положение, соответствующее минимуму погрешности).

6.7.3 Вращающиеся трансформаторы

Вращающимися трансформаторами (ВТ) называют электрические микромашины переменного тока, преобразующие угол поворота в напряжение, находящееся в функциональной зависимости от этого угла.

Вращающийся трансформатор выполняется так же, как асинхронная машина с фазным ротором. На статоре и на роторе размещаются по две одинаковые однофазные распределенные обмотки, оси магнитных потоков которых сдвинуты между собой на угол 90 пространственных градусов (рис. ).

Одна из обмоток статора (С₁-С₂) называется обмоткой возбуждения, другая (С₃-С₄) – компенсационной. Обмотка ротора Р₁-Р₂ называется синусной, другая обмотка (Р₃-Р₄) – косинусной. Отсчет угла поворота ротора  производится от оси компенсационной обмотки статора (С3-С4) до оси синусной обмотки ротора (Р₁-Р₂).

Принцип действия ВТ основан на том, что при повороте ротора взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора, а следовательно, и действующие значения ЭДС, наведенных пульсирующим с частотой сети магнитным потоком возбуждения в обмотках ротора, изменяются строго по синусоидальному и косинусоидальному законам в зависимости от угла поворота  .

В зависимости от закона изменения напряжения на выходе ВТ схемы его включения разделяют на следующие типы:

- синусно-косинусные ВТ (СКВТ), действующие значения выходных напряжений которых на синусной (U_s) и косинусной обмотках (U_c) определяются соотношениями

где U₁ – действующее значение напряжения, подводимого к обмотке возбуждения (С₁-С₂);

k =w_р/w_с– коэффициент трансформации ВТ (w_р ,w_с – число витков обмоток ротора и статора);

- линейные вращающиеся трансформаторы (ЛВТ), выходное напряжение которых изменяется пропорционально углу поворота ротора  ;

- ВТ-построители, реализующие другие зависимости напряжений на обмотках ротора от угла его поворота.

Для получения ВТ различных видов может быть использована одна и та же машина с двумя обмотками на статоре и двумя на роторе при различных способах их включения.

Класс точности ВТ определяется относительной погрешностью U, выраженной в процентах, т. е. разностью ординат в любой точке действительной кривой U=f() и идеальной синусоидальной кривой U_ид= f(), отнесенной к максимальному напряжению синусной обмотки U_max (при =90^о).

Вращающиеся трансформаторы применяются в автоматических устройствах, маломощных следящих системах (в качестве измерителей рассогласования), в вычислительной технике, в схемах разверток радиолокационных установок и т. д. ВТ также используют в качестве построителей для решения геометрических и тригонометрических задач.

При этом, в зависимости от назначения ВТ, в автоматических устройствах они могут работать как в режиме поворота ротора в пределах определенного ограниченного угла, так и при непрерывном вращении со скоростью до 3000 об/мин.

6.7.4 Сельсины

В схемах автоматического управления и регулирования, в следящих системах получили широкое применение электромеханические системы синхронной связи, под которыми понимают совокупность устройств, служащих для измерения или передачи на расстояние угловых перемещений двух или нескольких валов, не связанных механически между собой.

Основные элементы системы синхронной связи – датчик и приемник (один или несколько). Они соединяются между собой линией связи либо непосредственно, либо через промежуточные звенья: усилители, реле и пр. В качестве датчика и приемника могут применяться различные типы электрических машин, в частности, в системах малой мощности наибольшее распространение получили индукционные микромашины, называемые сельсинами.

Обмотки сельсина-датчика (СД) и сельсина-приемника (СП), соединенные между собой линией связи, называют обмотками синхронизации, а обмотки, присоединяемые к питающей сети и предназначенные для создания магнитного потока машины, – обмотками возбуждения.

Сельсины подразделяют на трех- и однофазные. Трехфазные сельсины конструктивно выполняют как обычные трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором и применяют при относительно больших мощностях.

У однофазных сельсинов обмотки возбуждения однофазные, а обмотки синхронизации выполнены по типу трехфазных обмоток, фазы которых сдвинуты пространственно на 120 и соединены в "звезду".

Обмотка возбуждения сельсина может располагаться как на статоре, так и на роторе (соответственно, обмотки синхронизации будут расположены либо на роторе, либо на статоре), на характеристики системы это влиять не будет. Однако основным видом однофазного сельсина принято считать машину, имеющую сосредоточенную обмотку возбуждения на статоре и распределенные обмотки синхронизации на роторе.

Различают два режима работы сельсинов: индикаторный – для дистанционной передачи угла поворота ротора СД (для измерения угла поворота), и трансформаторный – для преобразования угла поворота ротора СД в напряжение на обмотках СП, пропорциональное этому углу.

Классы точности сельсинов различны для индикаторного и трансформаторного режимов. В индикаторном режиме работы сельсинов класс точности сельсинной пары СД - СП, по сути являющийся классом точности сельсина-приемника, определяется статической погрешностью передачи угла .

Однофазные сельсины широко применяются в системах управления для индикаторных или измерительных целей (в этом случае на валу приемника системы находится только сбалансированная стрелка или шкала); для целей управления, когда приемник системы воздействует на какой-либо управляющий орган, например на движок реостата, контакты следящей системы и пр.; наконец, для дистанционного управления следящим приводом, когда приемник системы работает в трансформаторном режиме, воздействуя на усилительную схему привода.

Индикаторный режим. При работе сельсинов в индикаторном режиме обмотки возбуждения СД и СП включены в общую сеть переменного тока, а обмотки синхронизации соединены между собой трехпроводной линией связи (рис. ), обладающей некоторым сопротивлением R_л.

Рис. . Схема включения сельсинов в индикаторном режиме

Однофазный переменный ток, проходя по обмотке возбуждения каждого сельсина, создает в машине пульсирующий магнитный поток, который индуктирует в обмотках синхронизации сельсинов электродвижущие силы. При этом, если распределение индукции вдоль зазора синусоидально, машина не насыщена, реакция обмотки синхронизации отсутствует, то действующие значения ЭДС в обмотках синхронизации датчика (Р₁Р₂Р₃) и приемника (Р₁Р₂Р₃) в зависимости от угла поворота ротора каждого из сельсинов будут определяться следующими выражениями:

где – максимальные значения ЭДС, индуктированные в каждой фазе обмоток синхронизации сельсина-приемника и сельсина-датчика, соответствущие соосному положению соответствующей обмотки ротора и обмотки возбуждения; – обмоточный коэффициент и число витков одной фазы обмотки синхронизации; – частота сети, питающей обмотку возбуждения; – максимальное значение магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения (потока возбуждения) сельсинов; _д, _п – углы поворота роторов СД и СП, отсчитываемые условно от оси обмотки возбуждения.

ЭДС, индуктированные в соответствующих фазах датчика и приемника, в проводах линии связи направлены встречно друг другу. Если роторы приемника и датчика развернуты на одинаковые углы то соответствующие ЭДС уравновешивают друг друга, и ток в линии связи отсутствует.

Если роторы СД и СП развернуты на углы то в линии связи и обмотках синхронизации будут протекать токи, которые, взаимодействуя с потоком возбуждения, создадут электромагнитные синхронизирующие моменты, одинаковые по величине в СД и СП, но направленные навстречу друг другу и стремящиеся свести к нулю угол рассогласования . Значение этих моментов определяется из соотношения

где с – конструктивная постоянная машины; – максимальное значение магнитодвижущей силы (МДС), создаваемое одной обмоткой ротора; – максимальное значение потока возбуждения; – сдвиг по фазе (электрический) между токами и ЭДС в обмотках синхронизации; – угол рассогласования (пространственный), или угол статической ошибки, или просто ошибка.

Поскольку =const, обозначая , получаем

М_с=М_максsin.

Синхронизирующий момент возникает в результате взаимодействия потока возбуждения СП и поперечной составляющей МДС обмотки синхронизации. При механически зафиксированном роторе СД вращающий синхронизирующий момент развернет ротор приемника до согласованного положения, при котором .

Важной характеристикой сельсина является удельный синхронизирующий момент , под которым понимают величину синхронизирующего момента при угле рассогласования . Этот момент можно рассчитать по формуле:

Момент пропорционален тангенсу угла наклона характеристики в ее начальной части (рисунок ). Чем выше , тем меньше статическая погрешность (выше точность) сельсинной передачи.

Рис. . Зависимость синхронизирующего момента

от угла рассогласования

Кроме того, погрешность передачи угла в индикаторной передаче зависит от технологических причин (электрической, магнитной и механической асимметрии машин), от сопротивления линии связи и момента нагрузки на валу сельсина-приемника.

В индикаторном режиме работы точность сельсина-приемника характеризуется статической погрешностью , равной полусумме абсолютных значений наибольших положительной и отрицательной ошибок и , полученных при повороте ротора датчика от согласованного положения на один оборот (360⁰) при вращении ротора по часовой стрелке и против:

2.3 Трансформаторный режим

На рисунке представлена схема включения сельсинов в трансформаторном режиме работы. В трансформаторном режиме ротор СП механически заторможен. При повороте ротора СД на угол относительно согласованного положения в обмотках синхронизации возникнут токи, создающие суммарный продольно-пульсирующий магнитный поток в сельсине-приемнике, который наводит ЭДС в его обмотке возбуждения:

где – наибольшее действующее значение ЭДС, когда ось суммарной МДС совпадает с осью обмотки синхронизации.

Рис. . Схема включения сельсинов в трансформаторном режиме

Понятно, что полученной зависимостью практически пользоваться неудобно, так как при отсутствии рассогласования ЭДС на выходе максимальна. Поэтому согласованным положением сельсинов в трансформаторном режиме принято считать такое взаимное положение роторов СД и СП, когда оси их обмоток сдвинуты на 90. Для решения этой задачи ротор или статор приемника предварительно смещают на 90 относительно ротора и статора датчика, а затем закрепляют. В этом случае

.

Таким образом, при согласованном положении роторов ( = 0) и равны нулю.

Качество работы сельсинов в трансформаторном режиме характеризуют:

• удельным выходным напряжением

• остаточным напряжением при

В современных сельсинах 0,5-2 В/град; 0,1-0,3 В.