Лабораторная работа № 5 исследование характеристик двухфазного асинхронного электродвигателя

Целью работы являются:

1. Ознакомление с принципом действия двухфазного асинхронного двигателя (АД).

2. Изучение одного из способов управления двухфазным асинхронным двигателем с полым немагнитным ротором.

3. Экспериментальное определение основных статических и динамических характеристик АД.

Общие указания

В качестве исполнительных двигателей переменного тока в маломощных системах управления в большинстве случаев используются двухфазные асинхронные двигатели. На статоре этих двигателей имеются две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90°, обмотка возбуждения ОВ и обмотка управления ОУ. Ротор выполняется полым или короткозамкнутым типа “беличья клетка”. Схема двигателя представлена на рис. 5.1. Одна из обмоток (ОВ) постоянно включается в сеть переменного тока. На вторую обмотку - ОУ, подается электрический сигнал об изменении амплитуды управляющего напряжения или его фазы в момент, когда вал двигателя необходимо привести во вращение. Создаваемое обмотками статора вращающееся магнитное поле вызывает появление тока в роторе. Взаимодействие вращающегося поля статора с током ротора приводит к возникновению вращающего момента, и ротор начинает вращаться в направлении поля статора. Величина вектора вращающегося магнитного поля остается постоянной, т.е. поле является круговым при соблюдении следующих условий:

1) сдвиг обмоток статора в пространстве γ=90°;

2) сдвиг токов в обмотках статора во времени ψ=90°;

3) равенство магнитодвижущей силы, ОВ и ОУ.

Нарушение любого из этих условий приводит к тому, что поле становится эллиптическим.

Управление двухфазным АД может осуществляться различными способами. Наибольшее распространение получило управление, называемое в литературе амплитудно-фазовым. На рис. 5.2 представлена схема такого способа управления. Из схемы видно, что сдвиг фазы между напряжениями возбуждения и управления достигается путем включения конденсатора С в цепь ОВ. Управление двигателем осуществляется за счет изменения величины напряжения управленияU_У, которое может формироваться как непосредственно от сети, так и от усилителей, используемых в замкнутых маломощных системах управления. Название указанного способа объясняется тем, что при изменении напряжения управления U_У наблюдается одновременное изменение величины и фазы напряжения управления. Однако практические исследования реальных систем управления АД, использующих данный способ, показывают, что эти изменения столь незначительны, что носят скорее чисто теоретический характер, а поэтому его можно рассматривать как амплитудный способ управления. В предлагаемой лабораторной установке исследуются характеристики АД при указанном способе управления, который отличается наибольшей простотой реализации. Обычно величину конденсатора выбирают исходя из обеспечения наилучших условий пускового режима, при этом значение емкости определяется по выражению [см. лит.]:

,

где Ζ - полное сопротивление обмотки возбуждения при неподвижном роторе;

; f - частота питающей сети.

Приведем основные характеристики АД.

Самоход управляемого двигателя, под которым понимается явление самопроизвольного вращения ротора двигателя при однофазном включении (напряжение на ОУ равно нулю), что является нежелательным.

Пусковой момент М_П - момент, развиваемый двигателем в стопорном режиме при номинальном напряжении возбуждения и подаче на ОУ некоторого управляющего напряжения U_У. Для ненасыщенной машины

,

где k_М - коэффициент передачи двигателя по моменту, г·см/В. k_М может быть определен по номинальным данным при симметричном режиме питания

.

Механические характеристики двигателя, представляющие собой зависимость угловой скорости вращения двигателя от момента на его валу, ω_Д=f(М_Д). При рассматриваемом способе управления механические характеристики рассчитываются или снимаются экспериментально при номинальном напряжении возбуждения и заданном напряжении управления. Семейство механических характеристик представлено на рис. 5.3.

При симметричном питании обмоток двигателя (U_В=U_У) от источника с малым внутренним сопротивлением механическая характеристика может быть рассчитана и построена по формуле Клосса

,

где ;;;q - параметр зависящий от обмоточных данных АД; - скольжение двигателя, характеризующее скорость вращения его вала;S_К - критическое скольжение, при котором двигатель развивает максимальный вращающий момент M_К, называемый критическим.

Значение S_К для конкретных АД определяется типом двигателя, его конструкцией и сопротивлением его обмоток. Для большинства двухфазных АД S_К>1. При несимметричном питании обмоток АД (U_В>U_У) вид уравнения для механической характеристики существенно усложняется:

.

Поскольку механические характеристики позволяют определить параметры передаточной функции АД, то взамен сложных аналитических расчетов часто прибегают к экспериментальному их снятию, что и предлагается в данной работе.

Напряжение трогания U_УТР - минимальное напряжение на ОУ, при котором двигатель начинает вращаться.

Регулировочная характеристика АД, представляющая собой зависимость скорости вращения вала двигателя от напряжения на ОУ при номинальном напряжении на ОВ, т.е. .

Динамические свойства АД в упрощенном варианте представления его математической модели могут быть оценены величинами электромеханической постоянной времени двигателя T_ЭМ и коэффициентом передачи двигателя k_Д, которые определяют по формулам:

; ,

где J - суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя, г·см²; ω₀ - скорость идеального холостого хода, рад/с. ω₀ и M_П берутся по механической характеристике для интересующего значения напряжения на ОУ U_У.

Лабораторная установка включает в себя стенд с органами управления, двухканальный осциллограф С1-83 и учебный микропроцессорный комплект (УМК). В работе исследуется серийно-выпускаемый двухфазный асинхронный двигатель Д типа РД-09, у которого взамен встроенного редуктора вмонтирован оптико-электронный датчик, преобразующий скорость вращения вала двигателя в последовательность импульсов. Длительность этих импульсов обратно пропорциональна скорости вращения вала двигателя n_Д (об/мин). Для измерения скорости n_Д используется УМК, на световом табло которого высвечивается значение скорости вращения вала двигателя. Схема установки приведена на лицевой плате стенда и готова к исследованию после включения тумблера "СЕТЬ". Для проведения эксперимента к нажимным клеммам стенда "КАНАЛ I" и "КАНАЛ II" необходимо подключить соответствующие входы осциллографа.

В качестве нагрузки на валу исследуемого двигателя используется электромагнитный тормоз, катушки которого питаются через выпрямитель от автотрансформатора ЛАТР 2. Шкала электромагнитного тормоза отградуирована в единицах грамм-сантиметр и при отсчете момента нагрузки на валу двигателя показания шкалы следует удваивать. Ток электромагнитного тормоза I_ЭМ контролируется по амперметру А и во избежании перегрева обмоток не должен превышать величины 2.5 А.

Для исследования влияния величины фазосдвигающего конденсатора С_В на механические характеристики двигателя в стенде предусмотрен магазин емкостей с номиналами: 0.5; 1.0; 1.75; 2.5; 4.0 мкФ. Питание ОУ двигателя осуществляется от автотрансформатора ЛАТР 1 и устанавливается по вольтметру В. ОУ может быть так же запитана от усилителя (У). Для определения динамических параметров АД на стенде используется тахогенератор ТГ с коэффициентом передачи k_ТГ=0.05 В·с/рад (k_ТГ берется с учетом передаточного числа между валом АД и валом ТГ).