Исследование асинхронного электрического двигателя переменного тока: Методические указания к выполнению лабораторной работы № 5

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Цель работы: изучение конструкции, принципа действия статических и динамических характеристик исполнительного двигателя переменного тока.

1.   МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Принцип действия. В качестве исполнительных двигателей переменного тока в радиоэлектронных системах управления широко применяются двухфазные асинхронные двигатели. Ротор такого двигателя имеет короткозамкнутую оболочку в виде «беличьей клетки» или тонкостенного стакана из неферромагнитного материала, например, дюралюминия. На статоре двигателя находятся две обмотки - обмотка управления и обмотка возбуждения, электрические оси которых сдвинуты в пространстве относительно друг друга  на 90°.

Обмотка управления ОУ подключается к выходу усилителя У следящей системы, обмотка возбуждения ОВ - через фазосдвигающий конденсатор С к сети переменного тока, как показано на рис. 1, для работы двигателя необходимо, чтобы токи в статорных обмотках были сдвинуты по фазе на 90^о . Благодаря этому сдвигу токи статорных обмоток создают вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого (синхронная скорость) Ω₀ определяется частотой f₀ питающего напряжения и числом пар полюсов обмоток статора n, т.е.

Это вращающееся магнитное поле наводит в короткозамкнутом роторе токи, которые, взаимодействуя с вращающимся полем, создают вращающий момент, приводящий ротор двигателя во вращение. При изменении на 180° фазового сдвига (с +90° на -90° и наоборот) между токами статорных обмоток изменяется направление вращения поля и, соответственно, изменяется знак вращающего момента и направление вращения ротора двигателя.

Асинхронный двигатель можно использовать также в качестве тахогенератора переменного тока. Для этого обмотку возбуждения подключают к источнику переменного тока. При вращении ротора в обмотке управление индуцируется Э.Д.С., амплитуда которой зависит от скорости, а фаза - от направления вращения.

Статические характеристики. При исследовании работы электродвигателей используются статические характеристики двух видов: механические характеристики и регулировочная характеристика.

Механической характеристикой двигателя называется зависимость развиваемого двигателем вращающего момента М от скорости вращения ротора Ω. при неизменном управляющем напряжении u_у (рис.2).

Регулировочной характеристикой называют зависимость скорости вращения ротора двигателя от управляющего напряжения при номинальном моменте сопротивления М_с (рис.3).

Вращающий момент, возникающий в результате взаимодействия токов в короткозамкнутой обмотке ротора с вращающимся магнитным полем, будет тем больше, чем больше скорость вращения поля относительно ротора. По мере возрастания под действием вращающего момента скорости ротора Ω относительно скорости поля Ω₀ - Ω уменьшается, в связи с чем уменьшается и вращающий момент. При Ω₀ = Ω вращающий момент становится равным нулю.

Таким образом, для синхронного двигателя всегда Ω₀ < Ω и в идеальном случае (в отсутствие момента сопротивления) все механические характеристики должны сходиться в точке Ω₀ = Ω. как показано на рис.2. Отставание ротора от поля характеризуется скольжением

У двигателей, предназначенных для следящих систем, скольжение лежит в пределах η = 0,3 .. 0,5.

В отличие от механических характеристик двигателя постоянного тока. механические характеристики асинхронного двигателя нелинейны. Однако в достаточно узком диапазоне изменения величин u_у, Ω, М они могут быть аппроксимированы прямолинейными отрезками, описываемыми выражением:

                                               (1)

где c₁ и с₂ - конструктивные постоянные.

В установившемся режиме работы двигателя его вращающий момент уравновешивает момент сопротивления М_с, т.е.

откуда получаем выражение для регулировочной характеристики асинхронного двигателя

                        (2)

При  и

,            (3)

При , где ,   - коэффициент передачи двигателя по скорости:

, В – напряжение двигателя

                        Рис.1. Типовая схема включения двигателя.

                           Рис.2. Механические характеристики двигателя.

                   Рис.3. Регулировочная характеристика двигателя

Динамические характеристики. При изучении динамических характеристик двигателя положим . Тогда в переходном режиме вращающий момент, определяемый выражением (1), уравновешивает лишь момент сил инерции, т.е.

,      (4)

где I – момент инерции ротора двигателя и других вращающихся масс, приведенных к валу двигателя.

Из (4) получим дифференциальное уравнение двигателя

или

где  - электромеханическая постоянная времени двигателя.

Из (5) получим передаточную функцию и частотные характеристики двигателя:

                                                    (6)

и, полагая p = jω;                                                                                          

,                                                   (7)

                                                                              (8)

Таким образом, по виду динамических характеристик асинхронный исполнительный двигатель является апериодическим звеном первого порядка.

При исследовании работы исполнительного двигателя в составе следующей системы представляет интерес зависимость угла поворота выходной оси редуктора двигателя  υ(t) от управляющего напряжения u_y(t).