Что такое угловая скорость асинхронного двигателя

Способы регулирования угловой скорости асинхронных электродвигателей

Регулирование возможно также за счет изменения амплитуды напряжения питания, а у двигателей с контактными кольцами – изменения добавочного сопротивления в цепи ротора.

Регулирование переключением числа полюсов.
Изменение числа пар полюсов p_м позволяет дискретно регулировать ω₂. Для реализации этого способа требуется либо укладывать на статоре несколько обмоток с различным p_м, либо выполнять одну обмотку из секций, выведенных на коммутатор. Переключая секции, можно получать различное число полюсов обмотки. В обоих случаях возрастают габариты, масса и стоимость, усложняется конструкция многоскоростных двигателей по сравнению с нормальными. Основным недостатком способа регулирования является ступенчатый характер изменения угловой скорости, число ступеней скорости не превышает 3/4. Диапазон регулирования не превышает D=4:1. Способ применяется только у двигателей с коротко замкнутым ротором, у которых число полюсов ротора автоматически становится равным числу полюсов обмотки статора.

Регулирование изменением частоты напряжения питания (частотное управление).
У трехфазных асинхронных двигателей наиболее перспективным способом плавного регулирования является изменение частоты напряжения питания f₁ (cм. 2.32).При этом следует иметь ввиду, что для наилучшего использования двигателя изменение частоты должно сопровождаться изменением амплитуды напряжения питания. Объясняется это тем, что в соответствии с (1.5) при неизменной амплитуде напряжения и регулировании частоты изменяется магнитный поток машины Ф_m=U₁ /(4,44f₁w_1эф). Уменьшение f₁ вызовет увеличение Ф_m, что может привести к насыщению магнитопровода, резкому возрастанию намагничивающего тока и перегреву как стали, так и обмоток статора. Увеличение f₁ приводит к уменьшению Ф_m, что при М_ст=const в соответствии с (2.24) вызовет рост тока в роторе и, соответственно, перегрев ротора при недоиспользовании стали.
Закон изменения напряжения зависит от изменения частоты питания и характера нагрузки. Если статический момент нагрузки Мст не зависит от скорости, то необходимо при регулировании частоты f1 так изменять напряжение U₁, чтобы

Если же статический момент нагрузки обратно пропорционален скорости и мощность нагрузки М_стω₂ = const, то соотношение U₁ и f₁ должно иметь следующий вид: U₁ /(f₁) 1/2 =const. Как видно, с изменением частоты напряжения питания (f_1a>f_1b>f_1c) при неизменном моменте М_ном угловая скорость ротора ( ω_2a > ω_2b > ω_2c ) изменяется в широком диапазоне практически пропорционально частоте.
С уменьшением частоты критическая угловая скорость уменьшается, максимальный момент в области высоких и средних частот остается неизменным, а в области малых частот несколько уменьшается. При этом в широком диапазоне сохраняется перегрузочная способность двигателя М_max /М_ном.
Частотный способ позволяет устанавливать угловую скорость выше и ниже номинальной. Увеличение угловой скорости допускается (в основном из условий механической прочности) в I,5-2 раза больше номинальной. Нижний предел скорости ограничен тем, что технически сложно получить источники питания с низкой частотой, а также добиться достаточно равномерного вращения ротора двигателя. В разомкнутом приводе частотный способ управления позволяет изменять угловую скорость в диапазоне D = (20 — 30):1; в замкнутом приводе диапазон может быть существенно расширен с помощью обратных связей по скорости, току и напряжению.
Препятствием для широкого внедрения частотного способа является сложность и весьма высокая стоимость полупроводниковых преобразователей частоты. Схема и алгоритмы управления таким приводом получаются более сложными, чем приводом постоянного тока, так как управлять приходится сразу двумя взаимосвязанными величинами: частотой напряжения и магнитным потоком — при существенно нелинейных характеристиках.
Однако асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором благодаря отсутствию скользящего контакта являются более надежными и требуют меньше ухода в эксплуатации, чем коллекторные двигатели постоянного тока. При одинаковой мощности их стоимость в несколько раз меньше. Поэтому создание регулируемых асинхронных приводов с частотным управлением в целом ряде случаев является перспективным.

Регулирование изменением напряжения питания.
В принципе такое регулирование возможно, однако используется очень редко. Объясняется это тем, что при малом S_кp, характерном для двигателей обычного исполнения, диапазон регулирования ω₁-ω_2кp очень узок.

Регулирование изменением сопротивления в цепи ротора.
Реостатный и импульсный способы регулирования, основанные на изменении добавочного активного сопротивления реостата Rд, включаемого в цепь ротора двигателя с контактными кольцами, реализуются практически по тем же схемам, что и соответствующие способы пуска (см. § 2.5, рис. 2.13 и 2.14 ). Снижение жесткости механических характеристик при увеличении активного сопротивления в цепи ротора ограничивает диапазон регулирования до D =(2-3):1. Существенным недостатком являются также значительные потери мощности в цепи ротора, т.к. в процессе регулирования сильно растет скольжение

43.Определение разомкнутой системы регулирования. Разомкнутая система регул-я ЭП харак-ся тем, что на ее вход не подается инф-я о текущем состоянии вых. величины. Поэтому все внешн. возмущения в виде, например, изменения момента нагрузки, напряж питания влияет на вых. координату ЭП, снижая тем самым стабильность ее поддерживания. По это причине разомкнутые системы регул-го ЭП, отличаясь простотой реализации, нашли в основном применение для обеспечения автоматич. пуска, торможения или реверса ЭП, а также в тех случаях, когда не предъявляют повышенные технологические требования к стабильности вых. координаты ЭП. В разомкнутых системах регулируемого ЭП мех-я харак-ка и приводные св-ва ЭП полностью опред-ся типом используемого эл. дв и принятыми для него параметрами регулирования.

44. Способ частотного регулирования.Он экономичный, обеспечивает плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне с высокой стабильностью даже в разомкнутых системах из-за высокой жесткости мех-й харак-ки АД в ее рабочей части. При частотном регулировании в состав асинхр. ЭП входит управляемый преобр-ль частоты, который обеспечивает заданное изменение частоты и соответствующий этой частоте уровень питающего напряж. АД. Изменять значение напряж. питания АД при изменении частоты необходимо, т.к. значение индуктивного сопрот-я дв., а значит, и его ток зависят от частоты.

45. Способ изменения скольжения. Изменением скольжения можно регулировать частоту вращения АД ЭП, если на валу дв. имеется нагрузка и АД обладает мягкой мех. харак-й. Наиболее доступно этот способ реализуется при использовании АД с фазным ротором путем изменения сопрот трехфазного реостата, включенного во внешн. цепь обмотки ротора. Для АД с короткозамкнутым ротором регулирование угл. ск. изменением скольжения реализуется в случае применения спец. АД с мягкой мех. харак-й путем регулирования напряж. питания дв. Способ регул-я частоты вращения АД изменением скольжения харак-ся повышенными потерями мощности, т.к. с увеличением скольжения растут потери мощности обмотки ротора АД, вызывая доп. нагрев. Данный способ нашел широкое применение из-за высокой плавности регулирования АД ЭП с вентиляторной нагрузкой.

46. Регулирование угловой ск. для ЭП с коллекторными дв. Для регулируемых ЭП с коллекторными дв., которые чаще всего используют в виде ДПТ, регулирование их угл. скорости возможно изменением: сопротивления в цепи якоря (параметрическое управление), магнитного потока дв. (полюсное управление), напряжения питания цепи якоря (якорное управление). Два первых способа регулирования угл. ск. ДПТ-параметрическое и полюсное. Диапазон изменения угл.ск. при этом не превышает 1:3 из-за значительной нестабильности заданной угл. ск. пр работе ЭП на мягких искусств. мех. харак-х. От этого недостатка в значительной мере свободен способ регулирования угл. ск. ДПТ изменением напряж. питания цепи якоря, т.к. в этом случае жесткость мех. харак-к сохраняется неизменной и диапазон регулирования даже в разомкнутых системах составлять 1:20 и более.

47. Электромагнитная муфта скольжения— особая разновидность регулирования частоты вращения ЭП – использование в составе ЭП в качестве мех-го передаточного устр-ва электромагнитной муфты скольжения(ЭМС). ЭМС, с одной стороны, обеспечивает гибкое соединение и разъединение валов дв. и рабочего механизма, а с другой стороны – регулирование частоты вращения рабочего механизма при неизменной частоте вращения дв. ЭП с ЭМС по конструкции механической части отличаются значительным разнообразием при неизменности принципа функционирования. Индуктор ЭМС представляет собой электромагнит пост. тока, магнитный поток которого замыкается через якорь. При вращении индуктора или якоря относительно друг друга магнитное поле индуктора индуктирует в якоре ЭДС, по действием которой в короткозамкнутом якоре протекает ток. Т.е. якорь и индуктор под действием электромагнитных сил стремятся к устранению разности их частот вращения. Т.о. ЭМС имеет индукционный принцип действия, как и АД. Только вращающееся магнитное поле в ЭМС создается не переменным многофазным током, а вращением индуктора относ. якоря ЭМС или наоборот.

49. Следящий ЭП представляет собой замкнутую систему автоматич. управления, в которой ИО с опред. точностью воспроизводит движение, задаваемое управляющим органом. В СЭП основной вх. сигнал представляет собой угол поворота оси или вала УО. С опред. точностью этот угол отрабатывается на выходе системы в виде угла поворота исполнительным эл.дв механизмом и соотв. исполнит. органом технологич. установки. СЭП используют в системах автоматич. вождения мобильных агрегатов, для дистанционного управления положением антенн и рулевых механизмов различных транспортн. средств, в металлообрабат. Станках и во многих других случаях.

50. Виды и особенности переходных процессов. Переходн. процессом или динам. режимом, ЭП называют режим перехода ЭП из одного установивш-ся сост. в другое, в процессе которого происходит изменение соотв. видов энергии. Переходн. процессы имеют место при запуске, торможении, реверсировании и регулирования угловой скор. ЭП, при изменении его нагрузки и условий электропитания. Переход. проц. бывают: электромагнитный, механический, тепловой. Электромагнит. и механич. переход. процессы в ЭП происходят значительно быстрее тепловых, поэтому их рассматривают по отдельности. Механические переход. проц. Возникают в ЭП прежде всего при пуске, реверсе и эл. торможении ЭП. Из-за инерционности системы ЭП переходн. проц. Происходит в течение опред. интервала времени. Характер скоротечных электромагнит. и электромех. Процессов ЭП неоднозначен и зависит от множества факторов. При детальном изучении электромех. переходн. проц. реально нагруженных АД ЭП выяснено, что из-за большей длит-ти мех-го переходного скоротечные колебания момента АД, вызванные электромагнитным переходн. процессом, практически полностью затухают в самом начале мех-го переходного процесса. Наиболее благоприятное протекание электромех. переходного процесса происходит в ЭП с управляемыми режимами пуска и торможения.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

Как работает асинхронный электродвигатель

Электродвигатели, которые работают от сети переменного тока, называют асинхронными. Такое определение они получили из-за особенностей взаимодействия магнитных полей статора и ротора, в результате которого их скорость вращения различается.

Устройство этих электрических машин проще, чем работающих на постоянном токе, поскольку их статор не имеет электрического соединения с внешними устройствами, осуществляемого посредством токосъемных колец – коллектора, за что они получили и свое второе название «бесколлекторные электродвигатели».

Пальма первенства в их изобретении принадлежит русскому инженеру М. О. Доливо-Добровольскому, создавшему первый действующий трехфазный двигатель в 1890 году. Стоит отметить, что его конструкция не претерпела коренных изменений на протяжении более ста лет.

Почему он вращается

Принцип работы электродвигателя переменного тока основан на феномене возникновения вращающегося магнитного поля, в двух или трех соленоидах, определенным образом ориентированных в пространстве.

Направление вектора электромагнитного поля определяется правилом левой руки, согласно которому четыре пальца указывают направление движения тока, а пятый (большой) – движения самого проводника под действием сил электромагнитной индукции, входящих в открытую ладонь.

Если соленоид один, то при пропускании через него переменного тока стальной сердечник совершает колебательные движения. Чтобы он смог совершить оборот на 360°, нужны минимум две катушки, расположенные перпендикулярно друг другу, из-за чего суммарный вектор силы электромагнитной индукции будет описывать окружность.

Лучший, более стабильный, результат получается при использовании трех соленоидов, расположенных под углом друг к другу в 120°. Сдвиг фазы тока в катушках соленоида может быть достигнут не только позиционированием, но и включением в цепь одного из них активной нагрузки. Например, конденсатора.

Почему он асинхронный

Магнитное поле статора наводит в сердечнике ротора электрический ток, в результате чего он обзаводится собственным. Его полюса стремятся притянуться к тем, которые его породили, но это движение никогда не завершится по двум причинам:

1. При совпадении полюсов пропадает разница электрических потенциалов между деталями машины, из-за чего ток в роторе прекращает течь, магнитное поле исчезает, а вал затормаживается. Эта своеобразная пульсация частоты вращения более выражена в двигателях, работающих от одной или двух фаз. Поэтому три катушки предпочтительнее.
2. Статор больше ротора на величину магнитного зазора, поэтому создаваемое им магнитное поле имеет большую угловую скорость относительно центра вала.

Конструкция асинхронного электродвигателя

Оптимальным конструкторским решением расположения соленоидов является их размещение на внутренней поверхности цилиндра (трубы), внутри которого находится металлический вращающийся сердечник. Первый, поскольку он неподвижный, назвали статором электрической машины, а второй – ротором.

Постоянство расстояния между этими частями, называемого магнитным зазором, обеспечивается двумя крышками с подшипниками качения в центре. У асинхронных двигателей он не превышает трех миллиметров, поскольку при больших значениях сила электромагнитного взаимодействия между ротором и статором ослабевает настолько, что вал останавливается.

Конструкция ротора

Утверждение, что все асинхронные – это бесколлекторные электродвигатели, является допущением, в котором есть исключение. В действительности конструкция подвижной части электрической машины переменного тока бывает двух типов:

1. Короткозамкнутый ротор.
2. Ротор с фазными обмотками.

Короткозамкнутым называют ротор, устройство которого похоже на беличье колесо: он состоит из двух медных колец и нескольких толстых проводников, их соединяющих. Пространство между ними – сердечник – набирают из листов легированной стали, что уменьшает паразитные вихревые потоки. Во время пуска двигателя вращающееся поле статора провоцирует возникновение в нем электрического тока, а поскольку все проводники детали соединены друг с другом, возникает короткое замыкание.

Поэтому пусковой ток асинхронных двигателей в два — три раза номинального рабочего. После того как ротор тронется с места, ток расходуется на создание магнитного поля. Из-за простоты устройства мирятся и с падением напряжения, и с моментальным набором скорости, что делает нагрузочную характеристику двигателя жесткой.

Фазные обмотки на роторе устраивают для ликвидации всплеска пускового тока, что необходимо для защиты сети от перегрузки. Их три, они соединяются звездой, а свободные концы выводят на коллектор, состоящий из трех медных колец, разделенных диэлектриком и посаженных на хвостовик вала двигателя. Перед включением ротор шунтируют большим сопротивлением (реостатом), который гасит ток.

Передвигая ползунок реостата, допускают плавное возникновение тока в роторе и раскрутку вала двигателя. Асинхронность таких машин выше, поэтому у них ниже КПД. Зато появляется возможность плавной регулировки частоты вращения. Асинхронный двигатель с фазным ротором встречается очень редко из-за сложной конструкции, которая абсолютно идентична той, что имеет генератор переменного тока. Единственное его отличие – на коллекторные кольца подается постоянное напряжение, поэтому какую-то пару щеток можно замкнуть между собой.

Конструкция статора

Она двухслойная. Наружную «рубашку», которая обеспечивает механическую прочность конструкции, ранее отливали из чугуна. Сейчас все чаще используют легкие сплавы. Для эффективного отвода тепла на ней делают ребра жесткости. Внутри находится слой, набранный из листов легированной стали, которые изолированы друг от друга диэлектрическим лаком. На его внутренней поверхности устроены пазы. В них укладываются обмотки – медный проводник из нескольких витков, которые изолированы друг от друга во избежание пробоя, приводящего к снижению силы магнитного поля и аварии машины. Зазор между статором и ротором очень мал, поэтому витки скрыты в толще металла, чтобы не мешать вращению.

Однофазные двигатели

Однофазный асинхронный двигатель отличается лишь количеством статорных обмоток, которых две. Они всегда включены параллельно и расположены перпендикулярно друг другу. Для обеспечения начального фазного сдвига в цепь одной из них включена активная нагрузка. Обычно бумажный конденсатор большой емкости. После набора оборотов одна из обмоток отключается. Так делается в двигателях мощностью свыше пятидесяти ватт. У маломощных машин вторая обмотка выполняется короткозамкнутой. Фазу сдвигает индуцированный противоток.

Управление скоростью вращения

Явным недостатком асинхронных двигателей является сложность управления ими. Для изменения скорости вращения используются два метода:

1. Частотное преобразование питающего напряжения. Практически никогда не применяется, поскольку по законам электротехники любая индуктивность (обмотка, соленоид, трансформатор) спокойно переносит только повышение частоты. При ее понижении она начинает работать в режиме нагревателя.

1. Варианты с числом, способом укладки и размещением в пазах обмоток статора. Метод основан на том, что три фазных обмотки – это один условный двухполюсной вращающийся магнит, совершающий полный оборот за период, равный частоте сети. То есть, при самой простой конструкции статорной обмотки частота вращения будет равна 3 тыс. оборотов в минуту.

Если на статоре разместить шесть обмоток, сгруппировать их по три и подключить последовательно, то получим не два, а четыре полюса. Из-за этого частота вращения снизится в два раза – до 1500 оборотов в минуту.

При устройстве девяти обмоток, подключенных по тому же принципу, скорость снизится еще в два раза, до 750 оборотов в минуту, ведь полюсов станет шесть. Дальнейшее снижение скорости не производится, поскольку связано с большими техническими трудностями.

Нередко технология производства требует, чтобы привод мог вращаться с двумя или тремя скоростями. Эта проблема решается двумя путями:

1. Подключением дополнительных независимых обмоток. Вместе с изменением скорости меняется и крутящий момент электродвигателя, поскольку индуктивность всякий раз разная.

1. Устройством дополнительных выводов из одной обмотки. Так называемый метод Даландера. Имеет преимущество в том, что крутящий момент сохраняется неизменным.

Двухскоростной асинхронный электродвигатель имеет статорную обмотку, каждая из катушек поделена которой на две дополнительными выводами. Для наглядности обозначим 2U, 2V и 2W. В режиме тихого хода (1500 оборотов) обмотки соединены треугольником, питающее напряжение подается на выводы 1U, 1V и 1W, а 2U, 2V и 2W остаются свободными. Если требуется набрать 3 тыс. оборотов, то производится коммутация:

• питание подается на 2U, 2V и 2W;
• выводы 1U, 1V и 1W соединяются между собой.

В результате схема подключения обмоток меняется с «треугольника», в каждой стороне которого две последовательных катушки, на «звезду», в каждом луче которой две параллельных катушки. Число полюсов сократилось вдвое, а суммарная индуктивность осталась той же.

Существуют и трехскоростные электродвигатели, обмотки которых имеют по три вывода, поскольку должно получиться девять обмоток.

Обычно для управления многоскоростными асинхронными двигателями устраивают силовую релейную схему. Это позволяет изменять скорость вращения за несколько секунд.

Значимость изобретения в конце XIX века трехфазного асинхронного двигателя вполне можно сравнить с появлением компьютера и даже с полетом в космос. До сих пор человечество не сумело создать ничего более эффективного, ведь КПД этого устройства близко к ста процентам.

Научная электронная библиотека

Семенов С. Е., Щербачев П. В., Тарасов О. И.,

Выбор передаточного отношения редуктора в передаче

В современной технике широко используются типовые схемы для приводов на основе механических редукторов с большим передаточным отношением [24]. При этом для поворота выходного вала на заданный угол, вал электродвигателя должен сделать достаточно большое число оборотов. В этом случае время разгона и торможения электродвигателя мало относительно времени установившегося режима работы. На рис. 4 приведены примеры графиков переходных процессов по углу (верхний график) и по скорости (нижний график) вала электродвигателя подобной следящей системы. Здесь t1 – время разгона вала, t2 – время работы электродвигателя на максимальных оборотах, t3 – время торможения .

В данном случае потери энергии на разгон привода и его торможение будут значительно меньше, чем в процессе установившейся работы, поэтому ими пренебрегают и используют такие методы управления, как бездатчиковая система управления, либо система управления с датчиком скорости на основе счетчика импульсов. В таких системах управления слабыми местами являются старт и работа на низких оборотах (приблизительно 10 % от номинальных) в связи с неточностью определения положения ротора. Эта неточность обусловлена недостаточной величиной противо-ЭДС, генерируемой электродвигателем, в случае бездатчиковой системы, либо, в случае использования датчика угловой скорости, слишком редким чередованием импульсов с датчика скорости при значительном угловом ускорении двигателя [24]. Увеличение передаточного числа редуктора
и установка высокооборотного двигателя той же мощности снижают негативный вклад переходных процессов (разгона и торможения) на количество затраченной энергии за весь цикл перемещения выходного звена из одного положения в другое.

Рис. 4. Переходный процесс следящей системы
с высоким коэффициентом редукции

К сожалению, увеличение передаточного числа редуктора снижает КПД передачи за счет увеличения числа пар трения и количества зубчатых зацеплений. Особенно сильно это проявляется в малогабаритных системах. Оценить это можно на примере линейки редукторов компании Harmonic Drive (рис. 5). Данная компания является одной из лидирующих на рынке малогабаритных редукторов, а их продукция имеет высокие массогабаритные и энергетические характеристики .

Из этих графиков видно, что для увеличения КПД системы следует снижать передаточное число редуктора до минимально возможного, ограниченного возможностями электродвигателя. Сам электродвигатель, в данном случае, следует выбирать низкоскоростной и высокомоментный.

Рис. 5. Примеры графиков зависимости КПД от момента для редукторов одного типоразмера, но разного передаточного отношения i линейки малогабаритных редукторов фирмы Harmonic Drive

Еще одним критерием выбора передаточного отношения редуктора может быть максимальное развиваемое угловое ускорение на выходном валу передачи. Особенно актуально это в случае использования такого привода в системах с обратной связью по положению, которые часто используются в роботизированных комплексах. Для вывода этого критерия вычислим угловые ускорения выходных валов передач для двух двигателей с одинаковой номинальной мощностью Pном и одинаковой нагрузкой на выходной вал передачи Jн2 = Jн1 и Mвнешн2 = Mвнешн1, но установленными редукторами с разным передаточным отношением i1 и i2 (i1 > i2)

, (1)

угловое ускорение выходного вала передачи;

угловое ускорение ротора электродвигателя;

передаточное отношение редуктора.

Угловое ускорение вала двигателя вычисляется по формуле

(2)

момент внешней нагрузки на выходной вал передачи;

приведенный момент инерции системы к валу ротора электродвигателя.

Он вычисляется по формуле [4]

(3)

момент инерции ротора электродвигателя;

момент инерции подвижных частей редуктора, приведенный к быстроходному валу передачи;

момент инерции нагрузки.

Обобщив вышеприведенные формулы с (1) по (3) получим выражение для ускорения выходного звена передачи с большим коэффициентом редукции i1 и малым коэффициентом редукции i2

(4)

Так как двигатели одинаковой номинальной мощности и на выходных валах двух рассматриваемых передач момент должен быть одинаковый, то момент на валу высокомоментного электродвигателя Mэд2 можно вычислить следующим образом

(5)

Подставив условия одинаковой нагрузки и выражение (5) в выражения (4), получим, что для достижения одинаковых величин ускорений на выходном валу передачи необходимо, чтобы выполнялось следующее условие

(6)

Исходя из выражения (6), можно сформулировать критерий: пока отношение суммы моментов инерции ротора высокомоментного электродвигателя и редуктора с низким передаточным отношением к сумме моментов инерции ротора высокооборотистого электродвигателя и редуктора с высоким передаточным отношением меньше квадрата отношения передаточного числа редуктора c большим передаточным отношением к передаточному числу редуктора с низким передаточным отношением угловое ускорение на валу передачи с высокомоментным двигателем будет выше.

Необходимо отметить, что в вышеприведенных расчетах не учитывались КПД двигателей и редукторов. Как писалось выше с ростом передаточного числа редуктора его КПД снижается, а КПД электродвигателя снижается не значительно [31].

В качестве примера рассмотрим механические передачи на основе малогабаритных планетарных редукторов фирмы Harmonic Drive. Выберем один редуктор с передаточным отношением i1 = 45 (HPG-11-A-45) и второй с передаточным отношением i1 = 5 (HPG-11-A-5). Для них подберем индукторные электродвигатели фирмы Maxon Motor: электродвигатель № 475522 и № 148877 соответственно. Получились две передачи с характеристиками, представленными в табл. 2.

Если подставить величины, приведенные в табл. 2 в выражение (4), то для этих двух передач можно построить график зависимости углового ускорения на выходном валу передачи в зависимости от установленного на этот вал момента инерции (рис. 6) и график зависимости отношения углового ускорения на выходном валу передачи с высокомоментным двигателем к угловому ускорению на выходном валу передачи с высокооборотистым двигателем от установленного на эти валы момента инерции Jн (рис. 7).

Характеристики механических передач

Передаточное отношение редуктора

Максимальный КПД редуктора

Момент инерции вращающихся частей редуктора, приведенный к быстроходному валу

Номинальный момент на валу электродвигателя

Номинальная мощность электродвигателя

Момент инерции ротора электродвигателя

Максимальный КПД электродвигателя

Рис. 6. График зависимости углового ускорения на выходном валу передачи в зависимости от установленного на этот вал момента инерции

Рис. 7. График зависимости отношения угловых ускорений ε2/ε1 на выходном валу передач от установленного на эти валы момента инерции

Из рис. 7 видно, что, начиная с некоторой величины момента инерции нагрузки, отношение становится меньше единицы, а это означает, что передача с редуктором с большим коэффициентом редукции начинает обгонять передачу с низким коэффициентом редукции. Для данных передач эта величина равна 28795 гм∙см2, что более чем в 200 раз превышает момент инерции вала высокомоментного электродвигателя. Это возникает в результате того, что на практике не удается подобрать два электродвигателя одинаковой мощности с подходящими номинальными моментами для имеющихся редукторов и в данном случае высокомоментный двигатель имеет мощность меньшую, чем высокоскоростной.

Исходя из того, что большее значение КПД передачи будет достигаться при меньших значениях коэффициента редукции и из того, что выходной вал передачи с низким передаточным отношением будет развивать большие угловые ускорения (в вышеописанных пределах момента инерции ротора двигателя и редуктора) для рассматриваемых в этой статье задач следует строить передачи на основе редукторов с низким передаточным отношением.

В рассматриваемом случае время разгона и торможения электродвигателя будет сравнимо с временем работы двигателя на номинальном режиме, а потерями энергии во время этих процессов пренебрегать нельзя. В связи с этим, пользоваться теми же методами, что и в случае с редуктором с большим передаточным отношением нельзя, а необходимо применять методы для снижения потерь энергии на разгонных режимах работы электродвигателя. Одним из способов решения данной проблемы является установка датчика абсолютного углового положения ротора или комбинации датчиков, выполняющих данную задачу. Это позволит с высокой точностью контролировать положение ротора электродвигателя для задания вектора магнитного поля. Кроме того, такой датчик, по понятным причинам, должен быть многооборотным. К наиболее распространенным типам датчиков, обладающих такими характеристиками, можно отнести следующие:

1. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор (резольвер).

2. Поворотный дифференциальный трансформатор (RVDT) в комбинации с датчиками Холла.

3. Цифровой оптический датчик.

Каждый тип датчиков имеет свои преимущества и недостатки при одинаковых точностных характеристиках. Цифровые оптические датчики имеют минимальные шумовые характеристики и имеют наиболее простую схему обработки выходного сигнала, но плохо устойчивы к ударным нагрузкам и не могут работать случае погружения в масло (особо актуально для гидравлических передач). Поворотные дифференциальные трансформаторы имеют ограниченный диапазон измерений в 180 градусов, который можно расширить, установив дополнительные дискретные датчики, которые будут указывать в какой четверти окружности находится в данный момент вал электродвигателя. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор для исключения контакта между статором и ротором требует дополнительно кольцевой трансформатор для передачи питающего напряжения на ротор, что увеличивает его габаритные размеры, но обладает рабочим диапазоном в 360 градусов и устойчив к ударно-вибрационным нагрузкам.

В случае системы с механическим редуктором (жесткая связь между углом выходного вала редуктора и угла вала электродвигателя) такой датчик может быть установлен в трех вариантах расположения:

На выходном валу редуктора (рис. 8). К преимуществам данной схемы можно отнести максимально высокую точность контроля параметров на выходном валу передачи: угла поворота и скорости вращения. К недостаткам – сниженную точность определения угла поворота вала электродвигателя за счет снижения на коэффициент редукции точности датчика угла на выходном валу и люфтов в редукторе, что ведет к снижению КПД системы на малых скоростях вращения.

Рис. 8. Датчик угла расположен на выходном валу редуктора

На валу электродвигателя (рис. 9). Эта схема имеет максимальную точность определения угла поворота вала ротора электродвигателя, что позволяет эффективно управлять электродвигателем. Но, к сожалению, не дает абсолютное значения угла поворота выходного вала в случае, если для достижения крайних значений углов на выходном валу редуктора электродвигателю необходимо сделать больше одного оборота вала. В этом случае в начале работы следящей системы необходимо проводить уточнение начального положения выходного звена (к примеру, повернуться до какого-либо крайнего положения и осуществить привязку).

На валу электродвигателя и на выходном валу редуктора (рис. 10). Данная схема позволяет с максимальной эффективностью управлять электродвигателем и контролировать параметры выходного вала редуктора, но обладает повышенной стоимостью и габаритными размерами. В данной схеме датчик на валу электродвигателя служит исключительно для определения его углового положения для нужд драйвера электродвигателя, а датчик на выходном валу редуктора для замыкания обратной связи всей следящей системы.

Рис. 9. Датчик угла расположен на валу электродвигателя

Рис. 10. Установлен датчик угла на выходном валу электродвигателя
и на валу электродвигателя

Какие бывают виды электродвигателей по скорости?

Скорость вращения вала двигателя – это один из основных факторов, влияющий при выборе оборудования. Электродвигатели по этой характеристики подразделяются на несколько основных групп. Частота вращения микромашин, может изменяться от нескольких десятков оборотов за минуту, до 60000. Для среднего и мощного промышленного оборудования подбираются машины, количество оборотов которых до 3000 об/мин.

Типы оборудования в зависимости от частоты вращения вала

По этой характеристике классифицируется:

• тихоходный тип с количеством оборотов не более 300 об/мин;
• количество оборотов не превышает 1500 об/мин на электродвигателях со средней скоростью вращения;
• быстроходное оборудование выполняется числом вращения вала не более 6000;
• количество циклов за минуту не менее 6000 используются на агрегатах со сверхбыстроходностью.

Скорость вращения двигателя влияет на выбор по мощности и крутящему моменту оборудования. Для промышленных станков и больших кранов применяются агрегаты быстроходного или среднего типов. При этом величину об/мин, можно изменять с помощью мотор-редукторов и шкивов.

Определить количество, можно посмотрев бирку, но она может повредиться при эксплуатации. Существует самый простой метод определения скорости вращения, без применения дополнительного оборудования.

Способы определения количества оборотов двигателя

Для определения этой величины, необходимо выполнить несколько простых операций. Разберем способы определения скорости основных групп асинхронных электродвигателей.

Метод определения двигателя с количеством оборотов 3000

Каждый двигатель имеет несколько пар полюсов или пар контактов. На каждом статоре укладывается по несколько катушек, соединенных последовательно. Такие пары монтируют для каждой фазы. При этом образуется по одной паре полюсов. Каждая фаза устроена одинаково.

При питании обмоток, на каждую из них нагрузка поступает поочередно. При общем частоте тока в 50 Гц, за одно колебание поток магнитного поля, совершит полный круг. 1 сек магнитный поток статора, совершает вращение 50 раз. Поэтому за 1 мин двигатель совершит 3000 циклов.

Для определения количества синхронных оборотов в асинхронном электродвигателе, потребуется демонтировать крышку на корпусе, осмотреть статор агрегата.

Подсчитываем количество пазов для одной из фаз. В самом простом случае будет 12 пазов. С учетом того, что на каждую фазу приходится по 2 катушки, получаем 6 пазов на 1 катушку. В этом случае с учетом скольжения число синхронной скорости двигателя за минуту будет 3000.

При этом следует обратить внимание. Не всегда количество катушек для пары будет равно 1. Производятся агрегаты с 2 или 3 катушками для пары. Но это более сложные способы намотки двигателя, их следует рассматривать отдельно.

Определение скорости вращения тихоходного типа

Каждая фаза выполняется с 4 секциями обмотки статора. На каждую катушку теперь приходится четвертая часть пазов. В этом случае на приборе будет 2 пары полюсов. Они получаются из 4 катушек для каждой фазы сети. В случае если при подсчете на каждую катушку приходится ¼ часть всех пазов, это агрегат с количеством вращений 1500 за минуту.

При более низких оборотах, расчет будет изменяться. Для 1000 об/мин, расчет следует производить в соотношении 1 к 6. Для агрегатов до 750 об/мин. расчет производится в соотношении 1 к 8.

Для более точного определения скорости вращения вала необходимо использовать тахометр или ознакомиться с паспортом агрегата.