Автор работы: Пользователь скрыл имя, 30 Апреля 2014 в 23:14, шпаргалка
Работа содержит ответы на вопросы для экзамена по дисциплине "Трасформаторы".
1 – статор;
2 – ротор.
В результате индукция в зазоре распределяется вдоль окружности якоря по кривой, которая кроме постоянной составляющей BСР содержит еще и переменную составляющую, изменяющуюся от до . Зубцам ротора предают такую форму, чтобы переменные составляющие индукций в воздушном зазоре приближалась к синусоидальной.
Каждому зубцовому делению ротора соответствует один период изменения индукции от до . Вследствие чего результирующее магнитное поле можно рассматривать как сумму двух полей: постоянного, создаваемого обмоткой возбуждения и синусоидального с числом полюсов равным числу зубцов ротора. При вращении ротора постоянное магнитное поле остается неподвижным, а переменное перемещается вместе с зубцами ротора индуцируя в проводниках обмотки якоря ЭДС, которое изменяется с частотой
,
где – число зубцов ротора.
Индукторные генераторы имеют более низкий КПД (0,4 – 0,5), чем синхронные генераторы нормального исполнения. Это объясняется значительным увеличением добавочных потерь мощности в стали и обмотке якоря из-за высокой частоты перемагничивания.
1 – пакет статора;
2 – обмотка якоря;
3 – полюсы статора;
4 – ротор.
Трехфазные и двухфазные индукторные машины широко используются не только в качестве генератора, но и в качестве двигателя.
Синхронная частота вращения равна
.
В то время как синхронная частота вращения магнитного поля
.
Отношение называют коэффициентом редукции. Он показывает во сколько раз частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля, поэтому индукторные двигатели часто называют редукторными.
– число зубцов ротора.
Редукторные двигатели могут быть трех типов:
– с электромагнитным возбуждением на статоре или роторе;
– с постоянными магнитами;
– без возбуждения (реактивные).
В зависимости от расположения обмоток возбуждения или постоянных магнитов различают двигатели с осевым или радиальным возбуждением.
Ротор в радиальном двигателе может вращаться как по направлению, так и против направления вращения магнитного поля статора.
Пуск редукторных двигателей осуществляется при помощи короткозамкнутых обмоток. Редукторные двигатели обычно выполняют на небольшие частоты вращения и мощность от 1 до 40 Вт, КПД – 20 – 40%, большой срок службы вследствие низких частот вращения.
В современных системах управления широко используется устройство оперирующее с цифровой формой сигнала. Цифровая форма представления сигнала привела к созданию шаговых двигателей.
Простейший однофазный шаговый двигатель.
Шаговый двигатель – электромеханическое устройство, преобразующее сигнал управления в угловое или линейное перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств с обратной связью.
Современные шаговые двигатели по сути являются синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется не асинхронным, а частотным пуском шагового двигателя. Роторы могут быть возбужденными (активными) и невозбужденными (пассивными). Рассмотрим принцип действия простейшего однофазного шагового двигателя.
Двухполюсный ротор из магнитомягкой стали с клювообразными выступами помещен в четырехполюсный статор. Одна пара полюсов выполнена из постоянных магнитов, на другой находится обмотка управления. Пока тока в обмотке управления нет ротор ориентируется вдоль постоянных магнитов и удерживается около них с определенным усилием, которое определяется магнитным потоком полюсов.
При подаче постоянного напряжения на обмотку управления возникает магнитный поток, который примерно в двое больше, чем поток постоянных магнитов. Под действием этого потока ротор поворачивается, преодолевая нагрузочный момент и момент, развиваемый постоянными магнитами, стараясь занять положение соосное с полюсами управляющей обмотки. Поворот происходит в сторону клювообразных выступов, так как магнитное сопротивление между статором и ротором в этом направлении меньше, чем в обратном. Следующий управляющий импульс отключает напряжение с обмотки управления и ротор поворачивается под действием потока постоянных магнитов в сторону клювообразных выступов.
Достоинством однофазных шаговых двигателей с постоянными магнитами является простота конструкции и схемы управления. Для фиксации ротора при обесточенной обмотке управления не требуется потребление энергии, т.е. угол поворота сохраняет свое значение и при перерывах в питании. Двигатели этого типа отрабатывают импульсы с частотой до 200 – 300 Гц.
Недостатки этих двигателей: низкий КПД и невозможность реверса.
Реверсивные шаговые двигатели.
Для осуществления реверса зубцы статора и ротора шагового двигателя должны быть симметричными без клювообразных выступов.
Рассмотрим работу двухфазного двухполюсного шагового двигателя с активным ротором в виде постоянного магнита.
В зависимости от типа электрического коммутатора управление шаговым двигателем может быть однополярным или разнополярным, симметричным или несимметричным, потенциальным или импульсным.
При однополярном управлении напряжение каждой фазы изменяется от 0 до +U, при разнополярном – от –U до +U.
Управление называют симметричным, если в каждом такте коммутации задействуется одинаковое число обмоток и несимметричным – если разное.
При потенциальном управлении напряжение на обмотке изменяется только в моменты поступления управляющих импульсов. При отсутствии управляющего сигнала обмотка или группа обмоток находится под напряжением, а положение ротора фиксируется полем обмоток.
При импульсном управлении напряжение на обмотки подается только на время отработки шага после чего оно снимается и ротор удерживается в заданном положении либо реактивным моментом, либо внешним фиксирующим устройством.
В многополюсных шаговых двигателях число устойчивых положений возрастает пропорционально числу пар полюсов p. Магнитоэлектрический шаговый двигатель удается выполнять с шагом до 15°. Дальнейшее уменьшение шага ограничено технологическими трудностями – создания ротора в виде постоянного магнита с числом пар полюсов > 6.
Гораздо более мелкий шаг (до долей градуса) можно получить в редукторных (индукторных) шаговых двигателей. Индукторные шаговые двигатели выполняются с числом фаз m = 2;4. Они имеют зубчатый ротор с равномерно расположенными зубцами zР и гребенчатой зоной статора, смещенной относительно друг друга на угол .
35.Режимы работы шаговых двигателей
Предельная частота управляющих импульсов, при которой еще соблюдается квазистатический режим, определяется временем протекания электромагнитных и особенно электромеханических переходных процессов, т.е. временем колебаний ротора. Для уменьшения или полного устранения качаний ротора в конце шага применяют различные приемы
При принудительном торможении после перевода управляющего импульса с первой обмотки или группы обмоток на вторую через некоторый промежуток времени, в течении которого ротор отработает часть шага и запасет определенное количество кинетической энергии, управляющий импульс вновь переводится на первую обмотку. На ротор начинает действовать тормозной момент. При правильном выборе времени и величины тормозящего момента ротор остановится в конце шага, после чего управляющий импульс переводится на вторую обмотку и ротор, отработав шаг, фиксируется в заданном положении практически без колебаний.
При естественном торможении отработка шага происходит в два этапа на первом этапе движение ротора осуществляется за счет положительного приращения момента, возникающего при сдвиге НС статора на часть полного шага; на втором этапе – за счет кинетической энергии, запасенной ротором при отрицательном (тормозном) моменте. При достижении ротором заданного положения НС сдвигается на оставшуюся часть шага и фиксирует ротор в этом положении. Естественное торможение возможно лишь в тех ШД, у которых полный шаг можно поделить на несколько элементарных шагов
Повысить предельную частоту квазистатического режима можно путем увеличения числа обмоток статора или числа тактов коммутации. Во всех этих случаях снижается угол перемещения и кинетическая энергия ротора, что уменьшает его склони качаниям.
Установившийся режим - это режим, соответствующий постоянной частоте следования управляющих импульсов. При частоте управляющих импульсов , меньшей частоты собственных колебаний двигателя , движение ротора носит колебательный характер, что увеличивает динамическую ошибку при отработке заданного перемещения.
При малых возмущениях частота собственных колебании ротора
,
где – максимальный статический синхронизирующий момент, , – инерции ротора и нагрузки, приведенные к валу двигателя, – число пар полюсов.
При значительных возмущениях
При частоте управляющих импульсов , где – целое число, возникает явление электромеханического резонанса, которое при слабом демпфировании колебаний может привести к нарушению нормального движения ротора и выпадению его из синхронизма. При имеют место вынужденные колебания с частотой управляющих импульсов: амплитуда их монотонно уменьшается с увеличением частоты. Для устойчивой работы ШД необходимо, чтобы
, а .
Переходный режим - это основной эксплуатационный режим работы ШД. Он включает в себя пуск, реверс, торможение, переход с одной управляющей частоты на другую. Физические процессы в переходных режимах определяются как параметрами двигателя и его нагрузки, так и начальными условиями, при которых начинается переходный процесс.
Основное требование к ШД в переходных режимах заключается и отсутствии потери шага. т.е. сохранение синхронизма при любом характере изменения управляющих импульсов.
Пуск шагового двигателя осуществляется из неподвижного положения ротора, которое он занимает при установившихся значениях
токов в обмотках, путем скачкообразного увеличения частоты управляющих импульсов от нуля до рабочей. При этом ротор вначале отстает от поля, затем, ускоряясь, достигает частоты вращения поля, опережает его и вследствие отрицательного синхронизирующего момента снова замедляем свое движение. Вследствие демпфирования колебания скорости вращения быстро затухают, наступает установившийся режим.
Максимальная частота управляющих импульсов, при которой возможен пуск без потери шага, называется частотой приемистости . Чacтотa приемистости растет с увеличением максимального синхронизирующего момента, уменьшением шага, снижением постоянной времени обмоток, нагрузки и момента инерции. Для современных ШД = 100,1000 Гц.
Торможение шагового двигателя осуществляется скачкообразным снижение частоты управляющих импульсов от рабочего значения до нуля. Предельная частота, при которой ротор останавливается без потери шага, как правило, выше частоты приемистости, что объясняется внутренним демпфированием - электромагнитным тормозным моментом, моментом сопротивления нагрузки и трением в опорах.
Реверс ШД производится путем изменения последовательности коммутации обмотках, приводящего к изменению направления вращения магнитного поля на обратное. Предельная частота управляющих импульсов, при которой реализуется реверс без потери шага, всегда меньше частоты приемистости и составляет .
Особенность двигателей с катящимся ротором является эксцентрическое расположение ротора в статоре. Вращающийся момент здесь создается за счет сил одностороннего магнитного приложения.
Допустим, что обмотка статора создает несимметричное магнитное поле, максимум которого в данный момент приводится в точке А. По мере вращения магнитного притяжения перемещается по статору с синхронной скоростью. В любой момент времени ее можно разложить на составляющие fx и fу. Видно, что fx притягивая ротор к статору заставляет катится ротор по внутреннему диаметру с синхронной скоростью. Ротор же медленно поворачивается вокруг собственного центра, при чем в противоположном направлении.
В конечном итоге при повороте поля статора на один поворот, ротор повернется на угол равный разности длин окружности статора и ротора, деленный на радиус ротора
или переходя к частоте вращения
(для одной пары полюсов)
Двигатель с катящимся ротором могут работать в синхронном и асинхронном режимах. Определяется это соотношением FT силы трения в точке касания и составляющей Fx. Если FT> Fx проскальзывание невозможно и двигатель с катящимся ротором работает в синхронном режиме. В противном случае ротор вращается с проскальзыванием и машина переходит в асинхронный режим.
Достоинства двигателя с катящимся ротором: