5-3. СЕРВОДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В системах автоматического управления широко применяются двухфазные асинхронные серводвигатели небольшой мощности.

Двухфазные асинхронные серводвигатели выполняются в виде двигателей с короткозамкнутым ротором типа «беличье колесо» или двигателей с полым ротором.

Конструкция индукционного двигателя с полым ротором представлена на рис. 5-7. Ротор 1 в виде алюминиевого стакана вращается в зазоре между неподвижным сердечником 2 и полюсами статора 3. Обмотка возбуждения присоединяется через фазосдвигающую схему или непосредственно к сети переменного тока. Управляющая обмотка подключается к усилителю сигналов переменного тока либо прямо к датчику. Датчик питается от того же источника, что и обмотка возбуждения. Если обмотка возбуждения подключена непосредственно к источнику питания, то сдвиг осуществляется в цепях

Рис. 5-7. Индукционный двигатель с полым ротором.

датчика или усилителя. Управляющая обмотка и обмотка возбуждения уложены в пазах статора и сдвинуты друг относительно друга на 90°. При поступлении сигнала в управляющую обмотку возникает вращающееся эллиптическое магнитное поле. Это поле наводит токи в теле цилиндра ротора индукционного двигателя. Взаимодействие наведенных токов с вращающимся «полем создает крутящий момент двигателя. Направление этого момента, а стало быть и направление вращения зависят от фазы управляющего сигнала: при изменении фазы на 180° двигатель реверсирует.

Таким образом, асинхронные серводвигатели являются фазочувствительными устройствами. При их применении отпадает необходимость в фазовых дискриминаторах.

Зависимость крутящего момента от эффективных значений напряжений на управляющей обмотке и обмотке возбуждения можно приближенно определить следующим образом. Если сопротивление короткозамюнутого ротора сравнительно велико, так что э. д. с., наводимые в статорных обмотках за счет поля ротора, малы, сдвиг фаз тока в статорных обмотках равен 90° и скорость вращения значительно меньше синхронной, то момент двигателя равен:

здесь пусковой момент, пропорциональный произведению потока управляющей обмотки на поток обмотки возбуждения. Эти потоки при преобладании реактивных частей сопротивлений в свою очередь пропорциональны напряжениям. Величина представляет собой тормозной момент, возникающий за счет взаимодействия каждого из двух потоков обмоток статора с токами ротора, наведенными тем же самым потоком. Наибольшее значение момента получается при т. е. при заторможенном роторе.

Такое положение имеет место только для двигателей с относительно высоким сопротивлением ротора. Если же сопротивление ротора мало, то наводимые в нем токи существенно влияют на токи статорных обмоток. А именно, приведенное к цепи статора активное сопротивление в этом случае значительно, особенно при малой скорости вращения (скольжении, близком к единице). Поэтому максимальный момент имеет место при некотором значении отличном от нуля.

Характеристика, выражающая зависимость момента от угловой скорости для асинхронных двигателей с малым, сопротивлением ротора, имеет положительный наклон в области малых скоростей Это соответствует отрицательной постоянной времени двигателя при малых скоростях. Последнее крайне неудобно в системах автоматического регулирования для обеспечения

устойчивости. Поэтому в качестве серводвигателя обычно применяются двигатели со значительным сопротивлением ротора. Как уже отмечалось, момент таких двухфазных двигателей в рабочем диапазоне скоростей приближенно выражается формулой (5-19), где

Уравнение серводвигателя при отсутствии момента нагрузки и пренебрежении моментом трения запишется в виде:

Поскольку обычно удобно ввести относительную величину напряжения на управляющей обмотке Тогда уравнение (5-20) можно преобразовать к виду:

где

Следует заметить, что не являются постоянными, ибо они обратно пропорциональны величине Однако серводвигатель часто работает в условиях, при которых напряжение на управляющей обмотке существенно меньше напряжения на обмотке возбуждения. Для этих условий и величины и можно считать постоянными.

Итак, при относительно малых управляющих сигналах асинхронный двухфазный серводвигатель описывается таким же уравнением инерционного звена, как и двигатель постоянного тока с независимым возбуждением. Электромеханическая постоянная времени так же, как для серводвигателя постоянного тока, может быть выражена в виде:

где скорость холостого хода при данном значении пусковой момент при том же

Точная передаточная функция нагруженного двухфазного двигателя может быть получена, если рассматривать его как шестиполюсник, одним из входов которого является цепь управляющей обмотки, другим входом — обмотка возбуждения, а выходными величинами служат угловая скорость и момент двигателя. Однако, приближенная передаточная функция нагруженного двигателя, не учитывающая воздействия токов ротора на статорные обмотки, может быть определена на основе указанных уравнений холостого хода. Действительно, если механическое сопротивление нагрузки равно то момент нагрузки

С другой стороны, согласно (5-19)

Таким образом,

и

или

где

Величина

является внутренним механическим сопротивлением серводвигателя. Она содержит активную составляющую постоянную при малых сигналах управления, и инерционную составляющую

Внутреннее механическое сопротивление двухфазных серводвигателей, так же как и серводвигателей постоянного тока, активно инерционное. Согласование с нагрузкой для рассматриваемых серводвигателей можно осуществлять так же, как

и для серводвигателей постоянного тока.

В целом динамические свойства асинхронных серводвигателей несколько хуже серводвигателей постоянного тока. Особенно это относится к двухполюсным серводвигателям с повышенной частотой питания, у которых величина велика. Однако отсутствие скользящих контактов, простота и надежность конструкции асинхронных серводвигателей определяли их все увеличивающееся применение в системах автоматического управления.