Author: Медведев В.Т.   Астахов Н.В.   Лопухина Е.М.   Осин И.Л.   Семенчуков Г.А.   Сомихина Г.С.   Титунин А.Я.   Юферов Ф.М.  

Tags: электротехника   электрические машины и аппараты   электронно-и аппаратостроение   микроэлектроника   программирование   электрические машины   учебное пособие   компьютерные технологии  

Year: 1984

Similar

Испытание электрических микромашин: Учебное пособие

Теория передачи сигналов в задачах

Электрические машины и микромашины

Промышленные испытания электрических машин

Text 
                    БВК 31.261
И88
УДК 62i.31<Г
6П,t.1 . 01t,1
Н. В. Астахов, Е. М. Лопухина, В. Т. Медведев, И. Л. Осин,
.Г. А. Семенчуков, Г. С. Сомихина, jA. Я. Титунин / , Ф. М. Юферов
Рецензенты: кафедра электрических машин Ленин­
градского политехнического • института им. М. И. Калинина
(зав. кафедрой - д-р техн. наук, проф. В. В. Романов); проф .
А. В. I(орицкий (Московский институт радиоэлектроники и ав­
томатики).
Исnытание элек11ричес1ких Iм1и:юром·ашин: УIчеб. посо­
И 88 бие для электротехн. спец. втузов/Астююв Н. В., Лапу­
..
хина Е. М., Медведев Б. Т. и д~р.; Под ред~ Н. В. А1стахо-
•-. .:. _ ва.
-
2:е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1984. -
272 с., ил.
и
В пер.: 90 к.
Рассматриваются общие вопросы методики испытания и моделирования,
лабораторные исследования электрнческнх микромашюr общего иазиа'lения
н автоматических устройств. Излаrаются злементы теории, необходимые для
более "глубокого анализа экспериментальных данных . l(ниrа содержит э л е­
менты программированного обучения .
Второе издание · (первое вышло в 1973 г.) значительно переработано и до­
полнено.
2302030000-537
001(01)-84
124-85
© Издательство «Высшая школа:., 1973
ББК 31,261
602.1 .081
© Издательство «Высшая школа», 1984, с изменениями


• ' ; /\'·;.~!?
Настоящая кинга яв.пяется вторым,· значительно переработанным, расцщрев~',,
ным ,и дополненным новы·м .11а~алом изданием учебного пособия «ИcnЬi'i;~~-- t'
электрических микромашип:., вышедшего в свет в 1973 г; По сравнению с П~Ыil ;1,,[
во втором изда•нии . отражены развитые за . п<>сле,циие гады и вновь paзpaбoТtt(l~~~·Ji
методы испытаний, позволяющие более полно исследовцть . статические и No"•~,:.}':
мнческие хараютер,иС'l'ИК,И м,икромашяи и их вн.бiроакустические сво~ва. A,,$:rop~·;;;;i
С'I\ремились стимуm!;J)овать развкт.ие навыков самосrо_я_ тельной работы и ИЩ'___ ее~
._
.... _. _
) ,.',_
·
к углубленJ1Ъ1м зкtщ~р.и-ментальным исследованиям с использованием АВМ и ЭВ'J\'.l,']'i:
Учитывая мяоrообраоое mпов мнкромашин н большое разлн11ие предъя~це-. ·;t.)
мых к ним т,ребований, а•вторы в вводной части каждого параграф~ nр~и~,т ,;д.}
краткое onнcait,иe устройства, принц,ипа деii,Ствия и основных свойств ис<:леду1м0Jt,; :..;
машины.
•
_·
.(.,~·'р
В прщрам-мах испытаюtй основное внима.вие уделяется лсследованию_ фи3,11:••j']
ческих цроцессов, протекающих в микромаши.нах, онятию . выходныJС харак~1<t:·,
тик, ,оценке энерге11нческих показателей и погрешностей. Большое значение n1)1{-.< ·\Ji
дается кри11Нческому анат~зу результЗ1'ов экопе,ри·ментальноrо исследов,а.lfня.<~f;
Приведены примеры обобщения результатов исследования _ методом плаиирс>~· .•·,i\~
н1ия эксперимента. Специальные разделы посвящены опытному определению .п;t:ра- /.J
метров микромашин, исследованию их _виброакустических и динамич_еских пока,- /:
зателей . По каждому типу машин приводятся воцросы для са.мопроверк:и.
.._
~·.i't~
l(ниrа предназначается для студентов элект,ротехNoических . специальiЮС~~i1•~
вузов . Она может быть полезна специалиста,м, разрабатывающим и э~cплya-nt~/i•J
рующим электрические м.икромаш.ины. В зависимост.и от факультета и ~цв, : i,: ~
альности 011ДеJ1ы1ые пункты программ ,испытаний вы1юлняются по указаюию itp~f1<:д
подавателя, причем о,бъем исследов,аiщй ,может быть ,рассчитан на irетырех- ~~), ]:)
двухчасовое занятие. В программах работ содержатся пункты, которые МОJ(Иё) ·:',;i~
использовать и для учебно ~исследовательскнх работ. _
.
,
i),·.~
Книга отражает многолетний опыт ра,боты преподавателей со, студент~l!СК:". ~
факультетов электромехаооческоrо, а·втоматкки и . выч,ислнтеJ!Ы!ой теmики, щ.i • '""
трификац,ии и автоматs11зац,ин промышJiенносt.и и тра,нСIЮlр1'а .в лабЩ>атории эле~t:,- .
трических м.икромашин МЭИ .
•
Работа между автора.ми распределялась следующим образом: проф. Н. В.
таховым написаны пре~исловие, введение, гл. 7; доц. Е. М. Лопухиной - tJ,t:. _ .,, .
и 4, § 5.1, 5.2, 8.1, 10.3, доц" В. Т. Медведевым - § 12.1; доц. J.1 . Л. Ос.ЩI~ -:;:-<
гл. 13-15, § 6.1, 10.2; _ доц. Г. С. Сомих:иной
-
§ 8.2 • и 9.2; ст. ·· n:pen;.•
/А. Я. Т,итуниным/- § 9.4; проф . Ф. М. Юфер()вым - § 5.3, 6.3, 9.3.
•'·
С о в м ее т но: Н. В. Астаховым и В. Т. Медведевым намсаны r.п. З-" и·
§ 12.2; Е . М . Лопухиной н Г. А. Семенчуковым - § 10.1, гл. 11; В. Т. Медве,цевщс;, · fi
и Г. С . Сомихиной - гл. 2; И. Л. Осиным и Г. С. Сомихиной-:- § 6.2; Г. А. ~ 'ft,~i;
менчуковым и Г. С. Сом.юсиной - § 9.1 .
_•- / :·J;i
Серде"ную п;р,изнательность авrrоры в.ыражают рецензентам: проф;· Моск:О!i• · ·;1,1
скоrо института радиоэлектроники и автоматики А. В. Карицкому 1:1 преподаitа <,\~)
телям Лени!l'f"радского политехнического института. - доц. Е. Д. НесгоооРQвоА~: .J )·
ст. преп. А. П. Бор,исов.у, ст. преп. А. А. Пухову и асс. Ю. Ф. Кокунову ..: ..: зa ' - -'i't}
ценные замечания и советы, сдела,нные ,им.и пр.и п,росмотре руковиои. • ·
,.-
;'f0 l
Авторы с благодарностью nрwмут все кри11ическilе _замечания по содерJСаии~ . :_
,_
?~_
книги, которые сл~ует наnра.вляn, по ад.ресу: 1014'10, Москва, ГСЛ-4 .Неиин- · >:.1{:-.
н,ая ул., д. 29/14, издательство ~вь~сшая школа».
•
'
. ./,;;'х,
A•~~i,
'.," iJ.'
л ~j~


ВВЕДЕНИЕ
В реализации Энергетической · и ПродовоJ11,ствеш10й программ
СССР электрическ:~е микромашины имеют оnредсJtенное значение.
Они широко применяются в народном хозяйстве-· промышленнос­
ти, , сельском хозяйстве, специальных областях тt::хники, быту. Все
увеличивающаяся потребность в микромашинах для многих уст•
ройств автоматики, телемеханики, связи, промышленной электрони•
ки, счетно-решающей и измерительной техники, предметов повсе­
дневного спроса привела к тому, что подотрасль микроэлектромя­
шиностроения растет динамично. и ее темпы роста опережают темпы
роста э.11ектромашиностроения в целом. Все виды микромашин ус­
Л()ВНО можно раз11,е.1ить на две группьх: микромашины автоматич~­
скнх устройств и микромашины общего назначения.
В автоматических линиях, в промышленных роботах, в пpиfin­
pax измерения и управления применяется большое число ~:еупоая­
ляемых и управляемых двигателей, информационных машнн (та­
хоrенераторов, вращающихся трансформаторов, селhсинов и др.).
Значение микромашин автоматических устройств особенно велико
при решении задач комплексной механизации и автоматизации
производственных процессов, так как они являются основой авто­
матизированных электроприводов высокой точности.
Наиболее массовыми являются микромашины общего назначе­
ния, к которым относятся п бытовые- преимущественно двигате­
ли: асинхронные, синхронные, универсальные коллекторные, ис­
пользуемые для привода холодильников, стиральных машин, пы­
лесосов, аппаратов звукозаписи, приборов микроклимата. Машины
общего назначения выпускаются более чем на ста заводах Мини­
стерства электротехнической промышленности. Созд'ана первая
в мире единая серия бытовых асинхронных микродвигателей, ох­
ватывающая более сорока типоисполнений, потребность в которых
нсчисляется десятками мил.тшонов штук в год.
•
В Основцых направлениях экономического и социального раз­
вития СССР на 1981-1985 годы и на nериод до 1990 года предус­
матривается не только увеличение объемов· выпуска микромашин,
но и да.1ьнейшее повышение их технического уровня. В создании
электрических микромашин с высокими энергетическими и други­
ми выходными показателями, надежных при минимальных затра­
тах материалов, большое значение имеют экспериментальные ис- .
следования и щ:пытания. Испытания микромашин характеризуются
рядом особенностей. В частности, при испытаниях микромашин из­
меряются малые величины, при этом измерительные устройства и
приборы могут потреблять мощности, сравнимьrе с измеряемыми.
Поэтому в этих ел:; чаях необходимо применять специальные прибо­
ры и учитывать собственное потребление.
В микромашинах нагревание обмоток более существенно влияет
на характеристиrш и выходные показатели, а поэтому испытания
следует проводить по возможности при одной и той же температуре
и контролировать ее.
4


Указанные причины обусловливают отличие ме.тодики '~СПЫ.1'!!4):j•:~;
,
.
.
-· ,·,
·
.
,_. ,;:,-2:
ния электрических микромашин от методики испытания машюJ Ч/;,';
средней и большой мощности.
.·
,1.';i
В последнее время пояnился ряд новых ГОСТов . по микром_,1 ~ ; ·,\j~
шинам: ГОСТ 23375-78 «Машины ' электрйческие малой мощно~ Жf
сти. Условные обозначеаия», регламентирующий термины, опреде- :.::?*
.r;ения - и буквенные обозначения параметров; ГОСТ 16264-:-76 ,у;~
«Электродвигатели малой мощности общего назначения. Общие Дt;
технические условия», в котором рассматриваются методы испыtа- .i,i~
ния микромашин. Кроме 1ого, методы испытания оговариваются !) ,,<\!
гостах по отдельным типам ~шкродвигател_ей: о;~нофазньtм ксщ..: '/:~fJ
денсаторным (ГОСТ 10799-77), для активаторов бытовых сти- / ,~
ральных машин (ГОСТ 1 4789-80Е), для бытовых вентиляторов .;;~;;;
(ГОСТ 17018--79EJ, для звукозаписывающей аппаратуры и элек- •j :i:
тр о проигрывающн.х устройств (ГОСТ 14191-81), для ручного элек - ,:с;;
трического инструмента ·. (ГОСТ 10085-80), универсальных JШллек- \;
торных (ГОСТ l0800-77F:) и др. При проведении испы.таний важ-1 j1
но убедиться в том , что по к азатели отдельных типов микромашин • •; ,i
соответствуют требованию11 ГОСТов.
.
.
f-';
Современные испытания вкJ1ючают в себя определение не только :<,
выхо;~_ных характеристик образцов микромашин, но и их парамет- -~
f
ров , а так.же моделировюше на АВ.М и расчетных столах. Модели- ]j
р ование позволяет выявить влияние параметров на .. статические и: ;; !{:
дина:'шческие свойства машин и сократить объем макетных испы- ;_\}J;
тании ~ри их _разработке. Эффектиююс;ть эксп;риментальных иссл~- ; ':
11
д.овании как . при их постановке, так и при ооработке результатов _ · ;'!К
тю~ышается с использованием методов планирования экспериментii' i: Jу]
и.:;В}\1\ .-
,.
.
0
r.i/:,
Особое место при испытаниях микромашин принадлежит oпpea ,i'.J;;j
делению их виброакустических свойств, являющихся важными эко- • ..:f!i
Jюrическими факторами, влияющими на производительность тру],J_а J:l,::
и здоровье людей.
.
.
,· ·,:~
На ряде заводов и в НИИ ведутся большие работы по автомаtи- ,.,-}\ ,
зации испытаний микромашин, которая позволяет расширить ': ·,:.~;
объем ii . углубить программы испытаний, повысить то:чность • '? ,.~
из1\1ерений , сократить нремя, . затрачиваемое на них и на раз- :i".J
работку изделий в целом. Б ближайшие годы будут продолжаться "'i);{
работы по созд_анию нзмернте .т1ьных комплексов и автоматизирован- _ · ).t
ных систем для испытаний микромашин в производственных и лабо- -, ., л .
~~:~~~~:л~с:~~~:':Jл:~~"ll~:~::"к~~~~:::ять требуемые выходные :~ ,


Раэдел первый
МЕТОДИКА ИСПЫТАНИИ МИКРОМАШИН
Гл~а 1
ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
§ 1.1. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ И МОЩНОСТИ
• При исследозании микромашин приходится одновременно изме- •
ря.ть токи, напряжения и мпщности. При этом неизбежны поrрешно­
с.ти за счет собственного потребления приборов. Эти погрешности
тем более заметны, что измеряемые величины при испытании микро­
машин, особенно переменного тока, близки к порогу чувствительно­
сти обычных приборов. Поэтому для точных испытаний приходится;
во-первых, применять спеuиальные приборы, во-вторых, исключать
nоrрешности внесением поправок на собственное потреблен»е мощ­
ности приборами и, в-трет1~их, выбирать такую схему включения яз­
мерительных приборов, которая позволит свести к минимуму влия­
ние собствецноrо потребления.
При измерениях в однофазных схемах возможны 18 ва­
риантов включения амперметра, вольтметра и ваттметра. Из них
предпочтительны две схемы (рис. 1.1), в которых погрешность · при
измерении мощности вносится за счет падения напряжения в сопро­
тивлении амперметра и токов цепи ваттr.tетра, напряжение измеря­
ется непосредственно на испытуемом двигателе, а измеряемый ток
равен току испытуемого двигателя (потребJ1ение мощности вольт­
метром мало). Собственное потребление вольтметра можно изме­
рить ваттметром rrpи отключении испытуемого двигателя.
...
При испытании двигателей напряжением 110 В, если падение
напряжения в амперметре и токовой цепи ваттметра состав.ляет
. око.~о 2 В, погрешность измерения мощности равна приблизитель­
но 1,5 %, что можно считать допустимым.
При напряжениях, бот,ших 110 В, и токах нагрузки, меньших
пределов измерения амперметров и ваттметров, погрешность будет
еще ниже. При напряжениях, меньших 110 В, погрешность в изме­
рении мощности увеличивается; в таких случаях ее следует учиты­
вать, вводя в результат измерения соответствующие поправки.
При исследованиях микродвигателей всегда СJlедует оценивать
погрешность при измерении мощности и в случае необходимости
вводить поправку на собственное потребление приборов, равную
для схем, приведенных на рис. 1.1,
P0 =12 (Rл+Rw),
(1.1)
где 1 - ток; RA, Rw -- сопротивление амперметра и токовой цепи
ваттметра.
6


.{:· _.. ,:.:>>·!yi ·..,, ~:. ~
\'){;i!_'::~:::·}J~
~~· :Се:·,,.
- При
измерею-1ях · в трехфазных схем ах Пр}!боры включ4.::/-J-:
ют~я аналогично, т. е. во.JJьтметр - включается на выводы испыту~- •J:t
мои щ1шпны, а. обмотка напряжения ваттметра~ на сеть. Для из- . ,, .,~
мерения мощности применяется ваттметр с ваттметровым пере• ./1⁄2
клю•1ателем, -~дя измерения тока -- два амперметра. Для то_чиых : ;i
исследовании иногда приходится включать · балластные сопрот-'В• ;:;;"
ления (индуктивные и активные) в те фазы, где отсутствуют амп~р- • /
метр и токоваяцепь ваттметра, во избежанuе несимметрии напрst- .<'?:
жения из-за бQ~ьшнх падений напряжения в сопротивлениях амп~р- '(};
метра и токовои цепи ваттметра, которые для токов О 5-2 А : \i
бывают значительными .
'
' '":t
При переключении при-
---
,:s
боров с одной фазы на ~·~~
~~ -~с.
другую -балластное сопро- _,,
~~ ..,
-~f
"'
тивление также должно ~
[~~
!~ ,;::Э
быть соответственно пе-
~~ n-------~ --a~<t:i
.,J
реключено .
Желательно все элек- Рис. 1.1. Схемы для одновременного нзме-
.)';f
•1
,:;-r,,_,
трические величины из-
рения тока, напряжения, мощности
·-
".:;;
мерять одновременно и
,1,
так выбирать . пределы измерения, чтобы стрелки приборов . ·:i
находились в пр.авой половине шкалы. При измерении тока до 1 А___ ~~
ре комендуется пользоваться выпрямительными приборами, у кото•; '-:J}
ры х по сравне~ию с другими потребление мощности значите,!JЬIЮ "; 1⁄4!
м еньше . Кроме того, эти _приборы мноrопредельные (наnример; с;;,:J<J
100-250-1000 мА) и, следовате.'Iьно, позволяют исследовать раз,. ._ -.
4;
личные режимы работы машины. Нижним пределом ддя электр01 i' 1!
магнитного и э.nектродннамическоrо амперметров мgжно считаТI>(1{)~
100 мА (по номинальному з н ачению шкалы), но на sтом пределе . 01'·/ { J
носительно велико потребление мощности. Для измерения токQВ ·\ ,;;,
свыше 1 А · можно пользоваться стандартными амперметрами, как: }]
электромагнитными, так и электродинамическими, с пределами •)j
2,5-5,0 и 5-10 А. Падение напряжения на них при номинальном то- · :,,;п
ке не должно превышать 0,5-0,7 В.
.
. ::?
Напряжения рекомендуется измерять такими вольтметрами , у _
":,·".'i
.: _: _i_4
к оторых можно пренебречь собственным потреблением мощности : ,
(сопротивление вольтметра должно быть не меньше 500- ·
1ООО Ом/В). Таким услониям удовлетворяют электронные и вы- .> iiJ
прямнтельные вольтметры. Выпрямительные приборы обладают ·•. с;
большей точностью, а электронные имеют меньшее собственное . -: '.}
потребление. В последнее время для исследований , где необходн•
м а большая точность, примен~ют<:я цифровые вольтметры.
При измерении мощности следует выбирать приборы, у кото- '
рь1х незначительны собственное потребление мощности и фазов'ая . · .
погрешность при значениях cos q, = 0,2+ t-,0. ЖелатеJ1ьно иметь ватт- >.
метр с большим числом пределов измерений по току и напряжению
для использования одного и того же прибора при измерении мощ­
ности испытуемой машины в различных режимах. Для номинал~,­
ных токов свыше 0,5 А может быть рекомендован электродинами-
7


ческ11й ваттметр. При токах, меньших 0,5 А, пользуются специаль•
ными ваттме_трами, например электродинамическими с низким
cos<p и электронными. Для измерения мощности машин переменно -
--
го тока в несколыю ватт можно воспользоваться электронным ос•
nил.~юграфом ЭО (рис. 1.2). При этом- мощность определяется с
помощью фигур Лиссажу по значению sin <р. На одну пару пластин
осЦJ,1ллографа подается напряжение U1, пропорциональное току
цепи, в которой 1:1змеряется мощность, для чего в цепь включается
небольшое активное сопротивление r. На другую пару пластин по-
~
ytш,l
L-----------' -:;с-
а)
и
Б)
Рис. J .2 . Схема для измерения
Nощности с помощью электронно·
•
го осциллографа
••
Рис. 1.3 . Gхема для измерения мощ­
ности (а) и векторная диаграмма (б)
дается напряжение Ии этой цеп:и или величина, пропорциональная
ему. Усиления по осям х II у подбираются так, чтобы отклонения
пО обеим осям были одинаковыми. На экране осциллографа появ­
ляется фигура Лиссажу, в общем случае (при синусоидальных на-
1'фяженнях) имеющая вид эллипса. Тогда
sin 'f=a/b.
( 1.2)
Величины а и Ь показаны на рис. 1.2 .
Практически величину Ь устанавливают по вертикали при от­
сутствии н.апряжения на пластинах х, затем, не меняя усиления
_n o оси у, подают напряжение на пл!!t!тнны х и измеряют отрезок а
по вертикальной оси.
Для измерения мощности можно также использовать переменную
емкость (рис. 1.3). Идея этого способа измерения мощности основана
на компенсации индуктивного тока исследуемой цепи емкостным
током . Минимальный ток амперметра, измеряющего сумму индук­
тивного и емкостного токов, будет чисто акти·вным: fмин=lа. При
выключении емкости амперметр покажет полный ток /:
COS'f=fм~~//.
(1.3)
При этом мощность цепи
Р=Ul.,,нн·
( 1.4)
8


§ Jд. с1н1ти:1(кiньых НАПРЯ~ЕНЮ1 . 14 токл:
ОЦЕНКА ХАРАКТЕР~ пол:я
В ряде случаев при исследовании микромашин интерес пр~д­
ставJiяет не только измерение напряжения и тока, но и снятие ф<>р·
мы кривых И и 1. Д.11я этоi1 цели 'можно использовать электронщ»й
осциллограф. Исследуемый сигнал подается на вертикальные _ мас­
тины осциллографа меж[.(.у выводами «Вход» и «Земля». Ручкамu i_
декадного усилителя «Ос.1Jабление» (начиная с ослабления 1 : 100)
и регулировкой чувствительности v:Усиление> · на экране устанавли­
ваЕ:тся изображение, удобное для рассмQт'рения. С учетом ЧJ~стоты•. ,·7
исследуемого сигнала переключателем <<Диапазоны частот» и руч~ • ~о'­
кой «Частота плавно» · подбирается такая частота развертки, при •
которой на экране устанавливается один или несколько периодов- ­
наблюдаемых колебаний. Выбирается род синхронизации разверт- .
ки: чаще внутренняя или от сети. Ручка «Амплитуда синхрониза­
ции» вращается до установления неподвижного изображения на
экране, при этом может потребоваться плавная подстройка частоты
развертки ручкой «Частота плавно».
•
•
Масштаб измеряемого напряжения определяется с помощью
контрольного сиrпала переменного тока, который подаете~ на в~р- "
тикальньrе пластины при том же усилении, что и исследуемое напр.я- :;
жение. Значение контрольного сигнала 'равно 2,4 В, a _ero ~астота': 1
составляет 50 Гц. .
.
.. •.
•••..... ·
••·:'
-
<• /}i
Форма кривых наnряжения и тока может бьiтi." полученiСтакже :';{
с помощью шлейфовоrо осциллографа. При испытаниях асинхрd}i: ,,
ных и синхронных конденсаторных двигателей интерес представляет ;1
оценка характера nш1я в машине с помощью электронного осцилло- , .
графа. Для этого следует подать на вертикальный .и.горизонтальный J
входы осциллографа токи фаз· или пропорциональные · иМ величины.• " j
например напряжения с соответствующих амперметров.
'•.
1·;
Так как иссJiедуются асинхронные и синхронные двухфаз1:ц,1r <7
двигатели, у которых оси обмоток статора сдвинуты в · пространств~ ,,_;,:
на э,1Jектрический угол 90°, то круговое поле в машине получится
при_ · усЛ'Овии равенства МДС обмоток lлwAkм =lвwвkов, т. е. при
lл=klв (токи в фазах должны быть обратно п~опорциональны эФ,• ,, ..
фективному числу витков), и сдвиге токов -во времени на элект(>и- ·" •
ческ,ий угол 90°. Таким образом, усиление по обеим осям должно
отличаться в .~
раз (k '-- коэффициент · трансформаций*); Ec.pi в
машине образуется круговое поле, то отклонения по осям х и у
будут одинаковшли и на экране осцил.тюrрафа появится окруж­
ность. Если - lл/lв=t==k или угол . сдвига · токов по фазе во времецii
отличается от 90°; то на экране появится эллипс. О степени эллнn­
тичности поля можно судить по' соотношению ero осей .
• Те'рмин «коэффициент трансформации» здесь и в дальнейшем применяется
условно~ для обозначения соотношения эфф~ти~ных вит~ов обмотки статора
k=Wвkов/(щ'л,kо,,,.).
9


§ 1.3 . ИЗМЕРЕНИЕ АК'f14ВНОГО СОП~01'-ИIIЛЕНЙЯ •
И ПРЕВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТОК
Сопротивления обмотпк согласно ГОСТ 11828-75 измерiют
одним из двух методов: а) с по:мощью моста постояююго тока;
б) с помощью вольтметра и амперметра при постоянном токе.
Сопротивления обмоток обычно измеряют непосредственно на
выводах обмоток, а у коллекторных машин для замкнутых обмоток
якоря -- на пластинах коллектора между точками, доступными для
присоединения измерите .!]ьного устройства и выбираемыми в соот­
ветствии с типом обмотки.
Значение постоянного тока при измерении сопротивлений обмо­
ток должно быть таким, чтобы адиабатное повышение температуры
исследуемой обмотки Л0 за время измерения не превышало 1° С . .
Для обмоток из медного провода адиабатное повышение темпера­
туры ( 0С/с)
д0=Р12OO,
(1.5)
rде j -- плотность тока в обмотке, А/мм 2•
Для алюминиевых обмоточных проводов вместо 200 в знамена­
теле ( 1:5) следует подставить 86. Если сечение обмоточного провода
неизвестно, то значение измерительного тока не должно превосхо­
дить 15-20% от номинального тока данной обмотки, а длитель­
ность ero протекания - 1 мин.
Если сопротивление вольтметра, JJKJiючaeмoro непосредственно
на измеряемую обмотку, отл•ичается от ее сопротивления rизм ме­
нее чемн 100 раз, то
(1.6)
где И, /"'-измеренные напряжение и ток, В и А; rv - сопротивле-_
ние вольтметра, Ом.
Для определения сопротивления обмоток применяются также
JJЗМерители активных сопротивлений с цифровой индикацией -
цифровые омметры.
-
Превышение температуры обмотки машины над температурой
окружающей среды опреде.r~яют методом сопротивления. При этом
возрастание сопротивления обмотки при постоянном токе в нагре­
том состоянии находится относительно практически холодного
состояния. Метод сопротивления позволяет определить среднее
значение температуры.
Перед включением машины на напряжение измеряют сопротив­
ление , обмотки практически в холодном состоянии rx и температу­
ру окружающей среды '(}о.х- Рекомендуется провести два или три
измерения и опреде.r~ить среднеарифметическое значение сопротив­
.нения. Затем машину включают на номинальное напряжение и вы­
держивают в номинальном режиме до достижения установившего­
ся теплового режима, о чем свидетельствует постоянство сопротив­
ления обмотки. Для конденсаторных двигателей превышение
температуры следует измерять в режиме холостого хода, как наи-
10


~t~iВ~i;~~~~еьми~::;:ii61~o~~нi~:~::~e~i~мl::н~вi~i::_~j~;
соtтоянии Гг и температуру окружающей среды -6о.г- Превышен-и~ " '
1е~пературы обмо:rки (0С)
-
_,;;
6= Гг-Гх (k+&~.x)t(&o.x-1}0.г),
(1.7) :,,,
Гх
.
где k - коэффициент, равный
235 для обмотки из медных про­
водов и 245 - из алюминиевых.
Если температура окружаю­
щей среды при измерении сопро­
тивлений обмотки rx и Гг одина­
кова, то формула (1.7) упроща­
ется, так как последний член
iro. x--tto.г=O. Сопротивление об­
мотки желательно измерять, не
отключая машину от сети . Е сли
сопротивление об м отки постоян­
i g82 --~--- ---+ ----
l, g8J r------;----т-:-"'k---т---------1
Lg8ц.t---t---+--+---------1
Lg05
-~- __,__ .... ..__ .... ____
t1t2.t3t4-t
Рис. 1.4 . К.ривая остывания
машины
ному току измеряют у обесточен-
'::
ных машин, то либо его осуществляют быстро (за время, не пре• • ,.-
вышающее 3 с), ли,бо строят кривую остывания машины во време-
ни: lg0=f(t). Действительное значение превышения · температурь~
обмотки определяют путем экстраполяции этой кривой (рис. 1.4) . .
При снятии кривой остывания одновременно с отключением маши.:., _,, .
ны от питающей сети включают секундомер и быстро измеряют _·i&.
сопротивления через каждые 10-15 с, Обычно производят не ме- if<
неепятиизмерений. Следует особо отметить- одно обстоя~ -
тельство: так как в электрических _ микром,ашинах влияние актц,в_~ : ;; _
ных сопротивлений обмоток на выходные характеристики очен~ --f:
велико, то важно знать, при какой температуре обмоток измерены _ •'i
отдельные показатели. Для этого необходимо контролировать зна- ·:: _:,;
чения сопротивления обмотки в момент измерения данного пока'"
зателя.
Вопросы для самопроверки
1. Назовите особенности методики испытания ми!Q)омащия.
2. По какиt.J: соображениям выбирается схема включения приборов дпя одно• .
временного измерения напряжения, тока, мощности?
_
_
_
__
_
_
:__
3. Какие mпы пр,ибор,ов рекомендуются для и3мерен,ия напряжения, тока,
мощности?
,•• --,
4. К.ак при и~меренни электрических вепичин учитываются погрешности.
вносимые приборами?
_
,,_,
5. К.акие способы применяются для измер!!ННЯ мощности в СО$ ер а 11икро 0
м ашинах?
6. К.акими методами измеряется активное сопротивпенне , обмоток зпепрв-
ческих микромашин?
•:-: {
7. К.ак определить превышение температуры обмоток эпектрических ми~ро· :, •
м ашин над темпе,ратурой окружающей среДЬI? _
_
_
_
'•
8. Какое влияние оказывает нагревание элщсrрических микромашви при сня-
тии характеристик?
•
•
:' .:-t


Глава 2
ИЗМЕРЕНИЕ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН .
§ 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ
ВРАЩАЮЩИХ МОМЕНТОВ
/!
Рабочие характеристики электричес к их микромашин снимаются
методом непосредственного нагружения машин с одновре м енным
измерением момента и частоты вращения. Точность определения
RПД 11 и по"1езной мощности Рн зависит от точности цзмерения вра­
щающего момента М 1-1 частоты вращения п, так как Рн=f(М, п) =
..-:.Мп. Косвенные методы определенця рабочих характеристик не­
цеJ1есообразны, так как погрешности измерений косвенными метода~
ми соизмеримы с величинами, характеризующими испытуемый
объект [18] .
..
При проектировании, производстве и испытании электрических
r,rашин возникает необходимость в определении • пусковых, макси­
ма.11ьных и минимальных моментов у асинхронных и синхронных
машин; моментов входа в синхронизм у синхронных машин .
Моментомеры до л жны удовлетворять требованиям, предъявляе ~
мым к ним: иметь малые погрешности в широком диапазоне изме­
рений при частоте вращения от О до 40 ООО об/мин; обладать малой
инерциоююстью в любых условиях эк<:,плуатации; обеспечивать ста­
бильность нагрузочного момента при изменении температуры о кру­
жающей среды; в кривой момента устройства недопустимо наличие
гармонических составляющих.
,: Разнообразие конструктивных исполнений мцкромашин, и х ха­
рацеристик и диапазона измерения вращающего момента являетея
причиной отсутствия серийных устройств (моментомеров) для изме­
рения моментов. На различных предприя:гиях разрабатываются и
изготовляются моментомеры применительно к определенному типу
машин.
Основой прямых методов измерения вращающих моментов (рис.
2.1) является анализ уравнения движения
М=Миаr~+Мяи~=Миагр+ldЩdt,
(2.1)
где М-
· вращающий
момент на валу двигателя; Мнагр - внешний
момент сопротивления приводимого во вращение механизма; Мдин -
· динамический момент, пропорциональный энергии вращающихся
масс.
Анализ уравнения (2.1) показывает, что измерение мо мента
можно осуществить одним нз прямых методов:
а) статическим методом, когда Мдин=О, а Мна гр =сопst;
б) динамическим методом при разгоне двигателя, когда мож­
но допустить, что Л-fнaгp=COI!St (в частности, Мнагр:=::::0) во всем ра-
бочем диапазоне;
'
в) суммарным методт,1, измеряя суммарный момент (по реак­
дии статора испытуемой машины).
j2


~
;
1D
1о
;~
,.J/1/.
·
~
,::
/1)
1':s:
:а
=
'С..,
·!
а
s
1.~
,::
о
з::
tl>
=
~
•О
=
колоiJочные
ленточные
порошко8ые
с постоянными
мцен1Jm11мц
с оомотноii
ВозоужВенця
постоянного тока
синхронные
гистерезисные
с палым рстором
цнilуктц8нме
е.нi<астныг
струнные
постоянного moкt:t
переменного moJaJ
частотные
с dOm<IUKOM угла -
8ых ускорений
с эленmрОl"fОЩUННЫМ
измериmе(lем
крутильные
с гuо1щм
прц8о8ам
реаукrпарт,,е
по углу
пotJag_oma
~,.,
~~с:
()
С')
с:
<:::
~;:;:
~
тахометри~ 11-1----'
ческие
~с:,
:t
"":i:
'3
"'~
"'
""!:::
акселеромет 1----- '
рические
С')
'3
Q
'3
<:::
~с-, .
"'<::
<::,
~<1)
'3
с,
~
~:i:
Q
~с:
,:
<1)
~с:
с:,
С)
ч::
~
~Q
<:о
~t::,
~.... .
'3
<:,
с 8иор~1Jзмерителвм моментq
.-- -- -- 1 .<:,,
саlfтоматическцl',1 компенсаци•
f]NНЫМ. IJЗMB/Jll_ЩBЛeM момента .
:::,
~~.,.
rii
~<1)
~~
!:!:
"'<;::,
С)
~:i:
:i:
::,,
~.
~(1)
:3
Q
<::,,
~С!)
:3
<:о
с:,
~
с,
~(1)
~:::,
~
§
~Q
~Q
"5
. !':,
с::
><
~~(1)
:i:
:3
с,
С>;,


~-:--=т <.:: '_.-':'!,':_\-_•=,,·f!,,~_,
'
.--- ·, ···::
:.
' ·.:.·.i,•' ·· ' ' ,.':,','•?\-~·:;_?-: -
-
~
{ > :'~i).'~' ,} ;1:: ;~;:~',:: -~~;),;::: ·',~\'~ :<'
.
на рис. 2.1 схемати•шо предстuвлена классификацiнi' ·· метода~
,измерения и конструктивных рn:111оn1щ1юстей моментомеров.
,,
В зависимости от решаемых .111111111 нrJlt'('OOllp11:1110 1юл1,зоватьс
.различными
мо,1ентомерами:
••••
а) 111111 11ро11едс111111 Jiабораторны
М
(контроm,111,1 х) ЮМl·рсний - моме:пом
-
рами с высокой точностью (погрешнос:rъ
0,2-0,5%);
'
б) при массовом контроле - много­
.
4, предельными моментомерами, обладаю­
щими высоким быстродействием и точно­
стью 1,0-2,5%;
в) при типовых испытаниях - момен­
п томерами, которые обладают высокой на­
дежностью при работе в условиях высо­
кого вакуума, агрессивной среды, повы­
шенных вибровлаготермоперегрузках.
Рис-. 2.2 . Механические
характеристики различ­
ных тормозных
Большое значение для моментомеров
имеет вид механической характеристики
M=f(n). На рис. 2.2 представлены меха­
нические характеристики различных тор•
мозных устр_ойств. Область применения
устройств:
1 - фрвкццонные;
2- 411·
намические; 3 - rидроJ!;вна­
кические в азродвиаквче-
скве; 4.- синхронные
моментомера определяется диапазоном измеряемых моментов и об­
пастью устойчивой работы тормоза. В свою очередь, диапазон из­
меряемых моментов определяется типом прцменяе.мого измер~теля.
§ 2.2 . ТОРМОЗА-МОМЕНТОМЕРЬI ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ВРАЩАЮЩИХ МОМЕНТОВ
Здесь рассматривают.ся тормоза-моментомеры, получившие ши­
рокое распрос1·ране11ие при испытаниях электрических машин.
Фрикционный тормоз. Наиболее прост в конструктивном отноше­
нии фрикционный тормоз. Тормозной момент в таком тормозе созда­
.ется
за счет сил трения при взаимном перемещении трущйхся эле­
ментов. Идеальная характеристика М=f(п) · представлена· на рис.
2.3, а. Реальные тормоза имеют характеристики, зависящие от час­
тоты вращения (рис. 2.3, б), температуры, состояния рабочих по­
верхностей, удельного давления и т. п. Экспериментально доказано,
что наибольшее влияние на коэффициент трения оказывает темпера­
тура трущихся тел. Под воздействием Т =var изменяются механиче­
ские свойства материала по глубине, что ведет к неустойчивой рабо­
те тормоза.
Фрикционные тормоз ,<~ следует применять при исследовании ма­
шин полезной мощностью не более 10 Вт и частотой вращения
п~3000 обiмин .
На рис. 2.4 приведены разновидности фрикционных тормозов.
Момент, определяемый с помощью тормоза с пружинным динамо-
14


\::
1·- ~ -> ·,.:''}
,;!••:.- '
•~
,.,,}-
~-~;.-;- -
:,:~ ,''!j' ·''-
: :~~~1
е-rром (рис. 2.4, а'), M==(F-Q)i; где F~" пока3айИst динамометра, -
; Q -- сила тяжести груза, Н; , _,. радиус шкива, м.
-
·•.·
.•·•
Аналогично определяется момент е помощью тормозов ТоМ:псона
и Прони (рис. 2.4, б, в): М =,Ql,
гд l - плечо приложения силы
тя ести Q.
ри испытании машин на срок
слу бы применяются тормоза, в
которых в барабан насыпается
дробь (рис. 2.4, г) . Изменением
радиуса бара,бана и количества
дроби регулируют пределы изме­
рений тормозного момента . Осо­
бой разновидностью фрикционных
тормозов являются порошковые
электромагнитные тормоза, прин­
цип действия которых основан на
механомолекулярном взаимодей­
ствии в магнитном поле различ­
ных ферромагнитных порошков,
помещенных в пространство меж­
ду подвижной и неподвижной ча­
стями. Такие тормоза целесооб­
разно применять при исследова­
нии ТИХОХОДНЫХ машин.
Фрикционные нагрузочные уст­
ройства имеют ряд таких недо­
статков, как возникновение ре­
лаксационных колебаний (скачки
при трении), неоднозначность на­
грузочных характеристик; малый
срок службы вследствие износа,
затрудненный отвод теплоты и
др., из-за которых в настоящее
время они вытесняются электро­
динамическими, электромагнит-
м
п
а)
Рис. 2.3 . Механиче­
ские характеристики
фрикционного тормо-
за
F
3
Рис. 2.4 . Схемы фрикцион­
ных тормозов:
1- тормоз; 2- опора; 3-
кронштейн ,
1.
15


'
//
ными и другими типами , тормоз/ых устройств. Одн~ко для иссл -
дования машин полезной мощностью до 10 Вт достаточно широ
используются фрикционные · тормоза маятникового типа (рис. 2.
Нагрузка испытуемого двигателя осуществляется натяжени
шнура, охватывающего шкивы тормоза и двигателя. Маят
.2J
Рис . 2.5 . Маятниковый (ленточный) тормоз:
1- шкала:" 2- стрелка; З
-
шкив тормоза; 4 - натяжной ш11ур; 5 -
испытуемый двиrатель;. 6 - шкив двигателя ; 7 - маятник; 8 - гайка
2
Рис. 2.6 .• Фрикционный
моментом ер с электромагнитным
•
регулированием :
1 - колодки; 2 - шкив; з - обмотка воз6у~дения электромаг11и'та,
4 - магнитопровод; !S
-
крепежные пластин ы; 6 - поворотная пере­
кладина; 7- стрелка; 8- диск; 9 - испытуемый двигатель; 10 -
ось
•
жестко связан со стрелкой и уравновешивает силу трения между
шиивом и шнурам. Вращающий момент определяется . по углу от­
клонения стрелки на шкале. Установка пределов производится сме­
ной шкивов и изменеrщем щrачения и положения груза. Натяжение
шнура осуiIJ,ё<;твдяет<;~ гайкой [ 1J.
,
При испытании щ;~говых двигателей прI,Iменяются фрикционные
моментомеры (рис. ,2 .'6). Нагрузка на валу испытуемого двигателя
1Б


уществляется ца:жатием колодо~ на шк.11в при изменен_ии · то!{а ·?·<
бмотке возбуждения эл~ктро:магнита. Механизм измерите.п,ьноrq- "< _;
ройства состоит из магнитопровода, прикрепле:~щого пластинка- .•
к поворотной пЕ:рекладине, ос.и, тарировочного_ диска, стрелки .
Электр~динамический торм_оз (рис. 2.7). Испытуемый двиrатель.
лансировочная машина, в качестве которой часто используется •
ратор постоянного тока, жестко соединены между собой .. На­
очный генератор имеет независимое возбуждение с широким
Рис. 2.7 . Электр?динамический тормоз :
/ -- стре.пка; 2 - станина;
"3 - ба.панснров.очная маinнна;
испытуемый двнrат е.пь ; б - крючья; 6 -с: рычаг _
'
пределом регулирования. Станину уравновешивают с nьмощью гру,
зов, которые подвешивают на рычагах, имеющих крючки,· так 1 что- :
бы рычаги находились в горизонтальном положении, стрелка - на
нуле.
Вращающий момент определяется как Мт= Ql, где Q-сила тя: -
жести груза; l - пJiечо его закрепления. Момент на валу испытуе­
мого двигателя М =Мт+ЛМ, где Мт -тормозящий момент, уравно­
вешивающий станину; ЛЛ-'l --- момент, эквиваJiентный потерям тор-
·•
моза, который определяется по тарировочньiм кривым и включает
моменты трения испытуемого двигателя и нагрузочного генератора.
Электромагниrный тор~1оз. Широкое применение электромагнит­
ных . тормозов обусловлено простотой в изготовлении и удобством
в эксплуатации. На рис. 2.8 приведено несколько разновидностей
конструктивных схем эJiсктромагнитных тормозов, с помощью ко­
торых измеряют вращающие моменты машин различных типов.
На рис. 2.8, а представлен электромагнитный тормоз с цилиндр.и- / •
ческим ротором индукционного типа. Неподвижный статор и ротор
выпоJшены из ма .110углеро;шстой стали. В средней части торМQЗЗ
расположена обметка возбуждения , питаемая постоянным . -током.
Вращающийся ротор имеет прямоуголыu,rе зубцы. Все зубцы ротора,
расположенные слева от обмотки возбуждения, имеют одц,у ,:'поляр-,
rlll!~ -"':'----. . .
--~----•-1
11
ре'\!еФ1у1·с-tн :U.•4i . ,
123_t. l.
П-о.~ aвci.ol fltL _ •
,""


ноет~, (N), а расположенные снравn -- другую (S). Вращенйе рот'
-
ра приводит к периодическnму изменению магнитного потока, п
ходящего через различные участки статора, в результате на паве х­
ности статора, обращенной к зубцам ротора, появляются вихре ые
токи. Так как в индукторных тормозах магнитный поток не изм
а)
6)
6}
J
а)
8)
t)
Рис. 2.8 . Схемы электромагнитных тормозов:
а - ииду,кторный; 6 - с дисковым ферромагнитным ротором; в - с иемаrвитиым
дисковым ротором; г - с цилиидрпческим немагнитным ротором; д; е
-
с воз­
буждением от постоянных магнитов;
1 - статор; 2 - ротор; 3 - обмотка возбуждения
е1'ся по направлению, то необходимо, чтобы разность потоков, про­
ходящих через зубцы и пазы между ними, была достаточно боль-
шой.
•
На рис. 2.8, б представлена конструкция электромагнитного
тормоза с дисковым ферромагнитным ротором и неподвижным ста­
тором. Магнитный поток, созданный обмоткой возбужден'Ия, замы­
кается через ротор, полюсные наконечники и сердечник статора.
При вращении ротора в неподвижном магнитном поле в нем возни­
кают вихревые токи.
Основные недостатки электромагнитных тормозов (рис.
2.8, а, б) - больщой момент инерции ротора, наличие сил магнит-
18


' •'"~,
.:~: •,~";- ·."•' :>л.,;1,'.• , ,~
,
j,•i·\с.,У': ,:';"-:'.' ~-:,
~-: .~: :•:.:·-;r,~\~ ~\i·: ·_ i ~S ·://i;
о тя~ен~я меж~у статор•ОМ и ротором. nоследli~Й неДdсiатбi
аняется1 если применять электромагнитные тормоза с •
ыми роторами (рис. 2.8, в, г).
ноrда применяются магнитоэлектрические тормоза
'е).
.конструкция
электромагнитного тормоза разрабртана. ,.
электричесl<их машин МЭИ (рис. · 2.9). Этот тормоз ••
Рис. 2.9 . Электромагнитные тормоза кон­
стрrкции МЭИ:
I - шка.па; 2 - диск: З - система з.пектро­
магнитов; 4 - груз; 5 - стре.пка
позволяет снимать неустойчи­
вую часть кривой момента и
имеет сравнительно широкие
пределы измерений.
Тормоз имеет алюминиевый.
(медный) диск, который со­
единяется с валом испытуемо­
го двигателя, а система элек-
2
Рис. 2.10. Электромагнитный тор-
моз ТЭМ-ВС:
1 - ротор; 2 ~ mка.па; 3 - С1'J)еЩ(а: 4 -
упорная вту.пка; 5 - nо.пыА ва')r; --·6 -
сменные грузы; 7 - кожух;
_В - про•
к.падки; 9 - по.пюса; 10 - ко.nьцевоl
магнитопровод; 11 - обмотка возбуж-
дения
тромагнитов укреплена на кольце, ко11орое может поворачиваться
в направлении вращения диска. Момент ИСПJ-,Iтуемой машины опре­
J(еляется с помощью стопорной шпильки, установленной между дис­
ком и магнитной системой.
В настоящее время разработано несколько серий электромаг­
нитных тормозов . Так, серия ТЭМ включает в себя типы ТЭМ-400,
ТЭМ-300, Т;ЭМ-200, ТЭМ-100; число в наименовании указывает на
диаметр диска в ми.~лиметрах.
Для испытаний высокоскоростных микродвигателей предназна- •
чены тормоза серии ТЭМ-ВС (ТЭМ-ВС-25, ТЭМ-ВС- 50,
ТЭМ-ВС-100, ТЭМ-ВС-200); цифра в обозначении серии . указыва­
ет на номинальное значение частоты вращения (от 25 ООО до
200 ООО об/мин). В тормозах этой серии устранены такие недостат­
ки, как влияние вентиляционных моментgв от трения ротора при­
бора о воздух при вращении за счет улучщения обтекаемости рото- .
19


ра, влияние нагревания ротора при большой мощности торможен
наличие высоких механических напряжений при высокой , част
вращения (рис. 2.1 О). Тормоз охлаждается водой через полый
Измерение момента по ускорению в процессе разбега осущ
БJ1яется путем электрического дифференцирования скорост
функции . с помощью электромашинного измерителя ускорен
ЭМИ (10] (рис. 2.11).
К регист;,-
рующеNу К сети
прибору
Б)
а)
~
• fф~_JOB
~ L/-~
'0
.
З~1И
·.~
,.,
R - х регистриру- • ..
\1
i--==::;:. ющему приоар!J 1 r
1( регистрирую­
щему приоару
в)
Рис. 2.11 . Электромашинный измеритель ускорений:
а - элементы установки; 6 - принципиальная схема; в - . схема тахогене­
ратора; 1 - самописец; 2 - фотоэлектронный усилитель; 3 - измеритель
ускорений; 4 - двигатель; 5 - тахогенератор
•
В качестве ЭМИ используется машина с полым ротором (ТГ -
тахогенератор), в которой оси обмоток статора сдвинуты в прост­
ранстве на электрический угол 90°. Статор выполнен из двух частей
(внешнего и внутреннего) . Полый тонкостенный ротор выполнен из
немагнитного материала (бронзы или меди). Обмотка ЭМИ (обмот•
ка возбуждения ОВ) питается от источника постоянного тока. Из­
мерительная обмотка ИО соединяется с регистрирующим прибором,
.в
качестве которого исполhзуется инерционный шлейф с повышен­
ной чувствительностью и.тш самопишущий прибор с фотоэлектрон­
ным усилителем.
Токи, наведенные в роторе при вращении в магнитном поле, соз­
данном обмоткой возбуждения, пропорциональны частоте вращения.
20


~ито~и·~~;~щотпоuе~ечl-{ыйпотокФq,которыйнав~;итв11змери­
льнои обмотке ЭДС, пропорциональную ускорению dn/d.t:
,
е2 = kdФq/dt = k 1dn/dt.
П~и этом момент
:
где GD 2 и k1 - постоянные, определенные расчетным или опытным
путем.
..
На рис. 2.12 представлена завжимасть M:.f(t) однофазного
асинхронного двигателя с пусковым сопротивлением, записанная на
самописце. Для увеличения вре •
-
мени разбега tраэб испытуемого
двигателя используется добавоч-
2
ная маховая масса G,D доб .
Чтобы по.]Jучить , зависимость
М =f(n), одновременно необходи­
мо записывать частоту вращения М
n=f (t) с помощью тахогенерато- 11u,н--t:-H+11⁄4Н1+-I--Ц1f-l.-...Ц....\...J,...L
ра. Масштаб М =f(t) может быть ..
определен по начальному пуско- {~~\~~t\·\1~~t\\~~~\~~~~~~
вому моменту, найденному с по-
мощью какоrо-лнбо тормозного
устройства.
.
Указанный метод записи кри­
вой М =f(n) пригоден для двига­
телей мощностью от 50 до 500 Вт.
Компенсационные измерители
вращающего момента с автомати-
Рис. 2.12 . Кри~ая ' M=f(t) однофаз•
ного асинхронного двигателя с пус•
ковым сопротивлением
ческим уравновешиванием. Для пояснения принципа действия мо­
ментомеров подобного типа рассмотрим конструкцию моментоме­
ра MM-lA, который широ-ко применяекя при исследовании момент­
ных характеристик коррекционных двигателей гироприборов, дш~
измерения момента трения подшипников, пускового и аэродинами­
ческого момен11ов, а также для регистрации моментной характери­
стики гиромоторов обращенного исполнения (с внешним ротором)
без кожуха.
.
Функциональная схема моментомера приведена на рис. 2.13. Вне­
шний момент М1 действует на подвижную систему ПС, которая по­
ворачивается на некоторый угол а. В результате поворота датчика
угла ДУ, ротор которого жестко сцеплен с осью ПС, возникает сиг­
нал ли, пропорциональный уг.,,у и. Сигнал ли поступает на вход
фазочувствительного усилителя ФЧJi, где выпрямляется детектором-
демодулятором, усиливается и в виде тока / поступает на силовой
элемент СЭ. Под действием момента М2 от СЭ подвижная система
поворачивается до тех пор, пока не скомпенсируется •М 1 , так как
катушка СЭ жестко с ней связана. В.. установившемся режиме
М1 =М2±Мз, где м~ - момент трения ПС. Без учета М3 и в пре-
21/


Д
а
т
ч
и
к
Л
у
л
ь
т
r
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
·
l
1
1
!
,
-
·
;
.
;
;
:
:
:
:
;
;
;
;
.
.
.
.
.
.
.
а
~
1
:
~
·
1
1
-
-
-
◄
~
1
~
1
~
н
-
-
-
-
-
-
-
-
+
-
-
+
-
'
~
1
ч
-
-
.
:
.
.
+
-
-
-
-
+
-
-
-
+
-
-
-
-
-
.
~
1
~
1
1
1
,
-
-
-
-
-
-
+
-
-
.
.
:
r
~
\
\
э
м
в
I
L
Б
/
7
р
•
.
_
_
_
_
_
_
_
_
_
.
,
[
_
_
_
_
_
_
_
J
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
1
_
_
_
_
_
_
!
.
с
е
т
и
:
2
2
о
в
,
_
5
О
(
ц
1
Р
и
с
.
2
.
1
3
.
Ф
у
н
к
ц
и
о
н
а
л
ь
н
а
я
с
х
е
м
а
м
о
м
е
н
т
о
м
е
р
а
M
M
-
I
A
Р
и
с
.
2
.
1
4
.
К
о
н
с
т
р
у
к
ц
и
я
м
о
м
е
н
т
о
м
е
р
а
M
M
-
l
A
:
1
-
ц
а
н
г
о
в
ы
й
з
а
ж
и
м
;
2
-
п
о
д
в
и
ж
н
а
я
с
и
с
т
е
м
а
;
8
.
-
д
а
т
ч
и
к
у
г
л
а
;
4
-
с
т
о
п
о
р
н
ы
й
.
.
в
н
н
т
;
•
5
-
'
в
т
у
л
к
а
;
6
-
с
1
1
л
о
в
о
й
э
л
е
м
е
н
т
;
7
-
к
о
р
п
у
с
;
8
-
р
а
;
~
Ъ
\
'
М
;
f
l
.
,
,
-
-
м
с
м
б
р
1
1
н
а
;
!
(
)
-
r
1
0
.
ц
ш
щ
1
н
1
1
к


•~1~~;;.;;::~т:~\::t:::;;.f;;;~€~::i'~o~:~:.=-1
~1
чении М1. Ilриизмерении М1 используют шунты Rm. Для п_о
__л
. ·у_.--· .·
_
_
_
J:k_
·.
ия сигнала, пропорционального моменту, и его регистрации ·••• >
служат согласующие резисторы l<.c и согласующий усилитель СУ. "<i
Уменьшение трения в подшипниках подвеса ПС обеспечивается •
электромагниtным вибратором ЭМВ. Генератор опорного напр-я- · _•·
жения ГОН служит для питания ДУ и ФЧУ.:.
."
''
•При измерении можно получить: а) в начале пуска- пусковой .?:
момент; б) в процессе разгона - сумму моментов динамического · )1
и аэродинамического: М=Мдиu+Ма, где динамический момент ·. '
Mдин =fdQ/dt, а аэродинамический момент Ма трения наружной по- .
верх~ости ротора о воздух измеряется в установ~ившемся режиме. "' ~
Момент треиия подшипников измеряется в процессе выбега.
•
Конструктивно моментомер состоит из двух отдельных блоков:
датчика и пуnьта управления, в который входят переключатель ·Р,
блок питания БП, прибор для регистрации момента М. Испытуе­
мый двигатель крепится с nомошью цангового зажима (рис~ 2.14).
Моментомер .MM- IA позволяет измерять моменты от 1-10-5 до_
1- 10-з Н • м. При этом погрешность измереиий, зависящая ot пре­
дела . измерений и некоторых других факторов, характерных для·
моментомеров данного типа, соответствует требованиям, предъяв.•
ляемым к измерите.::~ьным устройствам при исследовании характе­
ристик машин малой мощности.
В табл. 2~ l приведены технические данные некоторых момента- ..
меров, которые могут быть применены при исследовании микро~
машин.
Таблица 2.1>..
Диапазон
Диаilазон
Разкеры
частоты
Тип моментомера
Обозначение
моментов,
вращения•,
ротора
XI0-3 Н•м
Х103 об/мни
DXL, км
Электромашин- ЭМД-50
7-50
1,5-15,0
-
ный
ЭМД-200
30-200
1,5-15,(J
-
ТЭМ-1-50
7-50
1,()-...10,0
-
ТЭМ-2-150
50-150
1,0-10,0
-
ТЭМ-2-500
150-500
1,()-...10,0
-
Электромагнит-
11ыА с ротором:
а) из иемаr- ТЭМ-ВС-25
До 21000
До 25
60Х66
нитной стали ТЭМ-ВС-50
>
7000
>50
45Х45
ТЭМ-ВС-100
»
1800
> 100
35Х35
ТЭМ-ВС-150
:.
870
> 150
25Х25
ТЭМ-ВС-25(}
:.
220
> 250
20Х20
--
б) из дюралю- МПД-3
30-200
1,0-12,0
120
миния, двско- МЭМШ-3
180-1800
-
95
вый
МЭМШ-3М
1300-13000
3
145
23


Ороао~iн~е- таб~.2
Диапазон
Диапазон
Размерq,
частоты
Тип моментомера
Обозначение
моментов,
вращения*,
ротора
XI0-3 Н•м
Х10 3 об/мин
DXL, м
!
в) из дюралю- ТЕС-3-25
8-25
0,5-15,0
32х25
миния и меди, ТЕС-3-50
15-50
1,0-15,0
32Х25
цилиндриче-
ТЕС-3-100
30-100
2,0-15,0
32Х25
ский, полый ТЕС-4-50
15.......50
0,3-15,0
42Х25
ТЕС-4-100
30-100
0,5-15,0
42Х25
ТЕС-4-200
70-200
1,0-15,0
42Х25
ТЕС-4-400
125-400
2,0-15,0
42Х25.
г) из дюралю- ТЕС-5-500
150-500
1,5-10,0
72Х50
миния, полый ТЕС-5-1000
300-1000
3,0-10,0
72Х50
ТЕС-6-2500
800-2500
1,5-10,0 102Х50
ТЕС-6-5000
1500-5000
3,0-10,0
102Х50
д) из меди
-
.,
-~·
и МЭТ-lД
3-20
35,0
30
алюминие-
вый, дисковый МЭТ-2Д
7-500
18,0
40
МЭТ-3Д
15-1000
12,0
50
МЭТ-4Д
30-2000
8,0
63
МЭТ-5Д
70-5000
5,0
80
МЭТ-6д
150-10000 .
4,0
100
МЭТ-7Д
300-20000
2,5
130
МЭТ-8Д
700-25 ООО
2,0
160
МЭТ-9Д
1500-50000
1,5
200
'
МЭТ-lОД
3000-100 ООО
1,2
250
е) ИЗ меди и МЭТ-!Ц
8-1 ООО
12,0
40Х32
алюминия, ПО· МЭТ-2Ц
15-2000
8,0
50Х32
лый
МЭТ-ЗЦ
70-5000
5,0
63Х45
МЭТ-4Ц
150-10000
3,5
80Х60
МЭТ-5Ц
300-20 ООО
.2,4
100Х80 .
МЭТ-6Ц
700-40000
1,5
130Х 110
МЭТ-7Ц
1500-100 ООО
1,0
170Х 150
• Предельная частота вращения дана для медных роторов.
§ 2.3 . ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
На рис. 2.15 пrиведена классификация методов измерения час­
тоты вращения микромашин. Из многообразия тахометров рассмот­
рим наиболее распространенные, выпуск которых освоен промыш­
J1енностью.
24
"


Строботахометр СТ-МЭИ. На рис. 2.16 приведены общий вид
прибора и структурная схема, включающая в себя задающий гене­
ратор, источник пиrания, делитель частоты, усилитель мощности.
Строботахометр --удобный переносной прибор, которым можно
О:,
::,
"'
""
""
:::,
О:,
""
О:,
:,-
"'
О:,
:,;
::,
О:,
:;;
t :,-
:,:
:t
::,
'!:
Е:;
,:
"'
"'
t:,
~
::,
:,:
"'
:t
"'
О)
::,
С\)
с::,
Ct:,
~
<::,
t:
. t:,
:;:
::,
"'-
:,:
"'
с;,_
О:,
С\)
О:,
:::r
с:.,
-Е:,-
,:
Измерение
частоты Вращения
О:,
О:,
::,
:::,
"'
"'
""
""
:;;
:;;
с.,
:t
с:.,
"'
:,:
:t
"'
:,-
:,:
"'
:,-
с::,
::,
::,
::,
::,
t:
<:::
:::r
:::r
""'
t,
""
t:,
~
<:::!
;:
:::,
,§-
""'
с:,_
::,
О:,
1).
:::,
:,:
«:,
"'
'
О:,
"'
::,
::,
""
"'
с.,
"'
"'
.,
:;;
.,
:,-
:,:
:,-
::,
:,:
::,
С:
~
с::,
с::,
::,
"'с,
:::r
"'
~"'
"'
~'"
с::,
"'-
:,:
с::,
~
::,
~
"'
"'€,-
Рис. 2.15. Классификационная схема тахометров
Иl1f77DЧHUK
пцтаныя
Зaflt:1ющuii Делu(Тlель
генера!Тlор
чacmOIТlЬI
!lсилитель 1---........,
мо_щности
"':;;
:,:
"'
t:
::,
:,-
с,
с::,
с::,
с:,_
"'
<:::
;:
О:,
Рис. 2.16. Общий вид и структурная схема строботахометра
СТ-МЭИ:
1 - импульсная лампа; 2 - рефлектор; 3 - ко~пус трансформатора; 4 -
измеритель; 5 - переключатель
достаточно точно измерять частоту вращения, не нагружая испы­
туемый двигатель. С помощью строботахометра можно также
измерять скольжение асинхронных машин, угол 0 в синхронных
машинах (при синхронизации с сетью), скорость механизмов, име­
ющих возвратно-поступательное движение, и частоту вибращш..
Задающий геЕератор осуществляет плавное регулирование часто­
ты импульсов. Он может работать как в генераторном, так и в
усилительном режимах. При этом генераторный режим - основной
при измерениях, усилителr-,ный - основной при синхронизации све-
25


>~ ::•:.~,:.;'i\~'/:?t\i;- ,,.;\ !i
. '•"
.
/1
товых импульсов с иccJ1c:<;ty1·мoii 1 1nстотой, задаваемой _cit внешнегф
генератора.
_
.
Импульсная лампа с rефлектором крепится Ira специальной
стойке, внутри которой смонтирова,ны импульсный трансформатор
и устройство регvлировання искрового промежутка . С помощью
кабеля трансформатор подключается к измерителю. При измере­
нии частоты вращения исс.1IЕ.'дуемоrо двигателя частоту вспышек
2
Рис. 2.17 . Схема строботахо,
метра с фотодатчиком:
импульсной лампы изменяют до тех
пор, пока вал не станет казаться оста­
новившимся; Шкала импульсов в при­
боре отградуирована в оборотах в
минуту и - имеет следующие диапаз·оны:
300-1200, 1200-6000, 6000-30 ООО.
Переход с одного диапазона на другой
осуществляется переключателем. Точ­
ность измерения равна ± 1%. Для из­
мерения частоты
вращения ниже
30 об/мин исп-ользуют стробоскоплче­
ские диски с различным числом сек­
торов- 5,7,9,11,13ит.д.Прика­
жущейся остановке диска частота вра­
щения вала равна отношению показа­
ния строботахометра к числу секто­
ров. При измерении частоты -вращения
выше 30 ООО об/мин получают два сле­
дующих друг за другом отсчета п, и п2
по rμкале строботахометра, соответст­
вующие неподвижному изображению
предмета. Истинная частота п = п,п2 /
/(n1-n2).
Дщ1 некоторых измерений удобны
строботахометры, у которых частота
световых импульсов задается фото­
датчиком в соответствии с измеряемой частотой вращения. На
рис. 2.,17 представлена схема такого прибора. На валу испытуемого
двигателя закрепляется диск с прорезью. Перед диском· укрепля­
ются прозрачная шкала с затемненным центром и фотоприемник
J _;_ испытуемый
двигатель; 2 -
диск; 3 - прозрачная шкала; 4 -
фотоприемник; 5 - лампа накали­
вания; 6 - импульсная лампа; 7 -
кu:рцевыА . генератор; 8 - усили­
тель импульсов ; 9 - отпnрающнА
ключ; 10 - триггер; / / - пересчет-
•
иая схема; 12 -усилитель
- (фоторезистор или фотодиод), за диском установлены лампы нака­
ливания и импульсная. Импульс напряжения, возникающий при
прохождении прорези диска перед фотоприемником, усиливается
усилителем и переводит управляющий триггер в состояние, отпи­
рающее ключ. Частота кварцевого генератора усиливается и по­
ступает на пересчетную схему. Командный импульс, _усиливаясь
усилителем импульсов, зажигает строботрон и через триггер воз­
вращает схему в исходное состояние.
-
•
•
Вспышка импульсной лампы фиксирует смещение диска за вре­
мя прохождения начальной точки шкалы от вспышки до вспышки.
Наблюдатель видит светлую полосу на шкал~ (оптическая стрелка)
ii no ее положению отсчитывает показание прибора.
26


..
.-
-
_
.
- .:•. \'·_<:·· ,,\/· ..~{:. :-_·_
:\?·; ·:?('::/>~ \~'::: .:.:::::: ·u~~ ~~:It:
.
•Строборама. На . рис. 2.J8 приведено :м~ханическое устройство:, -в ..::.~~
КО'Iором установлен синхронный реактивный двигатель с диском.. ~ • . ;}-,
валу. В диске имеется прорезь, расположенная на уровне окуляр.а. •
_
J;
Через прорезь ведется наблюдение за положением неп-одвижной ro:q-.; - .
1Щ
li:.И, нанесенной на торце вала или диска вращающегося объекта~ :·- "Jf
При равенстве частот вращения двигателя строборамы и испыrуе- ,. -, ,. ,
~о·
2j
5
270°~ -
180
5
-о
==:ti~=============~;!:======1:::
-+------------~
Рис. 2.18. Принципиальная схема строборамы:
1 - стрелка ; 2 - шкала; 3, 4 - диски; 5 - синхронный дввrатмъ;
6 - испытуемый двигатель
мого двигателя на,блюдается
одна неподвижная точка. В
случае неравенства частот вра­
щения двигателей, например,
частота объекта вдвое меньше
частоты вращения диска стро­
борамы, глаз наблюдает две
неподвижные точки. Установив
на неподвиж·ной части испытуе­
мой машины шкалу, а на вра­
щающейся части - изображе- Рис. 2.19. Общий вид фототахомет-
ние полюсов со стрелкой, мож-
ра ФТ-1
но снимать угловую характе-
ристику синхронной машинl:>1 при изменении нагрузки исnl:>lтуемого
двигателя.
Фототахометр ФТ-1. Это автоматическое устройство, в которqм
отклонение стрелки в соответствии с измеряемой частотой вращения .- i '{
позволяет ускорить процесс измерения. На . рис. 2.19 представлен . _,· ;
общий вид тахометра ФТ-1, который имеет Вl>IНосной фотодатчик. \};
Модуляторы светового потока могут иметь различные конструк­
ции (рис. 2.20, а-в). Измt'рительный блок содержит источник пита­
ния, измерительный прибор и преобразователь частоты напряжения,
необходимые для записи частоты вращения на осциллограмме.
_
•
Фототахометр ФТ-1 обеспечивает измерение частоты вращеJIИЯ
с точностью 2,5% в диапазоне 500-18000 об/мин, например при од­
ной паре черно-белых секторов. Увеличивая число пар секторов на
диске, можно измерять_ и более низкие частоты вращения.
Основные преимущества фотота.хометров - простота конструк­
щш и возможность бесконтактного измерения час.таты вращения
27
i


/
микромашин. Измерение средней частоты вращения в любом д иапа-
- зоне
с высокой точностью (до 0,001--0,00001 % ) можно ВЫПОЛНИ-ТЬ,
используя фотодатчик и цифровой частотомер .
Датчик частоты (рис. 2.21, а). Применение датчика ча стоты,
включенного на электронный частотомер , лозво.1яет создать устрой-
в)
Рис. 2.20. Принципиальная схема модуляторов светово го потока
~И
~в)
Рис. 2.21 . Принципиальная схема и
магнитные системы датчика частоты :
1 - первичная обмотка; 2 - ротор; З
-
испытуемый двигатель; 4 - магнитопровод;
5 - вторичная обмотка; б
-
измеритель
частоты
Рис. 2.22 . Часовой тахо·
метр
ство для измерения различных частот вращения . Пр и этом чем мень­
ше мощность выходного сигнала датчика, тем меньше тор м озной
момент, создаваемый датчи~ом.
Датчик состоит из ротора, закрепленного на валу испытуемого
двигателя. Форма ротора должна быть явнополюсной (рис.
2.Zl , 6, в, г). На магнитопроводе размещены обмотки (первичная
и вторичная). Обмотка включена на измеритель частоты (ИЧ-5).
28


.f3ыходной си,гнал снимается с датч,ика в виде ЭДС, имеющ~в
частоту, крат!fую ·частоте вращения испытуемого двигателя.: Пр•«.
малых частотах вращения следует повысить частоту сигнала, для
чего ротор изготовляют многоnолюсным (рис. 2·.2 1, г). Если маг~
нитная система ротора двухполюсная, то частота ЭДС f=n/30r
где п - частота вращения испытуемого двиг.ателя.
• Часовоii тахометр. При исследовании •машИIН малой мощности в
установившихся режимах широко используют часовые тахо­
метры (рис. 2.22), которые не создают заметной дополнительной
нагрузки на валу испытуемого двигателя и вместе с тем обеспечи­
ваlот высокую точность измерения частоты вращения (доли пра­
цента).
Тахоrенераторы. Чаеrоту в:ращения .иапытуемых двигателей в ра­
бочих и переходных режимах можно измерять с помощью тахо­
метрических генераторов, в качестве которых могут ,использовать­
ся асинхронные тахогенераторы •С полым ротором и тахоген~рато­
ры постоянного тока (см.§ 9.1 и 9.2).
Тахогенераторы жестко соединяются с испытуемыми двигате­
лями и включаются на регистрирующие приборы (самописцы для
записи n=f (t), вольтметры, осциллографы и т. п.). Точность
мерения частоты вр~щения определяется точностью регистрирую-.
щего прибора и тахогенератора. Технические даннЬ1:е некоторых
rахометров приведены в табл. 2.2 .
Тип прибора
Обозначение
него иазна•ение
-~-,--
Центробежный для ТЦ-45
дистанционных изме-
рений
Центробежный ста- ТС-100
1шонарный
ТС-120
ТС-200
Индукционный ма- ТЭ-IТЭ-2
логабаритный с син- ТЭ-3ТЭ-4
хронным датчиком:
Вибрационный ста- ,ТВ-1
ционарный
Элект- постоянного 11(-16
,..,......,.... _.
рический тока
для ста-
ционар-
1
1(-17
ных уста- переменно-
новок
го тока
К-18
'
g~
.;,
"1D
Диапазон изме-
....
"'о
рений частоты
"i
о"
(,) ..
"'о
вращения, об/мин "(J
(,) "
"'о
"'.,
:,: :,:
:r=
400-3 ООО
2
1
200-3000
1
1
50-10000
1
1
50-10000
1
1
25QL-2 600
1
300-4 ООО
1,5
1
1
900-1200 [ 2/ 1 1
10 000-15 ООО
150-1 ООО
1
10
150-1 ооо __ 1
10
150-1 ООО
1
9
Габариты
прибора, мм
fo 80Х82
~\
'·~
189Х100Х60
290Х125Х90
364Х200Х94
-
fo 170
291 Х215Х 150
215Х 144Х 132
110Х110Х175
29


Диапазон изме·•
Тип прибора
и его назначение
Обозиа_чение реииА частоты
Часовой ручной
94-П
ск
Электрический с ТГ-029
трансформатором на­
сыщения
СТ-5
СТ-4
Стробоскопический
переносной бескон- СТ
тактный
ПСТ- lМ
ТСТ-1
аращения, об/мни
50-1 ООО
0-10 ООО
1
30-30000
1
0-1 ООО
0-3000
0-25 ООО
1,5
8
250-32 ООО 0,5 1 7 1194Х214ХЗОi ;~
1 300-30 ооо 11 1 5 / 2ввхзв2х200 J
300-30 ООО / 1
3 I284Х382Х200 ;]
600-15 ООО J 1,5
5 / 2оох 150Х250 ::j
j 450-30ооо \ 0;03 / 44 j_
~
----------i'--------i!--------i----''---....:..------~
Фотоэлектрический КТЛ,10
.,
110-11 ООО 0,03 40
1.000 -22 soo, otos 40
-
.
1
гетеродинный лабо- КПШ • 2
раторный _
i
_____ ___
.....;.____
. .. .. , :__ __ __.:...; ,.._
__, ! .__...J- _' ---____
Электронный счет- УСП-1 О
иый с фотодатчнком СРП-100 1
50-100000 0,001 40
-
j
, - 100-100 ООО 0,01 40
-
J
Вопросы для самопровер,ш
1. Какие существуют методы определения вращающих моментов?
2._
Перечисл_нте основные элементы конструкций электромагнитных и магни­
тоэлектрических тормозов.
3. Какие существуют методы определения частоты вращения?
30


'/::!-.'/i/~\,;:-· ·
~
:::\.1 ',·, !
' f'яава· з
ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЗВУКА; ВИБРАЦИЯ
И РАДИОПОМЕХ
§ 3.1 . ИЗМ ·ЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЗВУКА
С физической точки зрения, звук - это механические
ния определенны~ .частот, распространяющиеся в газообразноii.
жидкой или· твердой среде. Основные характеристики таких коле­
баний - частота, амплитуда и фаза. Фазовая характеристика ury.;; ·
.,
L,дб
130
120
11О
100
90
80
-
70
60
50
4-0
за
20
10
о
''
~ ...
,~
1'
"
'о •о
-
с,,
.....
,~
~.
50 100
~
''
!.:'
,-~
~
"
~
....
-
200
1000 zooo 10000
6000
Рис. 3.1 . Схема кривых равной громкости
,
I
,.., .
-
~
.. ,.
~
-
-
-
с
-
....
-
гоdао f,Гц
ма обычно не принимается во внимание, так ках шумовой сигна~
состоит из частотных составляющих со случайной фазой.
•
Совокупность частотных составляющих шума называется
с,пектром. Знание спектрального состава шума, т. е. зависимости
э.мплитуды синусоидальной составляющей от частоты колебания;
позволяет правильно выбрать <:редства борьбы с шумом (17].
Увел.ичение любой частоты вдво~ приводит к ощущению повы­
шения . тона на октаву. Например, изменение частоты от 100 до
~0 0 Гц или от 200 до 400 Гц воспринимается на слух как измене 0
ние звука на 1 окт. Диапазон доступных слуху звуков равен
10 акт. Частотный диапазон звуков, воспринимаемых нормальным
человеческим ухом, колеблется от 16 до 16 ООО Гц. Наибольшей
':увствительностью человеческое ухо обладает в области частот от
800 ДО 7000 Гц.
На рис. 3.1 приведены кривые равной громкости, представляю­
щие собой зависимости уровня звукового- давления L от частоты f.
Интенсивность звука, характеризующая порог слухового восприя-
31


:-f .,t•
•J' ,.';
~<т:-,.: i:. ?~
' -:·ия во всем диапазонt частот, соответствует нижней
кривой;'цн-· i
тенеивность звука, вызывающая болевые ощущенrщ - верхней j
кривой.
!
Для анализа акустических характеристик разлиqных объектов j
пользуются логарифмической вел,ичиной -с ·единицей децибел (дБ),
·
•·.'.J
использование которой обусловлено тем, что интенсивность самого !
слабого звука, слышимого челоl:!еческим ухом, равна 10~ 12 Вт/м 2, J
з интенсивность звука, соответствующая пределу болевого ощуще- ·1
'
··
ния,.,...... 10 13 Вт/м 2 . За эталонную величину принимается интенсив- .
ность звука, равная . 10-12 Вт/м 2: Однократное увел,ичение интен-
сивности звука в 10 раз соответствует 1 Б.
J
Причиной распространения звуковых волн является звуковое :~
-
~
давление (Па)
1·]
(3.1) J
rде р - давление
ление.
в невозмущенной среде; Лр - избыточное дав- 1
J
Распространение звуковых волн в любой среде сопровождается
колебаниями частиц около положения · рав:новесия с колебатель­
ной скоростью и. Колебательная скорость и, во много раз меньше
скорости распространения звука с. Колебательная скорость - ха­
рактер.истика определенного исто'!Jника. Отношение звукового дав­
ления к колебатещ,ной скорости соответствует акустическому соп­
ротивлению среды (Па. с/м 3 )
(3.2)
Звуковая волна - носитель энергии в направлении своего дви­
жения. ·Количество энергй.и, переносимой звуковой волной за 1 с
через площадку в 1 м2 , перпендикулярную направлению движе­
ния, называется интенсивностью звука (Вт/м 2 )
f =Р30U=Р;в/(рс).
(3.3)
Уровень звукового давления определяетея из соотношения
L = 10 lg Р;в/Р6=20 lg рзв/Ро,
(3.4)
где L ~ уровень звукового давления, дБ; Р0 = 12· 10-5 Вт/м 2 ~ пос­
тоянная величина, соответетвующая порогу слышимости; Рзв -
звуковое давление, Па .
Интенсивность звука (Вт/м 2 ), соответствующая порогу слыши-
мости,
I 0 =Р6/(рс).
В воздухе в нормальных условиях р= 1,2 кг/м;, с=340 м/с.
Выражение (3.4) можно представить в виде
rде I0
~
10-
12
Вт/м2.
32
L=10lgl//o,
1
~


Интенсивность сложного звука можно представить как
интенсивностей оrдельиых составляющих:
п
1=11+12+ ... +111= Ili,
t-1
где/1, /2
, •..,
Iп - интенсивности отдеJJьных гармонических состав­
.11яющих звука иди отдельных источников.
На основании (3.7) можно записать
п
Р~в= IPзal•
(3.8)
l-1
где Рзв i - i - я составляющая звукового давления.
Согласно (3.3), выра]Кение (3.8) можно привести к виду
р2 -Р2 100,lLi
за- о·
•
(ЗЯ)
После ряда несложных преобразований выражение (3.9) мож- •
но записать так:
п
L=10lgI 10°•
1
L1,
t-l
где L1 - уровень звука t-го источника.
Следовательно, если имеется п одинаковых источников,
марный уровень звука
(3.10)
сум­
(3.11)
Например, есл,и в помещении установ.11ены четыре электродви­
гателя, шум каждого из которых •составляет 60 дБ, то суммарный
уровень шум а (дБ)
L=L1+101g n=60+ 10lg4=66.
(3.12)
Уровень -звука измеряется для исследования причин, вызываю­
щих звук. Результаты акустических измерений в значительной сте­
пени зависят от методики .измерения и апnаратуры, применяемой
при этом. Совершенство методиК:И измерений звука характеризу­
ется измерительной аппаратурой, выбором точек измерений, спо­
собом установки машины и режимом ее работы.
За нормируемое значение уровня шума принимается среднее
значение уровня звука Ld1A на расстоянии d=l м от контура ма-­
шины при наличии звукоотражающего пола либо корректирован­
ное значение уровня звуковой мощности Lрл и соответствующие
ему октавные уровни звуковой мощности Lp.
Согласно ГОСТ 23941-79, существует .несколько методов по­
лучения шумовых характеристик: точные, технические и ориенти­
ровочные. Для каждого из указанных методов определены требо­
вания к условиям проведения измерений : в свободном и.11,и отра,
женном звуковом поле. Возможны измерения с помощью образ­
цового источника.
2-761
33


..·
Каждый нз nереЧ:исленных методов имее-r nреhмущества ]{1lе­
досtатки. Измерение в свободном поле можно сq,итать найбол~е
т()чным. Однако -создание условий свободного звукового поля не
Ьееrда возможно, особенно е-сли размеры и-сследуемой машины от­
. -< йо.сительно велики. ДJ1я .получения условий, близких к идеальному
~ободному полю, необходимо создавать специальные заглушен-
• иые безэховые камеры. Условия, адекватные -свободному звуково­
9
7
{j
а)
Pkc:. 3.2 . Схема примерноrо расположения то­
чек при измерении уровня звукового дав.пения
АА• двиrа,те.лей нормалъноrо исnолиения (а)
и мащин большой длины (б)
му полю, могут быть по­
лучены закреплением ис­
точника (электрической
машины) на звукопогло­
щающем полу и при от­
сутствии
отражающих
преград;
Уровень звукового дав­
ления измеряется в раз­
личных точках 1, 2, 3, ...
(рис. 3.2)· вокруг машины,
которые лежат на поверх­
ности воображаемой по­
лусферы (рис. 3.2, а) или
цилиндра и полусферы
(рис- 3.2, 6).
При измерении уровня
звука орнентировочщ,1м
или техническим методом
микрофон можно распо­
лагать на - расстоянии,
равном удвоенному лицейноfdу _ размеру машины.
·
•
В результате измерен.ий в свободном звуковом поле по вообра­
,жаемой полусфере вокруг машины можно определить звуковую
мощность и интенсивность звука в каждой точке с последующим
усреднением. Если усредняемые значения интеJiсивности звука,
измеренные в п точках, отличаются друг от друга менее чем на
5 дБ, то за среднюю интещ:ивность принимается среднее арифме­
тическое значение. Е-сли они различаются более чем на 5 дБ, то ус-
реднение проводится по формуле
•
Lл1=l0lg (i 10°·
1LA1)-101gn,
(3.13)
•где LAi - интенсивность звука в i-й точке измерения на расстоя­
нии 1 мот корпуса; п - число точек измерения .
.На
рис. 3.3 предетавлена структурная схема устройства для из­
мерения и анализа интенсивности звука, в котором шумомер пред­
ставляет собой аппарат для измерения уровня звукового давления
в газовой среде, выраженного в децибелах. На рис. 3.4 представ­
лена принципиальная схема шумомера. В табл. 3.1 приведены ос­
новные характеристики наиболее распространенных wумомеров.
34


' •" '.i \ 4i'-'!
Не~осредств~нными ' изм'еренипми ·мо}J(но пd.лучить СJJедующие:\.:'
акустические х.арактеристики ЭМ: уровень звука, общий уро8е1'Ь >--
звуко.вого давления, спектр уровней звукового давления.
•
••
Уровни з~у1ювого · давле-
•
ния могут быть определены
Микроtрон
как непосредственНЬIМ изм:е-
[:J=J=,--lPe eцcmpamo_·
рением с помощью октавных
5ЬJс mроt7вй -
ст8ующий
регис[Г!ратор
Осцил ,
поераф
фильтра~ и _сщ~ктрометров,
так и пересчетом спектров,
измеренных в -полуоктавных
или треtьеоктавных диапа­
зонах. Следует отметить, ~то
октава соответствует • час­
тотному интервалу, в кото­
ром отношение граничных
частот (верхцей f1 и нижней
{2) равно двум, т. е. '2/.f1 =2 .
Для третьеоктавной полосы
Рис. 3.3 . Структурная схем~ устрой­
ст.ва для изме,реняя уровня ЗВIУХа
~1-
f2ff1= v 2=1,26.
При изучении частотных t
характеристик шума, nыяв-
лении •его источников, вы-''
работке рекомендаций по и-х
ослаблеНJIЮ используются
г---1
узкополосные а1:1ализаторы,
101
1<ак отечественные, напри-
L ____J
мер АС-3, _
· С5-3,
так _и за-ру-
<iежные, например типа
2105, 2107 фирмы · «Брюль и
К.ъер:.; типа 1401 фирмы
«Доу»; типа 2331 фирмы
«Маркони» и др.
Рис. 3.4 . Прннципиапьная схема шумомера;
Микрофон
1,
3
-
аттенюатор; 2 ,
6
-усилитель: 4
....
•осrон•
схема блока подстройки; 5 - подстройка
.nwioco-:· • •.• ,
вых фильтров; 7 ~ разъем;
8
-
стрелочиwА $• ,; . -·
бор; 9 - наушники; 10 -устройство вacтpollli; . ., ..:
11-
микрофон
Гром ког оlJори-
_
...........__
mеflь No!
Шумамер .----. -. _.
Осциллограф
----
t----.----ilo,f Спектро-
•меmр
Эталонный
генератор
1
Регистратор уро8нн
L -f" Анализатор непре=l
-
L ры8ного сп е кmрГJJ
Рис. 3.5 . Структурная схема устройс;ва для регистрации
и воспроизведения шума
35


• 'tнп шумо­
мера
Ш-63
ЩЗ-М
СИ-1
ААШ-1
ИШВ-1
2203
2107, 2112,
2603, 2604
PS-101
PS-201
НООЕ
ВМ 292А
Диапазон
Тип · и система
микроФона
Диапазон
измерения
частот, Гц уровня шума,
дБ
МД-38Ш, элект- 40-1 • 10• 35:._ 140
родинамический
МД-59, элект- 40-1 •10' 25-130
родинамический
MIOI, конденса- 2-45· 10 3 .
50-130
торный
МД-59, элекr- 50-1 • IO • 25-180
родинамический
MIOl, конденса- 3-20· 10-З
торный
4131, конденса - 20-18 · 103
торный
4131-4136, кон , 20-20-103
денсаторный
ММ-50, конден - 20-20 · 103
саторный
ММ-50, конден- 20-20· 103
саторный
Кристалличе-
32-8· 10 3
скнй
Конденсаторный 32-8 • 103
30-130
22-134
От 20
ДО 180
30~135
30-135
24-140
44-130
Таблиnа 3.1
Примечание
В ком·плекr входят
блоки фильтров, ин ди­
каторов предела уров­
ней, катодный выпря­
митель, низкочастот­
ные приставки
Комбинированный
прибор для измерения
уровней и спектраль­
,ноrо состава шума
Снабжен октавным
фильтром 1613
Снабжен окrавным
фильтром OF-101
Шумомеры и и~мерительные тракты должны удовлетворять
требованиям ,стандартов С~В. Полосовые фильтрЫ, должны удов­
.'fетворять требованиям ГОСТ 23941-79..
,
Для регистрации и воспроизведения акустических характери­
стик используются самописцы, магнитофоны, запоминающие уст­
ройства и т. д: На рис. 3.5 представлена структурная схема уст­
ройства дл~ регистрации и воспроизведения шума.
§ 3.2. ИЗМЕРЕНИЕ ВИБРАЦИЯ
Электрическая машина - сложная колебательная система. Си­
лы, вызывающие эти колебация,' по -своей природе подразделяются
на силы механического, магнитного и аэродинамического проис­
хождения. На рис. 3.6 приведена клас-сификациоliная схема основ­
ных причин и источников вибрации электрических микромашин.
Основными величинами при оценке вибрации электрических
машин могут быть приняты (ГОСТ 2081~80): вибрационное сме­
щение S - мгновенное значение отклонения колеблющегося эле­
мента относительно положения равновесия, мкм; вибрационная
скорость V=dSjdt - мгновенное значение скорости колеблющего-
36


ся элемента, м/с; вибрационное ускорение d2S/dt2 =dv/dt - м:гно~ ~
венное ускорение колеблющегося элемента, м/с2 •
В случа е· гармонич е ского колебания достаточ н о измер.ить час"
тоту колебания и любую из основных величин. Так, для г·армони­
ч е с кой 1щбрации с частотой ro и амп л итудой вибрационного смеще- ••
ния S амплитуды вибрацио н ной скорости и ускорения равны
несимметрией
U (питания)
зу5цо8ыми
гармониками
Откло нение ге ­
ом е трически х
ризмеро 8 8шl(J
Прогио 8ало
v_: _S s; a=dV/dt=ro2S.
несинусоиаи­
ль но~тью U
неста5иль - эксцентриси -
носли,ю -
те том
нuпрF1 женuF1 U за зора 3-
одмоточ ными
е армони чес -
KUM /1
Магнитные пол;,, ооусло8л е нные : г,=;;:.._1....__
Магнитные 1----,J
источники
Вибрац ии
Причинь~ и исrпоч
, ники 6и_5рации
Разноразмерность
тел каче н ия
АзроВина------'
мическ11е
исrп о чники--~
По грешности кол­
лекторного узл а
Погрешности .
коллектора, щет о к
Откло нение
размеро(}
с епаратора
BлuF111Ue patJu
ального зазор
Рис . 3.6 . Классификационная схема причин и источник о в вибрации электриче­
ских машин
Вибрации микромашин чаще всего представляются негармони­
•1ескими. Для анализа их требуется запись спектра вибрации с
последующим. выделением частот и _ амплитуд составляющих. Так,
о зазорах между вибрирующими деталями, их податливости и ос4
т а точной неуравновешенности можно -судить по смещениям, возни•
кающим при вибрации. Амплитуда смещений - критерий оценки
вибрации только в том случае, если известна частота вибрации .
Вибрационная скорость v (м/с) - физический фактор, от кото•
рого зависит шум электрической машины, так как
L=20 lg(P8JPo)=20 lg(v/v0),
(3.14J
где v0 =5• 10- 8 мiс - опорное (условноё' нулевое) значение скоро­
сти воздуха.
37
\


Вибрационное ускорение характеризует сильr, воздействующие
.на
материалы конструкции и зызывающие усталость материала:
aдi;_:__20lga/a 0\
(3.15)
rде ао=3-104 м/с2 -условное нулевое значение • вибрационного
ускорения.
Таблицы перевода вибрацяонной скорости и вибрационного ус­
корения из абсолютных величин в децибелы приведены в прило­
жеJI'ии 2 К ГОСТ 20815-80.
-
Точность измерения вирраций микромашин зависит от измери­
тельной аппаратуры, способа установки электрической машины,
точек измерения и режима работы испытуемой машины.
•
Рассмотрцм основные положения и требования, предъявляемые
к измерительным приборам (ГОСТ 16826-71) _в зависимQСти от
вида измерений (типовых или контрольных).
Из множества имеющейся аппаратуры для измерения вибрации
широко применяются электрические измерительные приборы, осу­
ществляющие точный аналнз вибрации в IIIиpo~oм диапазоне час~
--rот. При этом они не вщ1яют • на· корпус испытуемой машины и
позволяют определять все три параметра · (смещение, 'Скорость и
ускорение) вибрации. Вибрацию мож~о измерять, используя аппа­
ратуру, предназначенную •для акустических исследований, при
этом заменив микрофон элек1:родинам11ческим (индукционным)
-liли пьезоэлектрическим датчиком (акселерометром'). .. Они изго­
товляются из керамического пьезоэлектрического материала - ти­
таната циркония . или бария, который обладает сильным пьезо­
электричес~им эффектом, заключающимся в появлеi!ии электриче­
ских зарядов на поверхности некоторых .диэлектриков под дейст­
вием механических усилий. В табл. 3.2 приведены основные ха­
рактеристики аксе;/Iерометров отечественного прои~водства. Точ­
и.ость измерения при испытаниях зависит в основном от способа
крепления датчика к испытуемой машине: Датчик должен --жестко
крепиться к машине или платформе, на которой машина установ­
лена, с помощью резьбового соединения, клея или мастики. По-
• верхность; на которую устанавливается датчик, должна быть тща­
тельно зачищена. На рис. 3.7 представлены некоторые виды аксе­
.,ер0метров и способы их крепления. Масса его не должна превы­
шать значения, составляющего десятую долю от массы машины.
Электрический сигнал от акселерометра подается на усилительные
и интегрирующие устройства. В качестве примера на рис. 3.8 пред­
(тавлена ·структурная схема устройства для .измерения вибрации,
в основу которой положены приборы фирмы «Брюль и Къер>. На
испытуемом двигателе закреплен акселерометр (4328 или 4329),
.который {:Оединен экранированным кабелем (АООО37) через зажим
(РО028) с предварительным усилителем (1606). Сигнал от предва­
рительного усилителя передается на шумом ер (,No 2111) . К шумо­
меру с помощью экранированных кабелей: (АООО19 и АООО2) и за­
жимов {РО018 и Р4701) подключается регистратор (2305).
38


.··'} '
Основные технические характеристики пьезоэлектрических
"',
вибропреобразо,вателеА
•
~,
,;
..
..
'-~:.-
~
..
частота
.;-
.;.CJ:
"'"
.,
"'"
собствен-
..
~ i:t'
=
=,.,
о
!:
:1! =
.,
"'!ill
=
.,
.
=
..
~~ ПЫХ КОЛ~"
=
2~
..
~-
g-- .
баниll ,
..
"'
., ..
""=
Q
.,=
~g~
,., ..
о"
с"
кг~
..
""'
J:i:A
.. ...
,., .,
<>
P.t
....
:1!
0,0
>,
....
:а
:·о
"'
.. .,
="'
:а
со,:
!5:11
=
Р,:
..
~'8
~=i
с:,.О
=i=
=
i=o
.,
:i
"',,,
,
~-i- :..
..,
а
С1' ..
..
=О• ·
't
,о
о
,Q
,Q
="'
..
"'i;• ,
,е."'
.,,,.
.,
tи
"'
,е..= ..
"'
=.,,! ,
....
о
"о
..
с:,.
,е.~о
=
о"
о
-&·о u
="
.:>О
с:,=
"'"
..
~li
=..
о'- ..=
: С1'
.. ,:
=- !:!.
.,,.
u
"'
~-g; JQ _.o
....
:1! .,
00
.,
..
1-~
u··~
.,,;
" (1-.
....
;j :s
-==
:а
"'
ПДУ- 1
0,12
20 5-1,l()i. 1100 3000 3-: -7 12
ИС-313А 0,1
100 50--4 • 1О'- 1000 6000 7 12
тель
4336
f
ис943 · ~
0,4 125 125 0-2.5, 10, 300 14000 8 2
ИС-579 А 0,6 100
3-1•10' 250 1000 5 9 05
-
КВ-10
0,1 10
5-2· 103 1000 1000
5
Щ)~.
ША-11
3,8
12
1700
~ ... 18 22Х20'
КД-17
0,1
5-1 -l0i 1000 50000.
f(J 5Х162 нооз
КВ-11
11 .о
0-2 · t03 2000 1000
15 5Х162 1НЮ3
Кд-91
0,5 50
5-1 •101 • 600
2
-
КД-35А
5,0 20
5-4,5-101 1000
40 15ХЗ20 11003
Д23
О,l 15
• 5-{)• lQi 600
10015405ВА-2
д•13
.8,516
20--3 -103 1000 1200 5-20 65
BAs2:
д: 14
2,5 30
20-1 • JOi 1000 1200 20 30
ВА-2
Для измерения l;lибрации nраменяются те же аuалнзаторьi; ч:t4 :
11 при измерении шума, . т . е. октавные И третьеоктавные, yзxotto•c.: ,
лосные, с непрерывным
•
••••••
спектром.
В табл. 3~3 приведены
основные технические ха,
рактеристuки наи,более
распространенных прибо­
ров для измерения вибра­
ции:. При ~ибрационных
испытаниях в основном
применяется упругая ус­
тановка микромашин, в
некоторых сл~аях - же•
Рис. 3.7 . Конструктивные схемы крепления ах• . .
селерометров
Рис. 3.8. Схема устройства для из-
•
мерения вибрации:
1- испытуемый двигатель; 2-- датчик;
З - кабель; 4 - зажим; 6 - nредусилитель;
f - шумомер; 7, 9 - зажимы; 8 - кабель;
10 - реrисТJ)атор
1?3'ч
7
39


сткая. Способ установки микромашв:н зависит от ее массы и спосо- •
ба монтажа в эксплуатации. Жесткий монтаж выполняется в том
в-, мм
слуqае, если дополнительная
%
масса (несущая рама или фун-
50,О
tЦ дамент) не менее чем в 10 ра~
~
,бо:~ьш. е массы машины. Упру-
I5,О
гни монтаж выполняется путем
10,О
подвещивания или установки
микромашины на резиновом
а)
жгуте, •пружине или на упру-
5,D
гих опорах.
1\
"
"
\
На рис. 3.9 приведена за-
1,D
висимость статической дефор­
'
мации б от частоты вращения
D,
4
50D 1000 5000 п, '/
п (об/мин1). Вертикальная уп-
Б) ' ругая установка считается пра-
Рис. 3.9 . Зависимость и схемы статиче- вильно выполненной, если ста-
скай деформации упругой опоры:
тиqеская деформация б не пре-
а - двигатель подвешен упруго; 6- двига- ВЫШ•ает значения, приведен-
-
тепь иа упругих опорах
Таблиц а 3.3
Основные технические характеристики приборов
:t
. диапазон измерений
'"
"=о
..
i:..
., .,
=...
а."
t; а,:
Тип
'31 :i
=..
"о
пр,ибора
&~
..
::il = о=
11:0
., ..
о.,= ==
....
· смещение,
скорость,
У~корепве,
=о
===
=..
О"'
.~
., <>.,
4i"'
.."
мкм
к/С
м/с'
:,; .,. ,
....
,,..
=<=>
=:,; ..
...
:,i
.. ,.
="'
.. "'=
о,.,
"'о{
~о
"="'
==
-
Виброиэ- 5-10000 1-250
l·l0 -3
-16 3· 10-2
- 105 Д-I4
±12%
меритель-
(сД-14)
ная аппара- 5-2000 0,3-100 3• l<r'-5
0,3, l<r- 2
-
Д-I3
тура ВА-2 (сД-23)
3.101.
QI
:,;:
--
:,:
Виброиз- 2-15000 3,2-1 • 10-5 0,32-3,20 32-10- 3
-
КД-I1
QI
±1 дБ
:,,
ro
меритепь
320
Кд-12 :,::
11000
"'
QI
QI
--
Е'
Иэмери- l00-2000 25-250
2,5:'1bi
S:!
>,
тель вибра- 10-2000 250-25-102 2,5-105
l:Q
1-1000 4336
Е-о
±4%
ции 2501
I0-500 25-1{}2-
· 2,5-10-5
-
<)
,:,;:
10-2000 25-101.
2,5
QI
~
Е-о
QI
--
~
Измери- 3-10 ООО 3-1-103-
3. 10-1.-10 3 • 10-3
-
Кд-I2. о.
±5%
(1)
тель коле-
1-10'
100
КД-I3 ::s
"'
баний 11003
I(Д-I1 :s:
--
Вибро- 5-10000 10-1 • 105 l • l0- 3
- 10 0,01-1000 I(Д-11
-
метр
TS М-101
Кд-12
40


цоrо на рис. 3:9, для минймальной рабочей частоты вращения МйК•
рома шины.
_
_
При испытании микромашин на упругом или жестком основа­
нии (креплеции) датчик устанавливается на корпусе вблизи под­
шипниковых щитов по осям Х, У, Z или на подшипниковых щит~х
по осям Х, У, Z возможно _ближе к оси вращения.
;
•
§ З;З. ИЗМЕРЕНИЕ РАДИОПОМЕХ
Измерщше напряжения радиопомех на зажимах источников
должно проводиться в соответствии •с ГОСТ 16842-72 11 общесо­
юзными нормами допустимых
'и ндустриальных радиопомех с
.помощью измер~ителя радио­
помех, отвечающих требова­
ниям ГОСТ 11001-80 . Измере­
ния проводятся в частотном ин­
тервале 0,15-30 МГц. Шкала
измерителя радиопомех граду­
ируется в децибелах (дБ) от­
носительно 1 мкВ:
U,д5
70 "...
.__
-
~
-
2
'
-1
......_
-
2
1-
1,2. -
-
50
0,150,250,5 1,0 1,5 J,O _ 6,010 _JO
0
tM~
Рис. 3.1 О. Зависимость напр я же•
ния радиопомех·
Рис. 3.11 . Схема расположения приборов и оборудования при измерении
напряжения радиопоl,{ех от малогабаритных электроустройств :
1 - испытуемое устройство; 2 - соединительный шнур; З - зквивапент сети; 4.; ..
металпнческий пист; 5 - нзмернтепь радиопомех; 6 - кпеммы заземпення; 7 -
стол; 8 - выносной пульт управления испытуемым устройством
1'де И1 - напряжение помех, мкВ, измеренное на какой-либо час­
тоте из указанного интервала; И2 = 1 мкВ - базовая величина.
Напряжение радиопомех от микромашин, используемых в бьt·
товых электроустановках, в указанном интервале частот регла­
ментируется общесоюзными нормами, которые могут быть - пред­
~тавлены в виде зависимости (рис. 3.1 О).
На рис. 3.11 и 3.12 показано примерное расположение испыту­
е мого микродвигателя и измерительных~приборов на испытатель-
1;ом стенде. В качестве стенда для измерений радиопомех можно
41


.иdполь:зова~~ стол, - вып~йенный··нз и~J~ци6ннd~:ri· мJтериа~ ; .~
металлическогq листа размером . не менее 2 Х 2 м, которliй распЩJО­
жен . перпендикулярно столу, при этом сrол заземляется. Электр,о­
JIВИtатель размещаетеЯ НЗ р8-ССТОЯНИН 0,4 М ОТ tsертикально ~~;, ;
положенного металлического листа. .Используемый в данных щр !
-·
,' ' <•.•у:'( ,,
-~t
, ;.1:·.~
,,
·•
,.
, ·1:
.·
·,.:::.
; ·';:
~,-,~......·
. ·.'..,'. ·· .· .
.. :J~
.-
.,J;~\~
,- "• ,;'
,:о;
Рис. 3.12. Схема расположенWJ Н3!-f~ритцьиой aпitap&'[YPl.t nри измере­
нии радиопомех от устройств, которые .. ~,ри эксплуатации находятся в
руках:
.~
1 - И(ПЬJТуемое устройство; 2 - соедините.nьцыll шнур; 3 .... эквивалент сети; 4 -
металлический -Jiкст; б - клеммы
.
эаземпения; 6 - измеритель радиопомех ; 7 -
стоп; 8- эквава.чент руки; 1- пульт управленщ1; 1.0 - мета;,,лическая фольга
Рис: 3.13. Схема расположения приборов и
оборудования при измерении напряженности
поля радиопомех от малогабаритных уст-
ройств:
1 - испытуемое. устройство;
2 - соед11нительныll
шнур; з - ВЬJходноll шнур; 4 - поворотная подставка;
5 - нагрузка; 6. -
мета.чпнческий пист; 7 - антенна;
8 - антенная приставка; 9 - измеритель Радиопомех;
10 - эквива,11ент сети
42
мах эквивалент сепr с<>~:!,','. , ~.- - ' . .,- :, ,:
единяется с заземленн~'!i
металлиtiеским л~ист . ,.,f
проводом или шинои длщ,;
ной не более 0,3 м. Л:юбы~
предметы и поверхносi~У
из токопроводящих _ м~~t·
териалов нельзst распола:,~
гать ,ближе 0,8 м от эле1(
тродвигателя.
']
Напряжение радиол \
мех допускается измерят .:
в экранированных пом~,з
щениях (камерах). Пр
этом одна из стен камер •
используется как верт11
кальный заземленный м ~-
таллический лист.
.,
Кроме напряжения р~}
диопомех измеряется та~(
же и поле радиопомех, к ' .
торое создается электр(f
двигателем и подходящJi
ми J{ нему проводами п ;
тания. В интервале част


~;.t$~зо··Mr~~Ьlм:~р~ет;я •мafй·;rita~• сtiстЬl~~~~~ ··нцпр;i~~,;&~;:}·.
n~я радиопомех; · 1{ в .· интервале частот 30-300 МГц - электрн~с: /
кая со~тавляющая щшряженности поля радиопомех,
.
.
.••
Примерное расположение испытуемого , элеl{тродвигате.nя ; ~-·
мерительной аппар~туры и вспомоrательньiх приспособлений пр,(: :
измерещщ напряженности поля радиопомех показано на рис. 3 ..13/:\
для двух типов антенн.
.
.
.
.
:!j,;
Измерительная антенна устанавливаете.я против ц~нтрз нстоtJ• · ;
ника радиоiiомех на расстоянии 3 )11 от корпуса цсточпика. Мик})(!·f' ,.
машину раз11ещают . на поворотлой подставl{е, располагаемой на ;:.
металл1iчёском листе. На писrе устанавпнвают эквивалент сеrи ....;' ;
выпасной блок питания. -Провода, соединяюuще ·источник p·a .11.11ono,; ';;·
мех с эквивалентом сети или выносмым блоком питания, должцы­
размеща ться .по оси поворота подставки . . При измерениях
. по/({ -:;,
r.тавку, на которой р~сположен источник радиопомех, поворачнв,а ;;}
ют -до:nоJJучения макеи1'щ.льных nока:заний.
•
_ _ ·::;;
-Условия р·~оты ·электродвигателей или устройетв, еодержащwt > ,
эти двигатели, · необходимо соблюдать при измерении как напрй.;; : ,;
.жений, так и напряженности поля радиопомех (см. приложение •1: ·.[
к нормам 1-72 и ГОСТ 16842-76).
.
..
.
..
'}: ;;1
Для -измерения магнитной составляющей поля радuопом.:ех •нс~; ;
пользуется .. антенна рамоч~ог9 типа, а для 11змерення электр.и1_1е,.;_, j,;
ской составля:iощей ~апряжеипости поля раднопомех -" - антенн~ -:- . /
диполь. · И~меритсльный компдект для J1змерения составnяющJJi'\d.;;
напряженности поля радиопомех состоит нз антенны и селектиf-,·i:Г(
нога инкроволътметра, имеющего интерваJJы измерения часто\• .' ·;~
0,15-30 МГц и 30-300 МГц.
•
•
•.,•,
Воп.росw для самопроверки
1. Что называется спекrром шума?
2. Как определяется акустическое сопротивление среды?
. ...
3. Какие величины принимаются за основные при оценке вибрации эдектри•
ческих машин?
.
.
•
4. От чего зависит точность измерения вибрации »лектричеспх мапrин?
5. l(акие •способы крепления ЭJJектрическ~ машин применяются пр~
довации вибрации .и шума?
-
-
~
6. •Какие величины используются для оценки радиопо~ех?
7. Как должна размещаТЬ(:я электрическая машина ца стенде при
нии радцсinомех?
tлава 4
АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИИ МИКРОМАШИН
Массовый выпуск микромашин, особенно двигателей . общего
назначения, ставит весьма важную задачу автомати3-ации тнповьцс
испытаний в условиях их производства, а также при лаборатор ~
ных испытаниях в НИИ. Автоматизация. испытаний позволяет рас­
ширить программу испытаний, повысить их тQчность, сократить
,43


••,,.\
•
.
.
.
...
.
,,
•
,,.
:·
....
.
.
•·
•
,
,
/
в,ремя • На И}{ . вып,о,лнецяе, исключить 1'JЩЯН6е -еуб~ектmщ:ых · Факто~
ров и резко снизить объем работы по оформлению результа iов 11с­
п.ытания . Она требует. разработки ~пеци-альных стендов и апnар~­
туры к ним, вюпочающей блоки питания и управления, а такж~
iшформационно-изм~ритеJiьный блок. При это~ должно быть пре~..
дусмотрено определение электрических и неэдектрических вели­
ч'Нн, в частности напряжений, токов и мощностей в различных ре~
жи:rrrax работы электричес.кой машины, ча;стоты вращения .н враща­
ющих моментов. Например, для асинхронных двигателей враiщl.-
/ющий момент должен измеряться при пуске (начальный пуско~ ,,
вой), в процессе разбега (мииимальный, максимальный) и в рабо- •. ~
чем режиме.
.,
,· Стенды для автоматизированных испЬJтаний
должны ·обеспе--. •;
·
чить непрерывное наблюдение и регистрацию всех параметров, не: _J
обходимых ддя определения характеристик машины . в цифрован ;~
. форме.
Время записи характеристик не доJJжно быть большим и•, ]
желательно, чтобы оно не превышало 11ескольких минут. Точност1;,. }~
измерения- эJJектрических и механических величин должна соот;; ;;1
ветствовать требованиямIОСТ 183--,-74, 16264-78,
<j
•
Стенд ·для автоматизированных испытаний должен состоять из Ji
устройства для закрепления испытуемой машины; устройства дл';f ·.:J
закрепления нагрузочн~й ~-ашию~ · (е~ли она используется) и ee, i,~
центровки с испытуемои машинок ; датчиков момента и частоты · );
вращения; нагрузочной машины (цли другого нагрузочного у.ст-- -~
ройстЕi_а) ; устройства для измерения положения ротор.а при опр~~- 1
делеции завнсимости пускового момента от yrлового положения . :)
ротора (например, редуктора с редукцией 1000}1). .
·:.:)Э
_
• Для измерения вращающих моментов могут быть использованы };~
_
, различные методы, описанные в гл. 2. Датчики момента и част('): :;-1
ты вращения должны иметь выходнЬiе величины в виде элекгриче<ii
ских сигналов. Например, в качестве датчиков частоты вращениsЦ ::;j
могут быть применены частотные датчики, выдаIQщие 6 ц 60 им~ •- ~
пульсов за один оборОт вала машины, а в качестве датчика мо- :. ~
мента - датч~к тензометрического типа, ·электромашинный дат7 ➔t;
ч-ик ускорения и др.
.
.
el
Нагрузочные мащины выбирают,ся в зависимости от типа испьi- ]
туемой машины, частоты ее вращения и вида испытания. Для · ис- : j
пытания машин с частотой вращения п~ 1000 об/мин, снятия нe• -t:•t
устойчивой части механической характеристики асинхронных дви- }?
гателей, испытания генераторов и опытного определения отдель~).;,
ных потерь могут использоваться нагрузочные машины постоянно<\:
го тока, а для испы1ания двигателей с частотой вращения n>> ••
> 1000 об/мин и снятия рабочего участка их механической харак- ,
теристики - индукционные тормоза.
При закреплении нагрузочной машины и центровки ее с испы• >·
туемой машиной важно иметь возможность с достаточной точ,;: ­
ностью , устранять несоосность валов сочленяемых машин в гори,.\-.
зонтальной и вертикальной плоскостях, а также их перекос _ в ГQ•:~
р1изонтальной nлоскасти без дополнительного регулирования . Соч-,
44


жняющие муфты tjq~'rщJ-Iы dбесnечй+t>: or~yfct~~ , чpeз~pйi,rx :~i~/ ...
раци;
.
••
;
,
<· ,."'
Сл жные технические требования предъявляются к информаци~ :
он но-и мерительному блоку. На его вход подаются входнр1е и. :1щ~ •
хо д ные ,величю1ы испытуемой машины в виде электрических < сиt­
налов. 1'а выходе этого блока должны получаться аналогов.ь~~;;11
цифровые сигна л ы, пропорциональные исследуемым ;параметраi;f. _
Форма: цифровых сигналов должна быть такой·, чтобы был11 всщ'­
можны их ввод в памя.ть эвм и регистрация с помощью цифропе-
чатающих устро1'kтв и графопостроителей.
•••
--.·.
В . информационно-измерительный блок должны входнtь источ7
ник сигнала , - отметчик времени для аналоrовых регистратороtJ,i .
встроенны е показывающие приборы (класс точности не 11иже O,f>} '
для измерения выходных сигцалов. Желательно, чтобы аналоrОIН.IЙ •
регистратор мог записывать функции ,как времени, так и одной·; из •
вы х одных величин . Питан1.1е, управление и контроль параметрор ' •
нагрузочной машины, датчика ча·стоты вращения, виброопор И .Цр.f.;,,·;
гих устройств в процессе испытания, а также коммутация силовщ
и измерительных цепей по определенной программе дол~ны Пl)~
изводиться в специалыюм блоке питания и уцравлею;1я. Так; мя ;.
питания якоря наrруаочной машины постоянного тока можно ~с­
пользовать элекцюмашинный усилитель (ЭМУ) nоперечноrо .то-/
ка. В этом блоке nредусматривается аппаратур!!_ для включеftи,
под напряжение испытуемой машины, ЭМУ и нагрузочной ~ащи-
ны (если ·онии~пользуются).
,... ,
Программное устройство, входящее в блок питания и ·управ.пе:.: J
1rия, должно обеспечить автоматическое выполнение испытаний .. ..
определенной последовательности для различных программ, i,a~ >
пример определения рабочих характеристик, характеристик xoJJ:f. •
стого Х(}Да, параметров короткого замыкания н др. Во всех про-·
граммах предусматривае'I'Ся измерение сопротивлений .на пocтqSJR·,
ном токе.
В качестве примера рассмотрим структурную схему автомат~· .. ,
зированной системы испытания асинхронных двигателей . (рис. 4.,1)> ••
В этой схеме в бло~ nитания и управления входят:
.
Источник питания, в·которомдля регулирования наnрs,­
жения, подаваемого па испытуемый двигатель, исnользуется трап•
сформатор с плавной регулировкой напряжения под . нагрузкой~ .>
Источник питания управляется в соответствии со специальной про- · • •
граммой, вводимой в управляющую вычислительную машину. Пр9-
rрамма записывается ца магнитной ленте или вводится ~ теле~
тайпа.
Блок управления :испытуемым двигателем со­
держит тиристорный электропривод, позволяющий вклwча ,ть и вы-
1,лючать двигатель, регулировать его нагрузку. Он связан как с ·
испытуемым двиrатеJ1ем, так и с вычислительной машиной.
.
Наиболее важные функции выполняет информационно-измер!f~
тельный блок, который осуществляет измерение тока и мощности
потреблени'Я ,в режимах холостого хода; нагрузки и Пусковом; вра.-
,45


i~~- .~i:P~"'
ймального, начал
и,; ··
. Информацион ..·. •··
змернт· есJiьный
себя нзмерите.ль . эл~1стрическнх . величин; nреобра.з<>В
од•i измервrе,lIЬ везлекtрическвх вели-.щя;.0 упрааля
ительн.у10 маmпну; устройство ввода -:- выйQда, сод
Jоnоётроител;ь;
, ___________ •
---
.
------ ---,,
i
.
0
•
.
•
•••
1
\ И.з мерителt '2 ----,
,:
_
1
,;еэпектри- 1
к
1
ческих
·~
1
.
1
••
dеличин .~
1
~
J
,--..-
.....--~
1
1
1
,_____
•. tJ
1
: .flpeorpoз·o
,!Jпро8л_яю- :~
,,
,,
JI
и
щая Оычис 1:1-
. ;;,t;mpoiicmиa
батель · лиrпельifая } •
t•
<<у гол -ко!J•
..
.
!:
dfJof]a-!Jы!Jo!J, 1
MOШIJl/0 :,с
1
:о,.:
1
...,._- ,- __ ,._._...
1
.~ --, --
.---------_-_-
...-
....- - ._,
~
1
tJ
9- 1 Измери -
'~•
~ 1. тель.
•
~
·t
1 _эщнтрlJ - ~
.
•.
=. :,С
N
""
1 ческих \:, . _,____.
'-"'-----------,
1.-4 8e/lUЧUН ~
•
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
L-·
--
. ----·
----·
____ ____ __ . .J
J>ис. 4.1. Структурная ~хема автоматизированиой •темы для испытании
асинхровиых .ми1<родвиrател~ .
••
Изиериr.ели электриче-ских ·JI' неэлектрических величин через
1.':
.пецнальные периферийные устрой~'tва - интерфейеы
-
связаны ••
: упра,вляющей вычис.irитмьоой машиной (УВМ).
•
>
Иэмерцтель электрических величин выдает в управляющую в_ьi- • "' "
нслительную машину мгновенные значения измерstемых величин
:ерез равные промежутки времени с большой . частотой. В УВМ эти
:анные обрабатывают~я и ·выдаются с помощью различных уст­
юйст,в вывода в цифровом виде или rрафически (с нспользовани­
м rрафопострQ_ителя или дисплея). При построении кривых ис­
'ользуются действующие зна11ения, найденные за определщшые
,трезки времени, более длительные, чем nринято nри выводе мгно­
~цных значений на· печатающем устройстве. В блоке , 'измерения
лектрических величин имеется индикаrорная панелъ для визуаль­
tого коитроля за действующими значениями из11е·ряемых величин.
1еред режимом измерения этот блок калибруется - настраивает~
я, для чего на вх.оде имеются калибровочн:Qtе заранее известные
6


п
.хо.да.
.
.
..
•·
. ....... ··.
.
.
Пр образователь, •уерД,...+~:,
n~ш,р:азов~те_ль «час-
д:., выдающий чи.словоА код, .проnорцJ1Оиа,л,ьнщ!t чacr~-:t~.
....• · .
, ..н преабра.зо,,ватель «уrод--:-1Сод:.; выдающиii , cиfka.JJЫ' '' l~i1,;
и-змерит !)_, нeэяe~Ti)litl~:JS.U , JЭеJIИЧИ~ •. В. q99и~
.. преобр~эо!а!~J.:П:~
испо.лъзу тсs фотодиоды ,
'
'
·•..
•; ':/ ,,
Измеритель н,езлек:rрических величин . суммирует и обрабаты~•
• ет сигна~лы, поступающие из .преобразователя «угол~код:., и ~ы-. ·•• ·
дает для ввода в управляющую ~ычимятельцую мащиJJУ yrЛ(nifiq • •
Сf{орость Q .электрической мащинЬl и -ускорение dO/dt. ·Эrи·. изti(ере7
ния про.изводятся в прfщес~., ра~беr.а, . двиrа1м,-, . сое.цин~я11щ10 с
маховиком для замедления процесса рiзгона, через м.;Jлые _:ннтер-- •/
валы вре~ени. ' ' ' '
·•·····•· -·
,.
''.
'
'.
•
'''
''
··.
,'·
Управ:ляющая вtячuслительная . мащана управляет всем др.оцес,"".i{;
сом 11спытания _асинхронного дввгатеJ,Iя и проliзводнт обра6с>т}(f:'\;
результатов, По введ~нным данным электрических и нefJ!eJCrPil~e,-' 1⁄4,
ских величин вычисляют коэффициенты полезяоrо ·дейсtви~ •J} :Jf: , "I
мощности cos q>, определяюt скольжение для различных P~t?~·I
мов работы. С помощью описанной автоматизированной . си~теlf~-?:"
испы:танйй, предназначен110А для типовых испытаний асв~х~1,1 • •• ij.
микродвигателей при их произвQдс11Ве, снимаются xapalttt1)tют . .·
··.•. ,;
холостого хода 11 короткQrо :замыкания, наrрузочцый , реж~~. , р~ ::..?
бег двигателя и находятся все показател11, реrла,ен:rируе!\J~ ~
гостами: Время иопытанил одного двигателя 51.tИH/ J\tJTOMat:нзaf\·:f:,
uия испытаний с использованием вычислительноА техники; ~ и · вtжщiс:\1
моrательных 1;ехничесюiх устройств .и.ля в~вода резуль1:.атоs иtnfti~~Y<
тзний : щ1.ходнтся на стад!'JИ разiщtщ1 . и ~овершенствоiания. Qja,;}:)
позв.олиt •повысить качеств() эле~трических , микромашии "7'"'"- ~aЩ~!;Й::ill
:МЗССОВЩО· ВЫдуска -:-' За счет ка~ уве;н1чеННЯ ЧJtсда hCПbl'Ц,l!JЗeii(tq'i;;
машин, так и увеличения глубины и точности испытаний.
•
·· '<
···
:· -· .-.-}::'~;
Вопросы для самопроверки
· <:&
c;· , · ·:,:.ir;
1. 'Укажите- преимущества автомат,1JЗироваиной системы . ис1Ц,1т"ЩIА lil•\;•;.
малой МОIЦНОС!Иr _ _
__
.
.
._
.
.
_
.
_
__
. ··~
•.-. ._
,_._,.
2. Переqислите требоваНИS!, предъявляемые к стенду •Д.IIЯ автоматиаир~.'./(
ных испытаний,
,.
.
,
•.'•
3. Из каких устройств и элементов состоит стенд дл,~ автоматизирова~ . \
испытаний?
•~,/
4. Поясните назначение управляющей вычислительной М&ШИRЬI при~ провеit- • •
нии автоиатизнрованных испьrтаниА.
,.
;
•
•••
5. Дайте обоснование содержания программы · автоматизированяых исm,па-> •,;
ний для неуправляе:мцх микродввrателей.
.
.
, .•••
6. Назовите методы измерения механических величJЩ, иепользуеuые в aвiQ;i
матиз!j'рованной системе испытаlfИЙ.
7. Какие устройства применяются д~я регистрации результатов испнтавd~ •••
f


Раздел второй
ИСПЫТАНИЕ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ
ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
Глава 5
/
ИСПЫТАНИЕ АСИНХРОННЫХ МИКРОДВИГАТЕЛЕП
§ 5.1 . УНИВЕРСАЛISНЫЯ АСИНХРОННЫЯ ДВИГАТЕЛЬ
Асинхронные двигатели ма.1ой мощности с короткозамкнутыми
роторами широко применяются в качестве двигателей общего наз­
uачения: ·для привода станков; центрифуг, насосов, конторских
машин, звукозаписывающих аппаратов, машин для стрижки овец
и дойки коров, холодильных, посудомоечных и стиральных машин,
киноаппаратуры, вентиляторов, медицинского оборудования и др.,
а также в качестве вспомогательных - силовые двигатели в авто­
матических устройствах. К.лассификация асинхронных двигателей
и их условные обозначения приведены в ГОСТ 23264-78.
Асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым рото­
ром мож1ю использовать без каких-либо изменений его :iюнструк­
ции и обмоточных данных как однофазный двигатель с пусковым
сопротивлением или пусковой емкостью и как конденсаторный с
рабочей емкостью, а также с рабочей и пусковой емкостью . Мож­
но спреектировать асинхронный двигатель,. который будет рабо­
тать как трех- и однофазный. Такой двигатель называется acиJl- .
хронным универсальным. Его универсальность целесообразна в ·
том: случае, если параметры схемы замещения машины и добавоч­
ные фазосмещающие элементы выбраны так, что получаются дос­
таточно хорошие рабочие и пусковые характеристики. В СССР
выпускаются универсальные асинхронные микродвигатели . сер~ш
УАД .и ДА. Разработаны однофазные модификации: асинхронных
двигателей серии 4АА ,с высотI!.ми осей вращения 50-71 мм.
Трехфазный двигатель (рис. 5.1, а, б) и полученные из него
однофазные двигатели с пусковыми элементами показаны на рис.
5.1, в, г, д. В качестве пускового элемента в двигателях малой
мощности используется активное сопротивленnе Rп, которое обыч- •
но включается в пусковую обмотку (провод берется малого сече­
ния или часть обмотки выпоюшется в виде биф.иляра), или• пуеко­
вая емкость. В универсальных асинхронных двигателях чаще всего
применяются соединения обмоток статора в симметричную звезду
(рис. 5.1, в) ию~: треугольник (рис . 5.1, г). Иногда применяется
посhедовательно-параллельное соединение обмоток статора (рие.
5.1, д). При этом рабочая (главная) фаза получается последова-
'48


·тельнцм eQe)ЦIВe~je~ дiу~ фаз tрех.ф'а~ноrо двигател~ и п#;цеtся
o,r од~фазной сети . непосред~твенно, треть·я. . (вспо. моrвтельнаs(,);
• . $аза п и соединяется к той ):Ке сети через пусковой : элемент Rп или
Сп. В к честве выключателя используется .специальное реле, коrо­
рое откл~чает пусковую фазу после достижения частоты враще"
ния 0,75-\0,8~ от синхронной.
_
_
с
-о.
а)
Б)
В)
г)
d}
• Рис. 5.1 . Схемы соединения трехфазного и однофазных асинхронных дви-
гателей •
а)
оБ)
в)
' СсоСб .
е)
•
Ряс. •5.2. Схемы соединения конденсаторных асинхронных двигателей с ра-
бочей и пусковой емкостями или с одной рабочей емкостью
•
Конденсаторные двигатели, полученные из трехфазных, показа­
ны на рис. 5.2 . Различаются двигатели с постоянно включенной .•· .
рабочей емкостью Ср и пусковой емкостью Сп, отключаемой после
пуска, и с одной рабочей емкостью Ср. Во всех конденсаторных
двигателях: с соединением обмоток в симметричную звезду (рис.
5.2, а) или треугольник (рис. 5.2, б), с последовательно-парал­
лельным соединением обмоток (рис. 5.2, в) и соединением в не­
симметричную звезду (рис. 5.2, •г) - три фазы используются не
только при пуске, но и при работе. Напряжение однофазной · сети
равно линейному напряжению исходной трехфазпой машины.
В большинстве схем включения трехфазного двигателя в одно­
фазную сеть номина.пьная мощность сцижается. Однако схе~а.
приведенная, например, на рис. 5.2, г, позволяет сохранить номи-


~альную мощность ·тpexфaglioro двiira:i~л~ пpii'вкл-~ч~~1017·'i"'::~~~..
нофазную сеть.
-
Рассмотренные схемы соединения обиоток и фазосме ющих
элементов могут быть рекомендованы для двигателей мал й иощ"
ности как по своим показате-
лям, так и по простоте их
,
-
,,
исполнения. Существует еще
ряд однофазных схем вклю­
чеJIИЯ трехфазных двигате­
J!еЙ {20]. ·
•
Исследования, проведен­
ные на кафедре электриче­
ских машин МЭИ [3], пока­
зали, что ра,бочие и пуско­
вые свойства различных мо­
дификаций универсального
двигателя приближаются к
рабочим и пусковым свойст­
вам двигателей, спеllИалънn
Рис. 5,3. Общий вид асинхрон•
ного двигателя. 4ААЗ>А4
4
~ t- ----+-1'1- 5
1,.!.~=~~~:::-== -~
i=.,_f:___
=~
=+L~-= -~-4~~~~~~~ Б
Рис. 5.4 . I(онструкция асинхронного двигателя 4АА56А4:
1 - станина; 2 - обмотка статора; 3 - сердечник ротор;~; 4 - короткоза111ыкающие копьца
и вентипяционные попа тки; .5 - подшипниковые . щиты; 6 - вентипятор; 7 - стержень;
8-жапы
спроектированным только для одной схемы, а иногда и превосхо­
дят их.
·Цель экспериментальных исследован:цй уни­
~ерсального асинхронного двигателя - изучить наиболее распро·
стра:ненные схемы включения тре~фазных двигателей в однофаз•
цую сеть, исследовать их рабочие и пусковые ,свойства, а также
сравнить характеристики: универсального и трехфазного двигате-
лей.
•
50


()qъ~~том иссдедования м~гу; служнt~' ,тi;iфааны~ ·: ~сняi~~е :'i
Аt~tл~тели с короткозамкнутым ротором серий . 4АА, УАД,
.
Общий вид двигателя новой серии . 4АА56А4 представлен !НЗ,
рлс. 5.3'; на рис. 5.4 приведена его конструкция. Двигатель . и~еет • .
закрытое, обдуваемое исполнение.
<С\N
·· Для
сравнения в т~.б,11. 5.1 приведены данные двигателей трех- Ji.
и однqфа;щых,, выполценных в одном гiiбарите. В этой- же табл~щ~
приведены допустимые отклонения отдельных l!lеличип, perлaм~JI• • z.
тируемые ГОСТ 16264-78 для дJ!иrателей малой мощности общ~- ·,. · У
го .назначения.
'·
ПРОГРАММА РАБОТЫ
А. Экспериментальные исследования
1, Ознакомirгъся с конструкцией асинхронного дви~_ателя •с ж:о?} :
роткозамкнутым ротором и его nаспортными данными. •
•..
-. :\:
2. Исследовать рабочие и пусковые свойства трехфазного JUlИ•. ;
rателя:
•
,
<>;
а) снять рабочие хара:1<тернстики Iв,,. Р8, PR, п, cos ер, 11 в заiва:' :,,:с;
сим:ости от М црид~ Uи;
<,:;
б) измери-rь начальные пуск()вые момент 14 коэффициент м,о,щ-, j;
~ноет~, а также tокпрн U-Ua,
.
.
,-·
...
.
•·,'
: с11
•
3. Исследов~ть рабочuе н пусковые свойства однЬфаэноrо ,цви-
":'i
rателя с пусковЬJми элементами •(см. рис. 5.1):
•
.•.. . ·•
..:,
а) . ClfЯTb рабочие хtР.актеристики 18 , Ps, Рл, п, cos ер, 11 в зни- ;:
СИМОСТИ ОТ М IIPИ О;= и;
.
\
б) снять кривые наq(iльных )fоментоп Мк и тока lн в зависимо~ ;;
сти QT nусковой е)',IКОСТИ · сп пр-и и . ,ии,
.
.
••
•.
;
.,J
4. Исследовать рабочие свойств-а конденсаторного двяга:тел•- ,'(8
J(ля различных схем включения (см. рис. 5.2):
.
.
•.
• 'fj
а) рассчитать- рабочую емкость;
.
.
.,
.
,
/~
б) снять рабочие характеристики /А, lв, 18 , РА, Рв, Р8, Рв. п, \\~
cos (J)A, cos <рв, COS<J>, ri в зависи.мо~ти от М при V=Uи.
Б. Расчеты и пост.роения
.
На основанни результатов экспериментального исследования:
1. Построить на одном графJ1ке мех~нические характеристики _
M=f (s) трехфазного, однофазного и конденсаторного двигателей_: .
в диапазоне скольжений от S=O до s=I (неусrойчивую часть ха- ·
рактеристики показать штриховой л.инией).
2. Построить на одном графике зависимости 18 ; Р8 =/(М) для
1·рехфазного, однофазного и конденсаторного двигател~.
•
•
3. Построит~ на одном графике зависимости 11, cos <р в зависи­
мости от М для трехфазного, однофазного и конденсаторного двн­
га теля .
4. Построить кривые начальных пус.ковых моментов Ми и токов
lн в зависимости от пусковой емJ{ости Сп,
•
•
5.1


С
1
\
t
,
,
:
)
Т
и
п
д
в
и
г
а
т
е
л
я
4
А
А
5
6
А
4
4
А
А
Т
5
6
А
4
4
А
А
У
Т
5
6
А
4
'
'
4
А
А
Е
5
6
А
4
'
4
А
А
У
5
6
А
4
g
&
;
о
-
.
,
:
:
,
r
"
,
.
"
'
Q
;
'
=
.
,
.
,
Q
.
!
Е
=
~
=
.
,
.
.
~
t
С
1
-
.
.
=
0
0
=
~
С
1
=
1
2
0
3
8
0
/
2
2
0
9
0
2
2
0
6
0
2
2
0
'
Н
о
и
в
в
а
п
ь
в
ы
е
д
а
н
н
ы
е
.
'
.
=
е
,
~
i
t
;
~
i
~
'
l
f
!
.
.
,
.
v
"
'
о
<
=
,
.
t
:
1
1
-
.
.
=
.
.
.
.
,
;
;
.
,
r
=
i
g
!
;
,
:
1
:
(
,
е
,
=
t
о
:
"
E
f
«
s
\
l
:
"
t
:
:
о
О
~
:
,
с
:
'
.
.
=
:
.
:
;
1
1
0
,
4
4
/
/
1
3
7
0
6
3
0
,
6
6
0
,
7
6
1
3
9
0
1
,
0
0
•
5
3
0
,
9
0
-
-
,
1
3
8
0
1
,
0
5
3
7
0
,
7
0
•
.
Т
а
б
л
и
ц
а
К
р
а
т
н
о
с
т
и
•
·
.
.
.
:
,
"
'
:
,
:
и
и
=
.
,
>
,
.
,
о
=
:
;
f
e
,
~
~
6
.
,
о
.
.
:
,
:
.
.
.
.
.
.
С
х
е
м
а
в
к
л
ю
ч
е
н
и
я
о
:
,
:
-
"
"
t
"
'
·
о
б
м
о
т
о
к
>
:
:
,
:
,
:
.
.
f
=
о
"
.
.
.
=
.
.
.
.
.
,
.
,
O
.
t
t
о
.
.
t
;
u
'
;
!
i
:
~
~
"
'
о
о
·
о
(
,
1
"
"
,
,
,
"
"
:
,
:
:
>
!
~
~
(
,
1
1
0
:
1
1
~
"
о
~
~
~
о
Q
~
:
:
1
1
t
:
f
.
t
t
щ
,
.
.
•
:
1
1
0
,
4
0
щ
-
2
,
2
2
,
0
5
,
0
'
'
1
2
1
'
,
6
\
'
0
,
4
4
,
0
0
,
1
0
k
З
n
;
'
i
·
•
.
/
~
1
2
/
5
0
l
,
6
1
,
6
5
,
0
0
,
0
8
Q
t
r
-
1
1
,
5
1
,
0
7
,
5
,
•
.
:
з
з
'
'
Q
D
1
·
·
'
"
•
.
.
·
.
т
•
<
1
0
1
,
5
1
,
6
4
,
0


П
р
о
д
о
М
!
t
е
н
и
е
т
а
б
л
.
,
.
·
5
,
Н
о
м
и
н
а
л
ь
н
ы
е
д
а
н
н
ы
е
l
(
.
р
а
т
н
о
с
т
и
.
;
.
.
.
"
"
.
V
V
.
.
,
,
'
"
/
:
!
~
=
>
,
'
.
.
.
.
,
~
.
,
"
g
i
:
i
:
i
-
~
3
О
!
о
"
'
~
.
!
,
=
е
-
g
:
,
.
:
о
"
'
Т
и
п
о
•
.
,
О
,
:
:
.
.
.
.
.
.
.
С
х
е
м
а
в
к
л
ю
ч
е
н
и
я
;
:
;
;
.
,
=
,
,
.
.
,
о
?
Р
-
t
:
r
i
"
'
"
"
<
J
д
в
и
г
а
т
е
л
я
о
:
=
"
о
=
:
i
.
"
'
·
_
~
.
t
c
=
о
о
о
б
м
с
;
,
т
о
·
к
o
:
Q
,
.
,
.
.
,
.
<
(
:
:
:
1
.
.
.
.
t
l
i
.
.
.
.
.
.
.
.
§
"
'
,
Е
=
V
;
:
;
;
.
.
.
о
=
~
t
:
Q
.
.
.
.
,
t
i
,
,
е
.
о
=
=
~
~
"
'
'
"
"
'
о
<
!
r
:
:
:
(
t
;
~
&
V
4
'
о
,
:
:
,
'
.
,
,
.
.
t
1
/
:
.
_
"
'
:
i
!
~
~
"
'
"
'
;
.
t
:
:
V
а
~
.
,
=
:
.
о
О
:
i
!
о
"
о
>
,
·
-
о
Q
"
=
=
·
:
:
:
/
,
,
=
~
t
:
t
(
"
'
:
,
в
щ
,
.
.
:
.
:
i
!
~
;
:
Е
"
"
"
1
:
!
.
.
.
.
,
1
"
1
7
0
2
2
0
2
7
0
0
0
,
4
0
6
5
0
,
5
0
-
1
,
5
1
,
5
6
,
0
0
,
2
5
У
А
Д
-
7
2
щ
5
0
2
2
0
2
7
5
0
0
,
4
2
6
0
0
,
8
0
5
1
,
5
0
,
1
5
,
0
,
0
,
0
2
·
,
'
'
•
;
L
Q
,
,
Д
о
п
у
с
т
и
м
ы
е
о
т
к
J
i
о
н
е
н
и
я
в
е
л
и
ч
и
~
~
-
±
l
0
%
±
2
0
%
-
r
i
•
1
-
c
o
s
c
p
±
1
0
%
-
1
0
%
-
1
5
%
+
2
0
%
-
6
-
н
е
м
е
н
е
е
0
,
0
2
и
н
е
б
о
-
л
е
е
0
,
0
7
•
.
,
.
,
~
.
.
•
0
,
5
>
1
J
>
0
,
2
5
н
е
б
о
я
е
е
0
;
1
2
6
,
I
t
-
n
,
1
_
;
.
,
t
}
>
0
,
1
5
,
a
e
б
о
,
п
е
е
.
О
,
1
6
(
1
-
t
\
)
,
.
;
,
,
'
'
,
.
.
_
,
.
.
_
_
_
,
,
.
\
•
,
,
:
,
\
:
,
•
•
·
·
,
:
:
·
.
\
2
~
;
\
:
,
;
.
:
-
:
~
:
:
~
~
·
{
-
'
·
·
\
.
:
=
:
:
~
:
.
:
:
,
:
<
:
/
:
,
:
,
,


J~[t~~)J;f1f{t~t!ii1~~,1it"'·?,::·•· ·)\!P7'!~:iit:;}~7??~~1t~~{};t!:!i;~~~➔]11~!~:~jt
1
l!iifY}!5,, , ·.. _· .....
·
.
5. Построить векторную Jща:грамму . конденс~торn(}tа . д.в~те;t~я
щ1я последовательно-парад,11ельнqrо соединения обмоток с:iатора
в номинальном режиме р.аботы. •
•
~6 . Сравнить рабочи~ и пусковые свойства трех- и однофазн,?1Х
двигателей.
.
•
7. Рассчитать для трех- и однофазных двигателей с помощью
ЭВМ:
а) значение пусковой емкости для заданных кратностей пуско­
вого момента kп= 1,5 и kп=2;
б) комплексный показатеJ!ь качества.
ПQЯСНЕНИЯ ИУКАЗАНИЯ !(РАБОТЕ
Перед началом испытаний следует ознакомиться с номиналь­
ными (паспортными) данными двигателя в трехфазном режиме
U.a , Iв m, РRнiп и nнш(sп ш) и рассчитать ноюtнальный момент
трехфазного двигателя (Н•м):
а)
М~ш =РRнш/(0, 105п.ш),
1
о)
где Р88ш - полезная мощность
двигателя, Вт; пи ш - номинал:ь­
ная частота вращения, об/мин.
Все опыты для трехфаэн1:t1х
двигателей провести по схеме,
изображенной на рис. 5.5; ддя
однофазных двигателей с пуско­
ВЬIМ сопротивлен~!М и конденса­
торных двиrателей - по схе~е.
изображенной на рис. 5.6, а-в.
Измерительные приборы: с~­
дует подбирать в соответствии с
номинальными данными, учиты­
вая отклонения измеряемых ве-
Рис. 5.5. Схема д11Я исСJrедованnя ЛflЧИН для исследуемых режи1r1ов , _
трехфазного двиrатепя при включен1-и (JСолостой ход, рабочий и nус:Кр­
обмоток статора в звезду (а) и тре- вой режимы) . Рекомендуется
.
уrОJ1Ьник (б)
пользоваться приборами с малым
собственным потреблением и вы­
бирать такие -схемы включею1я прнборов, которые обеспечивают
минимальную погрешность (см.§ 1.1).
Рабочие характеристики д.яя различных схем универсального
• двигателя. Pa6otr,иe характер :11'СтикJ1 они1Маю11Ся
для трехфазного,
однофазного и конденсаторноr-о двигателей.
Трех ф аз н ы й д в и г ат ель. Рабочие характеристики трех­
фазного двигателя ls, Ps , PR, п, cos q,, ТJ в зависимости от М при
U= Ин= const снимаются по схеме , приведенной на рис. 5.5, при
измен е нии момента на валу7 от нуля (холостой ход) до максималь-
1юго (опро'кидывающего) мом:ента Мманс, соответствующего мак­
симальному отклонению стрелки тормоза.
54.


Mu JП. и проверl{тъ ['{'}(\,T"R/Vrl"~•Rt;IP UV,11!1,"""'<l"Jl~naл
После получения
вые * момент
-
Нагру~ка •двигателя и иэмеренде вращающего момента
водятся с помощью электромагнц-тного тормоза. (описание
об)
Рис. 5.6 . Сх~мы для исследования трехфазного двигателя •при рабо­
те от однофазной сети и включении обмоток статора последователь•
но-параллельно (а), в звезду (6) и треугольник (в)
и его градуировку см. § 2.2). Частота вращения двигателя изме"
ряется строботахометром. Измеряются так:ж:е линейные напряже• .
ния ИАв, Ивс, ИсА, подводимые к двигателю, потребляемая мощ.:.
ность Р,,, н Р~ и токи !А, lв, lc во в,сех фазах. Запись результатов
измерения и расчета рекомендуется свести в таблицу. Расчетные
величины определяются по следующим формулам:
полезная мощность (Вт)
PR=0,105Mn,
(5.1)
где М - момент на валу, Н •м; п - частота вращения, об/мин;
-
коэффициент полезного действия
f}=Pя/Ps,
(5.2)
где Ps=Pa.+P~ : -- мощность, потребляемая из сети, Вт;
* Здесь и в дальнейшем под терминами «пусковой момент:. и «пусковой тоо
подразумеваются начальные пусковые момент и ток при s= 1.
55


коэффициент мощности
cos p=Ps!(V3U1),
rде И и / - линейные напряжение и ток;
скольжение
(5.3)
(5.4)
где пс - синхронная частота вращения, об/мин.
Однофазный двигатель с пусковыми элемен­
т а ми. Для двигателя с пусковыми элементами (Сп или Rп) рабо­
чие характеристики 1s, Р8, Рн, п, cos ер, 'YJ в зависимости от М при
U=.Ин снимаются по схеме, приведенной на рис. 5.6 при включе­
нии одной рабочей обмотки, т. е. при пульсирующем поле, создава­
емом обмоткой статора. :Как известно, в этом случае пусковой мо­
мент равен нулю, поэтому для пуска двигателя в ход используется
вспомогательная фаза с включенным в нее пусковым элементо:,,1.
За номинальный момент однофазного двигателя с пусковыми
элементами следует принимать
Мн~ =(0,4-+-0,5) Мнш,
Методика получения рабочей характеристики однофазного дви­
гателя такая же, как и трехфазного двигателя.
Расчетные величины определяются по формулам (5.1), (5.2),
(5.4).
:Коэффициент мощности
cos ri;=Psf(U!).
(5.5)
:Конденсаторный двигатель. Рабочие характеристики
конденсаторного двигателя lл, f в, /, Рл, Рв, Р8, Рн, п, cos (/)А.,
cos q:>в, cos q:>, 'У\ в зависимости от М при И= Ин= const снимаются
по схеме, приведенной на рис. 5.6, а, при последовательно-парал­
лельном включении обмоток статора и включенных рубиJ1ьнике
Р 1 и рабочей емкости Ср.
Емкость рабочего конденсатора Ср выбирается из условия по­
лучения кругового вращающегося поля при номинальном сколь­
жении Sн= (О,75-;-0,15) sн ш, где sн ш - номинальное скольжение в
трехфазном режиме. Для конденсаторного двигателя, получен­
ного из трехфазного, условия получения кругового поля (равен­
ство МДС фаз и сдвиг их во времени на 90°), строго говоря, не мо­
гут быть выполнены, так как коэффициент трансформации глав-
ной и вспомогательной обмоток k=Wвэф/WАэф= 1,vз задан
и не зависит от параметров обмотки.
•
Емкость может быть рассчитана в первом приближении ,[3]:
Cp=2400//(U cos р),
(5.6)
где И, !, cos q:> - линейные напряжения и ток, коэффициент мощ­
ности трехфазного двигателя в номинальном режиме.
При любом другом скольжении у конденсаторного двигателя
поле в машине - вращающееся эллиптическое.
56


За номинальный момент конденсаторного двигателя следует
принимать Мн п= (О,7+0,8) Мн ш.
Методика получения рабочей характеристиnи конденсаторного
двигателя такая же, как и трехфазного двигателя. Для каждого
!.1омента М измеряется Ис - напряжение на конденсаторе; Расчет­
nьrе величины определяются по формулам (5.1), (5.2), (5.4).
Коэффициенты мощности определяются
д,1я каждой фазы в отдельности по формулам
cos (f!A =Рл/ (Илlл), cos (f!в=Рв/( Ивlв) И для
двигателя - по формуле (5.5).
Для номинального режима конденсаторно­
го двигателя строится векторная диаграмма
токов и напряжений (рис. 5.7) по измеренным
значениям. Диаграмма показывает соотноше­
ние токов в фазах и сети, напряжений сети,
конденсатора и фазы В, а также позволяет
оценить отклонение от условий получения кру­
гового вращающегося поля в машине.
Рабочие характеристики конденсаторного
двигателя, у которого обмотка статора соеди­
нена в симметричную звезду или треугольник,
снимаются по схемам, приведенным на
рис. 5.6, 6, в, при включенном рубильнике Р 1 и
емкости Ср, Для этих схем результаты измере­
ния сводятся в таблицу, расчеты производят­
ся по формулам (5.1), (5.2).
Исследуется распределение токов в каждой
Рис. 5.7 . Векторная
диаграмма конденса­
торного
двигателя­
при последовательно­
параллельном вклю­
чен:11,и обмоток статора
из фаз, напряжения на к--онденсаторе; определяется коэффициент
мощности для двигателя по формул~ (5.5). Значение рабочей ем­
кости в микрофарадах при обеих схемах включения находится по
формуле [3]
'\
Cp=2750//(UV1-coscp),
(5.7)
где И, /, cos (j) - линейные напряжения и ток, коэффициент мощ­
ности трехфазного двигателя в номинальном режиме.
Для трехфазных двигателей с номинальными напряжениям-и
220/127 В исследуется схема, изображенная на рис. 5.6, 6, а с нап­
r яжениями 380j220 В - схема на рис. 5.6, в. Для схемы включе­
ния обмотки статора в несимметричную звезду (см. рис. 5.2, г)
значения рабочих емкостей определяют по формулам
Сь=[106/Ф/(2л/ИФ)](siпср+соsср/VЗ);
(5.8)
Са=Сс =[106
/ Ф/(2:n/UФ)] ( sin <р- cos ср/VЗ) ; ]
Cd=[l05/Ф/(2:rt/UФ)] (cos rp/VЗ).
В формулах (5.8) используются фазные напряжение и ток, ко­
эффициент мощности, измеренные в номинальном режиме исход­
ного трехфазного двигателя.
57


Определение начальных пусковых моментов и токов. Пу~сковые
свойства двигателя характеризуются его пусковым моментом Мк
и пусковым током fк. Для микродвигателей при условии быстрого
выполнения опыта можно измерить Мн, 1-н и коэффициент мощно­
сти cos <р при номинальном напряжении. Для сравнения пусковых
свойств двигателя при различных схемах включения обмоток ста­
111.мин
1'1,<. маl(С
'
1,5М11
тора вычисляются кратности пусковых
моментов kп=Мн/Мн и тока ki =iнflв
(Мн и lн - номинальные момент и ток
для соответствующей схемы включе- .
ния двигателя). Пусковые момент и ток
определяются при номинальном на­
пряжении Ин для трехфазных (рис. 5.5)
и однофазных (рис. 5.6} двигатедей.
Для однофазных двигателей Мк опре­
деляется в зависимости от пусковой
а ~ -- - '- --' -- - --1. емкости Сп, Пусковую емкость следу-
Сп Сп ,-,,акс
б
ет изменять от значения ра1 очей ем-
Рис. 5.8 . - Кривые начальных
пусковых момента Мн и TQIКa
lн в_ зависимости от пусковой
кости Ср до емкости, обеспечивающей
кратность • ~пускового мом е,нта kп =
= 1,5-;-2.
емкости
Для получения максимального пу-
,
скового момента при последовательно-
параллельной схеме включения обмоток статора требуется пуско­
вая емкость
(5.9)
где lм - ток рабочей фазы при пуске и номинальном напряже-
нии Ив; f - частота сети.
.
Пусковое активное сопротивление выбирается так, чтобы _полу­
чить kп=О,8-Н , 5. Пусковое сопротивление, обеспечивающее наи"
больший пусковой момент, практически равно кажущемуся сопро­
тивлению вспомогательной фазы:
Rп.макс=И~/(3/кл).
(5.10)
На рцс. 5.8 показан примерный вид кривых Мн, lк в зависимо­
сти от Сп. При определенных сопротивлениях пускового элемента
достигаются максимальный пусковой момент и минимальный пус­
ковой ток. Характер этих зависимостей иллюстрируется круговой
диаграммой {3].
Наибольший пусковой момент при допустимых по н а греванию
rоках может быть достигнут у однофазных дВf!Гателей с пусковой
емкостью до (2-;-3,5) Мн. У трехфазных двигателей пусковой мо­
мент колеблется от 1,2 до 2,5 Мн , а у большинства двигателей с
:~усковым сопротивлением пусковой момент не превышает ( 1,0-; -
1,5) Мн.
Пусковой ток получается наибольшим у однофазных двигате­
лей с пусковым сопротивлением (6-; -9) fн, у двигателей с пусковой
емкостью он резко снижается до (3-;-5)/н, у трехфазных двигате-
58


,1ей пусковой ток изменяется в пределах (3+6)/5 . Следует иметь
в виду, что максимумы пускового момента и пускового тока не
совпадают. Выбор значения пускового элемента производится в
зависимости от поставленных требований. У двигателей с пуска•
вой емкостью значение емкости выбирают чаще всего иэ условий
получения заданного пускового момента или максимальной доб­
ротности пуска, т. е. наибольшего отношения kп=kп/ki. J1ногда
~тавится требование ограничения пускового тока.
Расчет пусковых элементов и компл~ксноrо П()Казателя качест­
ва с помощью ЭВМ. Зна1че~ния пуоковых емкостей для за'данных
кратностей пусковых моментов, равных 1,5 и 2,0 при различных
схемах включения универсального двигателя в однофазную ·сеть, и
комплексный показатель качества могут быть определены с помо­
щью ЭВМ. Известными считаются фазное сопротивление двиrате­
.:~я Z1,=ИнФ//1tФ и коэффициент мощности cos <рн при пуске, а так­
же кратность пускового момента -грехфазного двигателя kп 111 =
==M1t ш/Мн ш.
Сопротивление пусковых конденсаторов (Ом)
Xc=bZJ(a- -V а2 -4).
(5.11)
При ,соединении обмоток в симметричную звезду, треугольник
и последовательно-параллельном соединении (рис. 5.1, в, г, д) со­
ответственно
Ь= 1; а=2 si,n <rк+ VЗk0 ш cos <rк/ ku;
Ь= 1; а=2 sin <rк+kпш cos <rкl(VЗku);
Ь=2; а=2 si,n <rк+ УЗk0 ш cos rpJk0 •
Пусковая емкость (мкФ)
Сп= 106/(2л/Хе).
(5.12)
Комплексный показатель технико-эксплуатационных качеств
двигателя находится согласно {3]:
-
Q=Im-;q;,
(5.13)
где mi и ifi - коэффициенты весомости и относительные показате­
ли i-ro качества.
Для двигателей общепромышленного назначения в комплекс­
ный показатель технико-эксплуатационных качеств входят: КПД
ч (m~=0,16); коэффициент мощности cos q, (mcos '1'=0,08); отно­
шение массы двигате,1я к номинальной мощности G/Рн (тG/Рн=
=0,18); условный объем Vусл (mv усл=О,14); кратность пусково­
го тока ki (mki =0,06); кратность пускового момента kп (тkп=
=0,15); кратность максимального вращающего момента kм
(mkи=0,l).
Условный объем (мм 3 )
Vycл=4H 2 (L-l),
(5.14)
59


где Н - высота оси, м:м; L, l - общая длина машины и выступа­
ющих концов вала, мм.
Относительные показатели качества находят ли~бо как qi = q i/qб
(если у лучшей машины показатель должен быть выше) , либо как
'ii_i=q 6/qi (если он должен быть ниже), где qi и q6 - показат ел и
качества исследуемого и базового двигателей.
За базовые показатели следует принять данные лучшего дви­
гателя из сравниваемых. Рас-считываемый компJJексный показа­
тель для двигателей высшей категории должен быть Q:;;..0,94.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ
При исследовании рабочих и пусковых свойств трех- и одно­
фазных двигателей следует сравнить механические характеристики .
М =f(s), рабочие характеристики / 8 , Р8, cos <р, '1'\ в зависимости от
м
2,З
2,D
1,6
1,2
0,8
А
0,4
о
1
/
.._
-
---
71
'--
-- ...
Мнакс"7л--
1/! ''
',
,_
7
1-..
'
Ммаксп',
1
'
в
l
Ммаксl
li
с 0,2 0,4 D,б
-
----
-- --
'
'
'
'''·
0,8
5
Рис . 5.9. Механические характеристи­
ки трехфазного и однофазных двига­
телей
М и пусковые показатели kп и
ki, снятые при номинальном ли­
нейном напряжении.
На рис. 5.9 приведены к ри­
вые М =f(s) для трех- и одно­
фазных двигателей и показаны
. номи наль ные
моменты Мн111,
'Мн 11, Мн 1. трехфазного, кон­
денсаторного и однофазного
двигателей с пусковой емко­
стью, а также соответствующие
им скольжения Sн 111, Sн 11, Sн 1.
Перегрузочная способность
трехфазных двигателей k,,1 =
= 1,673, кратность пускового
момента kп= 1,272,5.
Из рассмотрения кривых
видно, что максимальный мо­
мент однофазного двигателя с
пусковой емкостью М~~анс 1
уменьшается почти вдвое по
срав.нению с моментом трех­
;Фазного двигателя. При сохра-
1
нении перегрузочной способно­
.сти kм=Мман с /Мн его НО:1,1И­
на льн ый момент Мн1 уУiеньша­
ется до 40-50% от Мн ш. Сни­
жение максимального и но:1-rи-
нального моментов обу сло в.1е­
но влиянием обратного поля, создающего тормозной момент. В ре­
жиме холостого хода влияние обратного поля на момент почти ис­
чезает~ а прямое поле в однофазной машине такое же, как в трех­
фазнои машине (при условии, что напряжение рабочей обмотки
60


однофазного · двигателя равно лин~йному напряжению). Частоты
вращения холостого хода одно. и трехфазных двигате лей пра ктиче­
ски одинаковы, так как механические потери постоянны. Неустой­
чивая часть характеристики момента М =,f (s) от s= Sмакс до s = l
показана на рис . 5.9 штриховой линией. Для однофазных двигате­
лей она зависит от типа пускового элемента и его значения.
Для конденсаторного двигателя кривая моментов для скольже­
ний от О до Sмакс занимает промежуточное положение между кри-
Рис. 5.10. Зависимости потребляе­
мых из сети тока ls, мощности Ps
от вращающего момента М для
трехфазного III, конденсаторного
II, однофазного с пусковыми эле-
ментами I двигателей
ТJ, сvsср.
~ о~----------f\1
Рис. 5.11. Зависимость ко•
эффициентов полезного дей•
СТВИЯ '1 '] , МОЩНОСТИ COS (j)
от вращающего момента М
для трехфазного III, конден­
саторного II и однофазного
с п усковыми элементам.и I
двигателей
выми для трех- и однофазного двигателей. Обратное поле в кон­
денсаторном двигателе обычно меньше, чем в однофазном двига­
теле с пусковыми элементами.
Наибольшая кратность пускового момента (при s=l) достига­
ется у двигателей с пусковой емкостью иногда до kп=З+З,5; та­
кие двигатели применяются для тяжеJiых условий пуска. В насто­
ящей работе пусковая емкость Сп выбирается так, чтобы нолучить
ku= 1,5+2, что соответствует наиболее распространенным значе­
ниям . Для двигателя с рабочей и пусковой емкостью принимается
та же пусковая емкость Сп, что и для двигателя с пусковой емко­
стью. Пусковой момент у конденсаторных двигателей с одной ра­
бочей емкостью мaJI: Ми= (О,l+О,55)Мном, так как при Сп=Ср
поле в машине резко эллиптическое; большое влияние оказывает
обратное поле. Такие двигатели могут применяться только для
легких условий пуска. У двигателей с пусковым сопротивлением
пусковой момент составляет Мп= (О,8+1,5)Мн 1.
На рис. 5.10 приведены зависимости тока сети / s=f (М) и по­
требляемой мощности P8 = .f(M) от мощента на валу для различ­
ных схем универсального двигателя. Наибольший ток получается
у однофазного двигателя с пусковыми элементами. В режиме хо-
61


лостого хода ток у однофазного двигателя, как известно, больше,
чем у трехфазного, примерно в три раза. Увеличение тока холос­
того хода объясняется тем, что его реактивная составляющая (на­
магничивающий ток, затр ·ачиваемый на создание и проведение
главного потока) образуется только за счет тока прямой последо­
вательности. При нагрузке однофазного двигателя его 'ГОК резко
увеличивается из-за токов обратной последовательности. По той же
причине увеличивается и ток конденсаторного двигателя в сравне­
нии с трехфазным, но в меньшей степени, так как влияние токов
обратной последовательности у этого тина двигателей меньшее.
Наибольшую мощность из сети потребляет однофазный двига­
тель, работающий при пульсирующем поле статора. Его потери
возрастают вследствие увеличения тока, а также потерь в стали
от поля обратной последовательности. Наименьшую мощность из
сети потребляет трехфазный двигатель, работающий при круговом
вращающемся поле, он им·еет и наибольший коэффициент полезно­
го действия (рис. 5.11). Максимум КПД у однофазных двигателей
смещается в сторону меньших нагрузок, так как потери, не зави•
сящие от нагрузки (в стали и механические), изменяются мало, а
переменные электрические потери возрастают из-за увеличения то­
I<а. Коэффициенты мощности для различных двигателей показаны
на рис. 5.11 . Наибольший cos ер= 0,90--; -0,99 имеют конденсатор­
ные двигатели; он превышает коэффициент мощности_ трехфазных
двигателей.
•
Данные, характеризующие рабочие и пусковые свойства уни­
версального двигателя, при различных схемах включения обмоток
статора рекомендуется для сравнения выписать в отдельную таб­
лицу.
При сравнении исходной величиной является номинальный мо­
мент трехфазного двигателя Мн ш. Номинальные моменты одно­
фазных двигателей принимают соответственно для двигателя с
пусковыми элементами Мн 1= (0,4--;-0,5)Ми ш, для конденсаторно­
го двигателя Мн н= (0,7+0,8)Мн ш-
Все величины, характеризующие номинальный рабочий режим:
скольжение sн, полезную мощность Ря н, ток сети lн, коэффициент
полезного действия 'l'Jн, коэффициент мощности cos (J)н, - находят
из рабочих характеристик данного типа двигателя для его номи­
нального момента. Перегрузочную способность kм и кратность
пускового момента kп определяют по отношению к номинальному
моменту для данного типа двигателя, а кратность пускового тqка
_qi
-
по отношению к номинальному току данного двигателя.
Наиболее простой схемой включения конденсаторного двигате­
ля с рабочей емкостью является схема, в которой обмотки стато­
ра включены в симметричную звезду ( см. рис. 5.2, а). По сравне­
нию с последовательно-параллельным включением обмоток (см.
рис, 5.2, в) удается получить более равномерное распределение то­
ков и потерь по фазам и несколько увеличить КПД. При ВКJ1юче­
нии обмоток статора в несимметричную звезду и использовании
четырех емкостей удается за счет усложнения схемы (см. рис.
62


,:
5.2, г) достичь у конденсаторного двигателя той же номинальной
мощности,. что у исходного трехфазного. Однако перегрузочная
сrюсобность и пусковые показатели оказываются худшими.
Вопросы для самопроверки
1. Назовите наиболее распространенные схемы включения трехфазного асин­
хронного двигателя в однофазную сеть.
2. Каков характер поля в двигател ях трехфазном , однофазном с -пусковыми
элементами (в рабочем режиме), конде1;1саторном с рабочей емкостью?
3. При каком скольжении в двигателях с пусковым элементом и конденса­
торном (с рабочим и пусковым конденсатором) целесообразно отключить соот­
ветственно пусковую обмотку и пусковую емкость?
4. Какие показатели характеризуют рабочий и пусковой режимы асинхрон­
ного двигателя? Чему они равны для трехфазного, конденсаторного и однофаз­
ного двигателей?
5. В какой из исследуемых схем включения трехфазного двигателя можно
получить лучшие : а) рабочие свойства; б) пусковые свойства?
6. Каким образом выбираются рабочая и пусковая емкость в конденсатор­
ном двигателе? пусковое сопротивление и пусковая емкость в однофазном дви­
гателе с пусковыми элементами?
7. При каком пусковом элементе в однофазном двигателе получится наи­
меньший пусковой ток при одном и том же значении вращающего момента на
валу?
8. Какая из схем включения трехфазного двигателя в однофазную сеть
позволяет получать наибольшую полезную мощность? Чему она равна по срав­
нению с полезной мощностью исходного трехфазного двигателя?
9. Почему ток холостого хода однофазного двигателя с пусковым элемен­
том больше, чем у трехфазного двигателя?
10. Сравните энергетическую диаграмму трех- и однофазного асинхронных
двигателей и объясните, почему у трехфазного двигателя коэффициент полезного
действия больше.
11. Как можно проверить, что в асинхронном конденсаторном двигателе
создано круговое вращающееся поле в номинальном режиме? в режиме пуска?
12. Как изменить направления вращения в асинхронном конденсаторном
двигателе? · Можно ли реверсировать двигатель на ходу?
§ 5.2. ОДНОФАЗНЫЯ АСИНХРОННЫЯ ДВИГАТЕЛЬ
С ЭКРАНИРОВАННЫМИ ПОЛЮСАМИ
Однофазные явнополюсные асинхронные двигатели мощностью
от долей ватта до нескольких десятков ватт широко применяются
для привода приборов микроклимата (вентиляторов, тепловенти- -
ляторов, воздухоочистителей, климатизеров, увлаж(!ителей) и при­
боров личной гигиены (фенов, рукосушителей). Они используются
также в бытовых магнитофонах, рекламных устройствах, проигры­
вателях, кино- и диапроекторах, игрушках. Самым распростра­
ненным типом является двигатель с экранированными полюсами
(АДЭП), имеющий короткозамкнутые витки на полюсах. Выпус­
каются также явнополюсные конденсаторные двигатели (АДКЯ)
и двигатели с асимметричным статором (АДА).
Конструктивные схемы наиболее распространенных отечествен­
ных асинхронных явнополюсных микродвигателей показаны на
рис. 5.12. На рис. 5.13 приведена конструкция двигателя с экрани­
рованными полюсами типа ДВ2. Двигатели чаще всего выполняют-
63


J
J
J
J
2
а)
8)
2
5
J
г)
а)
е)
Рис. 5.12 . Конструктивные схемы однофазных асинхронных явнопо­
люсных двигателей:
1 - сердечник статора; 2 - обмотк!I статора; 3 - короткозамкнутый виток;
4
~ магнитный шунт; 5
-
крестов1N1а; 6
-
спинка статора; 7 - п11астмассовый
каркас; 8
-
мостик насыщения
Рис. 5.13. Конструкция двигателя с экранированными полюсами ДВ2:
1
-
ротор; 2
-
обмотка статора; 3 - . короткозамкнутый виток;
4
-
подшипник
ско11ьження; 5 - крестовина; 6 - спинка статора
J


ся двух- или четырехrюлюсными с неразъемным (рис. 5.12, а, в,
г, е) и с разъемным пакетом статора, состоящим из крестовины и
ярма (рис. 5.12, 6, д). У АДЭП часть полюса (1/ 5- 1/ 3 полюсной
дуги) экранируется короткозамкнутым витком, для размещения
1юторого на полюсах имеются специальные пазы. Короткозамкну­
тые витки выполняются из алюминия или меди .. Обмотка статора у
всех машин сосредоточенная, выполняется в виде катушек с внеш­
ней изоляцией, надеваемых на полюса. Иногда обмотка статора
располагается на пластмассовом каркасе, в этом случае она может
и не иметь внешней изоляции.
Имеются АДЭП, у которых обмотка статора вынесена (рис.
5.12, в). Обмотка статора подключается к однофазной сети пере­
менного тока. Между явновыраженными полюсами статора нахо­
дятся магнитные шунты. Они выполняются либо вставными рав­
номерного сечения, либо, как в двигателях: с разъемным статором,
выполняются вместе с полюсами в виде единой крестовины и
обычно имеют переменное сечение (рис. 5.12, 6, д). В АДЭП 'маг­
Р.Итные шунты увеличивают взаимосвязь между главной обмоткой
статора и короткозамкнутыми витками, выполняющими фуr1кцию
вспомогательной обмотки. Они также улучшают форму и характер
поля в воздушном зазоре.
В двигателях с асимметричным статором (рис. 5.12, г) кроме
главных полюсов есть вспомогательные; магнитный шунт встав­
ной. На статоре имеется только обмотка возбуждения, магнитная
асимметрия создается за счет разных толщин ярем на отдельных
участках. В явнопоJ1юсных конденсаторных двигателях при 2р=2
n каждой фазе имеются две катушки обмотки возбуждения, оси
фаз смещены в пространстве на электрический угол в 90°. На рис.
5.12, д показан конденсаторный двигатель с разъемным статором:,
имеющий полюсный сердечник (крестовину), совмещенный с щун­
rами переменного сечения. Иногда такой шунт имеет специальный
мостик насыщения (рис. 5.12, 6, д).
Двигатели выполняются и с магнитной системой, не имеющей
магнитных шунтов (рис. 5.12, е), в этом случае полюсные наконеч­
ники сближены между собой: Известны конструкции совмещенных
двигателей-трансформаторов, предназначенных для кассетного
магнитофона.
Принцип действия АДЭП основан на создании эллиптического
вращающегося по.ля, образованного из-за пространственного сдви­
га (на электрический угол 8=30-; -60°) и сдвига по фазе во вре­
Nени между потоками !3 неэкранированной и экранированной час­
тях полюса. Если не учитывать реакцию ротора и влияние магнит­
ных шунтов, то можно рассматривать обе обмотки как двухобмо­
точный траноформатор, у которого вторая обмотка замкнута (рис.
5.14). I(ороткозамкнуrый виток, по которому про1екает ток.Iк, соз­
дает поле реакции Фи, стремящееся ослабить поле в экранирован­
ной части полюса Ф 1 '', созданное главной обмогкой. Суммарный
поток, пронизывающий короткозамкнуть1й виток (поток экраниро-
ванной части полюса) Ф=Ф 1 " +Фк наводит в короткозамкнутом
~ml
~


витке ЭДС Ек. Он сдвинут по отношению к поrо.ку неэкранирован­
ной части полюса Ф1 1 на некоторый сравнительно небольшой угол
у. Таким образом, за счет экранирующего действия короткозамк­
нутого витка создается эллиптическое вращающееся поле, под
действием котороrо ротор приходит во вращение в направлеюп,
от неэкранированной части полюса к экранированной. Пусковой.
момент двигателя Мк=kФ{Ф sin "r сравнительно невелик.
ct)
а~
Гла8иая/ Ф/
обмотка •~
Короткозамк- 1 к
нутый fJumoк
•
б)
Рис. 5.14, Упрощенная векторная диаграмма
АДЭП (а) и картина распределения потоков
(б)
При выборе наилучшей
конструкции и технологии
изготовления для АДЭП
главным является стрем­
ление получить наибо.:1,•,~
совершенное поле в воз­
душном зазоре машины и
при6лизить его макси­
мально возможно к кру­
говому, чтобы улучшить.
энеоrетические соотноше­
пия·. Важно подобрать на­
илучшую кривую поля на
полюсном делении - под
полюсом
и
шунтами_
При оптимизации гео­
метрии магнитной цепи особое внимание уделяется уменьше­
нию влияния третьей пространственной гармонической, вызываю­
щей провал в кривой момента и обусловливающей значение мини­
цального вращающего момента. Снижение влияния третьей гар­
монической поля достигается выбором степени экранирования
(при однократном экранировании и электрическом угле, близком
к 60°), оптимальной геометрии магнитной цепи и степени насыще­
ния ее отдельных участков, значения и конфигурации воздушного
зазора, активного сопротивления короткозамкнутого витка. В част­
ности, применяются двигатели с увеличенным воздушным зазором
под частью неэкранированного участка полюса или без коротко­
замкнутых витков, но со ступенчатым воздушным зазором, и др.
Теория двигателя с экранированными полюсами весьма сложна и
изложена в специальной литературе.
В последних работах основные уравнения ЛДЭП получены на
основе модифицированного метода симметричных составляю­
щих - метода симметричных режимов, учитывающего электриче­
скую, пространственную и магнитную асимметрию машины. Элек-
1ромеханические характеристики двигателя определяются либо по
эквивалентной первой гармонической поля, либо с учетом всего
спектра пространственных гармоник поля.
Из-за сложности электромагнитного расчета АДЭП длитель­
ное время характеристики (в частности, КПД, cos ер, кратность
пускового и максимального моментов, ви6роакустические показате­
ли) улучшались макетно-экспериментальным методом. Отсюда та­
кое разнообрази~ конструктивно-технологических решений. Приме-
66


Jlение современных методов проектирования с широким использо- ·
ванием ЭВМ способствовало созданию новых единых серий явно­
полюсных асинхронных микродвигателей с высоким техническим
уровнем.
Сравнительные ;:;.анные явнополюсных асинхронных двигателей
разных типов приведены в табл. 5.2. Большинство из них применя­
ется для привода бытовых вентиляторов и должны удовлетворять
требованиям ГОСТ 17018-79. На
рис. 5.15 показаны зависимости
КПД и массы двигателей разных С,кг _71
_
, ·_1/._____"'----
типов от полезной мощности, регла­
ментируемые этим ГОСТом. Допус­
ки на номинальные данные и пара­
метры двигателей - оговорены в J i-. :::
3-=-
0----.~<---~---....J
ГОСТ 16264-78 (см. табл. 5.1). В
•1астности, предельные допустимые
отклонения КПД для значений ТJ~
~ 0,15 составляют 0,05(1-ri), а для
значений 0,15~ri~0,25 равны
-
0,08 ( 1-ri).
Приведенные сведения об АДЭП
хорошо иллюстрируют их достоинст­
ва и недостатки. Асинхронные дви­
гатели с · экранированными полюса­
ми выделяются из асинхронных
микродвигателей простотой конст­
рукции и технологии изготовления,
высокой надежностью, удобством в
-➔ ксплуатации. Они не требуют до­
бавочных фазосмещающих элемен­
-АКД
--АД ЗП,АДА
о
10
го
Рис. 5.15. Зависимость КПД и
массы двигателя от номинальной:
мощности по гост 17018-79
тов н пусковых устройств, отличаются по сравнению с конденсатор-
11ыми двигателями с распределенной обмоткой более низкой трудо­
емкостью изготов.r1ения (в 3,8-4,6 раза) и себестоимостью (в 1,6-
2,4 раза).
К недос таткам двигателей с экранированными полюсами мож­
но отнести : 1) сравнительно небольшие коэффициенты полезного
действия (У\= 10+40 % ) и коэффициенты мощности (cos ер=
= 0,45+0,7), что ограничивает применение двигателей этого типа
мощностями в несколько десятков ватт; 2) сравнительно малые
пусковые моменты (k11 ~ Мн/ Мн= О, 1+О ,7), обусловливающие при­
менение двигате,1я в приводах с легкими условиями пуска; 3) от­
су тствие реверса.
Цель исследован и я асинхронных двигателей с экраниро•
ва нными полюсами - изучение их рабочих и пусковых свойств, а
также влияния на их характеристики основных конструктивных
элем ентов: короткозамкнутых витков, ротора, магнитньtх шунтов.
В качестве объекта испытания могут использоваться двигатели с
экранированными полюсами современных серий.
67


~
Т
а
б
л
и
ц
а
5
.
~
Г
а
б
а
р
и
т
н
ы
е
"
"
(
1
)
-
:
Р
и
,
р
а
з
м
е
р
ы
,
м
м
~
~
~
Т
и
п
С
е
р
и
я
2
р
'
l
н
•
%
0
1
1
'
k
м
k
L
,
U
е
н
а
.
а
t
i
:
:
~
Н
а
з
н
а
ч
е
н
и
е
В
т
K
I
'
1
1
С
О
$
<
р
n
.
Б
·
А
р
у
б
.
1
1
L
-
1
t
~
'
1
А
в
;
:
"
'
.
о
=
"
'
~
i
-
"
~
-
-
А
Д
Э
П
I
I
Д
В
Л
В
1
,
6
-
2
1
1
,
6
l
2
1
9
2
,
0
1
0
,
4
4
1
1
,
6
0
1
О
,
7
0
1
0
,
7
3
5
[
3
5
1
2
,
3
5
1
6
3
1
7
9
1
-
~
-
'
а
I
В
е
н
т
и
л
я
т
о
р
ы
А
Д
А
1
А
Д
1
,
6
-
2
/
3
2
А
[
1
,
6
1
2
1
1
,
0
1
0
,
3
5
1
1
,
6
0
0
,
4
0
1
-
1
3
0
1
-
3
,
5
0
1
5
4
1
4
9
5
6
1
г
1
»
А
д
К
Я
К
д
1
,
6
-
2
/
3
2
П
1
,
6
2
1
1
,
8
0
,
5
2
1
,
8
0
0
,
7
0
0
,
9
0
5
3
0
3
,
7
8
6
0
6
0
6
2
д
Э
л
е
к
т
р
о
п
р
о
-
и
r
р
ы
в
а
т
е
л
ь
и
з
в
у
к
о
з
а
п
и
с
ы
в
а
-
ю
щ
и
е
у
с
т
р
о
й
с
т
·
-
в
а
Д
В
Н
-
8
3
,
3
2
1
3
,
2
0
,
6
4
1
,
9
8
0
,
3
9
0
,
6
9
3
3
7
-
7
5
1
0
0
5
8
а
В
е
н
т
и
л
я
т
о
р
ы
А
Д
Э
П
2
Д
В
Л
В
4
-
2
4
,
0
2
1
5
,
5
0
,
6
4
2
,
2
0
0
,
3
0
0
,
6
5
0
3
5
2
,
4
0
7
5
1
0
0
5
8
а
:
.
Л
а
д
а
3
,
5
2
1
5
,
5
-
2
,
0
0
0
,
8
8
0
,
4
4
0
3
4
-
-
-
-
в
Ф
е
н
-
-
-
·
-
А
Д
А
I
А
Д
4
-
2
/
4
0
А
1
4
,
О
1
2
l
l
~
o
,
5
6
1
1
,
4
0
1
0
,
4
5
l
o
,
5
5
0
f
3
0
-
1
4
,
3
0
\
~
3
1
~
~
1
6
3
1
г
I
В
е
н
т
и
л
я
т
о
р
ы
д
к
.
в
4
-
2
4
,
0
2
1
8
,
0
0
,
5
3
1
,
2
0
0
,
5
0
0
,
8
6
0
3
5
6
,
3
8
-
-
-
д
В
е
н
т
и
л
я
т
о
р
9
1
,
.
'
i
_
:
.
_
д
и
а
-
и
к
и
н
о
-
л
р
о
е
!
(
т
о
р
ь
r
А
д
К
.
Я
К
д
4
-
-
-
2
/
4
0
П
4
,
0
2
2
0
,
2
.
0
,
6
9
2
,
2
0
1
,
0
0
0
,
8
2
5
3
4
4
,
5
9
7
2
7
2
6
0
а
•
Э
л
е
к
т
р
о
п
р
о
-
и
г
р
1
,
1
в
а
ю
щ
и
е
ц
з
в
у
к
о
з
а
п
и
с
ы
в
а
-
ю
щ
и
е
у
с
т
р
q
,
ц
-
с
т
в
а
.
.


П
р
о
д
о
л
ж
е
н
и
е
т
а
б
л
.
5
.
2
Г
а
б
а
р
и
т
н
ы
е
"
'
Р
н
,
р
а
з
м
е
р
ы
,
м
м
[
~
~
Т
и
1
1
С
е
р
и
я
'
1
н
•
%
G
~
,
k
м
k
L
,
U
е
н
а
,
Н
а
з
н
а
ч
е
н
и
е
В
т
2
р
1
1
c
o
s
'
1
'
д
Б
,
А
р
у
б
.
А
1
1
L
-
l
"
-
>
<
.
к
г
t
;
c
.
,
t
.
r
.
1
в
=
t
.
:
J
о
"
:
s
:
:
.
:
"
'
"
"
~
Д
В
I
6
,
0
4
1
5
,
0
0
,
8
5
1
,
3
0
0
,
4
0
0
,
5
8
7
4
0
2
,
8
5
7
5
1
1
5
6
8
а
В
е
н
т
и
л
я
т
о
р
~
·
Д
В
2
6
,
0
4
1
8
,
4
0
,
9
5
1
,
6
0
0
,
4
0
0
,
5
8
1
3
6
4
,
5
0
7
5
1
0
5
6
3
б
»
А
Д
Э
П
2
Д
В
Л
В
6
-
2
6
,
0
2
1
7
,
5
0
,
6
3
2
1
,
5
0
0
,
3
0
0
,
7
1
0
3
5
2
,
4
5
7
5
1
0
5
6
3
а
»
3
Щ
3
Л
В
6
-
4
6
,
0
4
1
3
,
2
0
,
8
6
1
,
3
7
0
,
6
5
0
,
5
9
0
3
5
4
,
5
0
7
7
1
1
5
6
8
б
»
А
Д
6
-
4
/
4
0
Е
6
,
0
4
1
5
,
8
0
,
8
4
1
,
4
0
0
,
6
0
0
,
6
8
2
3
0
-
7
5
7
5
6
6
е
»
-
-
·
,
А
Д
А
А
Д
6
-
2
/
3
6
А
6
,
0
2
1
8
,
8
0
,
6
8
1
,
5
0
0
,
5
7
0
,
5
7
0
3
0
4
,
7
0
6
3
,
6
0
6
8
г
.
Э
л
е
к
т
р
о
п
р
о
-
и
г
р
ь
ц
э
а
ю
щ
и
е
и
з
в
у
к
о
з
а
п
и
с
ы
в
а
•
ю
щ
и
е
у
с
т
р
о
й
-
с
т
в
а
д
к
в
6
-
4
6
,
0
4
2
6
,
8
0
,
8
4
1
,
2
0
0
,
5
0
0
,
9
3
0
3
6
-
-
-
-
д
В
е
н
т
и
л
я
т
о
р
ы
,
д
и
а
-
и
К
И
Н
О
·
п
р
о
е
к
т
о
р
·
ы
А
Д
К
Я
К
д
6
-
2
/
4
0
П
6
,
0
2
2
3
,
0
0
,
8
7
1
,
8
5
0
,
6
5
0
,
7
6
0
3
5
5
,
0
0
7
2
7
2
5
6
д
Э
л
е
к
т
р
о
п
р
о
-
и
г
р
ы
в
а
ю
щ
и
е
и
з
в
у
к
о
з
а
п
и
с
ы
в
а
-
ю
щ
и
е
у
с
т
р
о
й
-
с
т
в
а
'
$


ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИЙ
А. Экспериментальные исследования
1. Ознакомиться с конструкцией асинхронного двигателя с ко­
роткозамкнутым виrком на полюсе и его паспортными данными.
2. Снять рабочие характеристики двигателя п, I8 , Р8, Рн, cos q>,
,
1 в зависимости от М при И= V11 =const: а) с короткозамкнутыми
витками и магнигными шунтами; б) без короткозамкнутых вит- -
ков; в) с вынутыми магнитными шунтами.
3. Измерить пусковые ток и момент двигателя: а) с магнитны­
ми шунтами; б) <:: вынутыми магнитными шунтами при И=О,9Ив
и V=Uн.
4. Определить напряжение трогания при различных положени-
ях ротора.
5. Снять кривую разбега M=f(t).
Б. Расчеты и построения
На основании -результатов , экспериментального исследования:
1. Вычертить эскиз двигателя с короткозамкнутым витком на
r1олюсе. При выполнении эскиза использовать стенд с деталями
двигателя.
2. Построить на одном графике кривые моментов М =f(s)
д_.11я двигателей п. 2а, б, в.
3. Построить рабочие характеристики для двигателей п. 2 а, б, в.
На одном графике ls=f(M), Ps~f(M), на другом -
-ri=f(M),
cos (fJ=f (М).
4. Провести анализ результатов испытаний и оценить уровень ка­
чества испытуемого двигателя.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ
Объектом исследования служит однофазный асинхронный мик­
родвигатель с экранированными полюсами. Перед началом работы
следует ознакомиться с его номинальными данными Ин, lн, Рн, nя
и рассчитать номинальный вращающий момент (Н •м):
Мн=РRнf(О, 105nн),
где Рнн - номинальная полезная мощность, Вт; nн - номинальная
частота вращения, об/мин.
Все опыты проводятся по схеме (рис. 5.16), выбранной из сооб­
ражений ' минимальной погрешности на собственное потребление
приборов. Перед началом опыта следует оценить погрешн ос ть, вно­
симую приборами (см. гл . 1), и, если потребуется, ввести поправки
на собственное потребление приборов. Вольтметр рекомендуется
применять электрщшый или выпрямительный.
В работе исследуются три двигателя одного типа. Один двига­
тель полностью собран (имеются короткозамкнутые витки и маг­
нитные шунты); у второго двигателя сняты короткозамкнутые вит­
ки, у третьего двигателя вынуты магнитные шунты .
70


Рабочие характеристики и пусковые показатели. Рабочие ха­
ракте р истики и пусковые показатели исследуются для трех типов
двигателей с целью выявления роли отдельных конструктивны х эле-
1\,е нтов .
Двигатель с коротк о замкнутыми вит к ами и
м а г н и т н ы м и шунт а ми. Рабочие характерист_ики двигателя
п, 1s, Р8, Рп, cos ер, Т\ в зависимости от М снимаются при постоJ1нном
напряжении И= Ин =const и изменении м о меljта на валу от А1 =О
( холостой ход) до максимально­
го момента М =Ммакс, соответст­
в у ющего максимальному откло­
не н ию стрелки тормоза. Следует
измерить все величины при номи­
нальном моменте и проверить со­
ответствие номинальных данных
паспортным.
Нагрузка двигателя и измере­
ние момента произво д ятся с по­
мощью лент о чног о тормоза с ма­
ятником (описание тормоза и его
г р а дуировку см. в гл. 2). Измере­
ние частоты вращения рекомен-
Рис. 5.16. Схема для исследован11я
двигателей с экранированными по-
люсами
"
дуется производить стробоскопическим методом.
При снятии рабочих характеристик измеряются напряжение, по­
д аваемое к д вигателю И, потребляемый и з сети ток 1s, потребляе­
мая мощность Р8, момент на валу двигателя М .и частота враще­
ния п. Результаты измерений и расчета рекомендуется свести в таб­
лицу. Расчетные величины 'о пределяются по формулам:
полезная мощность на валу (Вт)
PR=0, 105Мп,
где М - момент, Н •м; п - частота вращения, об/мин;
коэффициент полезного действия ( % )
11= l00PRfPs;
коэффициент мощности
cos r.p=Psf(Uls);
скольжение
где пс - синхронная частота вращения.
(5.15) ,
(5.16)
(5.17)
(5.18)
Для исследования пусковых свойств двигателя измеряют пуско­
вые токи lк , пусковые моменты Мк и потреб.д.яемую мощность при
пуске Рн. Чтобы оцен ить влияние понижения напряжения на пус­
ковые показатели, измерения производят при двух значениях на­
пряжения: И=Ин и И=О,9 Ин.
П усковой момент определяют по отклонению стрел ки тормоза
нри остановке двигателя или в момент тр о гания при пуске.
71


По данным , опытов рассчитывают кратности пусковых то,юв
ki=l,j/11 и пуско вых моментов k11 =Мк/М11, где / 11 , Мн- номинальные
ток и момент двигателя.
Кроме того, исследуется влияние пол о жения ротора (расположе ­
ния зубцов ротора по отношению к полюсам статора) на напряже­
ние трогания, т. е. минимальное напряжение, при котором двигатель
начина ет вращаться. Напряжение трогания вначале определяется
при произвольн о м пол о жении ротора, затем ротор постепенно пово-
рачивается на 20-30°. Напряжение
трогания изменяется в широких пре­
де лах и учитывается при оценке пу­
сковых свойств двигателя . Необхо­
д имо проверить, чтобы при пониже­
нии напряжения сети до И=О,9 Ин
(учитывая возможные колебания
напряжения сети на ± 1О % ) двига­
тель начинал вращаться при любом
лоложении ротора.
Двигатель без короткo-
t замкнутых витков. Таккак
Рис. 5.17 . Кривая разбега М =f (t)
двигателя с экранированными по­
люсами, снятая с помощью изме-
рителя ускорений на самописце
при снятом короткозамкнутом вит­
ке Мп=О, то двигатель предвари­
тельно сл еду ет разогнать от другой
машины (полностью собранной).
При запуске от руки или с помощью
шнура двигатель · может остановиться («застрять») при частоте
вращения, равной 1/з синхронной из-за провала в кривой момента
(рис. 5.17).
Методика получения рабочи х характеристик аналогична мето­
дике для полностью собранной машины .
Д в и r ат ель без магнитных шунтов .. Рабочие характе­
ристики двигателя без магнитных шунтов снимаются так же, как
и для полностью собранной машины. Результаты измерений запи­
сываются в таблицу.
Для оценки пусковых свойств двигателя при номинальном на­
пряжении И= И11 измеряются пусковой момент, пусковой ·ток и мощ­
ность при пуске и рассчитываются кратности пусковых тока и мо­
мента.
Определение кривой момента. У двигателя с короткозамкнутым
витком на полюсе обычно имеется значительный провал в кривой
момента M=f(t), обусловленный высшими гармоническими поля
в зазоре . Этот провал соответствует третьей гармонической. Осо­
бенно резко он проявляется при снятии короткозамкн утого витка.
Провал может быть обнаружен и измерен при снятии кривой раз • •
бега машины М = f ( t), которая записывается с помощью датчика
момента на специальном самописце (см. гл . 2) для двигате л я с ко­
роткозамкнутыми витками и бе з них. Примерный вид кривой раз­
бега показан на рис. 5.17.
72


АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИИ
Для оценки свойств двигателя с короткозамкнутыми витками на
п олюсах и выявления вл ияния его основных конструктивных эле­
ментов (короткозамкнутых витков, магнитных шунтов) сравнива­
ются кривые момента М =f(s),
рабочие характеристики и п уска- М
вые показатели для всех иссле­
дуемых двигателей: полностью со-
бранного, без короткозамкнутых
',,
.,,
витков, без магнитных шунтов.
,,
,_
Кривые моме1:_1та М = f (s)
,,
~
представлены на рис. 5.18. В диа-
Ммакс ',,
-~
пазоне скольжений от S=Sманс до
',,
-
~
s = l кривая M=f(s) не снимает-
',,,
ся (на рис. 5.18 показана идеали- 0
L.Ш..J___..J..________---' :- --::
зированная кривая -без учета вые-
Sн 5макс
S
ших гармонич е ских).
Кривые / 8 , Р8, Рн в зависимое- Рис . 5.18. К:ривая моментов M=f(s)
тн от М представлены на рис. 5.19,
для двигателей:
с короткозамкнутыми вит-
а КрИБЫС 't], COS 't] В ЗаВИСИМОСТИ ОТ ками и ма гнитны м и шунтами; - - - без
М - на рис. 5.20. Основные пок а - короткозам к нутых витков ;
-·-·-
без
магнитных шунтов
затели рабочего и пускового ре-
жимов: потребляемые ток 1s и
м ощность Ps, поле з ная мощн о сть Р нн, номина л ьная частота враще­
ния nн, 'YJ, cos ер, кратности максимального kм и пускового ,kп момен­
тов, кратность пускового тока ki - следует свести в таблицу .
Для всех сравниваемых двигателей принимается одно значение
номинального вращающего момента. Рассматривая перечисленные
характеристики, можно сдел ать некоторые выводы о свойствах •
двигателей с ко роткозамкнутым витком:
l. Наибольший КПД соответствует моменту, близкому к макси­
мальному. Поэтому для лучшего использования двигателя стремят­
~.: я работать вблизи опрокидывающего момента. Кратность макси­
мального момента невелика: kм~ 1,3.
2. Ток двигателя 18 мало меняется от режима холостого хода до
р ежима номинальной нагрузки. При заторможенном роторе ток не­
:1 начительно увеличивается по сравнению с номинальным. Это мож-
110 объяснить, рассматривая двигатель как трехобмоточный транс­
формато р . (главная обмотка, виток, ротор), который находится ~
режиме короткого замыкания.
Такое и з менение тока статора - одно из характерных свойств
двигателя. Поэтому двигатель на дежен и допускает большое число
включений .
3. Короткозамкнутый виток позволяет получить в машине э·л­
липтическое вращающееся поле и создать пусковой момент (см.
рис. 5. 18). Однако потери в короткозамкнутом витке весьма велики.
Поэтому при снятии витка потребляемая мощность и перегрузочная
73


способность двигателн в рнде случаев заметно снижаются (см.
рис. 5.19).
4. Магнитные шунты позволяют повысить вращающий момент
(см. рис . 5.18). Это объясняется тем, что они увеличивают взаимо­
связь между главной обмоткой и короткозамкнутым витком, а так­
же способств у ют соз д анию более совершенного магнитного поля
(улу чшают форму поля в зазоре, уменьшают обратное по.пе) .
.
В дdигателе с вынутыми магнитными шу нтами значительно ув е­
личиваются потребляемый ток и потребляемая из сети м о щность
(см. рис. 5.19), что приводит к резкому снижению коэффициента
полезного действия ( см. рис. 5.20).
с ""--------------, -
"1:-
Рис.• r>.19 . Зави с имость тока / s, мощно­
сти потребления Ps, полезной мощности
Рн от вращающего момента М для дви-
гателей:
с короткозамкнутыми ви тками
и магнитными шунта ми; - - - бе з коротr-.:о­
замкну ты х витк ов; -·- ·-
без магнитных
-·
шунтов
CJSQ, 7]
1
,
cos !р
------·-·г·-·-
--
l-----
------
,,,,,,-
О"'------------
Рис. 5.20. Зависимости коэффициен­
тов мощности eos ер, полезного дейст­
вия Т] от вращающего момента М для
двигателей:
с короткозамкнутыми вит­
ками 11 магнитнымв шунтами; - - - без
кор от 1{озам кнутых витJ<о в; -
·-
·-
без
м а гнитны х шунтов
Чтобы оценить уровень качества исслед уемого двигателя с экра­
нир ованными полюсами, следует сравнить его с лучшими отечест­
венными и ин остранными д вигате л ями, пользуясь методикой, опи ­
сываемой ниже.
Коэффици ент технич еского уровня для вентиляторных двигате­
лей определяется по среднегеометрическому показателю
где Пn - символ произведе ния п со ~шо ж н те~,ей OTEO CiE ~ '1 ьных по­
казателей качества Zf i1, =q;,,./q ;5 (и л и q;5 /q;1,); q ;1,_ -
абсолютное зна­
чение показателя i-ro качества для k-ro двигателя; q;б - макси­
мальное значение пока з ател я i-ro качества у сравниваемых двига­
телей; m8 ; -
1<оэффициент весомости i-ro показателя.
_
При опре делении относительного показателя качества его б а зо·
вое значение q; 5 нахо д ится в · з наменателе, если у лучшего д ви гател я
данный по каз ате ль должен быть больше, и в чис л ителе, е сл и -
меньше .
74


Относительный коэффициент уровня качества
kyk= kyk/ky.мaкc,
(5.20)
где kу . макс - максимальное значение коэффициента уровня качества
у сравниваемых двигателей.
У лучшего двигателя k.y11,= 1. Если ky1i>0,95, то двигателю при­
сваивается высшая категория качества, а если 0,85<ky11,~0,95, -
п е рвая категория качества .
При расчете ky11, с учетом специфики вентиляторных двигателей
р е комендуется учитывать пять показателей качества: отношение
м ощности н а ва л у двигателя при максимальном КПД к массе ак­
тивных материалов q 1 =Рямак с/Gа, (т~ 1 =1); максимальный :КПД
q 2 =т~ мак с (тв2 = 1); отношение пускового момента к масс~ актив­
ных материалов q3 =Mк/G a (m 83 =0,8); коэффициент мощности при
t] ма 1<с q4=cos (j) (mВ4=0,5) и коэффициент уровня звука qs=kш=
= l0-0
,
1 L (mвs=0;l), L-уровень звука, дБ.
Вопросы для самопроверки
1. Укажите ос обенности
.конструкции
и объясните принципы действия одно­
ф а зных явн·ополюсных асинхронных двигателей с экранированными полюсами,
ко нденсаторного с асимметричным статором.
2 . Объясните н а значение короткозамкнутых витков .
3. Для чего в конструкции двигателя имеются магнитные шунты? Какие бы,
вают конструктивные исполнения шунтов?
4. Какие рабочие показатели двигателя изменяются и почему, если сняn
короткозамкнутые витки, но-оставить магнитные шунты?
5. Имеет ли двигатель без короткозамкнутых витков пусковой момент, если
воздушный зазор под полюсом неравномерный?
6. Укажите направление вращения однофазного асинхронного двигателя с
экранированными полюсами.
7. Можно л11 реверсировать однофазный асинхронный двигатель с экраниро­
ванными полюсами?
8. Почему невелики перегрузочная спос о бность и кратность пускового момен­
т а вент ил яторного д вигателя с экранированными полюсами?
9. Как изменяется ток в гл а вной обмотке двигателя с экранированными по­
люс а ми п ри постоянном напря ж ении сети и изменении режима работы от холо­
стого хода до пуска?
1О. Как вл ияет на свойства двигателя с экранированными полюсами третья
пр о странственная гармоническая?
11. Зависит л и пуск о вой м о мент асинхронного двигателя с экранированными
полюсами от положения ротора?
12 . Где чаще всего при м ен я ют однофазные асинхр онные двигатели с экрани­
р ов анными п олюсами?
13. Каким образ о м можно снять кривую разбега M=f (t) двигателя с экра­
нированными полюс ам и?
14. Как о ценивается технический уровень ве н ти.~яторных двигателей? '
§ 5;3. АСИНХРОННЬШ КОНДЕНСАТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
В схема х автоматики, телемех ан ик и, в бытовых, медицинских
п р ибор а х, приб о рах з вуко з аписи широко исп ол ьзуют однофазные
а с и нхронные кон денсат о рные двигатели. Основные требования к
этим двигателям отражены в ГОСТ 16264-78 и 10799-77 .
75


Асинхронный конденсаторный двигатель имеет на статоре две
обмотки, сдвинутые в пространстве на электрический угол 90°. Одна
из обмоток (главная) подключается к сети непосредственно, дру­
гая (вспомогательная)- через конденсатор.
В отличие от однофазных двигателей с пусковыми элементами
в конденсаторных двигателях вспомогательная обмотка остается
ПОДI(Лiоченной к сети как при пуске в ход , так и при работе. Кон­
денсаторный двигатель, по существу, является двухфазным, хоп~ и
питается от однофазной сети.
•
Магнитное поле в конденса'!'орном двигателе создается двумя
обмотками, токи которых вследствие включения конденсатора сдВ !f­
нуты по фазе. В общем случае магнитное поле конденс·аторного дви­
гателя - эллиптическое, а при опредёленных условиях - круговое.
Известно [2], что круговое вращающееся поле в машине с двумя
обмотками получается в том случае, когда МДС обмоток равны
РА= Fв и сдщ1нуты во времени на угол В, дополняющий угол про­
странственного сл. nига 0 до 180°: (0+ В)= 180°.
Суммарная МДС F кругового поля максимальна при угле
0=90°. Именно поэтому для получения максимального
кр у гового
вращающегося поля при минимальных .МДС фаз обмотки в двух­
фазных двигателях обычно смещают на ·90°. В этом случае угол вре­
менного сдвига токов в фа ~ ах должен быть равен пространственно­
му углу (<Э=В=90°), а МДС фаз должны быть равны: FA=Fв.
Если хотя бы одно из этих условий выполняется неточно, то поле
получается не круговым, а эллиптичес1шм.
Любое эллиптическое поле может быть разложено на два по­
ля - прямее и обратное, которые вращаются в противопо.1ожные
стороны. Обратновращающееся поле двигателя создает момент, на­
правленный навстречу основному моменту машины - моменту от
прямовращающегося поля. Оно увеличивает токи, потери в двига­
теле, уменьшает его КПД . Поэтому обычно стремятся не к эллип- .
тическому, а к круговому вращающемуся полю.
, _ Практичес1ш круговое
вращающееся поле в конденсаторном
двигателе можно получить одним из трех способов:
1) правильным выбором коэффициента трансформации (отно­
шения эффективных чисел витков вспомогательной и главной обмо­
'ток k= wв/wA) и емкости конденсатора С1, (r-шФ) при заданном
напряжении . сети И (В) ( рис. 5.21):
k=tg 'fA; Ck= 10 '/(2л/ хе)= 10' соs 2 с.рд/('Zл/ хл)=
= 105/ А cos 'fAl(2л/ kUА);
(5.21)
2) правильным выбором напряжений на фазах (точнее, их отно­
шения а=ИА/Ив) и емкости конденсатора Са. (мкФ) при заданном
коэффициенте трансформации k=;t=tg (J)A (рис. 5.22):
a=tg<pAfk; Ив=kИА !tg<рА;
]
Са= 105/(2л/ Хе)= 105 а 2 COS 2 'fA/(2n/ХА)=
= 106/ А sin <рл/(2л/k 2ИА);
(5~22)
76


З)· включением последовательно с емкостью добавочного сопро­
тивления Rдоб (Ом) и правильным выбором емкости конденсатора
Й= UA= и8
Ск
tls
в
jв
Ид
~
о
tjA
"*
А
Ив
Рис . 5.21 . Принципиальная схема включения и векторная диа­
.rрамма конденсаторного двигателя при кругово,\11 пол е, полу­
~1сн н ом с по мощью выбора коэффициента трансформации /i
и емкости конденсатора Ch
оА
Рис. 5.22. Принципиальная схема включения и вектор­
ная диаграмма конденсаторного двигателя при круго­
вом поле, полученном изменением напряжения на одной
из фаз а.= Uл/Uв и емкости конденсатора С а.
Сн (мкФ) при заданных напряжении сети И (В) и коэффициенте
трансформации k<tg срл (рис. 5.23):
Nдоб= kxA- k 2гА= kUА cos 9А (tg 9А- k)/1А; )
CR= 10"/(2тt/Хс)= 10 5/[2тt/ (kгА tk2XA)]=
= 106/ А/[2тt/ kUА cos Cf>A (k tg Cf>A + 1)].
(5.23)
В приведенных выше выражениях: срл - угол сдвига между то-
1юм 1л и напряжением фазы Ил при круговом поле; •.r л, Хл - соот­
ветственно активное и индуктивное соnротивления машины, приве­
денные к числу витков фазы А при круговом поле.
77


/
Из (5.21 )-(5.23) следует, ;i,ro при заданных k, а и Rдаб (соот­
ветственно первый, второй !1-,,fретий способы) независимо от емко­
сти конденсатора кругово.~ · вращающееся поле можно получит1>
только для опред еленного режима работы двигателя (для одной
частоты вращения). Действительно, при изменении режима работы
(частоты вращения) у любого двигателя меняется cos срл и, следо-
и=ид=и8
·: :::."'
CR
tjs
~.,
,qд
С!:<(
..._,"'
Ид
в
*са
•:С:,
Iв~
о
tjA
А
400 и;
Рис . 5.23 . Принципиальная схема включения и векторная диаграмма
конденсаторного двигателя при круговом поле, полученном с по­
мощью добавочного сопротивления Rдоб и емкости CR конденсатора
вателъно, (J)A, ,r л, Хл, 1А· Это значит, что для получения круговога
поля в различных режимах вместе с емкостью конденсатора С нуж­
но непрерывно менять или -k, или а, или Rдоб, что практически вы­
полнить невозможно.
Для получения наилучших рабочих свойств конденсаторные дви­
гатели обычно рассчитываются так, чтобы кругов ое вращающееся
поле получалось при номинальном режиме или лри режиме, близ­
ком к нему. Это обеспечивает высокие энергетические показате ли
двигателя при работе, однако не по зволяет получить достаточный
пусковой момент - он обычно не превосходит 30-40% от !'lоми­
нального.
Для увеличения пускового момента в этих двигателях парал­
ле.11ьно с основной (рабочей) емкостью часто включают еще пуско­
вую емкость, которую отключают сразу же после пусr,а двигателя
в ход (см. § 5.1). П усковая емкость приводит к значител ьному воз­
растанию магнитного потока вспомогательной фазы при пус1<е, а
следов ател ьно, и вращающего момента. Необходимость отключения
пусковой емкости Сп при работе обусловливается тем, что она, хотя
и увеличивает вращающий момент (за . счет форсирования потока
Фв), делает поле эллиптическим в рабочем ре ж име и тем самым
значительно уменьшает КПД двигателя.
78


При работе с конденсаторнЬl;,~ двигателем необходимо знать,
что напряжение на конденсаторе пprf 'Круговом вращающемся поле
больше напряжения на _его фазах и . напряжения сети. Так, для
nервого способа, ,<а к это видно из векторной диаграммы, помещен­
;,ной на рис. 5.21,
• Для расчета .величин k, а, Rдоб и С, удовлетворяющих кругово­
му вращающемуся :полю в конденсаторном двигателе, необходимо ·
з нать ве.,'шчины <рл, гл, Хл (или <рл, Iл, Ил) двигателя при круго­
еом поле, которые можно
.найти либо путем расчета
юри известной геометрии ста­
тора и ротора и известных
1>бмоточных данных, либо
экспериментально. Второй
nуть значительно проще.
Чтобы определить пара­
r,1 етры глаrнюй обмотки А
nри неподвижном роторе, на
;нее нужно подать напряже­
ние Ил, при котором будет
работать конденсаторный
двигатель, и измерить пот­
ребляемый ток 1л и мощ­
Рис. 5.24 . Схемы для пр~образования трех- .
фазной сети в симметричную двухфазную
ность РА· По получеt~ным данным просто рассчитать искомые па­
раметры:
Zл UA!Iл; соs9л=РА!(UА!л);
rл=Рл/l~=Zл cos (!)А; ХА= V Z~-r~=ZлsiПA9A·
Аналогично можно определить и параметры вспомогательной
0бмотки В.
Параметры обмоток двигателя при вращении ротора опреде­
.лять несколько сложнее. Для этого необходимо провести испыта­
ния двигателя лри круговом вращающем ·ся поле и его питании от
:.сети, на1пряжения фаз которой сдвинуп,1 во времени на 1⁄4 периода.
Такую ·сеть можно получить либо непосредственно из трехфазной
;:: ети, если она имеет нулевой провод (рис. 5.24, 6), либо с помощью
трехфазного трансформатора при его включении по схеме, изобра­
женной на рис . 5.24, а, либо с помощью фазовращателя.
Чтобы определить параметры обмоток двигателя, на них (при
отключенном кон д енсаторе) нужно подать напряжения Ил и Ив,
прямо пропорциональные эффективному числу витков соответству­
ющих обмоток Ив! Ил= k. Напряжение Ил должно быть равно тому
напряжению, которое будет подаваться на фазу А при конденса­
торном питании двигателя, а напряжение Ив= kUл. При таком
симметричном питании необходимо определить токи 1;.., 1в и мощ-
7~


/
ности РА, Рв при тех скольжени , для которых желательно полу­
чение кругового вращающегос 1поля при конденсаторном питании
двигателя. По найденным ким образом опытным данным с· по­
мощью приведенных фо ул можно рассчитать параметры обмо-
ток и cos (j)A для треб ого скольжения.
В том случае, ~ да коэффициент трансформации неизвестен.
его можно определить Э'Iюпериментально, - проведя два опыта хо­
лостого хода при однофазном питании.
Цель р а б о t ы - ознакомление с конструкцией, принципом
действия и основными ·характеристиками конденсаторных двигате­
лей при различных 'схем~х ·включения.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
А. Экспериментальные исследования
1. Озна-комиться с конструкцией д:виrателя и его паспортными
данными.
2. Определить коэффициент трансформации двигателя.
З. Исследовать работу двигателя при однофазном питании -
снять рабочие характеристики п, Рл, I л, Рп, 11, cos срл в зависимо­
сти от М nри Ил=Илн=соnst.
4. Исследовать ра·боту двигателя при симметричном двухфаз­
ном питании-снять рабочие ха•ра•ктеристики п, !А, Iв, 1s, Рл, Рв.
Ps, PR, COS<J)A, соsсрв, coscp, 11 в зависимости от М :при Ил=Илн=
=const и Ов= jkOлн=const.
5. Исследовать работу двигателя с емкостью конденсатора Ck:
а) получить круговое вращающееся поле -при частоте ·вращения.
для которой tg <рл=k;
б} снять рабочие характеристики конденсаторного двигателя п.
!А, Iв, 18 , РА, Рв, Ps, PR, <COS(J)A, 'COSq>в, ТJ 'В зависимости от М 1цри
ИА= • Илн= •СОnst, С=С1<..
6. Исследовать ра·боту конденсаторного двигателя с емкостью
конденсатора С(/'.:
а) получить круговое вращающееся поле путем изменения на­
пряжения Ив (п•ри постоянном напряжении ИА) и •емкости кон­
денсатора Са для скольжения s=O,l (или иного скольжения);
б) снять рабочие характеристики двигателя п, I А, I в, I s, Р л.
Рв, Р8 , PR, соsсрл, ТJ в зависимости от М при Ил=ИАн=соnst;
Ив=•И в pa cч= 1const.
7. Исследовать работу двигателя с емкостью конденсатора Сп
и доба-вочным сопротивлением Rдоб:
а) получить круговое вращающееся •поле с помощью добавоч-
• Rого сопротивления Rдоб и ем -кости конденсатора CR при -скольже­
нии s=O,I (или ином скольжении);
'6) -снять рабочие хара·ктеристики двигателя 1при значениях
Rдоб и CR, обеспечивающих круговое вращающееся поле ,при за-­
данном сколнжении: п, Iл, Iв, 1s, Рл, Рв, Ps, cos q>, ТJ в зависимости
от М при Uл=Ив=Uлн=соnst.
8()


Б. Расчеты и построения
1. Рассчитать коэффициент трансформации двигателя.
2. Построить на отдельных графиках за•висимости M=f (п) ;,.
PR=f(M); Ps=f(M); ri=f(M); coscp=f(M); ls=f(M): а) при од­
нофазном питании ; б) при симметричном · двухфазном питании~.
в) при конденс~торном питании (согласно п. 5, 6, 7 программы) ..
3. Построить три векторные диаграммы двигателя •при конден ­
саторном сдвиге фаз для ·скольжений, при которых имеет мест()>
круговое вращающееся поле (согла·сно п. 5, 6, 7 ,программы).
4. Сра•внить :пусковые моменты и токи для всех иеследованных.
режимов ра·боты .rtвигателя.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
Прежде чем приступить к исследованиям, необходимо познако­
миться с устройством двигателя и его :паспортными ~анными . Да­
ле е собирается схема, представленная на рис. 5.25. Питание дви-,
гателя осуществляется либо от ,симметричной двухфазной сети~
л ибо от однофазной сети через два
л а бораторных
автотрансформатора
( ЛАТР-А и ЛАТР-В). Мощность, по­
требляемая фазами А и В двигателя, из­
м еряется одним ваттметром с по м ощ ь ю
ваттметрового переключателя П2 . Часто ­
та вращения измеряется тахометром или
строботахометром. Момент на ва л у дви­
г а теля создается и измеряется электро­
:v1агнитным тормозом.
Определение коэффициента трансфор­
мации. Коэффициент трансформации
двигателя k=wв/Wл определяется путем
проведения двух опытов холостого хода
при однофазном питании двигателя. Вна­
чале обмотку А питают напряжением
Ил = Или при отключенной от сети об­
м отке В и измеряют ЭДС Ев обмотки В.
Затем питают обмотку В напряжением
И в,;::, 1,2Ев и измеряют ЭДС Ел обмотки
А *. Коэффициент трансформации опре-
де ляется из выражения
k= VU вЕв!(И лЕл),
Для проведения опыта исполь-
зуется основная схема (рис. 5.25).
При пуске двигатель питается от
двухфазной сети (переключатель П,
К 88ухфазноii сети
А
а_в
....--+----..,
3
А
ов
Рис. 5.25. Основная схе­
ма соединений для про­
ведения эксперименталь-
ных исследований
• Предполагается, что падение напряжения на собственном сопротивлении
обмотки В составляет примерно 20% .
8)


1-:аходится в положении 1, руб ьники Р1, Р2 и Рз замкнуты),
.:н апряжение ИА= ИАн, на,пря ие Ив::::: ИА· По окончании пуска
nерекшочатель П 1 ставится нейтральное положение (питание с
,фазы В снимается); ,пров • яется напряжение на фазе А (Ил= ИАн)
J1 измеряется ЭДС Ев фiзы В. Затем переключатель П1 ·переводит­
-ся в положение 1 (,w{за В подключается к сети), ЛАТРом-В ус­
танавливается на1пряжение Ив= 1,2 ИА, рубильником Р1 снимается
-питани е с фазы А и измеряется ЭДС Ел фазы А.
Полученный опытным путем коэффициент трансформации не­
:0бходимо сравнить с действительным, если он из'вестен.
Исследование двигателя в однофазном режиме. Для получения
:рабочих характеристик двигателя в этом режиме используется
основная схема (рис. 5.25). Двигатель пускается в ход при двух­
(!)азном питании. Затем фаза В от,ключается. После ,пуска двига­
тель нагружается . с помощью ТОР'Моза. Целесообразно предвари­
тельно определить максимальный момент, развиваемый двигате­
.лем в однофазном .режиме. Это позволит произ'в,одить измерения
исследуемых величин ~1ерез равные промежутки в диапазоне от
.М=О до М=Мт ('всего 5-6 точек) ..
Во время эксперимента на,пряжение на фазе А должно поддер­
.жпватьrся постоянным. Ра:счетные величины определяются по фор­
.мулам PR=l,05 Мп; cosrp4-=PA/(ИAIA); ri=PR/Pл.
Исследование двигателя при симметричном двухфазном пита-
11ии. Для проведения эксперимента используется основная схема
(рубильники Р1, Р2, Р3 ,замкнуты, ~переключатель П1 находится в
положении 1). На1пряже·ние ИА= ИАн устанавливается ЛАТРом-А;
:напряжение Ив=kИА -ЛАТРом-В.
Во время эксперимента на1пряжение на фазе А поддерживается
лостоянным. J:Iапряжение Ив может несколько регули,роваться, с
тем чтобы отношение токов / л и / в было равно k, а мощности РА
.11 Рв ·были примерно равны. При этом магнитные потоки обмоток
:буд ут од'ИНа'ковы, а следовательно, поле двигателя - круговым.
Рабочие характеристики двигателя п, Iл, Iв, / 8 , Рл, Рв, Рв, Рн,
'fJ, cos (JJA, cos <рв, tg <рл ·в за'висимости от М снимаются в диапазоне
()Т М =0 до Мт. Нсего снимается 6-7 точек . Нео·бход.имо, чтобы
среди измерений была точка, соот.ветствующая скольжению s=O,l
или иному скольжению, для которого в последующем будет полу­
ча ться круговое поле.
После снятия рабочих характеристик проводится опыт ·корот,
к ого замыкания (при n=O), в процессе которого снимаются nпка­
зания тормоза и нсех приборов. Опыт короткого замыкания необ­
ход имо проводить быстро во избежание перегрева обмоток двига­
теля.
Для точки, в которой tg<pл=k, по формуле (5.21} рассчитыва­
ется емкость конденсатора Ck, необходимого для получения 'круго­
вого вращающегося ,поля.
Исследование конденсаторного двигателя с емкостью конденса­
тора C k. Для исследования используется основная схема. Рубиль­
ники Р 1, Р2 замкнуты, рубильник Р3 разомкнут, переключатель П1
~


находится в положении 2. Емкость конденсатора определяется из:
предыдущего опыта. На двига-rель щ::щается напряжение ИА= ИАн"
которое во время всего опыта поддерживается постоянным.
Прежде чем присту:пить ·к снятию рабочих характеристик, необ­
ходимо проверить правильность ра-счетов, произведенных по дан­
ным предыдущего опыта, для чего с помощью тормоза устанавли­
вается частота ,вращения, при которой в предыдущем опыте tg Q>A =
= k. Если расчеты были произведены правильно, то при этой час­
тоте J:Jращения должно быть круговое вращающееся nоле. О его
наличии можно судить ли1бо no токам IA=kfв, /A 2 +lв 2 =1s2, либо,
по мощностям РА~ Рв, либо •по на'пряжеюiям ( ИА= Ив* /k, Ис=
=vи~+и: =И А v1 +k2, где и; - напряжение непосредств~н­
но на фазе В (после конденсатора); Ис - напряжение на конден­
саторе.
Если предыдущие равенства выполняются не совсем точно, та
можно нес1юль'ко изменить емкость конденсатора (•в ту или иную­
сторону) или незначительно из·менить час-rоту вращения.
Бели 'Погрешность в ра,венствах не превосходит 5-•10%, то сле­
дует -снять показания в,сех 1пр,иборов схемы (ИА, Ив*, Ис, /А, Iвr
/ 8 , Р А, Рв) и по ним построить векторную диаграмму конденсатор­
ного двигателя при круговом поле. Необходимые для построения:
векторной диа•граммы величины определяются по следующим фор­
мулам:
cosf9л=Pл/(U- лlл); соs·рв=:в/(U- лlв); ГA=Uлcosr.pA/IA;]
rв=ИА cos fв/1в; ХА=И А sin r.pi/А;
(5.24)
X~=Xc-rвtgr.pв; Хс=И с/1в= l06/(2nfCk).
Здесь Хв* - полное индуктивное сопротивление двигателя, при­
веденное к числу витков фазы В ( без конденсатора).
Рабочие хара,ктеристики конденсаторного двигателя (5-7 то­
чек) снимаются обычным порядком - в диапазоне от М=О до
М =Мт примерно через ра,вные интервалы по моменту. Снятие ра­
бочих ха,рактеристик следует заканчивать опытом короткого _замы­
кания (при n=O).
Исследование конденсаторного двигателя с емкостью конденса:-­
тора Са. Круговое вращающееся поле в конденсаторном двигателе
для частот вращения, при которых tg q>A =l=k, можно получить из­
менением напряжения на одной из фаз а= ИА/Ив и еМ"кости кон­
денсатора ,Са,
В данной работе круговое вращающееся поле образуется изме­
н е нием напряжения И в, подводимого к фазе В, и емкости конден­
сатора Са, Для расчета напряжения Ив и емкости конденсатора
Са используются данные экспериментального исследования двига­
теля при симметричном двухфазном питании и скольжении s=O,l.
Расчет выполняется по формулам (5.22).
•
Для эксперимента используется основная схема, переключатель
П1 которой находится в положении 1, рубильники Р 1 , Р2 замкнуты,
83


:рубильник Рз разомкнут, подво~ий провод 3 переключен с вы­
вода В на вывод А (см. штри_)Ю·вую линию).
Для получения ,круговуrо вращающегося поля при заданном
,скольжении на фазу А п6дается номинальное на1пряжение, на фа­
:зу В (вместе с кощ~,енсатором Са) - расчетное напряжение Ив.
Необходимое ,скольжение устанавливается тормозом.
Если расчеты были произведены правильно, то при заданном
.(:Кольжении (частоте вращения) поле должно быть круговым. Его
:можно ,проверить либо по токам, либо по мощностям (см. преды-
..дущий о:пыт).
•
После получения кругового вращающегося поля при заданной
частоте вращения необходимо записать наказания всех приборов
,схемы, а также напряжения Ив* и Ис. По этим данным можно
ттостроить векторную диаграмму конденсаторого двигателя. Необ­
.ходимые для построения 'Величины рассчитываются по формулам
(5.24).
Рабочие характеристики конденсаторного двигателя при дан­
.ных Ил, Ив и Са снимаются та1к же, как и в предыдущих опытах.
Исследование конденсаторного двигателя с добавочным сопро­
"ТИВлением Rдоб и емкостью конденсатора CR. Круговое вращающе­
еся поле в кондеисаторном двигателе для частот 'Вращения, при
которых tg <рл>k, можно .получить включением в фазу В последо­
вательно с конденсатором определенного доба1вочного сопротивле­
ния Rдоб и выбором соответствующей емкости конденсатора Ся.
Добавочное сопротивление Rдоб и емкость конденсатора Ся рас­
~читывают по формулам (5.23), испош,зуя данные исследований
при симметричном питании. Частота вращения, ,при которой необ­
ходимо со.здать круговое вращающееся поле, должна соответство­
вать режиму, в котором tg (f!л>k .
Для эксперимента используется схема предыдущего опыта (пе­
реключатель П1 находится в положении 2, рубильники Р2 , Р3 ра­
зомкнуты, рубильник Р1 замкнут). С помощью ЛАТРа-А устана'в­
ливается и поддерживается во время всего опыта напряжение
Ил= Илн- В фазу В включаются полученные в результате расчета
Rдоб и CR. Тор'Мозом устанавливается заданная частота вращения,
для которой ра1ссчитывались Rдоб и Сн.
После получения кругового вращающегося поля необходимо за­
писать данные всех приборов схемы, измерить Ив*, Ис и рассчитать
потери в доба,вочном сопротивлении / в2Rдоб- По этим данным мож­
но пост-роить векторную диаграмму конденсаторного двигателя
при круговом поле, аналотичную представленной на рис . 5.23. Не­
обходимые для построения диаграммы данные можно рассчитать
по формулам (5.24).
Рабочие характеристики конденсаторного дви.гателя (включая
опыт короткого за1мыкания) при данных Ил, Rдоб и CR снимаются
так же, как и в предыдущих опыта'х.


АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ
Из ~сравнения рабочих характеристик двигателя при однофаз­
н ом и ~симметричном двухфазном питании видно, что вращающий
~1,1омент М, а сл едовательно, и развиваемая двигателем механиче­
с кая мощность Рп при однофазном пихании прnмерно в два раза
меньше, чем при сим•метричном двухфазном питании. Это объяс­
няется тем, что магнитно е поле статора при однофазном питании -
не вращающееся, а пульсирующее . Двигательшый момент создает-
::: я лишь прямавращающимся магнитным полем, которое значи­
г ельно меньше кругового поля при симметричном питании. Кроме
лрямовращающегося в машине ,существует обратновращающееся
поле, которое ·создает тормозящий момент. Наличие абратновра­
щающегося поля приводит к значительному снижению меха•ниче­
::: кой мощности Рн и энергети•ческих показателей 11 и cos <р двигате­
ля. При однофазном питании ·пусковой момент Мк =О.
Из сравнения рабочих характеристик при двухфазном симмет­
ричном питании и конденсаторном сдвиге фаз видно, что они зна­
чительно отличаются. Ви д рабочих характеристик конденсаторного
д вигателя зависит от способа созда:ния кругового 'Вращающегося
поля.
Механическая мощность, развиваемая двигателем, и токи об­
.\1 оток пр.и его симметричном питании ра1вны соответственно мощ­
н остям и токам двигателя ·при конденсаторном сдвиге фаз только
при тех скольжениях so (частотах вращения по), при которых обе~с­
if1 еч ено круговое вращающееся поле. При всех остальных скольже­
; 1иях они отличаются •в большей и.ли меньшей степени в зависимо­
:: ти от параметров двигателя - соотношения его а1ктивных и ин­
·tуктивных сопротивлений, а также от схемы включения двигателя
е однофазную сеть.
Токи обмоток д вигателя при конденсатор'Ном сдви·ге фаз в ре­
ж имах, когда поле неf{руговое, обычно больше соответ-ствующих
г а ков двигателя с симметричным питанием. Это объясняется нали-
0 1 11ем обратновращающегося поля, которое всегда вызывает увели­
•1 е ние такав и уху,дшение характеристик двигателя .
С изменением ,нагрузки (ча'стоты вращения) двигателя при сим­
·vr етричном питании и конденсаторном сдвиге фаз особенно сильно
, ~ тл ичают,ся по значению токи обмотки В, последовательно с кото­
ро й 'включается конденсатор. Объясняется это тем, что напряжение
{7 в *, приходящееся непосредственно на обмотку В, при симметрич-
1 rом .питании остается ·неизменным для любого скольжения, а у
1ю нденсаторного двигателя изменяется значите.[lьно: оно равно
11остоя,нному значению напряжения сети (1 1 минус падение на1пря­
ж ения на конденсаторе, а у двигателя, в·ключаемого по схеме. ·
11рттведенной на рис. 5.23, еще и минус падение напряжения на до­
н олнительном сопротивлении: Ов" =01-lв (RдQб-jXc) . На•пряжение
(! в* в конденсаторном двигателе во многих режимах зна·чительно
превосходит напряжение двигателя при симметричном питании.
85


Ток холостого хода двигателя 1при конденсаторном сдвиге фаз
обычно больше, чем при симметричном питании. Если скольжение.
при котором обеспечивается круговое вращающееся поле, велик<>
(so=0,3+0,5), то ток холостого хода в конденсаторном двигателе:
соизмерим с током к . з. Последнее объясняется тем, что при холо­
стом ходе значительно ·возра,стает напряжение Ив* непосредствен­
но на обмотке В.
Пус~овой момент Мк 1юнденсаторного двигателя равен пуско­
вому моменту д,вигателя при симметричном питании только в том
случае, когда в конденсаторном двигателе круговое поле получено,
ттри пуске (s0 = 1). Чем меньше скольжение sa, при ~котором в кон­
денсаторном двигателе обеспечивается круговое поле, тем меньше:
пусковой момент. При So=Sн у ·большинства конденсаторных дви­
гателей кратность пускового момента не превышает 0,2-0,4.
У конденсаторного двигателя при всех ,скольжениях, кроме­
s = sо, КПД обычно меньше, чем у двигателя ттри симметрично :м
питании. Объясняет·ся это, во-1первых, те'М, что у двигателя прк
симметричном питании магнитное поле круговое при всех сколь­
жениях (частотах вращения), а у конденсаторного - кру­
говое только при s=so; при других скольжениях поле ЭЛJ1ИП­
тическое, состоящее из прямого поля, создающего полезный вра­
щающий момент, и обратного поля, создающего тормозной момент;
во-вторых, тем; что напряжение Ив* на обмотке В в конденсатор­
ном двигателе нередко значительно 1превосходит напряжение И-в:
при ,симметрично'М .питании. У двигателя с активным сопротивле­
нием КПД меньше, чем при симметричном питании и nри s = So (за
счет потерь в дополнительном сопротивлении).
Коэффициент мощности cos q> конденсаторного двигателя, как
правило, выше, чем каэффициент мощности двигателя при сим:мет­
рич'ном ~:штанин, что объясняется наличием в цепи обмотки В кон­
денсатора.
Вопросы для самопроверки
1. Каковы условия получения кругового вращающегося поля в машине с:
двумя обмотками, сдвинутыми в пространстве на произвольный угол?
2. При каком угле пространственного сдвига 0 обмоток в двухфазной маши-
не получается максимальное круговое поле?
J
3. Какими способами можно получить круговое вращающееся поле в кон- J
денсаториом двигателе с двумя обмотками?
']
4. Возможно ли, изменяя только емкость конденсатора, получить круговое 'j
поле в конденсаторном двигателе ripи различных угловых скоростях?
1
5. Какое влияние на работу двигателя оказывает обратновращающееся маг­
нитное поле?
6. Чем определяется напряжение на конденсаторе в конденсаторном двига­
теле?
7. Каким образом ,,южно получить сю1Уiетр.ичную двухфазную систему на­
пряжений при наличии только трехф аз ной сети?
8. Каким образом можно определить параметры фазы А двухфазного дви­
гателя (r А, хл, cos <р А), соответствующие круговому вращающемуся полю:
а) при n=O; б) при nc;i=O?
9. Каким образом может быть экспе риментально определен коэффициент
тра.нсформации двухфазного асинхронного двигателя~
86


10. За счет чего увеличивается пусковой момент конденсаторного двигателя
н ри включении конденсатора , емкость которого превосходит емкость, обеспечи­
в ающую круговое вращающееся поле в номинальном режиме?
11. В каких случаях невозможно получ ить круговое поле в конденсаторном
.двигателе с двумя обмотками с помощью дополнительн ого сопротивления Rдоб
1 1 ем ко сти конденсатора С R?
Глава 6
ИСПЫТАНИЕ СИНХРОННЫХ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ
§ 6.1 . СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
В системах автоматического управления, -звуко- и видеозаписи,
фототелеграфии и связи, где требуется обеспечить синхронную
р а боту механизмов и постоянство частоты вращения отдельных
элементов системы при изменении нагрузки и напряжения питания,
широко применяются синхронные двигатели малой мощности. До
н едавнего 'времени в качестве таких двигателей использовались в
.ос новном синхронные реактивные и гистерезисные двигатели.
Б п оследние годы в связи с разра,ботками новых магнитотвердых
:м атериалов с бош,шой удель·ной магнитной энергией 1были созданы
синхронные двигатели с ·возбуждением от постоянных магнитов;
.опособные ус1пешно конкур.ировать по массовым и энергетическим
показателям с синХ'ронными двигателями других типов [7].
Синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ) об­
ладают ·такими положительными качествами, ка1к высокая надеж­
н о сть, сравнительная простота конструкции, отсутствие скользя­
щнх контактов, высо-кие энергетические показатели и перегрузоч­
н а я спосо'бность, у,стойчивость работы в электроприводах синфаз­
ного вращения и стабильность частоты вращения. К их недостат­
I< а м относятся большая кратность пускового тока, более высокая
с т оимость по сравнению с реакти'вными и частично гистерезисными
д в игателями , значительное снижение момента входа в синхронизм
с увеличением момента инерции нагрузки, наличие тормозного
(генераторного) момента в процессе пуска двигателя .
Конструктивно синхронные двигатели с постоянными магнита­
м и соч етают в себе ,элементы синхронных машин - систему воз­
буждения ('постоянные магниты) - и элементы асинхронных ма­
ш ин - короткозамкнутую обмотку, выполненную в виде беличьей
кл етки. Взаимное расположение постоянных магнитов и коротtко­
за мкнутой обмотки на роторе может быть либо радиальным
( р ис. 6.1), либо аксиальным (рис. 6. 2). Статоры в обеих конст­
р у кциях ничем не отличаются o-r статоров обычных асинхронных
м ашин.
Конструктивной особенностью двигателя ·С ра,диальным распо­
ложением :постоя·нных магнитов и короткозамкнутой обмотки Я'В­
ляется выполнение полюсной ,си,стемы рQтора с очень ,малым за·зо­
ром между соседними ,полюсными 'башмаками (ри,с. 6.1, а). Значи-
87


, Тормозной момент
'
m1U2rs
r(оо
]
Мто= -
(о
)2 LE
2
rs+x~)+0,5(xd-Xq)2 •
Qc Гs+XdXq
(6.4)
Углы смещения
Рис. 6.3. Механические характе­
ристики синхронного двигателя с
постоянными магнитами в асин-
хронном режиме
(6.5)
Рис . 6.4 . Угловые характеристики­
синхронного двигателя с постоянны- ­
ми магнитами
В формулах (6.1) - (6.5) 0u -угол нагрузки, угол между век­
торами питающего напряжения О- и ЭДС холостого хода -Е о;
в=Ео/И - степень возбужденности двигателя; 9.c=2nf/p - механи­
ческая синх-ронная угловая скорость ротора; р - число ~пар полю­
сов.
Из приведенных выра жений и представленных на рис. 6.4 угло­
вых характеристик видно, как значительно влияет активное сопро­
тивление обмо11ки якоря r 8 в двигателях малой мощности. При А
пренебрежении активным сопротивлением r8 не только вносятся ,
заметные погрешности в определение амплитуд основного и реак- .
_s _l,_i
тивного моментов, но остаются не учтенными тормозной момент и: j
углы смещения.
В синхронных двигателях с радиальным раоположением посто­
янных магнитов и короткозамкнутой обмотки ротора индуктивное
1
i
сопротивление обмотки якоря по поперечной оси превышает индук- _
тивное сопротивление по продольной оси (xq>xd), поскольку маг­
нитная проницаемость магнитов значительно меньше магнитной i
проницаемости электротехнической стали. В связи с этим реактив­
ная составляющая электромагнитного момента в синхронном режи-
ме такого двигателя по сравнению с реактивной составляющей
обычного синхронного двигателя, имеющего электр о магнитное воз­
буждение, изменяет знак на обратный. Вследствие изменения знака
90


реактивной составляющей электромагнитного момента максимум
угловой характеристики смещается в сторону больших значении
углов нагрузки 0u (рис. 6.4). При значительной разности индуктив­
ных сопро'Гивлений обмоток якоря по продол ьной и поперечной
о сям и малой степени возбужденности двигателя реактивный мо­
мент может настолько приблизиться к основному моменту, что ре­
зультирующая угловая характеристика M c =f(0u) в зоне малых
значений углов нагрузки может оказаться в области отрицательных
значений момента (в области генераторного режима). При этом
двигатель теряет свойство синфазности.
В двигателях с ак<:иальным расположением постоянных маг­
нитов и ·короткозамкнутой обмотки ротора индуктивные сопро:rив­
ления обмотки якоря по осям d и q равны Xd,,.;xs+Xadм+xт; Xq=
=Xs +Xaqм+Xm, где Xs- индуктивное сопротивление рассеяния об­
мотки статора; Хаdм , Хаqм - индуктивные сопротивления, <Убуслов­
.11енные потоком якоря в зоне магнитов; Хт - инду1 ктивное сопро­
тивление, обусловленное потоком в зоне короткозамкнутого рото­
ра. Вследствие малой магнитной проницаемости магнитов Хт~
>>хаdм и Хт~Хаqм. Поэтому такой двигатель может рассматри­
ваться как неявнополюсный (xd""'Xq).
Синхронизирующие свойства синхронных двигателей характери­
зуются в основном моментом входа в синхронизм Мвх - макси­
ма.11ьным моментом сопротивления на·грузки, при котором двига­
тель еще втягивается в синхронизм. Момент входа зависит от кру­
тизны пусковой механической характеристики Мп' в зоне ~алых
скольжений и от момента выхода из ·синхронизма Мвых- Момент
выхода характеризует собой перегрузочную опособность двигателя
и определяется максимальным моментом сопротивления нагрузки,
при котором д'вигатель выпадает из синхронизма.
Цель работы - изучение пусковых, рабочих и синхронизи­
рующих свойств синхронных двигателей с постоянными магнита­
ми. В ка'Честве объекта исследования может иопользоваться любой
трехфазный <:инхронный двигатель с постоянными маг.нитами ма­
лой МОЩНОСТИ.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
А. Экспериментальные исследования
1. Ознакомиться с конструкцией двигателя и его паспортным1:1
данными.
2. Исследовать пусковые свойс11ва двигателя: а) измерить на­
чальные пусковые моменты Мн и ток / sк при И= Ин; б) снять ре­
з ультирующую механическую характеристику двигателя в асин­
.хронном режиме Мп=f (п) при И= Ин в диапа,зоне частот вращения
Лкr<n<nвх; в) снять зависимость тока статора в тормо з ном (ге не­
раторном) режиме от част оты вращения ротора lsт=f (п) при
U=O .
3. Исслед овать рабочие свойства двиrателя: а) измерить зна­
чение ЭДС Е(}, нав одимой полем постоянных магнитов в обмотке
91


статора при синхронной частоте ,вращения ротора (п==,;пс); б) снять.
рабочие характеристики двигателя / 8 , Ps, Ря, cos ер, ч в зависимо­
сти от М при И= Ин; в) снять угловую характеристику двигателя
Mc=f(0u') при И=Ин-
4. Исследовать синхронизирующие свойства двигателя: а) оп­
ределить моменты входа в синхронизм Мвх и выхода из синхрониз­
ма Мвых при И= Ин и 0,85 Ин; б) определить моменты входа в.
синхронизм для двух различных моментов инерции нагрузки:
(lнагр1~ 2 Jн; lнаг/' ~ 5 Jн).
Б. Ра,счеты и построения
1. Рассчитать механическую характеристику двигателя в тор­
мозном (генераторном) режиме: Мт=f(п).
2. Построить на одно:м графике механические характеристики:
двигателя в асинхронном режиме Мп, Мт, Мае в за'Висимости от rr.
и определить крутизну ·пусковой механической ·характеристика
Ми'.
3. Построить рабочие характеристики двигателя / 8 , Р8 , Рн"
cos ер, '11 в зависимости от М и ,сравнить экспериментальные данные
при М =Мн с паспортными да,нными двигателя.
4. Построить угловую характеристику двигателя Mc=f (0u') и:
определить удельный синхронизирующий момент.
5. Рассчитать кратности моментов (начального пускового, вы­
хода из синхронизма и входа в синхронизм) и ·кратность пускового
тока по отношению 'К номинальным данным: kп=Мн/Мн; k-м=
=Мвых/Мн; kвх=Мвх/Мн; k;=fsнffн.
6. Определить степень возбужденности двигателя s=E0./U.
7. Используя опытные данные и выражение (6.7), рассчитать lI
построить за'Висимость момента входа от момента инерции.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
Перед началом работы следует ознакомиться с конструкцией и
паспортными данными щвигателя и рассчитать номинальный мо­
мент (Н • м): Мн=9,55 Рян/nс, где Рнн- номинальная полезная
мощность двигателя, Вт; пс - синхронная частота вращения~
об/мин. Программа э1юпериментальных исследований, ·кроме п. 2в
и За, выполнять которые рекомендуется в конце испытаний, прово­
дится по схеме, приведенной на рис. 6.5. Питание двигателя осу­
ществляется от трехфазной сети через индукционный регу,11ятор,
или трансформатор типа РНТ. Момент на валу двигателя создает­
ся и измеряется с помощью ленточного (нитяного) тормоза или
малоинерционного электромагнитного тормоза. Част,ота вращения
ротора в асинхронном режиме измеряется строботахометром, а в
синхронном режиме контролируется строборамой или строботахо­
метром при синхронизации последнего с •сетью. Для выполнения
п. 2в и За программы работ испытуемый двигатель должен быть.
сочленен со вспомогательным д•вигателем с широким диапазоном
92


регулир'()!вания частоты вращенц_я, например с двигателем постоюt­
ного тока.
Исследование пусковых свойств двигателя. Начальные пуско­
вы~ момент М1, и ток fsк определяются при номинальном напряже­
нии и заторможенном роторе (п ·= О). По данным опыта рассчиты­
ваются кратности начального пускового момента k0 =Мк/Мн и пус­
кового тока k;=lsк/lн, Результирующая меха-
ническая хар- актеристика двигателя в асин-
r1-Y,
хронном режиме M0 =f(n) снимается в диапа-
Lг:.~
зоне частот вращения nкp<n<nвx• Для увели-
!=~
--
чения зоны устойчивой работы двигателя в
-
асинхронном режиме (за счет увеличения nвх)
mш
рекомендуется нагрузить вал диском с боль­
шим моментом инерции (в работе для этого
можно использовать ротор вспомогательного ' w
двигателя). Для снятия зависимости lsт=f(n) -
в тормозном (генераторном) режиме двигате- д
ля необходимо отключить его от сети, сочле- L- ~' -'
нить со вспомогательным двигателем постоян­
ного тока и замкнуть фазы статора накоротко
через амперметр. Указанная зависимость сни­
мается в диапазоне частот вращения от п = пс
до нуля . Используя зависимость / sт = f(n),
можно рассчитать механическую характерис­
тику двигателя в тормозном (генераторном)
режиме Мт=f(п):
Рис. 6.5 . Схема-
(6.6)
где lsт и rs - ток и активное сопротивление
фазы обмотки статора.
для исследования·
синхронного дви­
гателя с ПОСТОЯН·
ными магнитами
Построив на одном графике зависимости
Мт=f(п) и Мп=f(п), алгебраическим сложением соответствующих:
ординат находят зависимость асинхронного (двигательного) мо­
мента от частоты вращения Mac=f(n) и определяют крутизну пус­
ковой механической характеристики М0' = 20Mщo, 9snc) при скольже­
нии s=0,05.
Исследование рабочих свойств двигателя. Наводимая полем.
постоянных магнитов в обмотке статора ЭДС Е0 характеризует
степень 1воз·бужденности двигателя и в значительной мере опреде­
ляет его пусковые, рабочие и синхронизирующие свойства. Для
определения величины Е0 необходимо сообщить ротору испытуе­
мого двигателя с помощью в-спомогательного двигателя синхрон­
ную частоту вращения. Сте:пень возбужденности двигателя нахо­
дится ка-к отношен-,ие ЭДС на разомкнутых зажимах обмотки ста­
тора к номинальному напряжению питания: в=Ео/Ин.
Ра,бочие -характеристики двигателя 18 , Ps, Рн, cos {JJ, ri в зави­
симости от Ми угловая характеристика M c=f (-0и') снимаются од­
новременно при номинальном напряжении питания и изменению
нагрузки на валу синхронно работающего двигателя от О до Мвых•
93


1<0нтроль за ча,стотой вращения и отсчет углов нагрузки 0u' осу­
ЩеСТВЛЯЮ1'СЯ с помощью строборамы или строботахометра, засин­
.JСронизир ованного с сетью, по шкале, ра'Змещенной на подшипни­
ковом щите двигателя (см. § 2.2). При снятии и построении угловой
характеристикн СДПМ необход,имо учитывать различие углов
~и - электрического угла нагрузки и 0u' -
пространственного угла
1v1ежду радиальной линией, же,стко связанной с ротором, и синхрон­
но вращающейся осью . Направление этой оси характеризует на­
nра,вление вектора питающего напряжения. Для измерения угла
·-Эи' на валу ротора располагают небольшой диск с линией (меткой).
Связь метду электрическими и геометрическими угла'Ми устанав­
:ли~вается следующим соотношением : 1 град геом ,= р град эл.
Расчетные величины апределяются по следующим формулам:
тютребляемая мощность (Вт) Ps=Pa±Pr,; полезная механичеСJкая
.мощность (Вт) Рн=О,105Мп с ; КПД УJ=Ря/ Р8 ; коэффициент мощ-
ности COS<p=Ps/(VЗUнls).
По данным иопытан.ий и раечетов строятся ра1бочие и угловая
:характеристики двигателя и определяется средний удельный синхро­
Rизирующий момент Мс.уд=ЛМс/(рЛОи') при Мс=Мн и Л0u'=5°
(см. рис. 6.4).
Исследование синхронизирующих свойств двигателя. Синхрони­
зирующие свойс11ва СДПМ определяются в основном та,кими тех­
ническими пока1з ателями, как момент входа в синхронизм Мвх и
момент выхода из синхронwзма Мвы х - Чтобы оценить влияние из­
менения на 'пряжения питания на моменты входа и выхода, измеря­
ются их значения ,при номинальном и пониженном до 0,85 Ин на­
nряжениях . Момент входа определяется максимальным моментом
.nагрузки, при котором двигатель еще втягивается в синхронизм;
момент выхода - моментом нагруз-ки, при котором двигатель вы­
:па д ает из синхронизма.
Момент вход а рекомендуе'ГСя определять из режима ресинхро­
ни з ации. Для этого синхронно работающий двигатель нагружают до
:выхода из синхронизма (1при этом определяется ма!ксимальный
~инхронизирующий момент Мвых). Затем, постепенно уменьшая
момент сопротивления, фиксируют мо'мент входа.
Как укаэьввалось выше, момент вход а в значительной мере за­
:висит от момента инерции нагрузки. Для оценки влияния момента
;инерции на синхронизирующие свойства СДПМ определяются зна­
-чения Мвх ,при fнагр'=2/н и lнаг/'=5/н; И=Ин. Изменение fнarp
<Осуществляется набором дисков.
По д анным апытов рассчиты ваются кратности моментов входа
:и выхода по отношению к номинальному: kвх=Мвх/Мн; k м=
-=Мвых/Мн ,
При использовании данных экспериментального исследования
·(М/, М вых ) и приближенном решении уравнения движения ротора
-
СДПМ [см. (6.7)] рекомендуется рассчитать и построить зависи­
мость момента входа от суммарного момента инерции вращающих­
,ся мас с.


АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИI1
.
.
..
При обработке опытных данных следует _обратить внимание на:
то, что пусковые ,свойства исследуемого двигателя определяютсw
как соотношением, та1 к и характером измене~-tия асинхронного,
(двигательного) и генераторного (тормозного) Моментов (с:м. рис.
б.3). Соотношение тормозного Мт и двигательного Ма е моментов,.
характеризуется 1шадратом степени возбужденности двигателя:
(Мт/Мае=е2 ), поскольку Мт=1sт 2 =Ео2 и Мае= И 2. Характер из­
менения указанных моментов в процессе пуска зависит от соотно-­
шения параметров обмоток двигателя. Частота вращения nнр.т, при:
которой тормозной момент достигает ма,ксималь~-t-ого значения, за­
висит в основном от актИ1вного сопротивления обмотки -статора, в.
то время как частота вращения nнр.ае, 1При которой имеет место­
ма· ксим.ум двигательного момента, определяет-ся \3 первую очеред~
активным сопротивлением короткозамкнутой обмотки ротора. В.
двигателях мал-ой мощности с увеличением акти13ных сопротивле-­
ний обмоток статора и ротора ма1ксимум тормозного момента сме­
щается в сторону больших частот вращения, а ма}(симум двигатель­
ного момента - в ·сторону меньших частот вращения. При этом
уменьшается результирующий пусковой момент в зоне подсинхрон­
ных ча·стот вращения, что приводит к ухудшени!() синхронизирую­
щих свойств двигателя.
Степень возбужденности характеризует не только пусковые, но,­
и рабоч,ие снойства двигателя. С увеличением е возрастают пере­
грузочная способность двитателя и его энергетичеС'кие показатели­
в синхронном режим-е (Т\, cos ер), поскюльку уме:tiьшается потреб­
ляемый из сети намагничивающий ток. Однако, к,ж было отмечено,
выше, с возрастанием е ухудшаются пусковые характеристики дви­
гателя. Для каждого двигателя в зависим-ости от его -мощности,_
полюсности и 1 1астоты питающего напряжения ,существует вполне­
определенная -степень возбужденности, при которой о_беспечиваетсw
наилучшее сочетание его пусковых и ра,бочих свойств. В имеющих­
ся · синхронных двигателях ·с постоянными магнитам .и и асинхрон­
ным пуском мощностью от 1 до 250 Вт эта величиJ.Iа равна 0,-2 -0,5_
Основной технический пока1затель, определяющий синхронизи­
рующие свойства СДПМ, - момент входа ,в синхронизм. Его зна­
чение в значительной мере из-меняется как с изменением на1пряже­
ния питания, та1к и с изменением момента инерщш вращающихсs~
масс. Первое обстоятельств·о объясняется тем, что момент входа за­
•висит не только от 1синхронизирующего момента (Ме= И; Mdq=
= U2), но и от крутизны асинхронной механической характеристи­
ки в зоне лодсинхронных частот вращения (Мп'=: U2). Второе об­
стоятельство со всей очевидностью вытекает из ,приближенного
решения уравнен и я движения ротора СДПМ, которое может быть.
представлено в виде
Мнх=(-1,14М~+V 1,зм:: +4~1выхн) / (Н!М~), (6.7)
95.


тде Н= lт.roc 2/р - инерционная постоянная;
- (i)c = 2nf- электриче­
ская синхронная угловая частота.
Как видно из выражения (6.7), момент •входа убывает ·С возра -·
-станием момента инерции по гипер'болической зависимо·сти.
Вопросы для самопроверки
1. l(акие достоинства и недостатки имеют синхронные двигатели с посто­
:янными магнитами?
2. Укажите особенности конструкции синхронных двигателей с радиальным
·и аксиальным расположением постоянных магнитов.
3. l(ак осуществляется пуск двигателя?
.
4. l(акие функции выполняет в двигателе короткозамкнутая обмотка
ротора?
5. Объясните возникновение тормозного момента в процессе пуска дви­
.гателя .
6. l(акое влияние на пусковые н рабочие свойства оказывает степень воз­
>бужденности двигателя?
7. Дайте определение степени возбужденности двигателя.
8. l(аково соотношение в СДПМ между индуктивными сопротивлениями по .
-продольной и поперечной осям и почему?
9. Что понимается под моментом входа двигателя в синхронизм?
10. Укажите особенности угловых характеристик СДПМ. Чем вызваны эти
,особенности?
11. l(ак определяется пространственный угол нагрузки?
12. l(ак влияет изменение питающего напряжения на синхронизирующие
~войства двигате л я?
13 . Какие факторы влияют на момент входа двигателя в синхронизм?
14. l(ак изменяется момент входа с возрастанием момента инерции вращаю­
щихся масс?
15. Что понимается под крутизной пусковой механической характеристики?
§ 6.2 . СИНХРОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Отличительная особенность ,синхронных реактивных двигателей
:всех ти1Пов - отсутствие какой-либо системы возбуждения на явно­
.IIолюсном роторе.
По конструктив_ному наполнению синхронные реактивные двига­
тели общепромышленного на'Значения (СР Д) 6лизки ·к асинхрон­
ным двигателям с короткозамкнутым ротором, что <Убусловило их
технологичность в производстве, надежность в эксплуатации и ма­
.лую стоимость по сравнению с другими типами ,синхронных ,II;Вига­
телей. Синхронные реактивные двигатели отличаются -от асинхрон­
яых лишь конструкцией сердечника ротора.
Наиболее раС'пространенная конструкция ротора СР Д - про­
оетой явнополюсный ротор, между.полюсное ·пространство которого
Qбразуется вырубкой -больших пазов (рис. 6.6, а). Пусковая корот­
козамкнутая обмотка ротора выполняет,ся в виде ~беличьей клетки
путем заливки всех пазов алюминием. Наилучшее сочетание пус­
ковых и рабочих свойств СРД простой конструкции получается
.при коэффициенте полюсного перекрытия а=О,6-;-0,5; при этом
ютношение синхронных индуктивных сопротивлений по продольной
d и ;поперечной q осям ротора хd/Хч=2,0-;-2,5. Однако даже при
юптимальной геометрии ротора простые СРД имеют малую пере-
96


1·рузочную способность, большую 1кратнО'сть пускового тока, низкие
энергетические и ,синхронизирующие показатели. Мощность, кото­
рую может развить простой СРД в габаритах асинхронното двига-е
теля ;при равенстве суммарных потерь, не ,превышает 40% от мощ­
ности асинхронноrQ двигателя UIЗ] .
Улучшение рабочих и пусковых овойств СРД связано ,с совер-
1uенств,ованием конструкции ротора. В настоящее время известны
конструкции усовершенствованных дви-гателей с сегментным рото-
а)
Б)
6)
г)
Рис. 6.6 . Конструкции роторов синхронных реактивных двигателей
ром (рис. 6.6, б), с ротором, имеющим внутренние нёмаrJИтные
пазы (рис. 6.6, в), с секционирО'Ванным ротором (рис. 6.6, г). Иа
них наибольшее распространение в нашей стране и за рубежом
получила констру1кция ротора, ,представленная на рис. 6.6, в. Как
показали исследования, двигатели малой мощности 'С дополI;Iи­
тельными внутренними ,синхронизирующими каналами на роторе
обеспечивают в габаритах асинхронных двигателей мощность, на
одну сту,пень меньшую мощности ба'Зового двигателя.
Из-1за недостатков, присущих СР Д, область их применения
ограничивается электроприводами небольшой мощности с малыми
моментами инерции нагрузки. Он.и . используются там, где требуется
синхронная частота вращения и где простота и надежность в экс­
плуатации важнее энергетических показателей.
Пуск СРД общего назначения О'существляется, как правило,
под действием асинхронного •момента, возникающего в результате
взаимодействия вращающегося поля статора с наведенными им
токами в ~короткозамкнутой обмотке ротора. ПосколЬ'ку ротор СРД
обладает магнитной и электриче~кой несимметрией, результирую­
щий мом е нт 1в пусковом режиме Мп состоит из моментов прямой
Мп1 и обратной Mn2 последовательностей (рис. 6.7). Наличие отри­
цательного момента в зоне подсинхронных частот вращения ухуд•
шает синхронизирующие свойства двигателя , !Причем тем больше,
чем меньше м,ощность двигателя (чем выше активное сопротивле•
ние обмотки статора) и чем больше степень магнитной несиммет•
рии ротора ,по осям d и q.
4-761
97


На 1практике часто ис:по J1ьзуется однофазное питание синхрон­
ных м11кprщnнr:iтrJ1c•i'I. l3 этом случае в одну из фаэ обмотки стато­
ра в1,J110 1 1а('Тсн, кик правило, конденсатор. Несимметричное пита­
ние 0Gмu ·11ки статора приводит в общем случае к обра-зованию в
воздушном зазоре машины эллиптического вращающегося магнит­
ного поля, что, ,в свою очередь, вызывает появление дополнитель­
ного тормозного момента во всем диапазоне скольжений двига­
тельного режима. Начальный пусковой момент СРД при однофаз-
Рис. 6.7. Механическая характери­
стика синхронного реактивного
двигателя в асинхронном режиме
/\1
Мто
Рис. 6.8 . Угловая характеристика
синхронного реактивного двига­
теля
ном питании зависит от положения ротора ,:В пространстве, .и при
значительной ,электричес·кой и ма,rнитной несимметрии может воз­
никнуть явление залипания ротора.
Втягивание СРД в ,синхронизм 1Происходит под действием син­
хрьнизирующего момента, который создается за счет разности
магнитных проводимостей ротора по продольной и поперечной
осям в,следствие того, что явно выраженные полюса ротора стре­
мятся расшоложиться 1по оси вращающегося поля статора. Выра­
жение электромагнитного момента реактивного двигателя в рабочем
режиме можно получить из уравнений (6J)-,(6. '5), если принять
в=О (см.§ 6.1). Угловая характеристика СРД M 0 =f (0и) показана
на рис. 6.8. Угол наr~рузки 0u представляет собой угол на прост­
ранственно--нрем.еннбй 1ком·плексной плоскости между вектором на­
пряжения питания и поперечной осью ротора. Бели в щвиrателях
большой мощности (rs=O) максимум :синхронизирующего момента
имеет место при угле нагрузки Ни вых=л/4, то в двигателях малой
мощности - при угле 0u вых=л/4-,аdq- Угол смещения adq тем
боnъiпе, чем выше активное сопротивление обмотки статора.
Синхронизирующие свойства СР Д определяются максимальным
моментом -нагрузки, при котором двигатель еще втягивается в син­
хронизм,~ моментом :входа в синхронизм Мвх- Момент входа за­
висит от максимально синхронизирующего ·момента (момента вы­
хода из ,синхронизма Мвых), момента инерции вращающихся ма·сс
/, крутизны пусковой механической характеристики Мп' и может
98


быть найден из приближенного решения уравнения движения ро­
тора СРД:
(6.8)
где Н = ! ffi c2/p - инерционная постоянная вращающихся ма,сс, при­
чем ffi c = i2nf - электрическая угловая •скорость поля якоря; р -
число пар полюсов.
В данной работе ~предлагается программа исследований пуско­
вых, ра'бочих и синхронизирующих свойств ,синхронного реактив­
ного микро щвигателя общего назначения при однофазном конден­
саторном питании.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
А. Экспериментальные исследования
1. Ознакомиться с конструкцией и паспортны м и данными дви­
гателя.
2. Исследовать пу,сковые свойст,ва двигателя: а) определить
начальные 111усковые моменты Мн и токи fsк rпри И=Ин и С=Св
для различных значений. углового положения ротора; б) снять ре­
зультирующую механическую характеристику двигателя в асин­
хронном режиме Мп=f(п) при И=Ин и С=Сн в диапазоне частот
вращения nкr1<n<nвx,
3. Исследовать рабочие свойства двигателя: а) снять рабочие
характеристики Ис, Ив, 1s, /А, Iв, Р8 , Рл, Рв, Ря, cos<ps, cos<p.t,
cos (f)в, rJ в зависимости от М при И= Ин и С= Сн; б) снять угловую
характеристику двигателя Мс = f (0u') при И= Ин и С= Сн.
4. Исследовать синхронизирующие свойства двигателя: а) опре­
делить момент входа в синхронизм Мвх и момент выхода из син­
хронизма М в ых при С=Сн; И=Ин и И=О,85Ин; б) определить мо­
менты входа и выхода при И=Ин, С<Сн и С>Сн,
Б. Расчеты и построения
1. Построить зависимость начального пускового момента от
углового положения ротора в пространстве Мк=f(у); определить
максимальный и минимальный начальные пусковые моменты; вы­
числить кратности среднего начального пускового момента kп=
=Мк.ср/Мн И пускового тока ki=fsк/Jн,
2. Построить механическую характеристику двигателя в асин­
хронном режиме Мп=f(п) и определить ее крутизну при n=0,95nc.
3. Построить рабочие и угловую характеристики двигателя Ик,
Ив, 1s, Iл, Iв, Ps, Рл, Рв, Ря, COS(j)s, COS(j)л, COS(J)в, rJ в зависимости
отМиМс=f(0'и) .
4. Для номинального режима конденсаторного СР Д построить
векторную диаграмму токов и напряжений и рассчитать степень
эллиптичности МД С.
-
·1*
99


5. Вычислить кратности моментов входа и выхода при различ'­
ных напряжениях питания и емкости конденсатора.
6. Исrюльзуя опытные данные, рассчитать по выражению
(6.8) зависимость момента входа от момента инерции.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
Перед началом работы с.r1едует ознакомиться с конструкцией и
паспортными данными двигателя и рассчитать номинальный мо­
мент (Н·м):
Mн=9,55PR~fnc,
Рис. 6.9 . Схема для
исследования конден­
саторного синхронно­
го реактивного дви-
гателя
где Рян - номинальная полезная мощ­
ность двигателя, Вт; п с - синхронная ча­
стота вращения ротора, об/мин.
Программа экспери м ентальных иссле­
дований выполняется по схеме, представ­
ленной на рис. 6.9. Двигатель питается от
UA°' f;
!)с _i_ /
•
Рис. 6.10. Векторная диа­
грамма токов • и напряже­
ний конденсаторного син­
.хронн о rо реактивного дви -
гателя
однофазной сети переменного тока через автотрансформатор с
плавным регулированием н.апряжения. Нагрузочный мом е нт на ва­
лу двигателя создается и измеряется малоинерционным электро­
магнитным тормозом. Измерение и контро.'IЬ частоты вращения р о­
тора осуществляются с помощью строботахометра.
Исследование пусковых свойств двигателя. Для снятия зависи­
мости начального пускового момента Мк от углового положения
ротора у на диске тормоза · должен быть предусмотрен ряд отвер ­
стий. Указанная зависимость снимается при заторможенном ро то·
ре (п=О), номинальном напряжении питания ·(И=Ин) и номиналь­
ной емкости конденсатора (С= Сн). Одноврем е нно опр ед еля ется
пусковой ток ! s1<• По данным опыта строится зависимость М к =f (у),
определяются максимальный и минимальный начальные пусковые
моменты и рассчитываются кратность среднего начального момен-
100


та kп= (Мк.макс+М;к.мин)/(2Мн) и краТI:ЮСТЬ пускового тока ki ~
=fsк/fн.
Результирующая механическая характеристика двигателя в
асинхронном режиме Мп=f(п) снимается в диапазоне частот вр_а­
щения nкp<n< nвх ( см. § 6.1). Крутизна пусковой механической
характеристики определяется при скольжении s = 0,05: Мп' =
=20Мп(О,95пс)•
Исследование рабочих свойств двигателя. Рабочие и угловая
характеристики двигателя снимаются одновременно при номиналь­
ных значениях напряжения питания и емкости конденсатора в диа­
пазоне нагрузок от холостого хода до момента выхода ротора из
синхронизма. Контроль за частотой вращения и отсчет пространст­
венных углов нагрузки 0u' осуществляются с помощью строботахо­
метра, засинхронизированноrо с сетью (см. § 2.3). Шкала отсчета
углов 0u' располагается на подшипниковом щите двигателя; на ва­
лу ротора размещается либо стрелка, либо небольшой шкив с
меткой. Угол 0u' отличается от угла 0u из-за наличия механических
потерь. При построении угловой характеристики Mc=f (0и') необ­
ходимо учитывать соотношение между электрическими и геомет­
рическими углами: 1 град геом. = р град эл.
Расчетные величины определяются по формулам Ps = Рл + Рв;
Рн=О,105Мnс; ri=PR/Ps; coscpi=Pi/(Vнli), где t=A, В, S.
Используя данные при номинальной нагрузке двигателя, строят
векторную диаграмму напряжений и токов (рис. 6.1 О) и рассчиты­
вают коэффициент k,=klв/lл, характеризующий степень эллиптич­
ности МДС. Если коэффициент трансформации k=wвkoв/(wлkoл)
неизвестен, то его определяют опытным путем (см. § 5.3).
Исследование синхронизирующих свойств двигателя. Основными
технически.ми показателями СРД, характеризующими его синхро­
низирующие свойс-гва, являются момент входа в синхронизм и мо­
мент выхода из синхронизма, который, кроме того, определяет
перегрузочную способность двигателя .
Для оценки влияния напряжения питания и емкости конденса ·
тора на синхронизирующие свойства СРД измеряют моменты входа
и выхода при двух значениях напряжения (И= Ин и И= О,85Ин
при С=Сн) и при трех значениях емкости (С1=Сн; С2,з~Сн при
И= Ин). Момент входа рекомендуется определять из режима ресин­
хронизаци,и. Для этого синхронно работающий двигатель нагру­
жают до выхода из синхронизма, при этом определяют момент nы­
хода. Затем, постепенно умt!ньшая момент сопротивления, фикси­
руют момент входа.
По опытным данным рассчитывают перегрузочную способность
двигателя kм=Мвых/Мн и кратность момента входа kвх=Мвх/Мн
при номинальных значениях напряжения питания и емкости конден-
сатора.
•
Используя данные экспериментального исследования (Мп', Мвых )
и приближенное решение уравнения движения ротора (6.8), рассчи­
тывают зависимость Mвx=f(J) для l 1 =JR· 12 =2 5/н· 1 3 =5/н· ]4=
= 10/R·
1
'
'
'
101


АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
При обработке опытных данных следует обратить внимание на
то, что начальный пусковой момент конденсаторного СР Д зависит
от положения ротора в пространстве. При этом переменная состав­
ляющая начального момента обусловлена асимметрией фазных
токов и разностью индуктивных сопротивлений по продольной и
поперечной осям ротора. Если емкость конденсатора выбрана из
условия образования кругового вращающегося поля в номиналь­
ном режиме, то в пусковом режиме поле будет эллиптическим. 11ри
большой несимметрии токов в фазах может возникнуть явление
залипания ротора (13].
В синхронных реактивных двигателях магнитное поле создается
намагничивающим током, потребляемым из сети, а разность индук­
тивных сопротивлений по осям d и q обеспечивается введением до­
полнительного магнитного сопротивления (увеличением воздушно­
го зазора) по поперечной оси ротора. В связи с этим коэффициенты
мощности фаз, а следовательно, и КПД реактивных двигателей
сравнительно невелики. Общий .коэффициент мощности (cos <ps)
можно повысить при однофазном питании за счет включения кон­
денсатора. Максимальный синхронизирующий момент СРД тем
больше, чем сильнее выражена явнополюсность двигателя. Uднако
в двигателях малой мощности (при больших r8 ) увеличение разно­
сти индуктивных сопротивлений по 9сям d и q не приводит к замет­
ному увеличению синхронизирующего момента из-за роста тормоз­
ного момента. Поэтому перегрузочная способность СРД малой
мощности обычно невелика: kм= l,2+ l,4.
Момент входа в синхронизм, определяющий синхронизирующие
свойства С.РД, в значительной мере зависит от напряжения пита­
ния. Объясняется это тем, что момент выхода из синхронизма и
крутизна пусковой механической характеристики пропорциональны
квадрату питающего напряжения (Мвых- И 2 , Мп' = И 2 ). Влияние
емкости конденсатора на момент входа обусловлено тем, что с из­
менением емкости . изменяется степень эллиптичности магнитного
поля.
Для того чтобы нагруженный ротор вошел в синхронизм, синх­
ронизирующие силы должны совершить определенную работу, за­
трачиваемую на преодоление момента сопротивления нагрузки и
увеличение кинетической энергии вращающихся масс. Максималь­
ное значение этой работы определяется площадью угловой харак­
теристики и для каждого двигателя постоянно. С возрастанием
момента инерции нагрузки кинетическая энергия при синхронной
частоте вращения увеличивается и, следовательно, двигатель мо­
жет втянуть в синхронизм нагрузку с уменьшенным моментом со­
противления.
, Вопросы для самопроверки
1. Какие типы роторов применяются в СРД?
2. Как осуществляется пуск двигателя?
102


3. За счет чего возникают вращающие моменты в асинхронном и синхрон-
ном режимах?
4. Что понимается под крутизной пусковой механической характеристики?
5. Объясните характер зависимости вращающего момента от угла нагрузки.
6. Какое магнитное поле создается в конденсаторном СР Д?
7. Как о пр еделить степень эллиптлчнос т.и МДС?
8. Как и з меряется угол нагрузки?
9. Почему двигатель называется реактивным?
10. Чем определяются сщ1хронизирующие свойства двигателя?
11 . Д а йте определение момента входа в синхронизм и момента выхода из
синхронизма .
12 . Каково назначение конденсатора при однофазном питании СРД?
13. Об ъясните зависимость момента входа от момента инерции вращающих­
ея масс.
§ 6.3 . СИНХРОННЫЙ ГИСТЕРЕЗИСНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Синхронные гистерезисные двJ-Iгатели (СГД) широко применя 0
ются в различных электроприводах и схемах автоматики, особенно
там, где требуются небольшие мощности (до 100 Вт). Основные
требования, предъявляемые к двигателям, отражены в П)СТ
16264-78.
Статор гистерезисного д:вигателя не отл_ичается от статоров
обычных синхронных или асинхронных машин. В пазах статора
располагается трех- или двухфазная (у однофазных конденсатор·
ных двигателей) обмотка. Ротор гистерезисного двигателя пред­
ставляет собой сплошной (массивный) или шихтованный (набран­
ный из листов) цилиндр, выполненный из магнитожесткоrо мате­
риала, имеющего широкую петлю гистерезиса и, сле довательно, об­
ладающего большими остаточным магнетизмом В, и коэрцитивной
силой Нс (викаллой, альнико и др.).
Основной гистерезисный вращающий момент Мг в гистерезис·
ном двигателе создается за счет взаимодействия вращающегося
магнитного поля статора с магнитным полем ротора, возникающим
в результате его намагничивания полем статора [2]. Кроме основ·
ного гистерезисного момента у гистерезисных двигателей со сплош·
ным (не шихтованным) ротором имеется еще момент от вихревых
токов - асинхронный момент, возникающий в результате взаимо­
действия вращающегося поля статора с наведенными вихревыми
токами в теле ротора. Значение этого момента не велико и не по­
стоянно. Так как активное сопротивление ротора велико (sкр> 1),
то момент максимален при пуске и равен нулю при синхрониз м е
(см . рис. 6.12).
-
Природа гистерезисного момента объясняется наличием у рото­
ра широкой петли гистерезиса (большого остаточного магнети з ма).
Для выясн е ния физической сущности гистерезисного момента
представим, что ротор гистерезисного двигателя внесен в магнитное
поле, созданное двумя полюсами магнита (рис. 6.11, а) . Под де йст­
вием внешнего поля ротор намагнитится - элементарные магнити­
ки ротора будут ориентироваться по полю. В результате вз аимодей ­
ствия внешнего поля с полем ротора возникнут радиальные силы .
103


Эти силы, -как видно из рисунка, никакого вращающего момента
не создадут.
Если полюса магнита (внешнее поле) вращать относительно
ротора (рис. 6.11, 6), то элементарные магнитики (поле ротора)
будут поворачиваться вслед за полем полюсов. Однако в"следстви~
молекулярного трения, которое у материалов с широкои петлеи
гистерезиса очень велико, они при вращении будут несколько отста­
ват~, от поля полюсов. Суммар­
ное поле всех элементарных
магнитиков - поле ротора
-
будет повернуто относительнQ
поля полюсов на некоторый
угол е. Си л ы взаимодействия
между элементарными магни­
тиками и полем полюсов в этом
случае кроме нормальных со­
ставляющих F п будут иметь
еще тангенциальные состав­
ляющие F1, которые создадут
вращающий гистерезисный мо­
мент. Значение этого момента
зависит от внешнего поля, на­
магниченности ротора, свойств
материала ротора (Br и Нс ) И
не зависит от частоты враще­
ния.
r
<·;.
N,
';
F
[·.·,.•'.·
'
'
"
/
\ '-,
f·;, '?J,;,;,,-,ij~,./',(j
,,:;
SF
а)
Рис. 6.11 . Схема образования ги- ,
стерезисного момента
Механическая характеристика двигателя, обладающего только
гистерезисным моментом, имеет вид прямой линии (рис. 6.12). Ре- ·
зультирующий момент М гистерезисного двигателя со сплошным
ротором может быть получен сложением двух моментов: гистерезис-
ного Мг и от вихревых токов Мв.
•
Гистерезисный момент возникает не только в гистерезисных
двигателях, но и в обычных асинхронных двигателях. Однако зна­
чение его . вследствие узкой петли гистерезиса материала роторов
обычных двигателей незначительно и им пренебрегают.
В настоящее время с целью экономии дорогостоящего магнито­
жесткого материала р9торы гистерезисных двигателей обычно де­
лаются сборными. Они состоят из втулки 1 (рис. 6.13), наружного
шихтованного или сплошного кольца 2 из магнитожесткого мате­
риала, запорного кольца 3 и вала 4. В зависимости от свойств маг­
нитожесткого материала втулка выполняется либо из стали, если
материал кольца имеет малую магнитную проницаемость, либо из
алюминия, если материал кольца имеет большую магнитную про­
ницаемость.
Гистерезисный двигатель может работать как в синхронном,
так и в асинхронном режимах. Однако в асинхронном режиме он
используется сра 1внительно редко, так как вследствие перемагни­
чивания стали ротора в нем возникают большие потери. В синхрон·
104


ном режиме ротор не перемагничивается и потери в стали" ротора
не возникают.
Преимуществами синхронных гистерезисных двигателей, кото­
рые способствовали их быстрому распространению в технике, явля­
ются: большой пусковой момеI;Iт и момент входа в синхронизм,
плавность входа в синхронизм - отсутствие рывка, незначительное
изменение тока (20-30%) при изменении нагрузки от короткого
замыкания (пуск) до холостого хода, сравнительно высокий КПД
м
-п
Торнозноii
-м
Рис. 6.12 . Механическая характеристика
гистерезисного двигателя
2
---r------,"'-,/з
,.
/'r
!w,t
Рис. 6.13. К:онструкция ротора ги­
стерезисного двигателя
(до 60 % ) , свойство полисинхронизма ротора - способность одного
и того же ротора работать во вращающихся полях различной по­
люсности, надежная и бесшумная работа, простота конструкции.
К недостаткам гистерезисного двигателя следует отнести прежде
всего низки];! коэффициент мощности cos <р (О,3+0,45) вследствие
малой магнитной проницаемости материала ротора в асинхронном
режиме и, кроме того, малой намагниченности ротора в синхрон­
цом режиме.
Энергетические показатели гистерезисного двигателя (ri, cos ф,
Рн) можно значительно увеличить путем подмагничивания ротора
в синхронном режиме посредством кратковременного (на 2-3 пе­
риода) повышения магнитного потока статора, например путем
увеличения подводимого к статору наnряжения. Подмагниченный
ротор создает большую долю основного рабочего магнитного пото­
ка двигателя, разгружая обмотку статора от реактивного намагни­
чивающего тока.
Подмагничивание влияет на характеристики двигателя и зависит
от материала ротора и конструкции двигателя: чем больше коэрци­
тивная сила материала ротора и длиннее магнитные силовые линии
в роторе, тем больше сказывается подмагничивание.
Существенным недостатком синхронных гистерезисных двига­
телей является то, что их роторы при резких изменениях нагрузки
способны длительное время качаться (колебаться), нарушая рав­
номерность хода. Это особенно сщ1ьно-ощущается у двигателей,
имеющих шихтованный ротор. Причина длительных качаний po-
JG5


торов - отсутствие успокаивающей качания короткозамкнутой
обмотки, которая имеется, например, у синхронных реактивных
двигателей.
Качания гистерезисных двигателей со сплошным (массивным)
ротором менее значительны. Однако и у них они ощутимы, так как
вихревые токи, возникающие при качаниях в теле ротора, вследст­
вие их малости из-за большого удельного сопротивления материал;~
ротора не могут создать значительный демпфирующий момент.
Вызываемая качаниями ротора неравномерность хода ограни­
чивает область применения гистерезисных двигателей: не позволя­
ет широко использовать их в приборах звукозаписи, в различных
ле!iтопротяжных устройствах и т. п. Длительное время препятстви­
ем для широкого применения гистерезисных двигателей была вы­
сокая стоимость магнитожестких материалов. Однако сейчас это
препятствие устранено - создан ряд сравнительно недорогих маг­
нитожестких материалов.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
А. Экспериментальные исследования
1. Ознакомиться с конструкцией синхронного гистерезисного
микродвигателя и его паспортными данными.
2. Снять нормальные рабочие характеристики двигателя (без
подмагничивания его ротора) Ps, Рн, 1s, ТJ, cos q> в зависимости от
М при И=Ин.
3. Снять рабочие характеристики двигателя после подмаrничи­
вания ротора {кратковременного повышения напряжения питания
до И= (1,5+ 1,8) Ин] Ps, Рн, ls, ТJ, cos q> в зависимости от М при
И=Ин.
4. Произвести наблюдение за качанием ротора.
5. Снять зависимости тока статора / 8 , потребляемой мощности
Р8 и коэффициента мощности cos q> от напряжения питания при
постепенном понижении напряжения от И= (1,5+ 1,8) Ин до И=
= (0,4+0,5) Ин в режиме холостого хода двигателя.
--
Б. Расчеты и построения
1. Выполнить эскиз ротора синхронного гистерезисного двига­
теля.
2. Построить на одном графике рабочие характеристики двига­
теля до и после подмагничивания Ps, PR, / 8 , ri, cos q> в зависимости
отМ.
•
3. Рассчитать кратности момента выхода из синхронизма (до и
после подмагничивания) и кратности начального пускового момен­
та и пускового тока kм=Мвых/Мн; kп=Мк/Мн; ki~Isк/fн.
4. Построить зависимости тока статора / 8 , потребляемой мощ­
ности Р8 и коэффициента мощности cos q> от напряжения питания
при холостом ходе двигателя.
106


ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
В данной работе исследуется ,трехфазный синхронный гистере·
зисный двигатель.
Для проведения испытаний необходимо собрать схему, представ·
ленную на рис. 6.14. Питание двигателя осуществляется от трех·
фазной сети переменного тока через индукционный регулятор или
Рис. 6.14. Схема соеди­
нений для испытания ги­
стерезисного двигателя
cosr.p
1s Ps
~~
тА Вт
;-----,---r--т--г--~~~
160 о,
50
140 0,7 70
fDO 0,5
за
80 D,4
БП
4-0
20 0,1
О 100 200 ЗО О 400 М·/0·4,н tv. ,
Рис. 6.15. Рабочие характеристики ги­
стерезисного двигателя:
до подмагничивания;
-
-
-
после подмагничивания
иное устройство, с помощью которого регулируется напряжение на
зажимах двигателя. Момент на валу двигателя создается и изме·
ряется с помощью ленточного (нитяного) или электромагнитного
тормоза. Частота вращения в синхронном режиме контролируется
с пом:ощью неоновой лампы или механической строборамы. Часто­
та вращения в асинхронном режиме измеряется посредством стро·
ботахометра.
Рабочие характеристики гистерезисного двигателя при номи­
нальном напряжении. Зависимости Ps, PR, 1s, 11, cos <р от М снима­
ются при И=Ин, указанном в его паспорте. ЗдесьРя=1,05М,ft;r~=
=Ря!Ps; cos rp=Ps!(Vзusfs)-
При проведении данного эксперимента необходимо определить
начальный пусковой момент Мк - момент при n=O, момент входа
в синхронизм Мвх - максимальный момент, при котором д,вигатель
еще втягивается в синхронизм, и момент выхода из синхронизма
Мвых - максимальный момент при синхронной скорости.
Рабочие характеристики двигателя после подмагничивания (рис.
6.15). Они снимаются после предварительного (кратковременного)
107


повышения подводимого к двигателю напряжения, осуществляемого
следующим образом: с помощью индукционного регулятора или
иного регулирующего напряжение устройства напряжение на за­
жимах двигателя при холостом ходе М=О быстро поднимается до
;:;начения И= (1,8+2) Ин и сразу же так же быстро уменьшается до
Ps Is
COSif Вт тА
l,D 10100 -~ --. -- --. --- --, --- -,
D,2 5 2,5 ZJ_- +_
___,._.c,.---'---l'--1-+-----,
s
о
вюа 120 !4D. 160 1ваи;в
Рис. 6.16. Характеристики, показывающие
влияние намагниченности рото.ра на по­
требляемые ток и мощность
номинального значения.
После подмагничивания
необходимо сразу же, не вы­
водя двигатель из синхро­
низма, приступать к снятию
рабочих характеристик.
При определении рабо­
чих характеристик
после
подмагничивания необходи­
мо с помощью неоновой лам­
пы следить за тем, чтобы ро­
тор двигателя не выходил из
синхронизма, так как даже
кратковременный выход ро­
тора из синхронизма приво­
дит к его перемагничива­
нию.
Если во время экспери­
мента ротор случайно выпал
из синхронизма, то его нуж­
но снова подмагнитить, точ­
но так же, как в первый раз.
При этом необходимо
помнить,чтоподмаг­
ничивание
нужно
ПрОИЗВОДИТЬ бЫСТрО,
ибо длительное- повышение напряжения на зажимах двигателя
свыше номинального может привести к перегреванию обмоток и к
выходу двигателя из строя.
При исследовании двигателя после подмагничивания необходи­
мо определить момент выхода из синхронизма и пусковой
момент.-
Наб.1юдение за качанием ротора осуществляется с помощью
строборамы или неоновой лампы при холостом ходе двигателя.
Для того чтобы ротор начал качаться, его нужно резко кратковре­
менно нагрузить путем прикосновения к ободу насаженного на вал
диска карандашом.
Исследование влияния намагниченности ротора на ток и мощ­
ность, потребляемые двигателем. Это исследование (рис. 6.16) про­
изводится путем снятия характеристик 1s, Р8, cos <р в зависимости
от И при холостом ходе двигателя (М =0).
Первоначально на зажимы двигателя подается напряжение
И= (1,5+2) Ин. При этом снимаются первые показания приборов.
Затем напряжение постепенно снижается до И= (О,4+0,5) Ин.
108


Эксперимент при напряжениях свыше номинального следует
производить быстро, с тем чтобы избежать чрезмерного перегрева
обмоток двигателя.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ
Анализируя результаты исследований гистерезисного двигателя,
нетрудно убедиться в том, что его пусковой ток всего на 10-30%
превышает ток холостого хода. Это объясняется тем, что основной
,составляющей тока / 8 гистерезисного двигателя является намагни·
чивающий ток lv., который
достигает 80-90% от номинального.
При увеличении нагрузки на валу ток/8 возрастает за счесг актив·
ной составляющей Ia, которая даже при номинальной нагрузке не
превышает намагничивающего тока:
cos:(f=laf/s=la / V!~+1;=0,3-+-0,7.
В некоторых двигателях, имеющих большое активное сопротив·
ление обмотки статора, при увеличении момента нагрузки на валу
М (см. рис. 6.15) ток / 8 вначале уменьшается, а затем начинает
постепенно возрастать. Первоначальное уменьшец,ие тока / 8 объяс·
няется тем, что при малых нагрузках вследствие определенного
соотношения параметров двигателя намагничивающий ток умень·
шается на большую величину, чем увеличивается активная состав­
ляющая тока.
Повышение cos <р при увеличении нагрузки М объясняется рос·
том активной составляющей тока и некоторым уменьшением на·
магничивающего тока.
К: значительному улучшению энергетических показателей двига­
телей rt, cos <р приводит перевозбуждение двигателя - кратковре­
менное (на 2-3 периода) повышение напряжения питания в синх·
ронном режиме. Последнее объясняется тем, что при перевозбуж·
дении магнитотв ердый материал ротора намагничивается значи ·
тельно сильнее, чем при номинальном напряжении, и магнитный
поток , создаваемый ротором, значительно возрастает.
Изменения тока, мощности, потребляемых двигателем, и его
коэффициента мощности, которые наблюдаются при уменьшении
напряжения питания двигателя после ero перевозбуждения (см.
рис. 6.16), могут быть объяснены следующим образом. Основной
магнитный поток любой электрической машины переменного тока
в режимах от холостого хода до номинального практически не из·
меняется и определяется приложенным напряжением И, частотой
сети f и эффе~тивным числом витков wko : Ф ~И/ (4,44fwk 0 ).
В синхронном гистерезисном двигателе основной рабочий поток
Ф является суммой потоков: потока статора, создающегося намаг·
ничивающим током / μ ето обмотки, и потока ротора. Намагничива­
ющий ток, таким образом, зависит от степени намагниченности ро~
тора. Чем сильнее намагничен ротор, тем большую часть основного
рабочего магнитного потока он создает и тем меньшР- доля участия
109


статора в создании рабочего потока, а следовательно, меньше на­
магничивающий ток / μ,
Если намагниченность ротора оставлять неизменной, а умень­
шать основной рабочий поток двигателя , снижая напряжение на
его зажимах, то вместе с основным потоком Ф уменьшается и
намагнич~ивающий ток /μ, При некотором
И весь поток Ф будет-
•создаваться ротором и намагничивающий ток / μ будет равен нулю_
Если после этого напряжение вновь уменьшить, то из сети снова
пойдет реактивный ток, но только не отстающий, а . опережающий.
Далее с уменьшением напряжения ток, потребляемый двигателем
нз сети, увеличивается за счет опережающего тока.
В гистерезисных двигателях малой мощности минимум тока
даже при М ~ О не равен нулю, что объясняется наличием активной
составляющей тока, обусловленной механическими потерями, и ре­
активной составляющей, обусловленной полями рассеяния.
Вопросы для .самопроверки
1. Как устроен .гистерезисный двигатель?
2. За счет чего создается гистерезисный момент?
3. Какой вид имеет механическая характеристика гистерезисного двигателя?
I(ак ее объяснить?
•
4. Назовите преимущества гистерезисного двигателя.
5. Укажите недостатки гистерезисного двигателя.
6. Что дает перевозбуждение гистерезисного двигателя?
- 7 . Каким образом влияет намагниченность ротора на ток и мощность, п~
требляемые гистерезисным двигателем?
8. Чем объяснить качания ротора гистерезисного двигателя?
Глава 7
ИСПЫТАНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО КОЛЛЕКТОРНОГО
МИКРОДВИГАТЕЛЯ
Коллекторный двигатель с последовательной обмоткой возбуж­
дения, имеющий приблизительно одинаковые рабочие характеристи­
ки как на постоянном, так и на однофазном переменном токе, назы­
вается универсальным коллекторным двигателем · (УКД). Такие дви­
гатели выпускаются на относительно малые мощности и различные­
частоты вращения, достигающие нескольких десятков тысяч обо­
ротов в минуту.
По конструкции рассматриваемый двигатель подобен машине ·
постоянного тока с последовательной обмоткой возбуждения без.
дополнительных полюсов. Отличие состоит лишь в том, что не толь­
ко якорь, но и статор УКД набирается из листовой электротехни­
ческой стали. На рис. 7.1 изображен лист статора УКД.
Возможность непосредственного пол учения высокой частотьr
вращения и ее плавного регулирования - большое достоинств(}'
;:ллекторных двигателей. В связи с этим они широко примеияютс>< J


во многих бытовых машинах (пылесосах, швейных машинах, кофе­
молках, миксерах), в электродрелях, медицинской технике, технике
связи и др. ·
К: недостаткам УК:Д относятся: сравнительная сложность их
эксплуатации, повыщенная шумность, особенно при высоких часто­
тах вращения, радиопомехи и трудность получения безыскровой
коммутации на переменном токе. Это объясняется прежде всего
тем, что в коммутируемых секциях кроме ЭДС вращения евр и ре·
активной ЭДС ер наводится ЭДС трансформации ет вследствие
пульсации потока полюсов Фв. Векторная диаграмма ЭДС в ,комму·
Рис. 7.1 . Лист статора
универсального коллек­
торного двигателя
тируемой сек11ии, построенная в пред­
положении, что отсутствуют потери в
стали двигателя и размагничивающее
действие коммутационных токов, при­
ведена на рис . 7.2.
Рис. 7.2 . Векторная диаграмма ЭДС, дейст­
вующих в коммутируемой секции универсаль­
ного коллекторного двигателя при работе от
сети переменного тока
Для безыскровой коммутации необходимо, чтобы
ёр+ет+евр=О,
(7.1)
т. е. для выполнения этого условия требуется, чтобы ЭДС евр была
равна по амплитуде и противоположна по знаку геометрической
сумме ЭДС (ер+ет). Так как ЭДС ер и е~р изменяются прямо про·
порционально линейной скорости якоря, а ЭДС ет от нее не зави­
сит, то осуществить равенство (7.1) на практике не удается. Осо­
бенно неблагоприятные условия возникают при пуске _в ход, когда
ЭДС ет достигает относительно больших значений из-за увеличе·
ния потока, обусловленного возрастанием тока. · Для достижения
удовлетворительной коммутации необходимо ограничить :jДС
трансформации. Для этой цели целесообразно увеличивать число
пластин колле1.<тора и уменьшать число витков . в секции обмот.ки
якоря. Для снижения тока в коммутируемых секциях следует вы­
бирать щетки с большим сопротивлением .
Рассмотрим вращающий момент УI<Д при питании постоянным
и переменным током.
Припитаниипостоянным током
М=[1/(2л:)](р/а) ,У/Ф,
(7.2) '
где Р - число пар полюсов; а - число пар параллельных ветвей;
1Il


N-,- число проводников обмотки ююря; / - ток якоря; Ф ,-
поток
полюсов.
При питании переменным током i=/msin (J)t и ф==;
=Фmsin ((J)t- ~), где ~ - угол сдвига фаз между током и потоком
полюсов, обусловленный потерями в стали и размагничивающим
1.Ф,М
Рис. 7.3 . Зависимость вращающего
момента универсального коллектор­
ного двигателя от времени при ,рабо-
те от се1ш переменного тока
Рис. 7.4 . Электрическая
схема
универсального
коллекторного двигателя
действием токов в коммутируемых секциях. Учитывая, что
sin (J)fsin ((J)t-~ ) =0,5[cos ~ - c o s (2(J)f-~) ], найдем
М = [рN/(4л:а)] Фт!т [cos ~ - co s (2юt- ~)]=Mcr+M_.
(7.3)
Формула (7.3) показывает, что вращающий момент в УКД при
питании -переменным током можно представить в вид е двух состав·
ля·ющих . Одна из них, Мер, не зависит от времени; другая, М~,.
изменяется во времени с двойной частотой (рис. 7.3) по отноше·
нию к частоте питающего напряжения. На практике переменный
момент не создает неравномерности вращения, так как этому пре­
пятствует инерция ротора. Для получения большей постоянной­
составляющей момента необходимо, чтобы угол ~ был мал . Это­
достигается последовательным соединением обмоток -- возбужденшt
и якоря.
Электрическая схема УКД представлена на рис. 7.4 . Обмотка
возбуждения состоит из двух катушек, одна из которых соединяется•
со щеткой положительной полярности, а другая - со щеткой отри·
цательной полярности. Получа·ется симметричная электрическаЯ'
цепь, обесп ечивающая меньшие радиопомехи. Как видно из схемы.
при работе УКД на щ~ременном токе напряжение подается не на
всю обмотку возбуждения, а только на часть ее. Этим дост и гается:
примерно одна и та же частота вращения при номинальном момен­
те на валу и номинальных напряжениях на постоянном и п е ремен­
ном токе .
Регулиров а ние частоты вращения УКД можно осуществлять. j
112
J
i


четырьмя основными способами. Электрические схемы регулиро­
вания частоты вращения представлены на рис. 7.5: а - изменением
напряжения, подводимого к двигателю; 6 - включе нием активного­
сопротивления параллельно обмотке возбуждения (шунтирование,
обмотки возбуждения), в - включением активного сопротивления.
параллельно якорю (шунтирование обмотки якоря); г - включе­
нием добавочного сопротивления последовательно с якорем.
Сравнение перечисленных способов регулирования частоты вра~
щения показывает, что наиболее экономичным из них является спо-
а)
Рис . 7.5 . Схемы регулирования частот вращения универсального
коллекторного двигателя
соб шунтирования обмотки возбуждения. Изменение частоты вра­
щения путем шунтирования обмотки якоря или включением доба­
вочного сопротивления последовательно с якорем осуществляется
просто, однако эти способы регулирования неэкономичны из - за эле­
ктрических потерь в добавочных сопротивлениях. По этой же при­
чине неэкономичен и способ регулирования частоты вращения
изменением напряжения, подводимого к двигателю, если оно осу­
ществляется с помощью реостата.
Более экономичным регулирование будет в том случае, когда
вместо реостата используется автотрансформатор с плавным регу­
лированием напряжения. При зтом частоту вращения якоря можно
как повышать, так и понижать по сравнению с номинальной. При
шунтировании обмотки возбуждения достигается только повыше­
ние частоты вращения,. а при шунтировании обмотки якоря и вклю­
чении. сопротивления последовательно с якорем частота вращения
двигателя уменьшается по сравнению с номинальной. Изменять.
частоту вращения можно и сдвигом щеток с геометрической нейт­
рали против направJiения вращения якоря. На практике этим часто
пользуются для достижения частоты вращения, возможно более
близкой к заданной .
Объектом исследования является универсальный коллекторный
двигатель, предназначенный для работьi на переменном и постоян-
113


ном токе. Данные типичных УКД приведены в табл. 7.1. Цель
работы - сравнение пус-ковых, рабочих и регулировочных харак­
~еристик УКД при его питании постоянным II переменным током.
Тип
двигателя
УМТ-11
УМТ-12
УМТ-21
УМТ-22
УЛ-02
УЛ-042
УЛ-061
УЛ-071
КВ-25
КУБ
114
251
55j
10
50
180
400
25
370
ин, в
=110
~
127
=110
~
127
=110
~
127
=110
~127
=110
~127
=220
~ 220
=110
~
127
=220
~ 220
=110
~127
=220
~ 220
=110
~127
=220
~ 220
=110
~127
=220
~ 220
=110
~127
=220
~ 220
1/, Гц Iпн'об/мин''и'А 1
1501
50
50
50
50
50
50
3 ООО 10,251
0,35
2 ООО 1 0,351
0,50
1 800 1 0,551
0,85
2500 / 1,00 1
1,50
8000 0,27
0,26
0,14
0,15
8000 0,82
0,84
0,41
0,49
8000 2,64
2,68
1,30
1,60
8 ООО 5,45
5,70
2,85
3,15
15 ООО
0,49
0,28
15 ООО
4,80
2,80
Таблица 7.1
~.
%1 cosf IО,кг
22-26 )о,55-О,581 1,5
30-33 ,0,47-0,531 2,0
44-461!,65-0,G71 3,5
39-41
54-5610,71-0,731 4,5
49-51
34
0,90
0,4
55
0,85
- 1,4
62
0,85
1
3,7
1
64
0,90
5,8
50
0,90
68
0,94


ПРОГРАММА РАБОТЫ
А . Экспериментальные исследования
1. Снять рабочие хара,ктеристики двигателя п, Р8, !, Ря, ТJ в
зависимости от М при U =Ин= const на постоянном токе. ;,
2. Снять рабочие характеристики двигателя п, Р8, !, PR, cos q>.
fJ в зависимости от М при И= Ин= const на переменном токе.
·3_ Снять механические характеристики двигателя n=f(M) при
U = Ин==с:опst на переменном токе: а) при шунтировании обмотки
якоря; б) при включении последовательно с якорем активного со­
противления; в) при шунтировании обмотки возбуждения.
4. Снять регулировочные характеристики двигателя n=f(U) •
при М =Mн= ·const и нормальной схеме (,без внешних сопротивле­
ний): а) на переменном токе; б) на постоянном токе.
5. Измерить пусковые моменты двигателя Мк при И= Ин на пе­
ременном и постоянном токе (схема нормальная).
Б. Расчеты и построения
1. Построить на одном графике рабочие характеристики двига­
теля при питании постоянным и переменным током.
2. Построить на одном графике механичеекие характеристики
двигателя n=f(M) на переменном токе при различных добавочных.
сопротивлениях по п. 3 экспериментальной части.
3. Построить регулировочные характеристики .двигателя n=
=f(U) при M=Mн=const поп. 4 экспериментальной части.
4. Определить отношение пускового момента Мк к номинально­
му Мн (кратность пускового момента kп=Мк/Мн) на постоянном и
переменном токе.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
Прежде чем приступить к выполнению экспериментальной части
работы, необходимо записать в протокол паспортные данные дви·­
гателя, нарисовать и изучить электрическую схему для проведения
опытов и рассчитать номинальный tюлезный момент двигателя,
(Н•м):
(7.4)
где Ряв - номинальная полезная мощность двигателя, Вт; nн
-
номинальная частота вращения якоря, об/мин .
Электрическая схема для проведения оrштов изображена на
рис. 7.6 . При ~ыполнении п. 1, 2, 4, 5 экспериментальной части ис­
пользуется схема без дополнительных сопротивлений. При выпол­
нении п. 3 к нормальной схеме подключаются активные сопротивле­
ния Rш. я, Rд. я, Rш.в соответственно п. За, 36, Зв программы (дшr
каждого опыта свое сопротивл е ние).
Рекомендуется сначала все опыты провести на по стоянном то ке,
а затем на переменном . .
Рабочие характеристики. Сопротивления Rш. я, Rд.я, Rш.в отклю­
чены. Измеряются подводимое к двигателю напряжение И, п ол ез-
115


ный момент на валу М, частота вращения п, ток /, потребляемая
,двигате.Тiем из сети активная мощность Р8 (при питании перемен·
ным током). Потребляемая двигателем мощность Р8 при питании
постоянным током, поJiезная мощность PR, коэффициент полезного
,действия 11 находятся расчетным путем по известным формулам
Ps= И!; У) =PR/Ps; PR=0,105Mn.
=
Опытные и расчетные данные реко­
мендуется свести в таблицу.
Регулировочные характеристики. При
питании переменным током r:с.дводимое
к двигателю напряжение изменяется с
помощью автотрансформатора (типа
ЛАТР). При питании постоянным током
напряжение изменяется с помощью рео­
стата, включаемого по схеме потенцио­
метра.
Рис. 7.6. Электрическая схема для снятия харак­
теристик ун:иверса.тшного коллекторного двига­
теля
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ
В УКД стремятся получить примерно равные частоты вращения
nри номинальной полезной мощности на постоянном и переменном
·rоке. Однако этого нельзя достичь, если используется одно и то же
число витков обмотки возбуждения.
Действительно, при работе на постоянном токе в обмотке якоря
наводится ЭДС вращения .
Е8 р=рпNФ/(60а).
(7.5)
При работе на переменном токе ЭДС вращения может быть
выражена формулой (7.5), однако в нее следует подставить мгно·
венное значение пульсирующего магнитного потока Ф = Фmsin (@t-
-~ ) . В этом случае ЭДС изменяется с той же частотой, что и поток
Ф. Действующее значение ЭДС вращения
(7.6) '
Из сравнения формул (7.5) и (7.6) видно, что при равенстве
частот вращения ЕвР=>Евр~, так как Ф>Фm/l1~ Для соблюдения
равенства потоков необходимо, чтобы при работе УКД на перемен·
ном токе к сети подключалось меньшее число витков обмотки воз­
буждения, чем при работе на постоянном токе. Это достигается ис·
пользованием соответствующих отводов (см. рис. 7.4).
Рабочие характеристики УКД, представленные на рис. 7.7, ка~
чественно имеют один и тот же вид как на постоянном, так и на
переменном токе. Однако на постоянном токе двигатель обладает
большей перегрузочной способностью, более высоким КПД и име~
116


ет меньший ток прц той же мощности. Ухудшение характеристик
на переменном токе обусловлено прежде всего появлением сдвига
по фазе м ежду напряжением и током, потерями в стали статора,
увелйчением электрических потерь за счет появления реактивной
~оставляющей тока.
К. недостаткам двигателя, работающего на переменном токе,
относится также и снижение его коэффициента мощности при
уменьшении частоты вращения. Для объяснения этого явления рас­
смотрим векторную диаграмму УК.Д (рис. 7.8). Предположим, что
(),4 IJ,1 2
DООО
О 0,1
0,2 O,J М, Н·м
Рис . 7.7 . Рабочие характеристики уни­
версального коллекторного двигателя:
-
-
-
-
переменный ток ; -----;~о•
стоянный ток
Пr
Рис. 7 .8 . Векторная диаграмма
универсального коллекторного
двигателя при работе от сети
переменного тока
якорь двигателя вращает~я с постоянной частотой и что щетки
установлены на геометрической нейтрали. Следовательно, ~ДС
трансформации на щетках равна нулю. При прохождении тока / в
двигателе возникнут два потока - поток полюса Фв и па.ток якоря
Фя, сдвинутые по фазе на угод ~~ Лри этом ЭДС вращения находит­
ся в противофазе с потоком Фв, так как в режиме двигателя она
противодействует прохождению тока. Уравнение ЭДС в цепи дви­
гателя может быть записано в виде
(7.7)
где l"f.r - падение напряжения на всех _ активных сопротивл~ниях
электрической цепи двигателя (включая сопротивление щеточного
контакта); l"f.xa - :падение напряжения на инду1пивных сопротив-
117


пениях рассеяния обмоток возбуждения и якоря; Ёя, Ёв -- транс­
форматорные ЭДС, наведенные в обмотках якоря и возбуждения.
Из диаграммы видно, что при возрастании частоты вращения
увеличивается Евр~ и уменьшается угол <р. Для получения бол ее
высоких значений cos <р необходимо, как следует из диаграммы.
уменьшать индуктивности обмоток якоря и возбуждения. Для этог<>
проектируют УКД с возможно меньшим зазором и, следователь­
но, меньшим числом витков обмотки возбуждения.
D
м
Рис. 7.9. Механические
характеристики универ­
сального коллекторного
двигателя ·
п,оо/ нин
чоБовоroou,в
Р.ис . 7.1О . Рег улrи ровочные харак­
теристики УКД на п остоянном
( И-) и переменном (И~) токе
Механические характеристики n=f (М) пересекаются в точке.
соответствующей номинальной полезной мощности. Если включать
полное число витков обмотки возбуждения, то механическая харак­
теристика на переменном токе сдвинется в сторону начала коорди­
нат и примет вид кривой, ,изображенной штриховой линией (р и с.
7.9). Это вызвано влиянием индуктивного со11ротивления об м отки
возбуждения.
Пусковой момент УКД при работе на постоянном токе значи­
тельно больше, чем на переменном . Уменьшение пускового момен­
та на переменном токе объясняется прежде всего пульсацией пото­
ка и наличием сдвига по фазе между током и потоком. Кратность
пускового тока в УКД достигает 5-7 .
Регулировочные характеристики n=f(U) при M=const приве­
дены, на рис. 7.10. Регулировочные свойства УКД на постоянном
токе лучше, так как та же частота вращения достигается при мень­
шем напряжении.
При шунтировании обмотки якоря частота вращения УКД , как
отмечалось ранее, снижается. Это объясняется тем, что увеличива­
ется ток УКД, проходящий по об м отке возбуж де ния. Раст ет поток,
а скорость падает, так как она обратно пропорциональна п о току.
Уменьшается частота вращения УКД и при вкл ючении посл ед ова-
118


тельно с якорем добавочного активного сопротивления, так как
при этом уменьшается электромагнитная мощность за счет сниже­
ния напряжения на якоре. При шунтировании обмотки возбужде­
ния частота вращения растет из-за уменьшения потока машины,
вызванного снижением тока возбуждения.
Вопросы для самопроверки
1. Укажите особенности конструкции УК:Д.
2. Перечислите основные достоинства и недостатки УКД.
3. Как можно получить примерно одинаковые характеристики УКД при ero
работе на переменном и постоянном токе?
4. Назовите причины возникновения сдвига по фазе между током и потоком
при работе УКД на переменном токе.
5. Чем различаются вращающие моменты УКД при работе на постоянном
и переменном токе?
6. Постройте векторную диаграмму УКД при работе на
..переменном
токе.
7. Проанализируйте векторную диаграмму ЭДС, действующих в коммути­
руемой секции УКД.
8. Запишите условие безыскровой коммутации УКД при его работе на пере­
менном токе .
9. При каком режиме работы трансформаторная ЭДС в коммутируемой
<;екции УКД достигает наибольшего значения?
10. Перечислите способы регулирования частоты вращения УКД.
11. Назовите наиболее экономичный способ регулирования частоты враще.
ния УКД. Объясните его достоинства.
12. Можно ли регулировать частоту вращения УКД сдвигом: щеток?


Раздел третий
ИСПЫТАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРОМАШИН
АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Глава 8
ИСПЫТАНИЕ ИСПОЛНИТЕ"'IЬНЫХ МИКРОДВИГАТЕЛЕR
§ 8.1 . ИСПОЛНИТЕЛЬНЫFI АСИНХРОННЫFI ДВИГАТЕЛЬ
Управляемые двухфазные асинхронные двигатели широко при­
меняются в точных приборных и следящих системах, в счетно-ре­
шающих устройствах. Они используются и в качестве исполнитель­
ных двигателей (Ид) автоматических устройств промышленного
назначения.
Назначение ИД - преобразование электрического сигнала
(чаще всего напряжения управления) в механическое перемещение
еала. Они выполняются мощностью от сотых долей ватта до не­
скольких сотен ватт ка,к для стандартной (50 Гц), так и для по­
вышенной (200, 400, 500 и 1000 Гц) частот при синхронной часто­
те вращения от 1500 до 30 ООО об/мин. В зависимости от назначе­
ния и области применения · к ИД предъявляются общие и специаль­
ные требования. · К общ им требованиям условно можно отнести:
l) наличие устойчивой механической характеристики, обеспечиваю-
• щей плавное регулирование частоты вращения в широких пре д е­
лах и большой пусковой момент; 2) работоспособность при задан­
ных климатических условиях и механических нагрузках; 3) по воз­
можности малые габариты и масса; 4) высокая надежность.
Особенно разнообразна группа специальных требований:
1) заданная нелинейность механической характеристики Лт и ее
крутизна kдв = nx/Мн - отношение частоты вращения в режиме хо­
лостого хода к пусковому моменту (наиболее жесткие требования
no Лт предъявляют к Ид для точных приборных систем); 2) высо­
кое быстродействие - малые значения электромеханической посто­
янной времени T~i, а иногдэ и малый момент инерции J; 3) большие
кратность регулирования частоты вращения и диапазон линейного
регулирования Лп; 4) отсутствие самохода при снятии сигнала;
5) высокая чувствительность - малое напряж е ние трогания
Uу.трог/ Uyn; 6) ограниченная мощность управления, и др.
Перечисленные требования большей частью противоречивы, и
поэтому важно в каждом конкретном случае применения Ид вы д е­
лить главные из них и добиться оптимального комплекса свойств
[10, 12]. Чтобы обеспечить устойчивость механической характери­
стики, малую н~линейность Лт, способность двигателя к самотор­
можению (остановке при снятJ-1и сигнала), ротор необходимо вы-
.120


полнить с большим активным сопротивлением. Критическое сколь­
жение при этом будет Sм.акс> 1 (sма:кс = 2--;-8). Механическая харак­
теристика M=f (s) получается близкой к линейной. За номинальную
полезную мощность Рнн принимается наибольшая полезная мощ­
ность, развиваемая при скольжении Sн=О,5. Относительное сопро­
тивление взаимоиндукции ~т=Хт/rн - отношение индуктивного со­
противления, соответствующего главному потоку в воздушном за­
зоре, и активного сопротивления ротора, приведенного к обмоточ­
ным данным фазы статора ~m=0,2--c -2,0. Благоприятным с- точки
f23
Lf
Рис. 8.1. К:онструкция двигателя с полым немагнитным ротором серии АДП:
1 - внешний статор; 2 - внутренний статор; 3 - обмотки статора; 4 - полый ротор
зрения линейности механической и регулировочной характеристик
является малое относительное • активное сопротивление обмотки
статора ps=rs/rн. Для двигателей мощностью от долей ватта до
60 Вт ps=0,04--; -0,4; большие значения относятся к двигателям
меньшей мощности.
Ротор исполнительного двигателя выполняется в виде полого
цилиндра из немагнитного материала - ИДП или в виде беличьей
клетки - ИДК, реже делается полый или сплошной ферромагнит­
ный ротор с немагнитным покрытием или без него. На рис. 8.1 по­
казано устройство исполнительного двигателя с полым немагнит­
ным ротором серии АДП.
Двигатель имеет два статора, двухфазную распределенную об­
мотку и ротор, выполненный в виде полого цилиндра. Внешний и
внутренний статоры набираются из листов электротехнической ста­
ли или пермаллоя. Внутренний статор служит для уменьшения со­
противления потоку, проходящему через воздушный зазор. Обмот­
ка статора чаще всего выполняется в виде двух раздельных обJ1~ю­
ток: возбуждения (В) и управления (У). Обычно обе обмотки рас­
полагаются на внешнем статоре. У ИД полезной мощностью менее
1 Вт для уменьшения размеров машины и удобства выполнения об­
мотки располагаются на внутреннем с1:аторе, а у двигателей боль­
шей мощности (более 100 Вт) - на внешнем и внутреннем стато­
рах.
121


Исполнительный двигатель с короткозамкнутым ротором типа
«беличья клетка» сквозной конструкции серии ДКИ приведен на
рис. 8.2. Его статор 1 принципиально не отличается от в 1-1 ешн ег<>
статора ИДП (рис. 8.1). Большим достоинством двигателей серии
Дl(И является то, что при м ех анической обработк е расточка
статора и подшипниковых крышек под внешнее кольцо по д шип­
ника выполняется за один проход, что позволяет сделать малый
воздушный зазор б=О,03--:-0,05 мм. И з сравнения ИДП с ИДК сле-
2 ;,,
4
Рис. 8.2 . Двигатель серии ДК:И сквозной конструкции с ротором типа
«беличья клетка»:
1- статор ; 2 - подшипниковая крЬ1ш ка; 3 - наружное кольцо подшипни ка;
4-ротор
дует, что достоинс11вами ИДП являются: малый момент инерции J,
что достигается выполнением ротора тонкостенным (толщина ци­
линдра Л=О,1--:-0,8 мм) из немагнитного материала с малой плот­
ностью (алюминия и его сплавов); высокая чувствительность (ра­
бота от малого сигнала), обусловленная небольшой массой ротора
и отсутствием реактивного мом е нта, появляющегося у ИДК из-за
двусторонн ей зу бчатости; плавный и б е сшумный ход из-за отсут-
ствия высших зубцовых гармонических в кривой поля .
•
Главный недостаток ИДП- бол ьшой суммарный во здушный
зазор 1:б=б1 +Л+б2 =0,6--:-1,3 м м, который увеличивает на м аг н ичи­
вающий ток, ухудшает КПД и увеличива ет массогабаритн ые п о ка­
затели м ашины . Из-за консольного кр епления ротора ИДП менее
надежен в условиях вибрации и тряски.
• Преимущества ИДК - большая устойчивость к термическим и
механическим воздействиям, лучше е использование, особенно при
малых поле з ных мощностях из-за небольшого воздушного з а зо ра
при скво з ной конструкции машины. Для полезных мощностей от
долей до н ескольких ватт ИДК имеет наилучшие м ас согабаритные
и динамически е показатели, а при Ряв>5 Вт ИДП превосходит
122


Т
а
б
л
и
ц
а
S
.
I
:
,
:
:
~
'
"
'
:
,
;
=
:
:
!
а
:
)
:
i
:
:
:
а
!
!
с
.
.
:
.
:
:
:
(
-
-
-
-
:
.
:
~
-
-
-
-
'
°
с
.
.
Т
и
п
и
с
п
о
л
н
и
-
.
.
,
.
·
'
-
(
'
<
о
а
:
)
.
е
,
:
.
:
т
е
л
ы
1
о
г
о
д
в
и
г
а
-
1
а
:
)
:
.
:
t
J
,
-
-
·
~
С
х
е
м
а
в
к
л
ю
ч
_
е
и
и
я
.
.
"
:
:
!
:
:
!
1
.
т
е
л
я
о
~
<
.
.
(
.
)
-
-
:
-
1
s
:
:
,
,
.
,
.
~
,
~
о
с
~
,
t
,
:
о
.
.
,
;
:
,
:
"
'
1
,
.
-
!
:
:
J
"
'
"
'
"
'
-
,
C
'
t
i
:
:
i
:
:
(
.
)
о
.
:
,
:
i
-
Е
:
"
'
:
,
;
.
·
~
h
.
.
.
.
.
<
1
W
'
с
,
,
.
.
,
:
:
:
.
1
1
5
0
1
1
2
6
5
0
1
1
1
0
1
1
1
l
1
1
!
1
1
1
1
С
к
о
н
л
е
н
с
а
~
:
;
s
1
6
,
7
2
5
,
4
1
9
,
2
1
,
6
0
1
6
2
О
,
5
7
0
О
,
1
2
0
8
,
2
0
т
о
р
о
м
в
о
б
м
о
т
-
:
,
:
:
А
Д
П
-
2
6
2
8
8
2
,
6
2
9
,
5
1
8
5
0
1
2
5
2
,
5
0
5
'
"
'
к
е
в
о
з
б
у
ж
д
е
н
и
я
=
:
,
:
:
.
1
5
8
8
,
О
1
5
~
0
/
2
1
,
в
/
:
~
~
~
l
2
~
~
1
3
,
9
0
/
2
1
l
1
6
,
ф
б
,
б
j
2
1
,
o
/
о
.
3
6
1
6
5
/
0
,
1
1
0
/
о
щ
о
/
з
,
о
о
/
.
.
.
"
'
:
:
!
А
Д
П
-
2
6
3
А
:
:
!
о
Т
о
ж
е
4
>
о
.
:
,
:
:
о
[
1
6
,
1
[
2
5
,
4
1
я
'
"
'
\
2
1
6
,
0
J
4
~
0
]
5
,
о
\
:
~
~
~
j
:
~
/
-
1
•
7
5
\
2
4
,
ф
о
,
1
/
2
0
,
0
1
1
,
6
7
1
1
4
4
/
1
,
2
8
0
/
0
.
1
9
0
/
з
,
з
8
/
:
:
!
о
:
!
1
о
.
Д
И
Д
-
5
Т
А
С
д
в
и
г
с
х
е
м
о
й
:
,
:
:
t
,
;
о
1
:
:
:
1
1
4
0
0
\
i
О
1
1
8
0
0
0
1
3
6
1
1
s
o
I
о
,
1
8
\
1
в
,
s
/
1
8
,
0
\
1
,
6
1
/
1
1
0
/
1
.
1
9
0
j
o
,
3
4
0
\
3
,
I
I
1
u
Д
И
Д
-
I
Т
А
1
5
•
4
2
'
1
1
8
0
0
3
0
-
Т
о
ж
е
й
j
д
м
-
1
/
3
9
,
3
1
~
[
1
,
о
,
~
,
~
1
-
/
2
6
\
1
.
в
1
/
1
1
,
о
/
2
0
,
0
/
3
,
з
з
/
1
5
0
l
1
,
4
7
o
*
/
o
,
2
1
1
*
I
2
,
1
2
/
:
.
~
"
'
1
1
4
0
0
1
1
8
6
0
0
1
1
1
5
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
С
к
о
н
д
е
н
с
а
-
~
:
Д
К
И
-
1
-
1
2
Т
В
3
0
,
4
-
-
1
,
0
-
·
-
-
-
0
,
1
5
1
8
0
,
5
9
2
6
,
6
1
2
,
5
5
,
5
5
1
0
0
1
,
3
3
0
*
0
,
4
4
0
*
1
,
9
5
т
о
р
о
м
в
о
б
м
о
т
-
i
:
:
S
4
.
5
9
0
0
3
6
к
е
в
о
з
б
у
ж
n
е
н
и
я
f
;
д
К
И
-
1
6
-
1
2
Т
В
[
2
9
5
,
О
l
-
-
т
-
\
1
6
,
О
\
~
l
3⁄4
l
o
,
4
7
1
1
2
/
2
0
,
1
]
,
3
1
,
9
[
4
з
/
2
.
5
0
1
4
7
1
-
1
-
1
-
1
Т
о
ж
е
!
А
д
-
5
о
/
2
0
6
,
0
/
4
~
0
/
3
,
5
/
5
:
~
0
/
:
~
1
-
\
1
6
/
s
,
s
s
/
1
1
,
ф
о
,
о
l
2
,
5
o
/
1
2
s
l
o
,
7
8
3
*
l
o
,
o
6
1
*
1
3
,
o
4
I
С
д
в
и
г
с
х
е
м
о
й
-
•
Д
л
я
д
в
и
г
а
т
е
л
е
й
т
и
п
а
с
б
е
л
и
ч
ь
я
к
л
е
т
к
а
"
п
р
и
в
е
д
е
н
ы
п
а
р
а
м
е
т
р
ы
~
'
т
и
р
'
s
п
р
е
о
б
р
а
з
о
а
а
н
н
о
й
с
х
е
м
ь
~
з
а
м
е
щ
е
н
и
я
,
в
к
о
т
о
р
о
й
н
а
м
а
г
и
и
ч
н
в
а
ю
-
~
щ
и
й
к
о
н
т
у
р
п
е
р
е
н
е
с
е
н
з
а
с
о
п
р
о
т
и
в
1
1
е
н
и
е
р
а
с
с
е
я
л
и
,
~
о
б
м
о
т
к
и
р
о
т
о
р
а
.


Иltl< по•~т 11 110 ТН'l' М показателям, кроме устойчивости к термиче-
1·101~,
11 ш•,;11111 1 1lт1шм воздействиям .
11 1;1( 1.11 к . ! в качестве примера приведены данные исполнитель -
111,1:-- J l1111га т елей нескольких серий с различными
типами роторов.
включая относительные параметры схемы замещения sт=Хту/rну
и ps =rsy/rнy- За базовое сопротивле н ие принято активное сопро­
тивление ротора rну, приведенное к обмоточным данным фазы уп­
равления. Главным параметром является относительное :опротивле-
ние взаимоиндукции sm, оно ха­
у
а)
Рис. 8.3. Схемы включения и вектор­
ные диаграммы ИД при сдвиге кон­
денсатором и схемой
рактеризует отношение электро•
магни тной мощности, передавае­
мой на ротор, к мощности, подве­
денной от сети.
У идеального двигателя вся
под водимая энергия пере д ается
на ротор, Х.ту = оо, Гну значитель­
но больше всех других сопротив­
лений обмоток (rsy =Xsy=Xяy=O)
и потери в стали отсутствуют [ l О].
В реальном ИДП сопротивление
рассеяния по л ого ротора ма ло
{xRy= (0,05+0,!)rну] и может не
учитываться.
Использование для ИДК пре­
образованной схемы замещения,
где сопротивления рассеяния об­
моток статора и ротора объедине­
ны, позволяет все ре з ультаты ис­
следования для ИДП распростра­
нить и на ИДК {10]. В общем слу­
чае пол е в любом типе ИД эл~
липтическое и вращающий мо-
иент равен разности моментов or
,прямого и обратного полей: М=М 1 -М 2 .
Для создания вращающегося поля кроме пространствеююr()
сдвига статорных - обмоток необходим временной сдвиг напряжений
и токов в обмотках возбужден~я и управления. Этот сдвиг мож еr
быть достигнут с помощью конденсатора при однофазном пита н ии
ИД (рис. 8.3, а, 6) или с помощью схемы (ри-с. 8.3, в, г), которая
чаще всего обесп е чивает постоянный временной ' сд rзиг на угол
1}=90°. В ИД с конденсатором в обмотке возбуждения временной
сдвиг ~ = 90° соответствует обычно скольжению s = l, для других
же скольжений он отличается от 90°. На обмотку возбуждения дви­
гателя пода е тся постоянное напряжение сети Иc=const, на обмот­
ку управления - переменное напряжение сигнала Uy=var.
Отнош е ние действующих значений напряжения управления и
напряжения сети на з ывается коэффициентом сигнала а= Uy/Uc.
Целесообразно ввести понятие эффективного коэффициента сигна­
ла ае , равного отношению напряжений управления и сети, приве-
124


денных к обмоточным данным одной из фаз статора, так как от ·
его значения зависит характер поля в машине.
Для ИД с конденсатором в обмотке возбуждения ае = Uy/ Ис'=
=ak, Ис' = Ис/k, где k=wв .эф/Wу.зф- отношение эффективных чисел
витков обмоток во з буждения и управления.
Чтобы получит.ь круговое поле в машине, необходимо обеспе­
чить равенст,во МДС обмоток статора lвWв .ЗФ =fуWу.зф и сдвиг по фа­
зе ме~ду ними 90°. При этом для любой схемы включения двига -·
теля в сеть приведенные значения напряжений на обмотках долж­
ны быт~ практически од инаковыми: Иу= Ив'= U8 /k. При включении.
двигателя в однофазную сеть (рис. 8.3, а, б) напряжение сети Ие­
скла д ывается из напряжений на обмотке возбуждения Ив. и конден­
саторе Ис. При круговом поле в реж•име пуска и номинальных на­
пряжениях питания отно шение приведенных напряжений на обмот­
ках статора Иун/И'в:и= Иунk/Иви= 1, коэффициент сигнала а0 =
= Иун/ Ис.н, а эффективный ;коэффициент С'Игнала аео= Uу.н/И с .н= aok,,
индекс «О» принят для кругового поля. При питании двигателя от
двухфазной сети (рис. 8 .3, в, г) напряжеНIИЯ сети и обмотки воз,буж­
дения совпадают: И,,= Ив, коэффициент сигнала а= Uу/Ив, а эф­
фективный коэффициент сигнала ае = Uу/И'в=аk. В этом случае
круговое поле в машине обра з уется при ае = 1. Для одинаковых об­
моток статора напряжения возбуждения и управления должны
быть равными Ив = Uy; если k=I= 1, то Иу= Ив/k. У конденсаторного,
ИД при соответствующих эффективном коэффициенте сигнала ае()
и емкости Со круговое поле будет только для одного значения,
скольжения (обычно при пуске s = ,1). В случае двухфазного- пита­
ния при ае = 1 и электрическом угле ~=90° оно сохранится на всем
диапазоне скольжений двигателя s = 0-:-1 . При круговом поле :в.
режиме пуска Qдин и тот же двигатель, включенный в · однофазную
(с конденсатором в обмотке возбуждения) или двухфазную сеть,.
имеет одинаковый пусковой момент, так как напряжения на обмот­
ках статора равны между собой ( Ив . и= Ив . ~ на обмотке возбужде­
ния, Uу.н - на обмотке управления) и сдвинуты во времени на 90°.
Наибольшее распространение получило управление изменением
амплитуды -управляющего напряжения, т. е . коэффициента сигнала.
С изменением сигнала упра,вления меняется степень эллиптичности.
поля, а следовательно, и частота вращения двигателя.
Методика расчета характеристик ИД и подробный анализ ег(}
свойств приведены в [10, 12].
Цель иссл ед о в а ни я - изуч е ние свойств исполнительных
двигателей при различных сх ем ах включения и амплитудном уп­
равлении, снятие и анализ рабочих и регулировочных характери­
стик, а также сравнение свойств реального и идеального двига­
телей.
Объектом исследования могут служить асинхронные двигатела
промышленной частоты с полым немагнитным ротором типа АДП"
И6762 .. ., ИД и с ротором типа «беличья клетка» - ДКИ, 2АСМ"
АДК и др.
12&


ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИЙ
А. Экспериментальные ис,следования
l. Оз накомиться с конструкцией Ид и его паспортными дан­
ными.
2. Проверить отсутствие т е хнологического и методического са­
мо х одов. Определить напряж ение трогания Uу.трог и момент тре-
ния Мтр.
••
3. Определить сопротивления фаз статора при коротком замы­
кании и коэффициент трансформации. Рассчитать с помощью ЭВМ
коэффицие нт сигнала аео, емкости С0 и Ст и пусковые моменты
Мно и М юп для ИД с конденсатором.
4. Снять зависимость пускового момента: а) от напряжения у·п­
равления М н =f(Иу ); 6) от емкости Мн=f(С) при Иc = •const,
Uy=const.
5. Снять характеристики для Ид с конденсатором в цепи воз­
бужд ения: а) рабочие/в, ly, Pn, Ру, PR, М, cos <рв , cos <ру, ТJ в зависи­
мости от п при двух значениях эффективного коэффициента сигна­
ла: аео(Ис =Ис .н; Uy=Uy.н) и О,5аео(Ис=Ис.н; Иу=О,5Uу.н) в диапа­
зоне частот вращения от n=nx. (при холостом ходе) до n=O при
пуске; б) регулировочные п, lв, fy, Рв, Ру, cos (f)в, cos еру, PR в зави­
симости от Uy при M=const для М=О и М=0,5Мно,
6. Снять характеристики для ИД при питании от двухфазной
сети (сдвиг схемой): а) рабочие lв, ly, Рв, Ру, PR, М, cos (j)в, cos еру, rJ
в зависи м ости от п при двух значениях эффективного коэффициен­
та сигнала: ае = l (напряжение на обмотке возбуждения то же, что
и у ИД с конденсатором при пуске Ив= Ив.и, Uy= Uу.н) и ае =
=0,5(Иn =Ив .н; Иу =0,5Иу . н); б) регулировочные п, lв, fy, Рв, Ру,
cos(f)в, cos<ру, PR в зависимости от Uy при М= const для М=О и
М=0,5Мн о -
Б. Расчеты и построения
На основании результатов экспериментального исследования:
l. Вычер_тить эскиз исполнительного двигателя. При этом поль-
зоваться стендом с деталями двигател ей.
2 . Построить зависимости пускового момента Мн = f (Uy) , и
Мн=f(С).
3. Построить· на одном графике механические характеристики
в относительных единицах m=f (v): а) при сдвиге конденсатором
для ао и О,5а0; 6) при сдвиге схемой для ае= 1 и ае=О,5.
4. Построить зависимости PR=f(n), Рв=f(п), Ру=f(п), Ив=
=f (п) в абсолютных единицах: а) при сдвиге конденсатором для
<1.0; б) при сдвиге схемой для ае = 1.
.
5. Построить на одном графике регулировочные характеристики
в относительных единицах: v=f(a) при M=const для М=О и М=
=0,5М н0 : а) при сдвиге конденсатором; б) при сдвиге схемой.
6. Оценить свойства двигателя при разных схемах включения,
заполнив таблицу сравнения.
126


ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ
Перед началом испытаний следует ознакомиться с номинальны­
ми данными двигателя Рян, ИсL: , Иун, nн, а также внимательно изу­
чить схему стен д а.
Все испытания двигателя проводятся на стенде, схема котороr<,
изображена на рис. 8.4, а. На этой схеме, а также на стенде все
элементы, относящиеся к обмотке возбуждения, имеют индекс «в»,.
в обмотке управления - индекс «у».
О!Jнофаз - J 1
ная сеть _
_ _Р1
Д8ухфаз
ная сет
1==1= ==1J Р2
о Д9ух
ная с
1
1
1
1
lиР
1
1
1
.....________.1
_____ ...!
о)
Рис. 8.4 . Схема стенда дл я испытания двигателя с полым ротором и схема
включения индукционного регулятора для получения двухфазного тока
Схема позволяет производить испытание двигателя при одно­
фазном питании обмотки управления (при разомкнутом рубильни­
ке Рз), а также при питании двух обмоток; в этом случае двига-
тель может работать:
.
а) при временном сдвиге, создаваемом конденсатором •(питание
обеих фа з от однофазной сети);
б) при временном сдвиге, создаваемом схемой (сдвиг в 90° со­
здается индукционным регулятором ИР, включенным по специаль­
ной схеме на рис. 8.4, 6).
При временном сдвиге, создаваемом конденсатором, включают­
ся рубильники Р 1 , Р3 , рубиль:н:ик Р2 включается в верхнее положе­
ние на сеть. При временном сдвиге, создаваемом схемой, включа­
ются рубильники Р 1 , Р3 , Рб (замыкается накоротко конденсатор).
рубильник Р2 включается в нижнее положение - на индукционный
регулятор, у которого во вторичной обмотке две фазы соединены
последовател ьно и сдвинуты на 90° по отношению к третьей фазе.
На обмотку · возбуждения подается неизменное по амплитуде
напряжение от л а бораторного трансформатора (ЛАТР-В), на об­
мотке управления напряж ение регулируется лабораторным транс­
форматором (ЛАТР-У) или потенциометром. Токи измеряются
амперметрами, включенными в цепь обмотки управления и возбуж­
дения; напряжения - вольтметром, соединенным с вилкой и штеп ­
сельной колодкой Р4 , на которую поданы напряжения: сети Ис .
127


обмотки управлею,iя Uy, обмотки возбуждения Ив, конденсатора
Ис; мощности в цепи возбуждения и управления - ваттметром с
переключателем Р5 . Все приборы, установленные в схеме, должны
иметь малое собственное потребление.
,
Проверка отсутствия самохода. Определение напряжения троrа­
flИЯ и момента трения. Ра з личают два вида самохода: технологи­
м
Рис. 8.5 . Зависимость вра­
щающего момента от сколь­
жен ия при однофазном
включении и большом ак­
тивном сопротивлении рото-
ра
ческий и методический {1 О]. Для провер­
ки отсуктвия технологического самохо­
да, обусловленного наличием коротко­
замкнутых витков в обмотке статора,
асимметрией магнитной цепи или замы­
канием отд ельных листов пакета стато­
ра, неqбходимо включить в сеть только
обмотку возбуждения (рубильник Р1 на
схеме рис. 8.4, а разомкнут) и убедиться,
что ротор двигателя неподвижен.
Если активное сопротивление рото­
ра достаточно велико, то, как видно из
рис. 8.5, машина при однофазном пита­
нии обладает свойством самоторможения
и ее результирующий момент отрицатель­
ный. При снятии сигнала в этом случае
методический самоход отсутствует. Что­
бы в этом убедиться, надо сначала вклю­
чить в сеть обе обмотки статора, подавая
на них номинальное напряжение, а затем снять напряжение управ­
.ления, размыкая рубильник Р7, при этом двигатель должен остано­
sитьься.
Чтобы найти напряжение трогания Uу . трог, itaдo измерить мини­
мальное напряжение управления при номинальном напряжении се­
'ТИ и отсутствии нагрузки на валу двигателя, при котором двигатель
начинает вращаться. Напряжение Uу.трог измеряется при сдвиге,
,создаваемом схемой. Момент трения находится путем простого пе­
ресчета, при этом измеряется начальный пусковой момент для дан­
нпй схемы включения двигателя при номинальных напряжениях
J.Jв.н и Uу ,н с помощью электромагнитного тормоза :
Мтр=МкоИу.трог/Иу.~•
(8.1)
Определение сопротивлений фаз статора и коэффициента транс­
сjюрмации при коротком замыкании. Расчет величин «eG, С0 , Смаке
и пуtковых моментов Мн и ~i'И'н,:.~:анс• Пол,ные сопротивления фаз ста­
-тора определяются при неподвижном роторе и питании каждой из -
,обмоток в отдельности. Измеряются напряжение Uу.н ( Ив,н), ток
lу .н (/в.и) и потребляемая мощность Ру.к (Рв.н). Сопротивления на­
ходятся при номинальных напряжениях для фаз управлеЕия и воз­
буждения:
128


Коэффициент трансформации определяется по формуле
k= У Ха.к/Ху. к·
( 8.4)
Эффективный коэффиц1-1ент сигнала Ид с конденсатором для
получения кругового поля при пуске рассчитывается по формуле
а"1 =а"k=Ху.к/Гу.к·
(8.5)
В этом случае реактивное сопротивление (Ом) и емкость кон­
денсатора (мкФ) таковы:
(8.6)
Реактивное сопротивление (Ом) и емкость конденсатора (мкФ),
при которых пусковой момент будет максимальным, таковы:
Хе макс= k2Zy.к; смаке= 10~/(2л:/Хе макс>·
(8.7)
Пусковой момент в Ид с конденсатором при круговом поле
(8.8)·
где r'н,- . и= r 1 .i, -rs1, Гsу - активное сопротивление обмотки управ­
ления; Qc=2nf/p.
В Ид с конденсатором максимальный пусковой момент
Мк.мщ =ll.кr~y.к ( V1 +а;~+ а"о)/(а"00с).
(8.9)
В (8.8) и (8.9) ly.1{ - ток обмотки управления при пуске для
V.,= Uу.н.
Пусковои момент двигателя. Зависимость пускового момента
двигателя от напряжения управления одинакова для любой из рас­
сматриваемых схем включения, поэтому она снимается только при
сдвиге напряжений схемой. К обмотке возбуждения подводится но­
минальное напряжение Ив= Ив.н=сопst, а напряжение управления
изменяется от и'у.трог до Uу. н- По шкале электромагнитного тормо­
за измеряется начальный пусковой момент. Практически зависи­
мость Мн= f (Uy) линейна. В конденсаторном ИД пусковой момент
зависит еще и от значения емкости. Кривая Мн= f (С), приведенная
на рис. 8.6, снимается при номинальных напряжениях Ис.н и Uу.н и
изменении емкости от Смин до С> Смаис- Минимальное значение
емкости выбирается так, чтобы обеспечить достаточную точность
измерения используемым тормозом. Следует также измерить пуско­
вые моменты для С=Со и С=Сманс и рассчитать их по - формулам
(8.6), (8 .7). Все измерения надо производить быстро во избежание
чрезмерного перегревания обмотки.
Рабочие характеристики при различных схемах включения дви­
гателя. Рабочие характеристики исследуются для двух схем вклю­
чения ИД.
При временном сдвиге,создаваемом конденса­
тором (см. рис. 8.3, а, 6), рабочие ха!)актеристики Iв, !у, Рв, Ру,
М, cos срв, cos еру, 'YJ в зависимости от п снимаются при постоянном
5-761
129


коэффициенте сигнала, т. е. постоянно'\1 приложенном напряжении
Иc=const и Uy=const для двух коэффициентов сигна.11а: а0 и
О,5ао.
Ис11ытуемый ИД с конденсатором рассчитан так, что круговое
поле в :v1ашине получается при пуске и номинальных напряжениях.
Поэтому ао= Uу.п/ Ис.н, а значения напряжения Uун, Ис.н и е'v!кости
,,
/1
/1
/1
О Смuн Со
1
1
1
1
1
1
~мк.макс
1
1
1
·1
1
1
Смаке
С0 принимаются по паспортньв1 данным ма­
шины. Для уменьшения коэффициента сиг­
нала вдвое, т. е. получения О,5а 0 , уменьша­
ют вдвое напряжение управления, оставляя
неизменным напряжение сети. При снятии
рабочих характеристик изменяется нагру­
зочный момент двигателя от М =0 (при хо­
лостом ходе) до М =М,_ (при остановке дви­
гателя, где М,_ - начальный пусковой мо-
е мент).
Вращающий момент измеряется с по-
Рис. 8.6 . Зав.исимость мощью электромагнитного тормоза [I8J; на­
пускового момента от чальный пусковой момент измеряется при
емкости
заторможенном роторе (при механическом
сцеплении тормозного диска с подвижной
системой электромагнитов) по отклонению стрелки тормоза. Ско­
рость рекомендуется измерять стробоскопом.
При снятии рабочих характеристик измеряются напряжения
Ис, Ив, Иу, подводимые к двигателю, напряжение на конденсаторе
Uc (В) в схеме с конденсатором; фазные токи fy(A), Iв(А); мощ­
ности Ру (Вт), Рв (Вт); вращающий момент на валу М (Н •м); час­
тока вращения п (об/мин).
По данным измерений рассчитываются коэффициенты мощно­
сти cos еру и cos срн, полезная Рн и потребляемая Ps мощности (Вт}.
КПД:
cos 'fв-Рв/(ИJв); cos 'f?y=Py/(Иyly);
PR=0,105Mn;
Р8 =Рв+РУ;
fJ=PRfPs.
(8.10)
(8.11)
(8.12)
(8.13)
Результаты измерений и расчетов следует свести в таблицу.
Привременн6мсдвиге, создаваемомсхемой(см.
рис. 8.3, г), рабочие характеристики те же, что и при временном
сдвиге, создаваемом конденсатором, и снимаются для двух коэффи­
циентов сигнала: ае= 1 и ае=О,5. Эффективный коэффициент сигна­
ла ае= 1 получается при Ив=,kИу. Напряжение управления прини­
мается равным номинальному значению Uy= Uу.н (таким же, как
у конденсаторного двигателя).
Если коэффициент трансформации обмоток k неизвестен, то
значение напряжения на обмотке возбуждения принимается по дан­
ным измерения Ив= Ив.к для пускового режима при а=ао конден-
130


са торного двигателя ( Ис= Ис.н и С= С0 ), так как в этом режиме
имеет место круговое поле.
Запись результатов измерений и расчетов рекомендуется свести
в таблицу. Расчетные величины определяются по формулам
(8.10)-(8.13).
Регулировочные характеристики. Регулировочные характери­
стики двигателя п, fь, !у, Рв, Р1, , cos (!)в, cos <ру, Рн в зависимости от
напряжения управления Uy снимаются при двух постоянных значе­
ниях моментов: М =0 (при холостом ходе) и М =0,5Мно (где Мно­
начальный пусковой момент при круговом вращающемся поле) --
для обеих схем включения ИД. Запись результатов измерений и
расчета рекомендуется свести в таблицу. Коэффициент мощности
и полезная мощность рассчитываются по формулам (8.10) и (8.11).
Для снятия регулировочных характеристик все величины следу­
ет измерять при изменении напряжения управления от минималь­
ного значения (напряжения трогания) до номинального при посто­
янном напряжении сети.
Для Ид с конденсатором регулировочная характеристика стро­
ится в координатах ,, = f (ае/аео).
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
По данным опытов на одном графике (рис. 8.7) строятся все
механические характеристики в относительных единицах т = f ('V).
Д.11я определения относите.11ьного значения момента т = М/Мно
измеренный момент делят на начальный пусковой момент Мно при
5*
а1.__--1..__L__...L._~~~
0,2 0,4 0,6 0,8 -J=П/Пс
Рис. 8.7 . Механические характери­
стики идеального и реального дви­
гателей m=f (v) при a,=coпst:
идеальный ИД;
-
-
-
-
ИД при сдвиге схемой;
-· -· -·-
Ид при сдвиге конденсат о-
ром
о
.__ _______....._ ___
!i
Рис. 8.8 . Зависимость мощ­
ностей возбуждения Рв=
= f(n), управления Ру=
=f (п) и напряжения на об-
,
мотке возбуждения Uв=
= f (п) от частоты вращения
при a,=const
131


круговом вращающемся поле, найденный при затор.\.tаженном рото­
ре (v =О). Относ!lтельная частота вращения вычисляется как v =
= 11/11,.,
J'.' l C п II п с ~ измеренная и синхронная частоты вращения.
1!а ТО.\.1 же графике (рис. 8.7) наносится для сравнения механи­
ческая ха рактеристика идеального двигателя, по строе нная _ по урав­
нению [10, 11]
(8.14)
при сдвиге, осуще ствля емо м схемой для ае = 1 и ае=О,5.
Для любого коэффициента сигнала у идеального двигателя, как
это следует из формулы (8.14), механическая характеристика ли­
нейна, приче м с ростом скорости момент убывает. При изменении
коэффициента сигнала меняется наклон механической характери­
стики. При снижении коэффиuи ент а сигнала вращающий .\.юмент
уменьшается, так как увеличивается эллиптичность поля и растет
тормозной момент от обратновращающегося поля .
Синхронная частота вращения при холостом ходе* имеет место
только при круговом поле (ае= 1), для друг их коэффициентов сиг­
нала частота вращения при холостом ходе (при m=O)
•1х=2ае/О+а;).
(8.15)
При ае =О,5 зн ачение Vx=0,8. Снижение частоты вращения при
холостом ходе с уменьшением коэффициента сигнала объясняется
действием обратновращающегося поля. При пуске в ход (v=O),
вращающий момент у ид еа льного двигателя изменяется пропорцио­
нально коэффициенту сигнала . В относительных единицах он чис­
ленно равен коэффициенту сигнала:
(8.16)
Механические характеристики реально.о двигателя нелинейны.
но близки к линейным. Относительно бол ьшо й вращающий момею·
при одинаковых частотах вращения (кр о:v12 ,;астот вращения, бли з­
ких к синхронным) образуется у кон д енс ~аор ных двигателей, что•
объясняется увеличением напряжения на обмотке возбуждения с
ростом частоты вращения (рис. 8.8).
У Ид с конденсатором круговое вращающееся поле возникает
только при пуске для коэффициента сигнал а ао , в режиме холостого
хода поле становится эллиптическим и сильное влияние начинает
оказывать обратное поле. Поэтому ИД с конденсатором имеет
меньшую частоту вращения _ холостого хода по сравнению с Ид при
сдвиге схемой.
В качестве критерия для оценки нелинейности механкческой ха­
рактеристики выбирается наибольшее отклонение характеристики
m=f (v) от прямой, проходящtй через точки холостого хода Vx и
пуска v =0 . Нелинейность механической характеристики обознача­
ется Лт и находится с помощью построения, показанного на рис.
* Бе з учета механических потерь.
132


R.9. Проводится прямая АВ, параллельная линии, соединяющей
точки кривой момента при v=0 и ·v=vx, и являющаяся касатель­
ной к механической характеристике: нелинейность Лm=AC=BD,
а соответствующая ей относите!Iьная частота вращения Vлт = ЕЕ.
Нелинейность оценивается в долевых единицах или процентах. От­
носительная частота вращения Vлт практически равна 0,5. Если из­
вестна величина Лm, то по ней с достаточной точностью \южно
найти и кривую m=f(v). Например, для сдвига схемой при круго­
вом поле ( ае= 1) уравнение механической характеристики в пер­
вом приближении можно записать в виде [10]
m=1+(4Лm- l)v-4дm,1 2 •
(8.17)
Е ----
-
8
1
0,5
fll
1
1
1
\vл/7'
о
0,5
Vx
Рис. 8.9. Определение не­
линейности механической
характеристики
,)
Пс Т7
Рис. 8.1 О. 3 ависимость механиче­
ской мощности от частоты вра­
щения Ря=f(п) при a,=const
Рекомендуется рассчитать кривую m=f (v) по (8.17) и сравнить
ее с опытной механической характеристикой.
Зависимость полезной мощности PR от частоты вращения при
постоянном коэффициенте сигнала для ИД с конденсатором (а=ао)
и сдвиге схемой (ае= 1) показана на рис. 8.10. Из рисунка видно,
что наибольшая механическая мощность имеет место при частоте
вращения, близкой к v=0,5. Эту мощность принимают обычно за
номинальную. У ИД с конденсатором полезная мощность несколь­
ко выше. При снижении коэффициента сигнала полезная мощность
уменьшается:, ее максимум смещается в сторону меньших скорос~:ей.
На рис. 8.8 показано изменение мощности возбуждения и управ­
.11ения в зависимости от частоты вращения при постоянном коэф­
фициенте сигнала для обеих схем включения двигателя.
При сдвиге схемой и ае= 1 поле в машине круговое для любой
частоты вращения; мощности возбуждения и управления равны
Ру=Рв и убывают с ростом частоты вращения. При сдвиге конден­
сатором (см. рис. 8.3, а) и а= а0 мощности равны только в режиме
пуска (поле круговое): Ру . к=Рв.к, Затtм мощности перераспреде­
ляются между фазами: с увеличением частоты вращения п мощ­
ность управления резко падает, а мощность возбуждения растет,
133


так как из-за наличия конденсатора напряжение на обмотке воз­
буждения увслнчнвастся. Такое перераспределение мощностей
вес1.,ма б J1а1·011Iн1нтно, так как всегда стремятся снизить мощность
yII1нI11 J IL· IIII11, 1юторая обычно подается от усилителя .
1lри пуске Ид связь между обмотками возбуждения и управл~­
ния отсутствует, так как оси обмоток расположены под углом 90.
в этом случае МОЩНОСТИ воз­
Рис. 8.11 . Регулировочные характеристи­
ки v=f ( ~) при m=c~nst:
аео
буждения и управления зави­
сят только от приложенного к
фазе напряжения:
Регулировочные характери­
стики двигателя v=f (ае/ а"о )
строятся по опытным данным
для 2-3 постоянных значений
моментов, например m=0 при
холостом ходе, т=0,8 и т=0,5
при амплитудном управлении
(сдвиг схемой) и амплитудно­
фазовом управлении • (сдвиг
конденсатором), на одном гра­
фике (рис . 8.11) в относитель­
ных единицах. Для сравнения
на этом же рисунке показаны
регулировочные характеристи-
------ид е альны11 двигатель;
КИ идеаЛЬНОГО ДВИГаТеЛЯ, ПО-
-
-
-
-
-
ИД при сдвиге схемой;
-
·-·-·- Ид
при сдвиге конд ен сатором
строенные ПО уравнению
v = 2(а,,- m)/(1+а;).
(8.18)
Регулировочные характеристики не прямолинейны, можно найти
лишь зону пропорционального регулирования, т. е. диапазон изме­
нения коэффициента сигнала, при котором скорость меняется про­
порционально смгналу с определенной погрешностью. Обычно допу­
скается погрешность Лv = ±5%. На рис. 8.11 зона пропорциональ­
ного регулирования показана для идеального двигателя (зона а
при m=0, зона Ь при rn=0 ,5).
Зона пропорционального регулирования соответствует малым
коэффициентам сигнала и относительно малым частотам вращения.
Наибольшая крутизна соответствует начальной части характери­
стики v=f (ае/аео). Благоприятное уменьшение относительных час­
тот вращения v = п/пс достигается в первую очередь повышением
частоты напряжения питания, так как с ростом f увеличивается и
При пуске в ход идеального двигателя (v=O) момент равен
к_оэффициенту сигнала:
134


следовательно, напряжение трогания в относительных единицах
равно мо:\1енту.
В реальном двигателе при всех схемах включения напряжение
трогания пропорционально моменту сопротивления на валу.
Для оценки свойств асинхронного ИД при различных схе11ах
включения на основании опытных данных следует рассчитать ос­
новные выходные по к аз ат ел и и свести их в таблицу, а за­
тем провести сравнение и объяснить различие.
В качестве выходных показателей, характеризующих свой:тва
ИД, обычно рассматриваются начальный пусковой момент Мн, но­
минальная полезная мощность на валу Рнн, вращающий момент
Мн и частота вращения nн, кратность пускового момента kп=
=Мн/Мн, нелинейность механической характеристики Лт, соотно­
шения мощности управления и возбуждения в номинальном режи­
ме Ру.и/ Рв.п и при пуске Ру.н/Рв.н, электромеханическая постоянная
времени Тм, относительное напряжение трогания Uу.трог/ Uу.н; зона
пропорционального регулирования Ла и КПД 11· Электромеханиче­
ская постоянная времени, от значения которЬй зависит быстродей­
ствие ИД, рассчитывается по да_нным опытов (с):
Тм =J Jt'1xnc/(ЗOM1<),
(8.20)
где J - момент инерции, кг· м 2 ; vx - относительная частота враще­
ния холостого хода; Мн- пусковой момент, Н-м.
При сравнении Ид следует также учитывать простоту схемы
включения.
Вопросы для самопроверки
1. Чем отличается асинхронный ИД от силового двигателя? Сопоставить их
конструкции и характеристики.
2. Укажите преимущества и недостатки Ид с полым немагнитным ротором
по сравнению с ИД, имеющим обмотку на роторе типа «беличья клетка».
3. Перечислите основные требования, предъявляемые к Ид, и укажите, ка­
ким образом их удовлетворяют.
4. К:акие имеются схемы включения и способы управления асинхрон­
ным Ид?
5. Что такое эффективный коэффициент сигнала и зачем он вводится?
6. При каких условиях получается круговое поле в асинхронных ИД и как
опытным путем можно проверить его наличие?
7. Из каких соображений в Ид выполняют ротор с повышенным активным
сnпротивлением?
•
8. Что такое методический и технологический самоходы? К:ак их обнаружить?
9. Что такое напряжение трогания и как его можно определить? От чего
зависит напряжение трогания?
10. Перечислите преимущества Ид при сдвиге конденсатором в обмотке
возбуждения по сравнению с ИД при сдвиге схемой и амплитудном управлении.
11. Изменится ли напряжение на обмотке возбуждения двигателя с конден­
сатором при изменении нагрузки на валу?
12. К:ак определить значения эффективного коэффициента сигнала и емкости
для Ид с конденсатором, при которых в двигателе получается круговое поле в
режиме пуска? в номинальном режиме?
13. Сравните напряжения на обмотке возбуждения в ИД при сдвиге кон­
денсатором и при сдвиге схемой (для СХе= 1) при равенстве пусковых моментов
(у одного и того же двигателя).
135


14. Почему ИД при снятии сигнала Uy останавливается? В каком случае Ид
~тановится быстрее : при отключении обеих обмоток или только одной - и
почему?
15. Как осуществить реверс ИД с конденсатором в обмотке в о збуждения
и ИД при сдвиге схемой?
Ш· цсп_ОЛНИТЕЛЬНЫЯ ДВИГАТЕЛЬ постоянного ТОКА
Исполнительные двигатели постоянного тока широко распро­
странены в системах автоматического управления и регулирова­
ния, в счетно-решающих устройствах.
12J
Рис. 8. 12 . Конструкция ИД постоянного тока типа СЛ:
1 - корпус; 2 - полюс; 3 - якорь; 4 - щеr кодержатель; 5 - подшипниковыli к~:мт;
6 - щетки; 7 - коллектор; 8 - в ыв одные концы; 9 - l(рышка смоrрового люка
Главными достоинствами ИД являются:
1) линейность механических и регулировочных характеристик
в широком диапазоне изменения напряжения управления при
якорном управлении, а также линейность механических характери­
стик при полюсном управлении;
2) малые габариты и масса. Двигатель постоянного тока в 2-:-3
раза легче асинхронного ИД с полым ротором той же мощности;
3) высокий коэффициент полезного действия (40'-70%) в но­
минальном режиме, в то время как у Ид переменного тока он
меньше из-за наличия момента обра:rной последовательности и
необходимости значительного увеличения сопротивления ротора
для получения заданных свойств;
4) возможность якорного и полюсного управления.
К основным недостаткам Ид постоянного тока следует отне­
сти наличие трущихся контактов (коллектора и щеток), обуслов­
ливающих нестабильную работу, снижающих надежность и услож­
няющих его эксплуатацию, и радиопомех, возникающих вследствие
искрения на коллекторе , для подавления которых требуются допол­
нительны е устройства (фильтры и др.). Необходимость более слож­
ных усилителей постоянного тока для управления Ид постоянного
тока сужает область его использования.
136


Исполнительный двигатель постоянного тока представляет со­
бой управляемый микродвигатель с независимым возбуждением.
Обычно конструкция его магнитной системы такая же, как и в ма­
шицах постоянного тока без добавочных полюсов (рис. 8.12).
Наряду с Ид постоянного тока обычной конструкции применяются ·
двигатели с полым немагнитным якорем, выполненные аналогично
асинхронным Ид с полым ротором. Двигатель имеет две обмотки:
0F>,н2тт<у Ео1буждениR, расположенную на явновыраженных по­
люсах, и обмотку якоря. В двигателе
отсутствуют дополнительные полюса,
так как реакция якоря невелика и ком­
мутации двигателей вполне удовлетво­
рительна. Кроме того, в микромаши­
нах практически нет места для уста­
новки дополнительных полюсов.
Если напряжение у~прашления Uy
подается на обмотку якоря, а обмотка
полюсов длительно находится под на­
пряжением воз,буждения Ив (рис.
8 .13, а), то такое управление называ­
ется якорным.
Если напряжение управления Uy по­
дается на обмотку полюсов, а обмотка
якоря длительно включается на напря- Рис. 8.13. Схема включения ИД
жение возбуждения Ив (рис. 8. 13, 6), то
постоянного тока
управление называет,ся полюсным.
Важнейшими характеристиками ИД постоянного тона, так же
как и ИД переменного тока (см. § 8.1), являются электромеханиче­
ские характеристики, т. е. зависимость момента от частоты враще­
ния M=f(n) при постоянном напряжении управления Uy. При
якорном и полюсном управлении соответственно
(8.21)
А1 = (с,11 сФаU;-с,,,1c~CJ;0, 2U;n)fr.,
(8.22)
где см, сФ, Св - постоянные коэффициенты; а
-
коэффициент сиг- ·
нала, равный отношению напряжения управления к напряжению
возбуждения: а= Uy/Uu; rя- сопротивление цепи якоря.
При неподвижном якоре (п=О) независимо от способа управ­
ления двигатель развивает начальный пусковой момент, пропор­
циональный квадрату напряжения возбуждения и коэффициенту
сигнала:
(8.23)
Частота вращения «идеального» холостого хода исполнитель­
ного двигателя (при М =0) зависит от коэффициента сигнала. При
якорном и полюсном управлении соответственно
nx i=a/(CEC,i,);
пх ;== 1/(сЕсФа).
(8.24)
(8.25)
137


Как следует из (8.25), частота вращения якоря в режиме холо­
стого хода Ид при полюсном управлении обратно пропорциональна
коэффициенту сигнала, т. е. с уменьшением сигнала она увеличива­
ется, в то вр о1я как при якорном управлении уменьшается.
Аналитическое выражение регулировочных характеристик
n = f ( Uy) при различных способах управления находится из формул
(8.21) и (8.22) при M=const и Ив=сопst. Полезная мощность оп­
ределяется исходя из формулы (8.11).
Сравнительная оценка свойств Ид постоянного и переменного
тока проводится в относительных единицах. При этом за единицу
• частоты вращения у первого
принимается частота «идеального»
(теоретического) холостого хода nx0 . Под идеальным холостым хо­
дом двигателя постоянного тока понимается такой режим, когда
ЭДС якоря равна напряжению, ток в обмотке якоря и момент дви­
гателя равны нулю, а коэффициент сигнала а= 1, т. е. иу= Ив.
Частота вращения холостого хода nxo аналогична сихронной часто­
те вращения асинхронного двигателя и рассчитывается после сня­
тия рабочих характеристик. Относительная частота вращения
,:=n/nxo-
•
За единицу мо:v~ента, как и для двигателя переменного тока,
принимают мо:v1ент Mi;o прн неподвижном якоре (п = О) и напряже­
нии управления, равном напряжению возбуждения (а= 1). Отно­
сительное значение момента m=М/Мно. Значение Мно определяет­
ся из опыта.
За единицу мощности принимают мо щность управления Ру.но в
пусковом режиме (п=О) при коэффициенте сигнала а= 1; опре-де­
ляется она также из опыта. Относительная мощность Р}·=Ру/Ру.но­
Аналитические выражения основных характеристик ИД посто­
янного тока в относительных единицах приведены для различных
способов управления в табл. 8.2 .
Таблиц а 8.2
Аналитическое выражеНИе
Графическое и~ображение
при управлении
при управлении
Характеристика
1
1
якорном
полюсном
якорном
полюсном
Механическая
m=a -v
т =a -a2v
Рис. 8.14, а Рис. 8.14, б
m=f (v)
PR = va-,,2
Полезная мощ-
Р,?. = v:i.-
v2 :i2 Рис. 8.15, а Рис. 8,15, 6
р
ч
ность Рн =f (v)
V = {ct-m) / :t2 Рис. 8.16, а Рис. 8.16, 6
Регулир овочная
v=a-m
v=f(a,)
Ру= а.2 -(_JV Ру =а. 2Гв/Гу
Рис. 8.17
Рис. 8.17
Мощность уп-
авления py=f(a)
(сплошные (штрихо-
линии)
вая линия)
Электромехани-
Тц=fnхо-Л/ Т" = fnxo1t/(30X
-
-
еская
постоян- (ЗОМко)
ХМкоJ. 2 )
ная времени Тм=
= f(a)
138


\
\
\
.77=М/ fVI ко
l, LS
rn =M/M"o
1, О \.. --~~ -+- -+-+~
1,25"----+--+----+--+-----+--+-----+----1
1,00 l.- - ' .\ .--+-+ -- --+--1- -' - ---+- -f -- --- --+- - --I
0'-_._~~.....___..._....,
0,25 D,50 0,75 1,D v=n/пx
а)
Рис. 8.14 . Механические характеристики Ид постояииого тока
m=f(v) при a.=co nst
Рис. 8. 15. Зависимости пол езной мощ­
ности двигателя от частоты вращения
fJп=f(v) при a.=const
Рис. 8.17 . Зависимость мощности
управления от коэффициента сиг­
нала при v=const . (пунктирн ая
кривая - для полюсного управле­
ния с учетом соотношения сопро-
тивлен.ий о·бмоток Гв=О, lrу)
v
О 0,2 D,i;D,6с,В о:
а)
11)
Рис . 8.16. Регулировочные характери-
стики v=f (а.) при m=const
•
Ру
D, 8 t-----,f---+- -+-
-+--4--~
0,8 сх.


Важнейшим свойством ИД постоянного' тока, как и любого Ид./
является быстродействие. Оценивается это свойство электромеха­
нической постоянной времени Тм - временем разгона двигателя отi
мом е нта подачи номинального сигнала до установления частоты
вращения, равной 0,633 от установившейся частоты вращения хо­
лостого хода .
Выражения для электромеханической постоянной времени r~1
при якорном и полюсном управлении также даны в табл. 8.2, из
которой видно, что при якорном управлении Тм не зависит от ко­
эффициента сигнала, а при полюсном - зависит, что является
большим недостатком последнего. При полюсном управлении J.I
малых напряжениях управления время разгона якоря Ид значи­
тельно увеличивается. Это происходит вследствие уменьшения
пускового момента и увеличения частоты вращения холостого хода
при уменьшении Uy.
Цель работы - исследование рабочих, пусковых и регули­
fювочных свойств ИД постоянного тока и сравнение их со свой­
ствами Ид переменного тока {см . § 8.1). Объектом исследовани,1
является двигатель постоянного тока с независимр1м возбужде~
нием.
ПРОГРАММА РАБОТЫ ·
А. Экспериментальные исследования
1. Ознакомиться с конструкцией двигателя и его паспортными
данными.
2. Осуществить пуск двигателя в ход и изменение направления
вращения.
3. Снять рабочие характеристики двигателя Iв, fy, Рв, Р)., Ря, М,
ч в зависимости от п при Ив= coпst и Uy= const: а) при якорном
управлении для а= 1 и а=О,5; б) при полюсном управлении для
а=О,5.
•
4. Снять регулировочные характеристики двигателя п, !у, lв, Ру,
Рв, Рн в зависимости от Uy при JVl =const: а) при якорном управ­
лении для JV1 = U и Nl = 0,5Nlкo; б) при полюсном управлении для
М=О; М=О,2Мио и М=О,5Мио•
5. Найти зависимость мощности управления от напряжения уп­
равления P;·=t(Uy) при n=O и n=nн: а) при якорном управлении;
6) при полюсном управлении.
Б. Расчеты и построения
1. Вычертить эскиз Ид постоянного тока.
2. Построить механические характеристики двигателя в относи­
тельных единицах m=f (v): а) при якорном управлении ДJlЯ а= l
и а=О,5; б) при полюсном управлении для а=О,Ь.
3. llостроить з ависимости ?н=Г(п) в размерных един и цах:
а) при якорном управлении для а= 1 и a=U,5; 6) при полюсном
управленю! для u=U,o.
140


\
\
4. Построить зависимости Рв=f(п) и Py=f(n) в размерных еди-
1-шцах для а=О,5 : а) при якорном управлении; б) при полюсном
1управлении.
i 5. Построить регулировочные характеристики в относительных
единицах: а) при якорном управлении для m=O и m=0,5; б) при
~олюсном управлении для m=O; m=0,2 и m=0,5.
6. Построить зависимость Py=f(Uy) в размерных единицах для
л=О и nн: а) при якорном управлении; б) при по.~юсном управ­
.пении.
7. Сравнить свойства ИД при якорном и полюсном управлении.
ПО.ЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
Одна нз возможных схем для испытания двигателя представле­
на на рис. 8.18.
Для измерения вращающего момента двигателя можно приме-
1шть электромагщпный тормоз. Может быть использовано также
.любое другое тормозное устройст­
во (см. § 2.2). Частота вращения
:измеряется строботахометром, ча­
,совым или обычным тахометром
в зависимости от мощности испы­
туемого двигателя. При измере­
нии частоты вращения стробота­
:хометром необходимо тщательно
следить за правильностью отсче-
-:га, не допуская ошибок в выборе Рис . 8.18. Схема для испытания Ид
коэффициента кратности (см.
постоянного тока
§ 2.3).
Пределы измеряемых частот вращения должны быть установ­
.лены в соответствии с паспортными данными двигателя и ожидае- .
мыми при снятии характеристик значениями. Следует обратить
внимание на ожидаемые пределы измерения частот вращения в
..характеристиках двигателя при полюсном управлении.
Перед началом испытания необходимо ознакомиться с конст­
рукцией двигателя и его паспортными данными, рассчитать на ос­
нове паспортных данных номинальный вращающий момент двига­
'J'еля (Н·:м):
(8.26)
где Рнн·- номинальная
полезная мощность, Вт; nн - номинальная
частота вращения, об _/ мин.
Далее следует осуществить пуск в ход двигателя и изменение
:н аправления вращения. При обоих направлениях вращения прове­
ряется частота вращения при номинальной нагрузке (М =Мн) и
коэффициенте сигнала а= 1 ( Uy= Ив= Ин).
Для получения стабильных характеристик испытуемого двига­
теля целесообразно предварительно нагрузить его номина,1Iьным
.моментом и дать поработать .при постоянной наг.руз~-е ,15 7 2:fJ ,.м_ин.
За это в_ремя температура обмоток практически установится. ~ j\
141


Основными характеристиками ИД являются рабочие, регулироl
вочные и зависи~юсть мощности управления от коэффициента сиг
нала.
Рабочие характеристики. Они представляют собой зависимое~
fв, fy, Рв, Ру, М, 1J от п при Ив=const и Uy=const. Рабочие хара
-
теристики получаются изменением механической нагрузки на ва у
двигателя в диапазоне изменения· частот вращения от холостого
хода (n=nxoi при М =0) до остановки (п=О).
Рабочие характеристики снимаются при двух способах управ­
ления: 1) якорном; 2) полюсном.
Напряжение возбуждения на обмотках полюсов или якоря под­
держивается постоянным и равным номинальному значению. На­
пряжение управления (соответственно на обмотке якоря или полю­
сов) устанавли.вается потенциометром.
Рабочие характеристики снимаются для коэффициентов сигна­
ла а=,l(И,=Ив=Ин) и а=0,5(Иу=О,5Ин). В том случае, когда
ct,;, 1, рабочие характеристики при якорном и полюсном управлении
совцадают, так как напряжения на обеих обмотках при этих спосо­
бах управления одинаковы.
Для получения рабочих характеристик необходимо выделить
три основных режима работы двигателя и определить для них
моменты, мощности, токи, частоты вращения: при ХОJlостом ходе.
номинальной нагрузке или близкой к ней, коротком замыкании.
Начальный . пусковой момент Мк при n=O определяется с по­
мощью тормозного устройства при включении обмоток заторможен­
ного двигателя на напряжения Ив и Uy, соответствующие задан­
ным сигн·алам а= 1 и а=О,5.
После снятия рабочих характеристик рекоменду е тся для кqнт­
роля правильности измерений построить механические характери­
стики в размерных единицах, а также зависимости полезной мощ­
ности от частоты вращения . Для построения механических характе­
ристик в относительных единицах необходимо рассчитать базовые
величины. Последние определяются в процессе снятия рабочих ха­
рактеристик следующим образом.
Частота вращения при «идеальном» холостом ходе (об/мин)
(8.27)
где Ин - номинальное напряжение двигателя, В; n; - частота вра­
щения, об/мин, при произвольной нагрузке и а= 1; Е;= Ин-fяrя -
ЭДС, соответствующая этой нагрузке, В; /я- ток в якоре, соот­
ветствующий той же нагрузке, А; rя- сопротивление обмотки яко­
ря, Ом.
Базовые момент Мко и мощность Ру.ко определяются из опыта
в пусковом режиме (п=О) при а= 1.
Регулировочные характеристики. Они снимаются по той же
схеме (рис. 8.18) для постоянного момента на валу двигателя ~
а) при якорном управлении для М=О и М=О.5Мно; б) при полюс­
ном управлении для М=О; М=О,2Мко и M=0,5Ml(().
142


\
\
При снятии регулировочных характеристик необходимо точно
иксировать напряже. ние трогания Uy.'rpoг, соответствующее частоте
ращения п = О. Напряжение управления в процессе опыта изме-
яется от О до 1,25Ин.
•
\ При якорном управлении для построения характеристик снима­
к~тся з начения в 3-4 точках, так как регулировочные характери­
.сtи ки линейны. При полюсно м управлении число точек должно
б{пь большим.
Зависимость мощности управления от коэффициента сигнала.
При постоянной частоте вращения она снимается также по схеме,
nриведенной на рис. 8.18, для двух случаев: при неподвижном рu­
·торе (n =O ), при частоте вращения n=nн. В процессе сня.тия зави­
симости Ру= f ( Uy) при п = nн для поддержания постоянной часто­
ты вращения, изменяющейся при изменении сигнала, следует ме­
~1 ять соответствующим образом тормозящий момент.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ
Механические характеристики при различных коэффициентах
:сигнала а для якорного и полюсного способов управления предс •
ставлены на · рис. 8.14, а, б соответственно. Это семейства прямых,
.каждая из которых отсекает на оси ординат (при n=O) отрезки,
соответствующие пусковым моментам двигателя, а на оси абс­
цисс - отрезки, соответствующие частоте вращения при холостом
ходе (при m=O):
при якорном управлении
(8.28)
:при полюсном управлении
mк=а; vx= 1/а.
(8.29)
При коэффициенте сигнала а= 1 пусковой момент mко= 1 и
частота вращения холостого хода Vxo = 1.
Из сравнения механических характеристик при двух · способах
управлеliия видно, что при а= 1 они совпадают, а при других зна­
чениях а характеристики для полюсного управления проходят ба­
.лее 'полого, т. е. относительно малым изменениям вращающего мо­
мента · соответствуют относительно большие изменения· частоты вра­
щения . Это объясняется уменьшением потока возбуждения при
снижении напряжения управления.
При якорном управлении механические характеристики линей­
tfЫ и не изменяют наклона с изменением сигнала. Это обстоятель­
ство подтверждает независимость быстродействия при этом спосо­
бе управления от значения сигнала .
Кривые Рн = f (v) для разных а приведены на рис. 8.15. Макси­
мальная мощность при якорном управлении (см. {)ИС. 8. 15, а) за­
.висит от а:
(8.30)
143


а при полюсном управлении (см. рис. 8.15, 6) она постоянна: /
РR.-акс= 1/4.
(8 .31)
Из кривых, представленных на рис. 8. 15, видно, что зависиf
масть PR=f(v) для двигателя постоянного тока проходит череJ
нуль в двух точках оси абсцисс (при пуске, когда v=O, и при хq­
лостом ходе, когда m=O) и имеет максимум при оптимальной чаq-
тоте вращения:
'
при якорном управлении
'lorп='lx/2=a/2;
(8.32)
при полюсном управлении
'lопт= 1/(2а).
(8 .33)
Частота вращения ·vопт при а= 1 и мощность РRманс , соответству­
ющая ей, принимаются у Ид за номинальные значения.
• В отличие от машин средней и большой мощности Ид проекти­
руются без запаса мощности; перегрузочная способность их равна
единице.
Незав(fсимость максимума механической мощности от напряже­
ния управления (коэффициента сигнала а) ,- ценное
свойство по­
,JJюсного . управления, позволяющее незначительными по мощности:
сигналами управлять значительными мощностями на валу двига­
теля.
Регулировочные характеристики, соответствующие двум схемам
управления, представлены на рис. 8.16, а, 6. При якорном управле­
нии регулировочные характеристики изменяются по линейному за­
кону во всем диапазоне изменения напряжения управления, пра
полюсном управлении регулировочные характеристики имеют кри­
волинейный характер.
Линейность регулировочной характеристики Ид постоянного,
тока с якорным управлением во всем диапазоне регулирования -
преимущество перед Ид переменного тока при использовании его
в схемах автоматики и счетно-решающих устройс11в. Нелинейност1о,
регулировочных характеристик'- большой недостато.к двигателя е
полюснь1м управлением. Но еще большим недостатком при этом
является неоднозначность регулирования, т. е. одна и та )15,е часто­
та вращения можеJ быть достигнута двигателем при двух знач~­
ниях ·напряжения управления (коэффициента сигнала а).
•
Неустойчивость регулирования частоты вращения ИД при по­
люсном управлении проявляется в том случае, когда момент на
вa,lly равен нулю. При малом сигнале управления частота враще­
ния в режиме холостого хода может превысить номинаJJьную в не­
сколько раз . Это весьма опасно, так как может привести к механи­
ческим повреждениям узлов двигателя. Для предотвращения этогС'
при пониженном Uy обеспечивают работу Ид с постоянным мом е н­
том на валу не 1-1иже О,5Мно-
Анализ зависимостей мощности управления от коэффициента
сигнала для двух способов управления показывает, что при якор-
144


\it.oм управлении (см. рис. 8.17) мощность управления, равная прак­
т~чески всей потребляемой двигателем мощности за вычетом потерь.
tф возбуждение, резко возрастает с увеличением коэффициента
си.гнала. Это обстоятельство часто заставляет снижать напряже­
ни\е управления, что, однако, приводит к уменьшению максималь­
ной полезной механической мощности. Максимальная мощность уп­
равления при якорном управлении соответствует режиму короткого,
замыкания (т. е. неподвижному ротору: n=O). Достаточно большая:
мощность управления приводит к необходимости увеличивать :мощ­
ность и габариты усилителя, питающего обмотку якоря.
При полюсном управлении мощность управления незначитель­
на по сравнению с мощностью при якорном управлении (5-30%
от потребляемой мощности). Она лишь покрывает электрические
потери в обмотках полюсов, не зависит от частоты вращения и на­
грузки, менее резко возрастает при увеличении коэффициента сиг­
нала (см. рис. 8.17).
Однако вследствие линейности механических и регулировочных
характеристик наибо.пьшее распространение в устройствах автома­
тики получило якорное управление. Этот способ управления широ­
ко использvется в двигателях с постоянными магнитами.
По результатам проведенных опытов необходимо сравнить свой­
ства ИД при якорном и полюсном управлении. Опытные и расчет-
11 ые данные для сравнения рекомендуется выписать в таблицу.
Следует также сравнить свойства ИД постоянного и переменного,
тока (см.§ 8.1).
Вопросы для самопроверки
1. Назовите способы управления ИД постоянного тока.
2. Перечислите достоинства и недостатки используемых в Ид пост9янного,
тока способов управления.
3. Какой вид имеют механические характеристики ИД при якорном и по~
люсном управлении?
4. Назовите главное достоинство регулировочных характеристик ИД при
якорном управлении.
5. При каких моментах на валу регулировочные характеристики .двигателя
при полюсном управлении пригодны для работы в автоматических устройствах?
6. При каких условиях определяют базовые моменты и мощности у Ид по-
стоянного тока?
7. Как измерить начальный пусковой .момент ИД постоянного тока?
8. При каких условиях холостой ход Ид называют «идеальным»?
9. При каком способе управления и при каких значениях момента регулиро­
вочные характеристики ИД двузначны, неустойчивы?
10. Как влияет на быстродействие ИД коэффициент сигнала а: а) при якор­
ном управлении; б) при полюсном управлении?
11. Как влияет на быстродействие ИД момент инерции ротора?


Глава 9
ИСПЫТАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МИКРОМАШИН
§ 9.1. АСИНХРОННЫЙ ТАХОГЕНЕРАТОР (ТГ)
!
Тахогенератором называется электрическая машина, предназна­
'tенная для преобразования механической величины - частоты вра­
щения - в пропорциональный ей электрический сигнал. Асинхрон­
ог
~Zнаг,i
ный ТГ представляет собой индукцион­
ную двухфазную машину с полым немаг­
нитным ротором. Конструкция его прин­
ципиально мало отличается от - асинхрон­
ных Ид с полым ротором (см.§ 8. 1). Оси
обмоток статора тахогенератора сдвину­
ты в пространстве на электрический угол
90°. Обмотка возбуждения ОВ включает­
ся в сеть (рис. 9.1); с выходной (или ге­
нераторной) обмотки ОГ снимается вы­
ходное напряжение тахогенератора.
Асинхронные ТГ выполняются в трех
конструктивных формах: с обмотками на
Рис. 9 .1 . Схема включения внешн~м статоре, с обмотками на внут-
асинхронного ТГ
рением статоре, с одной обмоткой на
5
z
Рис. 9 .2 . Конструкция асинхронного ТГ:
1 - внеwниll ст а тор; 2 - обмотка возбуждения; 3 - внутренияll статор; 4 - генера­
торная обмотка; 5 - полыll ротор
внешнем и другой (обычно обмоткой возбуждения) на внутреннем
статоре (при этом предусматривается возможность поворота внут­
реннего статора относительно наружного). Конструкция такого ТГ
приведена на рис. 9.2.
Иногда асинхронные ТГ выполняются в одном корпусе с ИД.
Ротор ТГ имеет большее активное сопротивление, чем ИД. Он
ньшолняется из константана, специального манганина, фосфори-
146


tтой, марганцовистой бронзы или других сплавов с высоким актив­
ным сопротивлением, мало меняющимся при изменении темпера­
туры. Реже используются алюминиевые сплавы. При изготовлении
полого ротора стремятся повысить однородность стрrктуры мате­
риала и возможно точнее выдержать размеры.
Основные требования, предъявляемые к асинхронным ТГ:
1) большая крутизна выходной характеристики ku = Иг/п;
2) минимальная нелинейность выходной характеристики;
3) минимальное значение остаточной ЭДС;
4) минимальное изменение фазы выходного напряжения;
5) стабильность выходной характеристики;
6) максимальная выходная мощность при минимальной мощ-
ности возбуждения;
7) малые момент инерции ротора и момент сопротивления;
8) минимальные габариты и масса.
По назначению асинхронные ТГ можно разделить на три
группы:
1) выполняющие функции демпфирования в следящих систе­
м ах. Требования пЬ точности к ним весьма невелики;
2) указатели скорости, применяемые в устройствах· стабилиза­
нии частоты вращения. Нелинейность выходной характеристики
у них не превышает 0,5-1,0%;
3) элеJv.Iенты счетно-решающих устройств. К ним предъявляют­
ся высокие требования линейности характеристик, стабильности
11 надежности в работе.
Рассмотрим принцип действия асинхронного ТГ .Магнитодвижу­
щая сила обмотки возбуждения создает магнитный поток, пуль­
сирующий по продольной оси d (рис. 9.1). Если ротор неподвижен,
то в нем наводится только ЭДС трансформации. Возникающие в
роторе вихревые токи создают поток, согласно закону Ленца на­
правленный встречно потоку обмотки возбуждения. Результирую­
щий магнитный поток Ф,1 машины направлен только по оси d и в
идеальном случае не наводит ЭДС в генераторной обмотке, ось
которой совпадает с осью q.
При вращении ротора кроме ЭДС трансформации наводится
ЭДС вращения, пропорциональная частоте вращения. Под дей­
ствием ЭДС вращения в роторе возникают токи, которые создают
магнитный поток Фq по поперечной оси. Поток Фq индуцирует в ге­
нераторной обмотке ЭДС, пропорциональную частоте вращения.
Частоты ЭДС генераторной обмотки, потока Фq и ЭДС вращения
ротора равны частоте сети.
Уравнещ1е выходной характеристики асинхронного тахогенера­
тора имеет вид [2, 1О]
Иг= - JkUвv/(A-Bv2),
(9.1)
где k = Wгkог! ( Wвkов) - коэффициент трансформации; v = п/пс -
относительная частота вращения ротора; А и В - комплексные ко­
эффициенты, зависящие от параметров -схемы замещения и сопро­
тивления нагрузки.
147


Крутизна выходной характеристики характеризует чувств/_
тельность тг
r1
.,'?.u=Игfn. Игf(vnc)=kUнf(nc I А.-8'12 1 ):::::::,kUв/(nc I А. 1). (9,~)
Крутизна k u зависит от коэффициента трансформации k, на- .
nряжения возбуждения Uв и модуля комплексного коэффициента
А. Колебания этих величин (кроме k), связанные с условиями экс­
плуатации (изменен'ием темпера'Гуры, нестабильностью напряжения
и частоты сети), приводят к изменению выходной характеристики
-гахогенератора и появлению погрешностей. Однако да~ при иде­
.:~льных условиях работы (неизменных температуре, напряжении
сети и частоте) ТГ имеет погрешности, обусловленные нелиней­
Jfостью уравнения выходной характеристики. Их значение зависит
()Т соотношения v 2B/A.
Наличие погрешностей связано с изменением напряжения ТГ по
:амплитуде и фазе в зависимости от частоты вращения ..
Амплитудной погре~иностью ЛИ называют отклонение 'реальной
характеристики Llг=f (п) при данной частоте вращения п от иде­
альной, выражещюе в процентах от номинального. значения выход­
ного напряжения Иг.и (при n=nн):
дИ=<Иг-И;) 100/Иг,н•
(9.3)
Фазовой погрешностью .Л<р называется отклонение фазы выход­
ного напряжения Иг от фазы напряжения, принятого за базовое.
В зависимости от причин, обусловливающих погрешности, их
1юдразделяют на скоростные, температурные, частотные и др.
Скоростные погрешности вызываются нелинейностью уравнения
выходной характеристики ТГ. Для их снижения стараются умень­
шить при проектировании ТГ величину v 2B/A за счет уменьшения
как относительной скорости v, так .и величины В/А.
Чтобы получить минимальные скоростные погрешности, ТГ, осо ­
бенно точные, рассчитывают на работу от сети повышенной часто­
ты (400, 500, 1000 Гц) и выполняют с малым числом пар полюсов
р. При этом снижается номинальная относительная _ скорость:
v" = n"l пс= п"р/(60 /).
Для уменьшения магнитной и электрической несимметрии число
пар полюсов выбирают не меньше двух.
Комплек-сную величину В/А можно снизить либо за счет умень­
шения коэффициента трансформации k и сопротивления обмотки
возбуждения Zsв, либо за счет увеличения сопротивления нагрузки
Zнагр и активного сопротивления полого ротора rлв- Для повыше­
ния Iя в при и з готовлении ротора применяют материалы с высоким
удельным сопротивлением (манганин, константан и др.), для по-
1шжения Zsв , в первую очередь rsв, увеличивают площадь пазов
статора.
Снижение скоростных погрешностей почти всегда вызывает
. уменьшение
крутизны выходной характеристики тахогенератора.
148


11 оэтому при проектировании исходят из назначения ТГ и в зави •
с1::..юсти от этого добиваются или минимальной скоростной погреш-
1,ости, или максимальной крутизны. У точных ТГ, предназначенных
_ , , 1н счетно-решающих устройств, амплитудная погрешность ЛИ=
~ 0,05---: -0,2%, фа з овая погрешность Л<р составляет не с колько минут,
~;рутизна ku= 1---:-3 мВ/(об/мин); у ТГ следящих систем ЛИ=
= 1---:-2,5%, ku=б---:-10 мВ/(об/мин); фазовая погрешность Лер дости-
1 а ет нескольких градусов.
• Скоростные погрешности могут быть уменьшены и за счет пра­
ш1льного выбора (где это возможно) характера нагрузки Zнагр:
,Н,ТИВНОГО, индуктивно г о, ем- Е в
1 :о стного [10]. Однако можно о,~;~~-~-~~--т-~_,..--т--.
у rv1 еньшить либо амплитудную, k..Г1=:::+::.:lГ~
Ji ибо фазовую погрешность, по- 0• 25jJ--Т~:Н~
этому в каждом конкретном л. 2а '1 45 90 135 180 225 270 ос, граВ
с лу чае сначала необходимо
'
о ц енить, снижение какой из
погрешН'Остей наиболее важ-
Рис. 9 .3 . Зависимость ост.ато11иой ЭДС
от угла поворота ротора
1[:),
Физическая природа скоростных погрешностей связана с рядом
ф а кторов: падением напряжения в генераторной обмотке; умень­
шением поперечного потока за счет реакции генераторной обмотки;
11а дением напряжения в обмотке возбуждения в зависимости от
r о ка возбуждения, что ведет к изменению потока возбуждения:
нлиянием ЭДС ротора, наводимой поперечным полем; изменением
11 а раметров ротора rяв и ХRв в зависимости от частоты вращения.
Температурны е погрешности ТГ обусловлены изменением актив•
ных сопротивлений ротора и обмотки статора в зависимости от тем­
щ~ ратуры. Для снижения их до минимума роторы выполняются из
>v1атериалов, сопротивление которых мало зависит от температуры.
Кроме того, применяют термосопротивления, стабилизирующие
а ктивное сопротивление цепи возбуждения, или автоматически под­
., \е рживают температуру обмоток постоян н ой с помощью регули­
р уе мых нагревательных элементов.
Частотные погр е шности обусловлены из м енение м ин дуктивных
со противлений обмоток и магнитных потоков тахогенератора при
к ол ебаниях частоты питающего напряж е ния. Единственный способ
1 1х устранения - стабилизация частоты.
Точность асинхронных тахогенераторов зависит также от оста­
точ ной ЭДС Е0 , навод имой в генераторной dбмотке при неподвиж-
11 о м роторе. Значение остаточной ЭДС зависит от углового положе-
1 ;н я ротора (рис. 9.3).
Ра зличают постоянную и переменную составл яющие ЭДС Ео :
Еоср =(Еомакс +Еоми~)/2 ;
ЛЕо=(Ео макс -Ео мин) / 2.
Причины ее возникновения: неточщ,1й сдвиг обмоток на угол
90°; несимметрия магнитной цепи из-за неравномерности воздуш-
149


!
ного зазора, анизотропии характеристик электротехнической ста1и;
наличие потоков рассеяния; несимметрия полого ротора и др. ,
После дняя причина обусловливает появление переменной со­
ставляющ ей остаточной ЭДС, остальные -- постоянной. У совре­
менных тахогенераторов постоянная составл яющая Еоср=
=25-; -100 мВ, переменная ЛЕ0 =3-;-7 мВ.
Наличие остаточной ЭДС - основная причина несим:v~етрии
выходной характеристики тахогенератора в зависимости от направ­
ления вращения ротора, особенно при малых частотах вращения.
В зависимости от значения погрешностей асинхронные тахоге­
нераторы разделяются по классам точности, которые устанавлива­
ются по наихудшему параметру в соответствии с табл. 9.1 .
Табл и'ц а 9.1
!(ласе точности
Пара метры .точности
0:021о.оз,1o.os 1 0,1 1 0,2
./
0,5 1
Нелиf1ейность выходного на ­
пряжения, . %, не более
Отношение остаточной ЭДС
к крутизне выходного напрн­
жения, об/мин, не более
Фаз овая погрешность, мин,
не более
"±0,02 ±0,03 ±0,05 ±0,10 ±0,20 ±0,50 ±1,()
10()
10
10
20
20
20
25
±15 ±20 ±20 ±25
Таблиц а 9.2
"'
...
~~:z:
8i:Q
о
6~
...
.,_а.,
u
u
" ':,;
".
1::1
"'.
"'
: ~-'8
:f
"'
..
"
~
..~
(!)
Тип тахо-
...
~~
"'t:
о:о
..,
- ;;-
ro<I
"'
"'
.....
=..
rенера-
.. .:
:,: "'
:,: "'
о:u :,:
., :,:
"1, -.
"'
...
тора
""
:,: :,:
;g!~
:,: :,;
>,u
:,:
"'
"
,Е:,:
о:,: =
м-
...
о
..
..
""
:,: ""'
:,: 10
:S::,:
OCQ
,;
о
~~~
..
i,. tc(
~~-
;;
".s
§~
~ :,;
u
u
">Е
»-
t;.
u
"'
"' >,
о:"' -
.,оQ)
аCQ
:,; а
.,
:r
:r:10
u~'8
:;, 1О ::f
::.:: :,;
..: ...
ощ
:;,
АТ-23!
500
110
15 ООО
4000 5,5±0,5 0,10 I кл .-25 2,10
I кл.-75
АТ-261
400
llU
12000
4000 5,3±0,5 0,15
100
1,85
АТ-161
400
110
12 ООО
4000
4,0
0,15
80
0,90
ТГ-5А
400
115
12 ООО
9000
1,2
2,Бv
50
0,30
АТ-2
4\)0
115
12 ООО
5000
1,0
0,30
25
0,27
Асинхронные ТГ применяются в системах автоматики благодаря
ряду преимуществ: независимости частоты выходного напряжения
от частоты вращения; отсутствию скользяших контактов; малому
моменту сопротивления из-за отсутствия радиальных и аксиальных
сил, действующих на ротор; высокой надежности; достаточной ста­
бильности характеристик.
150


Недостатки асинхронных тахогенераторов: нелинейность .выход­
ной характеристики; наличие фазовой погрешности; малая выход-
11ая мощность; низкий коэффициент мощности обмотки возбужде­
ния из-за большого немагнитного зазора; большие габариты и
"асса.
Исследуется асинхронный тахогенератор с полым ротором, вы­
полненным из материала с большим удельным сопротивлением и
,,алым температурным коэффициентом сопротивления.
Объектом исследования могут служить тахогенераторы типа
Л Т, ТГ повышенной частоты (400 или 500 Гц). Основные техниче­
,·кие данные некоторых тахогенераторов приведены в табл. 9.2.
Цель иссл ед о в ан и я - изучение свойств тахогенератора,
,определение основных характеристик и выходных показателей.
ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИЙ
А. Экспериментальные исследования
1. Ознакомиться с конструкцией ТГ и основными техническими
jЩННЫМИ.
2. Снять выходную характеристику ТГ Иг=f(п) при Ив=Ив.н:
:а) для холостого хода Zнагр=оо; б) для активной нагрузки Rнагр=
=500 Ом.
3. Снять внешнюю характеристику ТГ Иг=f(Zнагр) при Ив=Ив.н,
n=nн и нагрузке: а) активной; б) емкостной; в) индуктивной.
4. Определить остаточную ЭДС в зависимости от угла поворо-
·rа ротора Eo=f(0).
5. Определить амплитудную и фазовую погрешности ТГ.
Б. Расчеты и построения
1. Начертить эскиз ТГ.
2. Построить на одном графике выходные характеристики
Uг=f(n) тахогенератора для холостого хода и активнои нагрузки.
3. Определить крутизну выходных характеристик тахогенера­
тора.
4. Построить на одном графике внешние характеристики тахоге­
нератора Иг=f (Zн) при различных характерах нагрузки.
5. Построить зависимость остаточной ЭДС от угла поворота
ротора Eo=f(0). Определить переменную составляющую ЭДС ЛЕо.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
Испытания ТГ проводятся по схеме, приведенной на рис. 9.4 .
Тахогенератор приводится во вращение двигателем постоянного
тока. Частота вращения измеряется строботахометром; выходное
напряжение Иг - прибором с большим входным сопротивлением.
В качестве нагрузок используются магазины сопротивлений, емко­
стей и индуктивностей.
Выходная характеристика (рис. 9.5) ·ТГ снимается в диапазоне
частот вращения от О до 1,5пн при Zнагр= оо (кривая 1) и Zнагр=R
151


(кривая 2). При снятии выходной характеристики необходимо про­
верить номинальное выходное напряжение Иг .н при номинальной
частоте вращения nн.
Крутизна выходной характеристики определяется при номи­
нальной частоте вращения по формуле
ku=Иг.нfnн.
И6~- А п~500
;~(400Гц)
Рис . 9.4 . Схема испытания асин­
хронного ТГ
Рис. 9.5 . Выходная характеристи­
ка ТГ
Внешние характеристики ТГ снимаются при сопротивлениях:
нагрузки, равных 500, 2000, 4000 и ЮООО Ом. При емкостном или
индуктивном xapaJS:тepe нагрузки емкости или индуктивности долж­
ны обеспечивать указанные сопротивления.
Остаточная ЭДС определяется при медленном повороте ротора
в пределах одного оборота. Фик_сируются максимальное и мини­
мальное значения ЭДС. Наибольшее значение принимается за оста­
точную ЭДС ТГ. Переменная составляющая находится как раз­
цость наибольшего и наименьшего значений:
ЛЕо= (Ео маkс - Ео мн~)/2.
Опытное определение амплитудной и фазовой погрешностей
асинхронного ТГ - весьма сложн,ая задача. Оно требует, во-пер­
вых, высокой точности измерения выходного напряжения, которую
могут обеспечить только компенсационные методы измерения, и.
во-вторых, поддержания точных значений стабилизированных час­
тот вращения в рабочем диапазоне тахогенератора. На
рис. 9 .6 приведена схема для определения погрешностей асинхрон­
ного тахогенератора. Она состоит из следующих основных блоков:
блока привода стабилизированной частоты вращения БПС; блока
измерительно-компенсационного БИК, предназначенного для ко.\t­
пенсации ЭДС врашения тахогенератора; блока компенсации оста­
точной ЭДС БКО ..
Привод стабилизированной частоты вращения обеспечивает
плавное ее изме!iение и поддержание с точностью до 1 об/мин.
152'·•


Частота вращения измеряется стробоскопическим методом при ста­
fi11 J1ьности частоты источника синхронизации не менее 0,01 %.
Блок измерительно-компенсационный с помощью индукционного
фазовращате.'lя ИФ 1 , вращающегося трансформатора СКВТ и де­
.1 11пеля напряжения ДН компенсирует выходную ЭДС тахогенера­
тора. Контроль компенсации осуществляется ламповым вольтмет-
г·~К-
1 --~~-----·--· БИК 1
1
•
п2 1=--·:.::. ..-;"'
,·
1
,1
1
1
!1
1:.+-~ - __.___:
1
---~--t
1
i ~кг8з Сzсквт
/в, в2
.
Вц
.
1
п,
г_____J
1
1
'
'--------+--, --+---4
L _______
~
Рис . 9.6 . Схема ,стенда для опред еления амплитудной и фазовой погрешностей
асинхронного ТГ
ром V2. Редуктор для вращения фазовращателя ИФ1 должен быть
L' Набжен шкалой , позволяющей отсчитывать угол поворота ротора с
IОЧНОСТЬЮ не менее 5 угл. мин .
Предварительно производится компенсация остаточной ЭДС
1111 д укционным фазовращателем ИФ2 и поворотным (вращающим­
t · я) трансформатором МЕТ.
По полученным значениям амплитудной и фазовой погрешно­
t·тей и остаточной ЭДС оценивается исходя из данных табл. 9.1
!\Ласе точности исследуемого тахогенератора.
Вопросы для самопроверки
1. Где у асинхронного тахогенератора распо~аrаются обмотки возбуждения
,i генераторная?
2. И з к аких м атериалов выполняется полый ротор тахогенератора? Почему?
153


3. Напишите и объясните уравнение выходной характеристики тахогеиерат4>-
ра в общем виде.
4. Что т акое амплитудная и фазовая погрешности?
5. Какими средствами можно уменьшить погрешности тахоrенератора?
6. Какую частоту имеет выходное напряжение тахогенератора?
7 . Что такое остаточная ЭДС и какими причинами она вызывается?
8. Какие меры применяются для уменьшения остаточной ЭДС?
9. Как меняется крутизна выходной характеристики в зависимости от ха­
рактера нагрузки?
10. Как · влияет на остаточную ЭДС поворот ротора относительно статора?'
Объясните физику явления.
11. К а к меняется фаза выходного напряжения в зависимости от характера
нагрузки?
,
12 . В каких устройствах используется тахогенератор, каковы при этом тре­
бования, предъявляемые к точности?
13 . Каковы основные принципы измерения погрешностей тахогенератора?
14. К ак определяется класс точности т ахогене ратора?
§ 9.2 . ТАХОГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
Тахоrенератор постоянного тока представляет собой коллектор­
ную электрическую машину постоянного тока с возбуждением либо
от постоянного магнита (рис. 9.7, а), либо с помощью обмотки, рас­
положенной на явновыраженных полюсах (рис. 9.7, 6).
ф
Е= c"n
б)
Рис. 9.7 . Электромагнитная схема ТГ постоянного
тока
Достоинства ТГ постоянного тока - отсутствие фазовой погреш­
ности, малые габариты и масса по сравнению с ТГ переменного
тока. Большим достоинством обладает ТГ постоянного тока с по­
стоянными магнитами, так как для его возбуждения не требуетс>1
постоянный источник энергии.
По сравнению с ТГ переменного тока ТГ постоянного тока име­
ют и существенные недостатки: наличие скользящих контактов:
между коллектором и щетками, коммутационное искрение под
щетками, необходимость устройства фильтров от радиопомех.
Конструкция ТГ постоянного тока с независимым возбуждени­
ем показана на рис. 9.8; конструкция ТГ постоянного тока с по­
сtоя.нными магнитами - на рис. 9.9.
Рассмотрим основные технические показатели ТГ постоянного
тока . Уравнение выходной характеристики тахогенератора при на-
154


1рузке с учетом падения напряжения в щеточном контакте может
:'н,11ъ представлено в виде [I]
И =(CEn-ЛUщ)/(1 +гя/Rнагр),
(9.4)
1
Рис. 9.8 . Коиструкцю1 ТГ с независимым возбуждением
и1,е Св - коэффициент
нропорциональности меж­
лу ЭДС и частотой вра­
щения при холостом ходе
(Rнагр= оо); ЛИщ - паде-
11ие напряжения в щеточ­
ном контакте; rя - сопро­
тивление цепи якоря.
В идеальном случае,
11ри отсутствии реакции
якоря и падения напря­
жения в щеточном кон-
1·акте, выходная характе­
ристика ТГ представляет­
ся прямой линией:
И 1 =с1п, (9.5)
7
8
2
J
5
Рис . 9.9 . Конструкция ТГ с постоянными маг­
нитами:
1 - корпус с полюсами; 2 - якорь; 3 - подшипник;
4- вал; 5- кожух; 6- коллектор; 7 - щит; 8-
щетки
где С1 = k1Ф/(l +rн/Rнагр), при этом k1 - коэффициент пропорцио-
11альности между потоком, ЭДС и частотой вращения при нагрузке
ТГ Rнагр=F 00.
Относительная погрешность ТГ
Лu=(U 1 -U)/U 1 •
(9.6)
Как и у асинхронного ТГ, качество работы ТГ постоянного тока
~ шределяется основными техническими показателями - линейно­
стью и крутизной - и такими отличительными особенностями ТГ
1юстоянного тока, как асимметрия выходного напряжения и зона
1,ечувствительности.
В ТГ постоянного тока погрешности · выходной характеристики
обусловливаются главным образом действием реакции якоря, тем-
155


пературы, ыагнитной несимметрии. При максимальноii рабочей_
частоте вращения у современных машин отечественноru производ­
ства отклонение от линейности Ли=+ (0,5--;-3) %.
-Номинальные рабочие частоты вращения у современных ТГ по­
стоянного тока n= 1000--; -10 ООО об/мин; наибольшее применени~
имеют ТГ с частотой вращения 1500 и 3000 об/мин.
и= U/011
1,0
Крутизна выходной характерис­
тики у современных ТГ постоянного,
TQKa ku=5--; -100 мВ/(об/мин) и вы­
ше (меньшие значения относятся к
ТГ с постоянными магнитами).
Важные технические показатели:
качества работы ТГ постоянного то­
ка - асимметрия выходного напря­
жения и наличие зоны нечувстви­
тельносг1. Асимметрия выходногс>­
напряжения представляет собой раз--
1-юсть между выходными ЭДС (на-
о f-,f------
0
.,__.,
5
-- -- ..L. .J
пряжение1v1) при правом и левом на -
t,О п/nн правлениях вращения, обусловлен-
Зоliо 11ечч8ст8цтел"носrт,
ную главным uбразом технологичес­
Рис. 9.10. Выходные характери­
стики ТГ постоянного тока:
кими факторами и точностью уста­
новки щеток на нейтрали. В совре­
менных ТГ постоянного тока по-
1- без учета лищ; 2- с учетом лищ;
грешность асимметрии составляет-
з - с учетом влияниц реакции якоря
+ (l--;-3)\О/о .
В выходной характеристике И=
=f(n) при малых частотах вращения имеется зона нечувствитель­
ности, в которой напряжение на зажимах ТГ с вращающимся яко­
рем равна нулю, т. е. выходная характеристика смещается вправо
(рис. 9.1 О). Это смещение обусловлено падением напряжения в ще­
точном контакте и при малых частотах вращения становится соиз­
меримым с ЭДС вращенш, [см. первый член в уравнении (9.4)]. Дшr
устранения указанного недостатка применяют щетки с малым па­
дением напряжения.
Цель иссл ед о в а ни я - изучение основных свойств ТГ по­
стоянного тока с постоянными магнитами и с независимым воз­
буждением.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
А. Экспериментальные исследования
1. Ознакомиться с конструкцией ТГ и его техническими дан­
ными.
2. Снять выходные характеристики: а) при холосто:v1 ход~
Rнагр=оо; б) при сопротивлении нагрузки Rнагр=500 Ом в диапа­
зоне рабочих частот вращения от О до 1,25пн.
3. Определить зону нечувствительности.
156


4. Снять зависимость выходного напряжения от сопротивленюr
11агрузкн U=f(REnrp) при n=fl н.
5. Определить асимметрию выхо дного напряжения ЛИ ас, %.
Б. Расчеты н по~троения
1. Вычертить э с киз тахогенератора постоянного тока.
2. Построить выходные характеристики тахогенератора И= f (п)::
;1) при холостом ходе Rнагр= оо; 6) при сопротивлении нагрузки
N.11arp= 500 Ом для диапазона рабочих частот вращения от О до,
1,25пн. Рассчитать крутизну ku при Rнагр= оо.
3. Показать на графиках И=f(п) зону нечувствительности::
;1) при холостом ходе Rнarp= оо; 6) при сопротивлении нагрузкrг
f<11а гр =500 Ом.
4. Построить зависимость выходного напряжения от сопротив­
J1ения нагрузки И=f(Rнагр) при n=nн.
5. Рассчитать асимм ет рию выходного напряжения.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
Схемы для испытания ТГ постоянного тока с постоянными маr--
11итами и электромагнитным возбуждением представлены на рис_
9.11, а, 6 соответственно. Вольтметр для измерения выходного на­
нряжения должен иметь
большое сопротивление. При
определении Rнагр следует
принимать в расчет сопро­
тивление прибора Rпр:
Rнarp=RRн p/(R+R"p), (9.7)
где R - сопротивление ма­
газина сопротивлений.
При выполнении работы
необходимо ознакомиться с
основными элементами кон-
'
R
б)~
струкции ТГ по стендам и Рис. 9.11 . Схемы для испытания ТГ поста-
чертежам и нарисовать его
янноrо тока
эскиз.
При номинальной рабочей частоте вращения определяется вы­
ходное напряжение; крутизна выходной характеристики [мВ/ (об{
мин)]
(9.8)
Выходные характеристики, т . е. зависимости выходного напр·я­
жения на якорной обмотке от частоты вращения И =.f(n), снима­
ются при различных сопротивлениях нагрузки Rнагр: а) Rнагр= оо,
(в режиме холостого хода); б) Rнагр=500 Ом .
•
В ТГ с независимым возбуждением при получении выходной ха­
рактеристики поддерживается постоянное напряжение возбуждения,_
равное номинальному. По характеристик·ам определяется крутизна
ku при Rнагр= оо И Rнагр=500 Ом.
157


Прц получении выходных характеристик следует наиболее тща~
-rельно выявить зависимость V=f (п) в области малых частот вра­
щения и определить протяженность зоны нечувствительности, в ко­
торой на выходе ТГ нет напряжения.
Асимметрия выходного напряжения ТГ постоянного тока опре­
деляется как отношение разности между значениями напряжения на
генераторной обмотке при правом и левом направлениях вращения
к среднему значению выходного напряжения ( % ) :
ЛИас= 200 (Иправ - Илев)/( Иправ+ Илев),
(9.9)
rде Иправ, Илев - выходное напряжение при правом и левом направ­
.лениях вращения якоря.
Асимметрия напряжения проверяется только при номинальной
рабочей частоте вращения.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ
Основными требованиями, предъявляемыми к точности ТГ по­
-стоянного тока, являются следующие: 1) линейность выходной ха­
рактеристики; 2) минимальная асимметрия выходного напряжения
лри изменении направления вращения; 3) малое влияние на выход­
:ную характеристику изменения температуры и нагрузки; 4) мини­
мум пульсаций напряжения на коллекторе.
Из анализа уравнения (9.4) следует, что при уменьшении со-
11ротивления нагрузки зависимость выходногп напряжения от час­
-готы вращения отклоняется от линейной. Основные причины нару­
шения линейности выходной характеристики - реакция якоря и
nадение напряжения в якорной цепи, кюторые возрастают с увеличе­
яием тока нагрузки (при уменьшении Rн~.гр). Следовательно, точ­
ность ТГ постоянного тока возрастает с увеличением сопротивления
:нагрузки.
Падение напряжения в щеточном контакте при малых частотах
вращения может быть соизмеримо с индуцируемой в якоре ЭДС.
Это приводит к смещению выходной характеристики, т. е. к образо­
Еанию зоны нечувствительности (от n=O до n=nмuн), где выходное
напряжение равно нулю.
Границу зоны нечувствительности характеризует частота враще­
ния
(9.10)
Для уменьшения зоны нечувствительности применяют мягкие
щетки с малым ЛИщ (например, медно-графитовые, серебряно-гра­
фитовые, в прецизионных тахогенераторах применяют щетки с се­
ребряными и золотыми напайками). Вследствие неточной установки
щеток на геометрической нейтрали, а также смещения их при экс•
ш:~уатации возникает несимметрия выходного напряжения при из­
менении направления вращения якоря. У современных ТГ асиммет­
рия не превышает 1-3 %.
158


От1,лонение от линейного закона зависимости выхощюго напря­
жения от частоты вращения связано также с изменением потока
возбуждения при изменениях температуры окружающей среды. Осо--'
бенно чувствительны к влиянию температуры ТГ с электромагнит­
ным возбуждением. В них при изменении температуры обмотки воз­
буждения меняется ток возбуждения, а следовательно, и поток.
Чтобы уменьшить влияние температуры, магнитную систему ТГ
следует выnолнить сильно насыщенной. Однако это приводит к уве­
личению размагничивающего действия реакции якоря, поэтому в ТГ
со сравнительно большими токами в якоре это недопустимо.
В ТГ с постоянными магнитами температура окружающей средьt
11рактически не влияет на магнитный поток постоянных магнитов.
Одна из основных погрешностей ТГ постоянного тока - пульса­
ции выходного напряжения (коллекторные, зубцовые и якорные).
Причины возникновения пульсаций выходного напряжения связаны
чаще всего с эксцентриситетом и эллиптичностью якоря, неравно­
мерностью частоты вращения, остаточным магнетизмом, неодно:.
родностью магнитных свойств материала якоря в разных направ­
лениях, вибрацией щеток и др. В зависимости от характера пульса­
ций применяются различные средства для уменьшения их: 1) длsr
якорных пульсаций -увеличение воздушного зазора, «веерная»­
сборка пакета, точность изготовления якоря; 2) для зубцовых -
скос пазов, правильный выбор числа пазов и ширины полiосного­
наконечника, применение магнитных клиньев; 3) для коллектор­
ных - выбор большого числа коллекторных пластин, надежная кон--­
струкция, правильный выбор типа щеток и уход за ними.
Сравнительная оценка свойств двух типов ТГ постоянного тока
позволяет выявить следующие преимущества ТГ с постояННl:\!МИ маг­
нитами: l) отсутствие источника постоянного тока для возбуждения;
2) меньшие габариты; 3) отсутствие влияния температуры на маг­
нитный поток.
Тахогенератор постоянного тока в сравнении с асинхронным
(см. § 9.1) имеет важное преимущество'- отсутствие фазовой по-_
грешности. Однако наличие коллектора и щеток снижает точность.
ТГ постоянного тока. Кроме того, ТГ постоянного тока являются
источниками радиопомех и щеточных шумов.
Вопросы для самопроверки
1. Назовите способы возбуждения ТГ постоянного тока .
2. Зависит ли вид выходной характеристики ТГ от тока якоря? Изобразить.
графически.
3. С какой системой возбуждения целесообразнее применять ТГ постоянног()
тока при изменении окружающей температуры и почему?
4. Как влияет ток в якоре ТГ постоянного тока на крутизну выходной ха­
рактеристики?
5. Сформулируйте требования к щеткам ТГ постоянного тока.
6. Что такое зона нечувствительности у ТГ постоянного тока и как · е~
уменьшить?
7. Перечислите сравнительные достоинства и недостатки ТГ с постоянныма
магнитами и с электромагнитным возоуждением.
159


8.. Что такое асимметрия ТГ постоянного тока? Укажите способы -ее умень­
шения.
•
9. Чем обусловлены пульсации вых одного напряжения ТГ постоянного т.ока?
](ак их уменьшить?
10 . l(акие виды погрешностей ТГ постоянного тока зависят от типа щеток?
§ 9.3 . СЕЛЬСИНЫ
На практике часто возникает необходимость синхронизации вра­
:щения или поворота различных осей механизмов, находящихся на
-расстоянии. Эта задача обычно решается с помощью электрических
.систем синхронной связи. Системой синхронной связи называется
-такая электрическая связь, которая обеспечивает одновременный
поворот или одновременное вращение двух или нескольких меха-
1шчески не связанных между собой осей механизмов . В технике
получили распространение два основных вида систем синхронной
(:Вязи: система синхронного вращения («электрического вала») и
~истема синхронного поворота («передачи угла»).
Системы «электрического вала» чаще всего выполняются с по­
:мощью трехфазных асинхронных машин с фазным ротором. Мощ­
:ность используемых в системе двигателей определяется моментами
(:Опротивления, которыми нагружены синхронизирующиеся оск.
Системы синхронной «передачи угла» обычно используются для
,дистанционного управления, регулирования и контроля и выполня­
ются , как правило, с помощью небольших индукционных эяе1<три­
'Ческих машин, называемых сельсинами (selfsin - самосинхронизи­
рующийся).
В зависимости от числа фаз первичной обмотки - обмотки воз-
4(5уждения и числа фаз питающей сети - сельсины делятся на трех­
:и однофаз-ные.
Трехфазные сельсины, конструктивно не отличающиеся от асин­
:хронных машин с фазным ротором малой мощности, применяются
::редко вследствие малой устойчивости и неравенства синхронизиру­
ющих моментов при повороте ротора в различных направлениях.
В большинстве систем синхронной передачи угла используются
<>днофазные сельсины, у которых имеются однофазная обмотка воз­
<>уждения и трехфазная обмотка синхронизации.
В схемах автоматики используются две принципиально отличные
,системы синхронной передачи угла: индикаторная и трансформа­
-торная.
Индикаторная система применяется в тех случаях, когда момент
-сопротивления на ведомой оси мал или совсем отсутствует (ось на­
гружена шкалой , стрелкой и т. п . ). При этом сельсин-приемник са­
мостоятельно отрабатывает задаваемый сельс!:с!ном-датчиком угол.
-Трансформаторная система применяется в тех случаях, когда на ве­
_домой оси имеется значительный момент сопротивления. При этом
,сельсин-приемник отрабатывает задаваемый угол не самостоятель-
1ю, а с помощью механически и электрически связанного с ним ис­
.nолнительного двигателя.
160


По конструкции однофазные сельсины делятся на контактные
и бесконтактные.
В к он такт н ьi х сельсин ах одна из обмоток (обмотка воз­
буждения ОВ или обмотка синхронизации ОС) располагается на
вращающемся роторе (рис. 9.12, а- в). Электрическая связь с этой
обмоткой осуществляется с помощью скользящих контактов: колец
и щеток.
DC(OB}
а)
о)
Рис. 9.12 . К:онструктивные схемы контактных сельсинов
Рис . 9J3. К:онструкция контактного сельсина
По своему устройству контактные сельсины (рис. 9.13) практи­
чески не отличаются от обычных tрехфазных синхронных машин
малой мощности. Они могут быть как явнополюсными (индикатор­
ные сельсины), так и неявнополюсными (трансформаторные сель­
сины). В явнополюсных сельсинах однофазная обмотка возбужде­
ния сосредоточенная - она располагается на явновыраженных
полюсах статора или ротора. В неявнополюсных сельсинах однофаз­
ная обмотка возбуждения распределенная - она располагается в
полузакрытых пазах статора или ротора. Трехфазная обмотка син­
хронизации всегда выполняется распределенной и располагается в
пазах соответственно ротора или статора. Фазы обмотки синхрони­
зации обычно соединяются в звезду. Магнитное поле сельсина пе­
ременное, поэтому для уменьшения потерь от вихревых токов па­
кеты статора и ротора набираются из изолированных листов элек­
тротехнической стали.
6-761
16)


ro:
:,::
:s:
<>
,Q
е,:
С!>
u
о,_
о
;I:'
..
:,:;
"'
..
;,::
о,
:,:
u.,,
'°'
t>:
tr:,
:,::
:::r
:,:
:»,
. ::j-
о.,
'"'u
;,::
1V)
о
:.:;''
{' ,J
~
с:,;.
u
=-
Р-


Для увеличения надежности контакта и уменьшения его пере­
ходного сопротивления кольца и щетки обычно изготовляются из
сплавов серебра. Число контактных пар (колец и щеток) зависит
<>т места расположения обмоток: в сельсинах с обмоткой воз,буж­
,дения на роторе - две контактные пары, в сельсинах с обмоткой
синхронизации на роторе - три контактные пары.
Большой недостаток контактньrх сельсинов, ограничивающий
их применение в схемах синхронной связи , - наличие скользящих
контактов, переходное сопротивление которых может значительно
12J4
А-А
5
Рис , 9.15. Схема магнитной цепи бесконтактного сельсина
изменяться. Переходное сопротивление можно снизить, _а его соrа­
бильность - повысить, увеличивая силы нажатия щеток ira кольца.
Однако последнее недопустимо вследствие того, что оно вызывает
увеличение момента трения щеток о кольца, а следовательно, и по­
г,решности в работе сельсинов, особенно в индикаторных схемах
синхронной связи.
Для повышения качества работы системы синхронной связи со­
ветскими учеными А. Г. Иосифьяном и Д. В. Свечарником были
предложены сельсины, не имеющие скользящих контактов,- бес­
контактные.
Бесконтактный сельсин (БС), так же как контактный,
имеет две обмотки: однофазную обмотку возбуждения и трехфаз­
ную обмотку синхронизации. Обе обмотки располагаются непо­
движно, поэтому отпадает необходимость в скользящих контактах.
Основными частями БС (рис. 9.14, 9.15) являются статор 1, ро­
тор 2, тороиды 5, внешний магнитопровод 6, обмотка возбуждения
4, обмотка синхронизации 3, корпус 7, крышки (подшипниковые
щиты) 8.
Статор БС практически не отличается от статора обычной син­
хронной или асинхронной машины. Его пакет набирается из изоли­
рованных листов электротехнической с1али. В пазах статора рас­
полагается соединенная в звезду трехфазная обмотка синхрониза-
163


ции. Ротор БС имеет два полюса, разделенных немагнитным про­
межутком. Полюса ротора набираются из изолированных листов
электротехнической стали, ра~полагающихся в аксиальном направ­
лении и ,укрепляющихся на оси посредством заливки алюминием,
который является основным крепящим материалом ротора . Торо­
иды набираются из изолированных лист◊-в электротехнической ста-
-ли,
имеющих форму колец. К наружной цилиндрической поверхно­
сти тороидов примыкают стержни внешнего магнитопровода, на­
бранные из изолированных листов стали и расположенные в акси­
альных пазах корпуса. В торцовой части корпус сочленя ется с под­
шипниковыми щитами. Однофазная обмотка возбуждения БС вы­
полняется в виде двух катушек, имеющих форму колец. Катушки
обмотки возбуждения располагаются неподвижно между статором
(лобовыми частями его обмотки) и тороидами.
Рассмотрим принцип действия бесконтактного сельсина, просле­
див путь его основного магнитного потока, который соз д ается пере­
менным током обмотки возбуждения. Пусть в данный момент вре­
мени поток в роторе направлен справа налево (рис. 9.15). Чтобы
замкнуться ·вокруг создающих его обмоток возбуждения, потоку не­
обходимо пройти из правого полюса ротора в левый. Однако между
полюсами ротора имеется немагнитный промежуток, который ока­
зывает потоку большое сопротивление. Вследствие этого поток уст­
ремляется в обход промежутка - он проходит воздушный зазор
между правым полюсом ротора и статором, по зубцам и спинке ста­
тора, воздушному зазору между статором и левым полюсом ротора.
Попав в левый полюс ротора, поток через воздушный зазор прохо­
дит в левый тороид, затем в стержни внешнего магнитопровода, пра­
вый тороид и, пройдя через воздушный зазор между правым торо­
идом и _ ротором, замыкается в правом полюсе ротора . Проходя по
статору, магнитный поток обмотки возбуждения сцепляется с об­
моткой синхронизации. Тем самым выполняется условие, необходи­
мое для работы сельсина,- магнитная связь двух обмоток. Магнит­
ная связь обмотки возбуждения с той или иной фазой обмотки син­
хронизации зависит от положения ротора сельсина, не имеющего
никаких обмоток.
Отсутствие скользящих контактов значительно уве.тшчивает на­
дежность работы и стабильность характеристик бесконтактных
сельсинов по сравнению с контактными.
К недостаткам БС относятся сложность их конструкции, павы- _
шенная стоимость и низкий cos q>, обусловленный наличием на пути
магнитного потока большого магнитного сопротивления (четыре
воздушных зазора).
В системах синхронной связи, рассчитанных на работу от сетей
с повышенной частотой (400, 500, 1ООО Гц), применяются бескон­
тактные сельсины с кольцевым трансформатором (рис. 9.16). Они
отличаются от контактных сельсинов тем, что в них напряжение на
обмотку возбуждения, которая расположена на роторе; подается с
помощью кольцевого трансформатора, заменяющего кольца и щет- '
ки. Обмотка синхронизации 1 сельсина располагается в пазах ста-
164


тора 2, обмотка возбуждения 3 - в пазах ротора 4 или на его по­
люсах. Первичная обмотка 5 кольцевого трансформатора распола­
гается на статоре, а вторичная б - на роторе. Обмотки 5, б имеют
вид колец и размещаются в магнитной системе кольцевого транс­
форматора, состоящей из кольцевых магнитопроводов статора 7, 8
и ротора 9, 10, которые на роторе соединяются внутренним магни­
топроводом 11, а на статоре - внешним магнитопроводом 12. •К:оль-
q;
Рис. 9. 16 . Конструкция бесконтактного сель­
сина с кольцевым трансформатором
д
Рис. 9.17 . -
Схема ин,цикаторной
синхронной связи
цевые магнитопроводы шихтуются из листов электротехнической
стали, а внутренние и внешние магнитопроводы обычно изготовля­
ются из металлокерамики. Путь магнитного потока Ф кольцевого
трансформатора, передающего энергию из первичной обмотки во
вторичную, показан на рис. 9.16.
Простейшая индикаторная схем а синхронной связи со­
стщп из двух одинаковых сельсинов и линии связи (рис. 9.17). Один
из сельсинов называется датчиком Д, другой- приемником П. По,
воротом ротора сельсина-датчика задается тот или иной угол ад;
ротор приемника при этом следует за ротором датчика - отраба­
тывает заданный угол ап=~ад.
При работе сельсинов в индикаторном режиме синхронной свя­
зан обмотки возбуждения обоих сельсинов подключаются к одной и
той же однофазной сети переменного тока. Концы фаз обмоток син­
хронизации приемника и датчика соединяются друг с другом. Пе­
ременный ток, проходящий по однофазным обмоткам возбуждения
се л ьсинов, создает в каждом из них пульсирующее магнитное ПO Jle ,
которое наводит в соответствующих фазах обмотки синхронизации
ЭДС. Значение ЭДС той или иной фазы обмотки синхронизации
зависит от положения ее по отношению к обмотке возбуждения сель­
сина. Если роторы приемника и датчика расположены одинаково
по отношению к соответствующим обмоткам возбуждения, то в со­
единенных между с:обой линией связи фазах обмоток синхронизации
165


цриемника и датчика индуцируются одинаковые ЭДС, которые
уравновешивают друг друга - ток в обмотках· синхронизации и ли­
нии связи отсутствует. Такое положение сельсинов называется со­
гласованным.
Если ротор датчика поворотом на некоторый угол вывести из
согласованного положения, то равенство ЭДС нарушится: по об­
моткам синхронизации и линии связи потечет то~. В результате вза­
~и,=тf=
дU
!:f
ид
Рис. 9.18. Схема трансформаторной синхронной
связи
имодеиствия этого тока с
магнитными потоками об­
моток возбуждения воз­
никнут вращающие мо­
менты, которые будут
стремиться повернуть ро­
торы приемника и датчи­
ка в согласованное поло­
жение. Ротор датчика бы­
вает обычно заторможен,
а ротор приемника - сво­
боден, поэтому под дейст­
вием вращающего момен­
та он поворачивается до
тех пор, пока не придет в
согласованное с ротором:
датчика положение. Таким образом, с помощью индикаторной схе­
мы синхронной связи осуществляется дистанционная передача угла.
В данной работе исследуется простейшая система синхронной
связи, состоящая из одного приемника и датчика. В схемах автома­
тики часто встречаются более сложные системы, в которых от одно­
го датчика работают несколько (до 30 и более) приемников. В та­
ких ..~истемах в качестве датчика используются более мощные сель­
сины.
Точность работы сельсинов в индикаторных схемах синхронной
связи зависит от ряда факторов. Важнейшими из них являются:
удельный синхронизирующий момент - момент, развиваемый при­
емником при угле рассогласования в 1°; момент трения приемника
и момент сопротивления на его валу; сопротивление линии связи;
магнитная и электрическая асимметрия; число приемников, работа­
ющих от одного датчика; небаланс ротора приемника; напряжение
и частота питающей сети.
Простейшая транс форм ат о р на я схем а синхронной свя­
зи состоит из двух сельсинов - приемника П и датчика Д, усили­
теля У и исполнительного двигателя ИД, механически связанного
с осью ротора сельсина-приемника (рис. 9.18).
Обмотка возбуждения сельсина-датчика, работающего в транс­
форматорной схеме, подключается к однофазной сети переменного
тока. Ток этой обмотки создает пульсирующее магнитное поле, ко­
торое, сцепляясь с обмоткой синхронизации датчика, наводит в ее
фазах ЭДС. Так ка!\ обмотка синхронизации датчика соединена ли­
нией связи с обмоткой синхронизации приемника, то по обеим об-
166


моткам и линии связи течет ток . .Этот ток, проходя по обмотке
синх,ронизации приемника, создает в магнитной цепи приемниюi
пульсирующее магнитное поле, которое, сц~пляясь с обмоткой воз­
буждения приемника, наводит в ней ЭДС - выходное. напряже-
ние приемника Ивых•
.
Направление магнит'ного потока обмотки синхронизации прием­
ника зависит от взаимного расположения роторов приемника и
датчика. Если закрепить ротор приемника и поворачивать ротор
датчика, то синхронно с ротором датчика будет поворачиваться
магнитное поле приемника. Одновременно будет изменяться по
закону синуса выходное напряжение приемника.
Согласованным положением сельсинов в трансформаторной схе- •
ме синхронной связи называется положение, при котором выходное
напряжение сельсина-приемника равно нулю. При этом соединенные ·
между собой фазы обмоток синхронизации датчика и приемника
(в отличие от согласованного положения сельсинов в индикаторной
схеме) не занимают одинакового положения по отношению к соот­
ветствующим обмоткам возбуждения. Положение обмотки синхро­
низации датчика отличается от положения обмотки синхронизации
приемника на 90°.
Р.ассмотрим принцип действия трансформаторной схемы син­
хронной связи. При повороте ротора сельсина-датч1ща на некоторый
угол из согласованного положения на выходной обмотке сельсина­
приемника, а следовательно, и на входе усилителя появляется
напряжение. После преобразования усилителем это напряжение
подается на обмотку управления ИД, ротор которого начинает
вращаться, поворачивая при этом ротор сельсина-приемника. Ро­
торы двигателя и приемн.ика вращаются до тех пор, пока ротор
приемника не повернется на заданный датчиком угол и сельсины
не придут в согласованное положение, при котором выходные на 7
пряжения на усилителе и на обмотке управления ИД станут равны­
ми нулю.
Качество работы сельсинов в трансформаторной схеме синхрон­
ной связи зависит от ряда факторов, важнейшими из которых яв­
ляются следующие: остаточное напряжение - напряжение на вы­
ходной обмотке приемника в согласованном положении; удельное
выходное напряжение- напряжение при угле рассогласования
в 1°; удельная выходная мощность- мощность, которую может от­
дать выходная обмотка приемника при угле рассогласования в 1°;
электрическая и магнитная асимметрия; сопротивление линии свя-
зи; количество сельсинов-приемников.
,
Цель исследован и я - ознакомление с характеристиками
и J'!ОГрешностями сельсинов в индикаторном и трансформаторном
режимах работы .
ПРОГРАММА РАБОТЫ
А. Экспериментальные исследования,
1. Ознакомиться с конструкцией сельсинов и их паспортными
данными.
167


2. Произвести исследования работы сельсинов в индикаторном
режиме:
а) снять кривую погрешностей Л.а=f(а), определить удельный
синхронизирующий момент Муд и время успокоения сельсина-прием­
ника ty;
б) определить критический угол рассогласования сельсина-при­
емника при работе без демпфера;
в) снять зависимости синхронизирующего момента М, токов в
линии связи Iл, Iв, fc, мощностей Рв.п, Рв.д и токов Iв.п, Iв .д возбуж­
дения приемника и датчика от угла рассогласования а.
3. Произвести исследование работы сельсинов в трансформатор-
ном режиме:
а) определить остаточное напряжение и ошибку асимметрии;
б) снять кривую погрешностей Ла = f (а) ;
в) снять зависимости выходного напряжения сельсина-цриемни­
ка Ивых, токов в линии связи Iл, Iв, fc, мощности Рв.д и тока • ВО;J­
буждения датчика Iв.д от угла рассогласования а при сопротивле-
ниях нагрузки R=5()0 Ом и R= оо.
•
Б. 'Расчеты и построения
1. Вычертить эскиз бесконтактного сельсина в продольном раз­
резе, показав стрелками одну из магнитных силовых линий.
2. Построить кривые погрешностей сельсина-приемника в инди­
каторном и трансформаторном режимах Ла=,f(,а).
3. Для индикаторного режима работы сельсинов построить за­
висимости М, lв .п, Рв.п, lл, lв, fc ОТ а.
4. Для трансформаторного режима работы сельсинов построить
зависимости Ивых , Рв.д, Iв .д от а при R=500 Ом и R= оо.
5. Рассчитать удельную выходную мощность Рвых.уд и удельное
выходное напряжение Ивых.уд сельсина-приемника в трансформа­
торном режиме.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
В работе исследуются два режима работы сельсинов: индика­
торный u трансформаторный.
Исследование работы сельсинов в индикаторном режиме. Кри-
-
,
вая п<;>грешностей Ла=f(,а) снимается при включении сельсинов uo
схеме, изображенной на рис. 9.19. На обмотку возбуждения прием­
ника и датчика подается номинальное напряжение, которое поддер­
живается постоянным во время опыта.
До начала опыта необходимо проверить, совпадает ли нуль шка­
лы датчика с нулевым показанием стрелки приемника. Если этого
совпадения нет, его необходимо добиться путем поворота корпусов
приемника или датчика. Постепенным поворотом ротора датчика
задаются углы от О до 360° (через каждые 10°), при этом записыва­
ются углы поворота роторов приемника и датчика. Разность между
показаниями приемника и датчика, выраженная в градусах, пред-
ставляет собой погрешность системы Ла= 1ап-ад.
•
168


Кривую погрешности (рис. 9.20) желателыю снимать дважды:
при вращении ротора датчика по часовой стрелке и против. Именно
так определяется погрешность сельсинов на заводах-изготовителях.
Точность сельсина
определяется как сред­
нее
арифметическое
значение максимальной
положительной и мак­
симальной отрицатель­
ной погрешности. В за­
висимости от значения
погрешности
индика­
торные сельсины-при­
емники
разделяются
на четыре класса точ­
ности: 1 класс имеет по­
грешность от О до 30';
II- от30до45';III-
от45ДО60';IV- от
60 ДО 90'.
Удельный синхрони­
зирующий момент оп­
ределяется при вклю­
чении сельсинов по схе­
ме, используемой в
предыдущем опыте.
Удельным синхро-
низирующим моментом
сельсина - приемника
называется синхрони­
зирующий момент, при­
ходящийся на 1° угла
рассогласования. Обыч­
но синхронизирующий
момент сельсина опре­
деляется с помощью
шкива и нити с грузом.
На оси сельсина-при­
емника
укрепляется
шкив. Вокруг шкива
накручивается
нить.
в,
Рис . 9.19. Схема соединений для испытания сель­
синов в индикаторн_ом режиме
.1 °'• zpaiJ
1,0
'О
Рис . 9.20. Кривые погрешностей бесконтактного
сельсина в инд11каторном режиме:
по часовой стрелке; - - - - против ча·
совой стрелки
на которой подвешивается груз. Ротор датчика закрепляется в ну­
левом положении. Ротор приемника согласовывается с ротором дат­
чика (при согласовании нить с грузом снимается). Посредством
груза, подвешенного на нити, ротор приемника выводится из согла­
сованного положения. Стрелка приемника показывает угол рассо­
гласования. Произведение массы груза на радиус шкива опреде­
ляет синхронизирующий момент.
169


Удельный синхронизирующий момент' находится делением син­
хронизирующего момента при рассогласоваfши 5-10° соответствен­
но на 5- 1О, например
jl1y)(=Ms0 /5= Os•R/5.
Для точного определения удещ,ного синхронизирующего момен­
т а необходимо произвести измерение 2-4 раза, рассогласовывая
сельсины в обе стороны от нулевого положения. Во время опыта
необходимо поддерживать напряжение на обмотках возбуждения
приемника и датчика постоянным, равным номинальному.
Для определения времени успокоения сельсина-приемника при­
емник и датчик устанавливаются в согласованное положение. Ротор
датчика закрепляется. Выключается напряжение питания. Стрелка
приемника устан·авливается на 179 или 181 °. Затем систему вклю­
чают на номинальное напряжение и одновременно запускают секун­
домер.
Вр е мя, в течение которого ротор приемника колеблется, приходя
в согласованное полож~ние, называется временем успокоения сель­
сина-приемника. Для точного определения времени успокоения опыт
следует проделать 2-4 раза.
Критический угол рассогласования приемника определяется
только на установке с сельсинами-приемниками, у которых нет
внутреннего демпфера. Для проведения этого испытания с сельсина­
приемника снимается внешний демпфер. Ротор датчика закрепля­
ется в нулевом положенЮI . Используется схема соединения преды­
дущего опыта.
Поворотом стрелки приемника достигается рассогласование на
некоторый угол. Затем стрелка опускается и ротор приемника ус­
покаивается - приходит в согласованное положение. Минимальный
угол рассогласования, при котором ротор, будучи от11ущен, не ус­
покаивается, а начинает вращаться, называется критическим углом
рассогласования. Опыт по определению критического угла следует
начинать при рассогласовании сельсинов на 1-2°, увеличивая угол
рассогласования каждый раз на 1°. Останавливать
вращающийся
ротор следует путем выключения питания .
Не следует допускать даже кратковременной работы сельсина
в режиме асинхронного вращения . Это вызывает перегрев обмоток
и механический износ подшипников.
После опыта демпфер нужно поставить на место .
Зависимости синхронизирующего момента М, токов в линии
связи / л, / в, / с , мощности и токов, потребляемых приемником и дат­
чиком, Рв.п, Рв.д, Iв.п, Iв.д от угла рассогласования а определяются
по схеме, изображенной на рис. 9.19 . Напряжение на обмотках воз­
буждения сельсина-датчика и сельсина-приемника в течение опыта
поддерживается постоянным, равным номинальному. До начала
_ опыта необходимо согласовать сельсины в нулевом положении. Пер­
вая запись показаний приборов производится в согласованном по­
ложении. Затем с помощью шкива и нити с грузом задается угол
рассогласования от О до 180° через каждые 15-20° и производится
170


запись показаний приборов и значения момента. Необходимо за­
фиксировать угол рассогласования, который соответствует макси­
мальному моменту.
При определении максимального момента, а также при снятии
кривой момента после ее прохождения через максимум необходимо
двумя пальцами руки ограничивать разбег стре.11ки. Во избежание
чрезмерного
перегревания
сельсинов все испытания еле- М,Р, I
дует проводить быстро, особен-
но при углах рассогласования
от 30 до 180° . Примерный вид
кривых представлен на рис.
9.21.
Исследование работы сель-
синов в трансформаторном ре-
жиме. Для определения оста­
точного напряжения, ошибки
ас_имметрии и точности сельси­
ны соединяются по схеме, изо.
браженной на рис. 9.22, кото­
рая получается . из индикатор­
ной схемы отключением обмот­
ки возбуждения приемника от
питающей сети и подключени­
ем ее к высокоомному вольт­
метру или катодному осцилло­
графу. Обмотка возбуждения
сельсина-датчика по-прежнему
питается от сети номинальным
напряжением .
Для определения остаточно­
го напряжения ротор сельсина­
приемника поворачивается до
Рис . 9.21. Экспериментальные кривые
зависим о стей синхронизирующего мо­
мента М, токов в линии связи / л, Iв,
/ с, ,мощности Рв.п и тока / в.п, потреб­
ляемых обмоткой возбуждения прием­
ника от угла рассогласования: а в инди­
каторном режиме, полученные при ис-
пыт ании бесконтактного сельсина
тех пор, пока осциллограф, по,в.ключенный к обмотке возбуждения
приемника (в данном случае она является выходной), не покажет
мини·мального наI!ряжения . В этом положении ротора с помощью
вольтметра измеряется напряжение на выходной обмотке. Это и
будет остаточное напряжение. Чтобы обеспечить безопасность
вольтметра, его подключают лишь тогда, когда с помощью осцилло­
графа на выходной обмотке установлено минимальное напряже­
ние .
, Для определения ошибки асимметрии корпус сельсина-при е мни­
ка фиксируется в положении, при котором нулю шкалы датчика и
нулю стрелки приемника соответствует минимум выходного напря­
жения. Затем ротор приемнuка с помощью стрелки поворачива ется
на 180°. Если сельсин не имеет асимметрии, то в
этом положе нии
ротора выходное напряже ние сельсина, снова будет минимальным .
При наличии асимметрии ротор приходится поворачивать на неко­
торый угол в ту или иную сторону от 180°, с тем чтобы добиться ми-
171


rt11Мального напряжения. Значение этого угла, выражещюе в гра­
дусах, и является ошибкой асимметрии.
Точность сельсинов в трансформаторном режиме определяется
следующим образом. Ротор сельсина-датчика фиксируется на нуле
шкалы. Корпус сельсина-приемника фиксируется в положении,
при котором нулевому положению стрелки приемника соот-
ветствует
минималь-
R
ное выходное напря­
жение. Затем ротор
·j
датчика поворачивает.
·•v
- -=~~
ся на 20° и снова фик-
''-'-+--1--+--+
сируется. Стрелка при­
Рис. 9.22 . Схема соединений для испыт::~f!ю•
сельсинов в трансформаторном режиме
t),25
0,50
Рис. 9.23. Кривые погрешностей бескон­
тактного сельсина в трансформатором ре­
жиме
емника вместе с рото­
ром
поворачивается
также на 20°.
В этом
положении снова дол­
жен быть минимум вы- .
ходного напряжения.
Если его нет, то он до­
стигается
поворотом
ротора приемника в ту
или иную сторону от
20°. Отклонение стрел­
ки от 20° определяет по­
грешность
сельсина­
приемника в данном
положении ротора дат­
чика. Знак погрешно­
сти определяется так
же, как и у сельсинов в
индикаторном режиме:
показание стрелки при­
емника плюс погреш­
ность должно быть рав­
но показанию датчика.
Повторяя описан-
ную процедуру через
каждые 20° в диапазо­
неотОдо360°,
полу-
чим зависимость по-­
грешности от угла поворота ротора датчика (рис. 9.23). Для более
точного определения погрешности следует пользоваться катодным
осциллографом, который позволяет лучше фиксировать минимум
выходного напряжения. Точность сельсина определяется как по­
лусумма абсолютных значений максимальной положительной и
максимальной отрицательной погрешностей.
R зависимости от значения погрешности приемника трансфор­
маторные сельсины делятся на семь классов точности: I - + 1';
II- +2';III- +3';IV- +5'; V- + 10'; VI - +20'; VII- 30'.
172


Для определения зависимости выходного напряжения Ивых,
токов в линии связи / л, 1в, 1с, мощности и тока, потребляемых об­
моткой возбуждения датчика, Рв.д, lв.д от угла рассогласования а
при различных сопротивлениях нагрузки используется схема соеди­
нения предыдущих опытов. Вначале ротор сельсина-датчика уста­
навливается в нулевое положение. Ротор сельсина-приемника жест-
·lJвых
-
==
=5 00 0/vf
о
90
Рис. 9.24 . Зависимость выходного на­
nряжения сельсина-приемника с явно­
выраженными полюсами Ивых от уг­
.ла рассогласования а, при различных
сопротивлениях нагрузки
Рв.д, Вт
бО""-"=:---·, ··
4-0 1----'>-IP---+-- ----' >. , P:... ---- J
о
90
180
270 oc,гpaiJ
Рис. 9.26. Зависимости мощности,
nотребляемой датчиком от угла рас­
согласования сельсинов с явновыра­
женными полюсаЩI в трансформа­
торном режиме при различных со-
противлениях нагрузки
1.А
1,5
\.
\
1,0
о
90
/
270 с,:;,г,ра8
'
Рис. 9.25. Зависимость токов в JIИНИИ
связи от угла рассогласования сель­
синов с явновыраженными полюсами
в трансформ,апорном режrиме
о
90
180
270 rx,гpaiJ
Рис. 9,27. Зависимости тока возбуж­
дения датчика · от угла рассогласова•
ния сельсинов с явновыраженными
полюсами в трансформаторном режи­
ме при различных сопротивлениях на•
грузки
ко фиксируется в положении, при котором его выходное напряже- -
ние минимально. В этом положении записывается первое показание
приборов. Затем ротор датчика поворачивается на 5, 10, 20, 40,
60° и далее до 360° через каждые 20° от первоначального положе­
ния и в каждом из этих положений записываются показания при­
боров и строятся выходные характеристики (рис. 9.24 - 9.27).
Опыт производится дважды: при сопротивлении нагрузки R= оо
и R=500 Ом, где R-сопротивление, оодключаемое к выходной об­
мотке приемника.
173


После окончания экспериментов необходимо определить удель­
ное выходное напряжение Ивых.-уд и удельную выходную мощность
Рвых.-уд- Удельное выходное напряжение определяется делением вы­
ходного напряжения при угле рассогласования 5 или 10° соответст­
венно на 5 или 10:
Ивых.у д = Ив,1х5°/5 ~ Ивых10°/ l О.
Удельная выходная мощность определяется делением выходной
мощности при угле рассогласования 5 или 10° на 5 или 10:
Рвых=И;,.х/Rн; Рвых.у,,_=Рвых.5°/5~ Рвых10°/l0.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ
Погрешность сельсина-приемника, работающего в индикаторном
режиме, зависит от ряда факторов. При исследовании сельсинов
по программе данной работы напряжение и частота питающей сети
поддерживаются постоянными; сопротивление линии связи вслед­
ствие малой е~ длины близко к нулю; от датчика работает лишь
один приемник; ротор сельсина-приемника статически сбалансиро­
ван. Это значит, .что перечисленные факторы не влияют в данном
случае на погрешность синхронной передачи. Удельный синхронизи­
рующий момент во время эксплуатации не изменяется.
Характер кривой погрешностей Ла=f(,а) здесь (см. рис. 9.20)
определяется в основном магнитной и электрической асимметрией.
а также моментом трения. В контактных сельсинах момент трения
значителен, вследствие чего кривые погрешностей Ла=На) в инди­
каторном режиме при вращении сельсинов в различных направлени­
ях (по и против часовой стрелки) отличаются друг от друга.
Электрическая асимметрия - неравенство сопротивлений фаз
обмоток синхронизации - наиболее ощутима в контактных сельси­
нах с обмоткой синхронизации на роторе. В этом случае вследствие
непостоянства переходных сопротивлений скользящих контактов
активные сопротю:1ления фаз обмотки синхронизации также непо­
стоянны, что вызывает погрешность как в индикаторной, так и в
rрансформаторной ~инхронных передачах. В бесконтактных сельси­
нах скользящие контакты отсутствуют, поэтому электрическая
асимметрия может возникать только за счет неравенства собствен­
!JЫХ сопротивлений обмоток. Сопротивления обмоток контролируют­
ся заводом-изготовителем, поэтому они примерно одинаковы. Не­
,большое отличие собственных сопротивлений фаз обмотки синхро­
низации не может вызвать большие погрешности в синхроннок
передаче.
Значительные погрешности в системах синхронной связи, как
индикаторных, так и трансформаторных, вызывает магнитная асим­
метрия, возникающая, во-первых, за счет неравенства магнитных
сопротивлений пакета стали статора (ротора) в различных радиаль­
ных направлениях, наличия короткозамкнутых контуров и т. п., во­
вторых, за счет неравномерности воздушного зазора и, в-третьих, за
счет зубчатого строения статора (ротора).
174


Магнитная асимметрия, возникающая за счет раЗЛl\чных магнит­
ных сопротивлений пакетов стали и неравномерности воздушного
зазора в различных радиальных направлениях, приво4ит к погреш­
ностям неопределенного характера, которые по-разно!\,~у влияют на
форму кривой погрешностей.
Магнитная асимметрия, возникающая из-за зубча'tого строения
~та тора (ротора), вызывает появление зубцовыхu гар~оник (в кри­
.вой момента индикаторных сельсинов и в кривои Э,IJ_c трансфор­
маторных сельсинов). Погрешности от зубцовых rар1\,юник обычно
имеют периодичность, равную ,или кратную) числу Зубцов статора
(ротора).
Для уменьшения зубцовых гармоник пазы статор~ или полюса
ротора сельсинов скашивают на одно зубцовое деление. Однако
зто полностью не устраняет зубцовые гармоники, во-ьервых, из-за
неточности скоса, что., как известно, имеет место на практике, во 0
вторых, из-за неравномерности воздушного зазора в ~шсиальном и
различных радиальных направлениях и, в-третьих, И~-за наличия
торцовых потоков - потоков выпучивания.
Зубцовые гармоники в сельсинах с явновыражен1tыми полюса­
ми могут быть значительно уменьшены за счет правил:ьного выбора
nолюсной дуги Ьп. В индикаторных сельсинах полюснqя дуга долж­
на быть примерно равна (чуть меньше) целому числу N зубцовых
делений tz: bп~Ntz. В трансформаторных сельсинqх Ьп~ (N+
+o,5),tz. Однако, несмотря на принятие в~ех перечисленных мер.
зубцовые гармоники в сельсинах полностью устранип~ не удается';
QНИ, как правило, влияют на погрешность сельсинов.
Время успокоения сельсина-приемника и критичес~ий угол рас­
согласования сельсинов в индикаторном режиме зависs:~т, во-первых,
QT соотношения активного и индуктивного сопротивл~ний обмоток·
синхронизации, во-вторых, от момента инерции ротора. Чем боль­
ше активное сопротивление, меньше индуктивное сопротивление и
момент инерции ротора, тем меньше время успокоени~ сельсинов и
больше критический угол рассогласования. Однако У~еличение ак­
-гивного и уменьшение индуктивного сопротивлений, J.(ак правило,
приводят к снижению удельного синхронизирующего !\.fомента сель­
синов. Именно поэтому для уменьшения времени усп()коения сеJiь­
сины снабжаются обычно специальными демпфера!\.fи - электро­
магнитными или механическими.
Кривая зависимости синхронизирующего момента от угла pac-
corласования М = f (а) сельсинов (см. рис. 9.21) близt{а к синусо­
иде. Если при выводе этой зависимости пренебречь Р&зностью маг­
нитных проводимостей по продольной и поперечной о~ям сельсина,
а также влиянием токов обмотки синхронизации на П()ток сельсина
и ток обмотки возбуждения, то М = Мт sin а. •
В реальных сельсинах всегда токи обмотки синхро~tизации влия­
ют на поток сельсина и ток обмотки возбуждения. Кроме того,
у большинств~ индикаторнь!х сельсинов магнитные %противления
по продольнои и поперечнои осям не .равны: xa=/=Xq. ~то приводит
к тому, что кривая зависимости М = f (,а) отклоняется <Jт синусоиды.
175


:·:.•~ - ;,\~f r
'
Обычно у явнополюсных сельсинов максимум кривой смещ,rется в
сторону меньших углов (амакс < 90°), а в неявнополюсных сельси­
нах - в сторону больших углов (амак с > 90°).
В индикаторном режиме мощности и токи, потребляемые сель­
синами из сети, возрастают с увеличением угла рассогласования а
(см . рис. 9.21). Это объясняется тем, что с ростом а увеличиваются
уравнительные токи в обмотках синхронизации, а следовательно.
- токи
и мощности в обмотках возбуждения приемника: и датчика.
аналогично тому, как это имеет место в первичных обмотках транс­
форматоров с возрастанием нагрузки. Токи обмоток синхронизации
в индиl(аторном и трансформаторном режимах изменяются при уве~
личении угла рассогласования по синусоидальному закону.
•
Выходное напряжение сельсина-приемника в трансформаторном
режиме изменяется по синусоидальному закону от угла рассогласо­
вания (см. рис. 9.24). Это объясняется тем, что по синусоидальному
закону изменяется потокосцепление выходной обмотки с потоком,
создаваемым токами обмотки синхронизации сельсина-приемника.
Выходное напряжение зависит от сопротивления нагрузки так же,
·как и вторичное напряжение любого тр?,нсформатора. Чем меньше
сопротивление нагрузки, тем больше ток выходной обмотки и паде­
ния напряжений на внутренних сопротивлениях обмоток сельсинов
и, следовательно, меньше выходное напряжение.
Выходная мощность сельсина-приемника в трансформаторном
режиме зависит от сопротивления нагрузки: при R= оо она равна
нулю; при уменьшении ,R до определенного значения она растет, а
затем падает,. как у любого трансформатора .
•
Характер изменения мощности Рв,д и тока Iв .д , потребляемых
сельсином-датчиком из сети в трансформаторном режиме при изме­
нении угла рассогласования а , зависит от з начения и характера на­
грузки на выходной обмотке приемника и конструкции сельсина­
приемника - н·аличия или отсутствия явновыраженных полюсов.
На рис . 9.26 и 9.27 представлены зависимос:rи Рв ,д=f(а) и Iв .д=!
=f (а) бесконтактного сельсина-приемника БС-501, работающего
от датчика БД-501 при различных нагрузках. Анализируя эти зави­
симости, нетрудно заметить, что мощности и токи, потребляемые
датчиком в трансформаторном режиме, изменяются при возраста­
нии угла рассогласования примерно пб синусоидальному закону.
причем при (11=0 и а= 180° мощность Рв.д и ток Iв .д не зависят от
характера нагрузки. Это объясняется тем, что выходное напряже­
ние сельсина-приемника в этом случае равно нулю и ток в выход­
ной обмотке отсутствует.
•
Разница в токах фаз (в проводах линии связи), имеющая место
в сельсинах с явновыраженными полюсами (см. рис . 9.25), обус­
ловлена тем, что одна из фаз (в этом случае фаза С) обмотки син-
'Хронизации сельсина-приемника направлена перпендикулярно оси
полюсов ротора и вследствие этого имеет значительно меньшее ин­
дуктивное сопротивление, чем две другие фазы, направленные под
углом 30° к оси полюсов. В сельсинах с неявновыраженными полю­
сами этого явления не наблюдается. •
176


Вопросы для самопроверки
1. Что называется электрической системой синхронной связи?
2. К:акие системы синхронной связи применяются на практике?
3. Укажите недостатки контактных сельсинов.
• 4. Назовите положительные и отрицательные качества бесконтактных сель-
синов.
'
5. Через какие элементы (последовательно) проходит силовая линия основ­
ного магнитного поля в бесконтактном сельсине?
6. К:аков при,нцип дейсrв.ия индикаторной оисrемы синхронной связ и ?
7. Назовите факторы, определяющие точность работы сельсинов в индика-
торной системе синхронной связи .
.
8.. Объясните принцип действия сельсинов в трансформаторной системе син­
хронной связи.
9. Назовите факторы, определяющие точность работы трансформаторно_й си-
стемы · синхронной связи.·
_
10. На какие классы делятся индикаторные и трансформаторные сельсины по
точности?
11. Что называется удельным синхронизирующим моментом? Удельным вы­
ходным напряжением? К:ак они определяются?
12. К:ак определяются время успокоения tел ьсинов и критический угол рас­
согласования?
13. К:ак определ я ется погрешность сельсинов в индикаторн·ом и трансформа­
торном режимах?
14 . К:ак вли я ет сопротивление линии связи на удельный синхронизирующий
момент и удельное выходное напряжение?
§ 9.4 . ПОВОРОТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
Поворотные (вращающиеся) трансформаторы (ПТ) представ­
ляют собой индукционны е электрические машины малои мощности
переменного тока. Они относятся к информационным электриче­
ским машинам автоматических устройств. Поворотные трансформа­
торы используются как преобразователи механического перемещения
угла поворота ротора а в электрический сигнал - выходное на­
пряжение И, амплитуда которого находится в определенной функ-
циональной зависимости от угла поворота ротора.
•
Сердечники статора и ротора ПТ (рис. 9.28) набираются из лис­
тов пермаллоя или электротехнической стали. В полузакрытые па­
зы этих сердечник_ов укладываются две попарно одинаковые взаим­
но перпендикулярные обмотки. Обмотки статора называются пер­
вичными, обмотки ротора - вторичными. Одна из ста,:орных обмоток
называется обмоткой возбуждения и подключается к сети пере­
менного тока. Другая статорная обмотка называется квадратурной
(компенсационной). Одна из роторных обмоток называется синус­
ной, другая - к,осинусной.
Выводы обмоток имеют обозначения : В 1 , В2 - обмотка возбуж­
дения; Вз, В4- квадратурная обмотка; С 1 , С2 - синусная обмотка;
Ki, К2 - косинусная обмотка.
Статорные обмотки ПТ присоединяются к зажимам контактной
платы; роторные обмотки - к той же контактной плате либо с по­
мощью контактных колец и щеток- в ПТ с неограниченным углом
поворота ротора, либо · с помощью гибких проводников- в ПТ с ог-
177


раниченным углом поворота ротора, либо с помощью
'Трансформаторов - в бесконтактных ПТ.
.
·'yj~
кольцевых
Особенность ПТ состоит в том, что взаимная индуктивность
:между обмотками статора и ротора с высокой степенью . точности
изменяется по синусоидальному (косинусоидальному) закону от
угла поворота ротора а.
Ри.с. 9.28. Общий вид ПТ
В зависимости от схемы соединения обмоток с помощью ПТ
можно производить следующие преобразования: синусно-косинус­
ное - СКПТ, у которого выходное напряжение изменяется по зако­
ну sin а и cos а; линейное - ЛПТ, у которого выходное напряжение
изменяется прямо пропорционально углу поворота ротора; линей­
ное изменение фазы выходного напряжения при неизменной его
амплитуде - ПТ-фазовращатель; изменение системы координат­
ПТ-построитель или ПТ-преобразователь координат; плавное изме­
нение выходного напряжения от нуля до некоторого максимального
значения - масштабный ПТ; дистанционную передачу угла а - ПТ
в режиме трансформаторной дистанционной передачи.
Поворотные трансформаторы широко применяются в автомати­
ческих и вычислительных устройствах для решения алгебраических,
геометрических, тригонометрических задач, а также задач, связан­
ных с выполнением операций дифференцирования, интегрирования.
Как элементы автоматических устройств ПТ характеризуются ря­
дом величин, определяющих возможность их применения в той или
иной схеме. К таким величинам относятся номинальное напряже­
ние возбуждения, частота сети, коэффициент трансформации, вход­
ное и выходное сопротивления, угол сдвига фазы между вторичной
ЭДС и напряжением возбуждения, погрешность.
178


Т
а
б
л
и
ц
а
9
.
3
1
(
.
л
а
с
с
ы
т
о
ч
н
о
с
т
и
N
o
п
/
п
Р
е
ж
и
м
;
П
а
р
а
м
е
т
р
ы
т
о
ч
н
о
с
т
и
1
1
1
1
1
р
а
б
о
т
ы
0
,
0
1
0
,
0
2
0
,
0
5
0
,
1
0
,
2
0
,
3
1
П
о
г
р
е
ш
н
о
с
т
ь
о
т
о
б
р
а
ж
е
н
и
я
±
0
,
0
1
±
0
,
0
2
±
0
,
0
5
±
0
,
1
±
0
,
2
±
0
,
3
с
и
н
у
с
н
о
й
з
а
в
и
с
и
м
о
с
т
и
,
н
е
б
о
-
1
1
е
е
2
с
к
т
А
с
и
м
м
е
т
р
и
я
н
у
л
е
.
в
ы
х
т
о
ч
е
к
,
±
2
0
"
±
4
0
"
±
1
'
4
0
"
±
3
'
2
0
"
±
6
'
4
0
'
'
±
1
0
'
н
е
б
о
л
е
е
3
Э
Д
С
к
в
а
д
р
а
т
у
р
н
о
й
о
б
м
<
9
т
-
0
,
0
8
0
,
1
2
0
,
3
0
0
,
6
0
!
1
,
2
0
1
,
8
0
к
и
,
н
е
б
о
л
е
е
4
О
с
т
а
т
о
ч
н
а
я
Э
Д
С
в
н
у
л
е
в
ы
х
0
,
0
0
6
0
,
0
1
0
0
,
0
2
5
0
,
0
5
0
0
,
1
0
0
0
,
1
5
0
т
о
ч
к
а
х
,
н
е
б
о
л
е
е
П
р
о
д
о
л
ж
е
н
и
е
т
а
б
л
.
9
.
3
1
(
.
л
а
с
с
ы
т
о
ч
н
о
с
т
и
No
п
/
п
Р
е
ж
и
м
П
а
р
а
1
1
е
т
р
ы
т
о
ч
н
о
с
т
и
1
1
1
1
1
р
а
б
о
т
ы
1
0
,
0
1
0
,
0
2
0
,
0
5
0
,
1
•
О
,
<
2
0
,
3
'
•
.
1
П
о
г
р
е
ш
и
о
с
т
~
,
,
о
т
о
б
р
а
ж
е
н
и
я
-
-
±
0
,
0
5
±
0
,
1
±
0
,
2
±
0
,
3
л
и
н
е
й
н
о
й
з
а
в
и
с
и
м
о
с
т
и
,
н
е
б
о
-
.
л
п
т
л
е
е
Э
Д
С
,
%
,
н
е
б
о
:
2
О
с
т
а
т
о
ч
н
а
я
-
-
0
,
0
2
5
0
,
0
5
0
,
1
0
0
,
1
5
л
е
е
1
1
1
2
1
Ф
а
з
о
-
Ф
а
з
о
в
а
я
п
о
г
р
е
ш
н
о
с
т
ь
,
м
и
н
±
1
0
±
3
0
Р
а
б
о
ч
а
я
ч
а
с
т
о
т
а
0
,
4
-
4
0
к
Г
ц
в
р
а
щ
а
-
±
1
5
±
6
0
Р
а
б
о
ч
а
я
ч
а
с
т
о
т
а
4
0
~
2
0
0
к
Г
ц
т
е
л
ь
-
'
1
~
2
А
м
п
л
и
т
у
д
н
а
я
п
о
г
р
е
ш
н
о
с
т
ь
,
±
0
,
2
9
±
0
,
8
7
Р
а
б
о
ч
а
я
ч
а
с
т
о
т
а
0
,
4
-
4
0
~
<
Г
ц
%
,
ц
е
б
о
л
е
е
;
t
:
0
,
4
~
5
;
t
1
,
7
4
4
0
-
2
0
0
к
Г
ц


' "'"
/'
Нацболее важными для ПТ являются показатели, характеризу­
ющие точность:
1) относительная амплитудная погрешность воспроизведения .си­
нусоидальной зависимости вторичной ЭДС от угла поворота рото­
ра, выражаемая в процентах (е, % ) или угловых минутах (Ла');
2) асимметрия нулевых точек, характеризующая неперпендику­
.пярность обмоток статора и ротора ПТ в угловых минутах (Ла'ас);
3) остаточная ЭДС ( %) в нулевых точках
еост%=(Е~стfЕ2т) 100 <: 0,5s;
4) ЭДС квадратурной обмотки{%)
екв%=tЕкJИ0 т) 100 -<:(5 + б)s;
5) разность коэффициентов трансформации ( %)
Лkm3⁄4 = {(kтмакс-kтмин)Уkтма'kс} 100 <: 1,5s.
Точность ПТ в каждом режиме определяется по наихудшему из
измеренных показателей точности. В зависимости от погрешности
ПТ разделяются на шесть классов точности (табл. 9.3).
Для установки и измерения углов ПТ применяются высокоточ­
ные оптические делительные головки, теодолиты и специальные из­
мерительные редукторы, позволяющие определять как основные,
-гак и дополнительные погрешности. При холостом ходе ПТ выявля­
ются погрешности, обусловленные конструктивными и технологиче­
скими причинами; при нагрузке - погрешности от действия потока
реакции ротора. Для устранения погрешности от действия попереч­
ного потока . реакции ротора применяется симметрирование, которое
может быть первичным - со стороны статора или вторичным
-
со•
стороны ротора.
Цель исследований ПТ- изучениеосновных выходных
характеристик, осуществление симметрирования, ознакомление с
работой ПТ в режимах преобразователя ' координат и построителя.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
А. Экспериментальные исследования
1. Ознакомиться с паспортными данными ПТ и его конструкцией.
2. Определить максимальный коэффициент трансформации по
напряжению km, входное сопротивление Zвх O ПТ при холостом ходе.
3. Определить асимметрию нулевых точек Ла'ас, остаточную ЭДС
в нулевых точках еост и ЭДС квадратурной обмотки енв-
4. Снять характеристики: а) синусно-косинусную; б) линейную;
в) зависимость напряжения на вторичной обмотке Uc от напряже­
ния на первичной обмотке Ив при a=const и Zнc=const.
5. Исследовать работу ПТ в режиме построителя.
6. Произвести симметриров·ание синусно-косинусного ПТ.
180


Б. Расчеты и построения
1. Начертить эскиз ПТ.
2. По установленному значению напряжения возбужд,ения Ив.я
и измеренным значениям максимальных ЭДС синусной и косинус­
ной обмоток Ест и Ект вычисл•ить мак-симальный коэффициент
трансформации km.
3. По установленному номинальному напряжению возбуждения
U в.н и измеренному току / в O при холостом ходе вычислить входное
сопротивление ПТ Zвх о-
4. Рассчитать асимметрию нулевых точек Лаас в угловых мину­
тах и максимальную остаточную ЭДС в нулевых точках Воет m
в процентах . .
5. Рассчитать ЭДС квадратурной обмотки енв ( %) от напряже­
ния возбуждения ,Uв.н•
6. Построить на одном графике зависимости выходных напря­
жений для синусной Ис=f(а) и косинусной Ик=На) обмоток.
7. Построить зависимость напряжения Ис=На) для линейно­
го ПТ.
8. Построить на одном графике зависимость выходного н3:пряже­
ния от напряжения возбуждения Ис=f(Ив) для двух значений уг­
ла а и двух значений сопротивления нагрузки Zн с-
9. По заданным катетам определить расчетным путем гипоте:.
нузы и углы с помощью ПТ-построителя.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
Перед началом испытаний следует ознакомиться с паспортны­
ми данными и конструкцией ПТ. Осмотреть токосъемное устройст­
во, убедиться в его исправности. Ознакомиться с угломерным уст­
ройством (измерительным редуктором). Подобрать электроизме­
рительные приборы, необходимые для измерения электрических
величин с заданной степенью точности.
Исследуемый ПТ закрепляется в измерительном редукторе, пред­
назначенном для поворота ротора на определенные углы и их из­
мерения. Редуктор имеет две шкалы: одну - отградуированную в
градусах, а другую - отградуированную в долях градуса
-
мину­
тах. Для удобства работы шкалы угломерного устройства (редукто­
ра) могут поворачиваться вокруг своих осей и удерживаться в за­
данном положении за ,счет сил трения. Это позволяет устанавливать
нулевое положение исследуемого ПТ, т. е. совмещать угловое поло­
жение ротора, при котором имеет место минимальное («нулевое::.)
напряжение с нулевой отметкой на шкалах.
Определение максимального коэффициента трансформации ПТ
и входного сопротивления при холостом ходе. Для определения
максимального коэффициента трансформации при разомкнутой
квадратурной обмотке на обмотку возбуждения В 1 В2 подается но­
минальное напряжение ,Ив.и (рис. 9.29) . -
Ротор ПТ поворачивается
да положения, при котором ЭДС синусной обмотки ротора С 1 С2
181


станет равной нулю: Ес=О, а ЭДС косинусной обмоткJi · К1 К2
станет максимальнои: Ект• Коэффициент трансформации опреде­
ляется как отношение соответствующих величин:
kт=Wк/Wв=Ект/Ив.н•
где Wк, Wв - эффективные числа витков обмоток.
Определение входного сопротивления ПТ при холостом ходе
Zвх. о производится по схеме, приведенной на рис. 9.29. По измерен-
Рис. 9.29 . Схема для
определения коэффици­
ента трансформац~н и
входного сопротивления
пт
Рис, 9.30 . Схема для оп­
ределения
асимметрии
нулевых точек и . оста ­
точных ЭДС в нулевых
точках СI(ПТ
пым значениям V в.н и / в O вычисляется модуль входного сопротивле­
ния ПТ (Ом):
1
Z вхо =Ив.~// во·
Точность определения Zвх о зависит от классов точности вольт­
метра и амперметра.
Определение асимметрии нулевых точек, остаточных ЭДС в ну­
левых точ_ках и ЭДС квадратурной обмотки. Для проверки асим­
метрии нулевых точек и остаточных ЭДС в нулевых точках напря­
жение подается на обмотку возбуждения В1В2; квадратурная об­
обмотка В3В4 при этом замкнута накоротко (рис. 9.30). Ротор испыту­
емого ПТ поворачивают до угла, при котором ЭДС синусной об­
мотки С 1 С2 мnнимальна. Это угловое положение ротора а1 принима­
ют за нулевое. Шкалы угломерного устройства устанавливают в ну­
левое положение. Остаточная ЭДС отсчитывается по вольтметру V2•
После этого поворачивают ротор примерно на 180° и, добиваясь ми­
нимального показания вольтметра, фиксируют вторую нуле вую точ­
ку: угол .а2 и остаточную ЭДС Вое т 2- После этого поворач и вают
ротор до минимального показания вольтметра Vз и фиксир у 1от
182


третью точку измерений: аз и Еост 3 . Затем поворачивают ротор при~ ··
мерно на угол (аз+ 180°) и, снова добиваясь минимального показа­
ния вольтметра, фиксируют четнертую точку: а4 и Еост 4.
В указанном порядке подобная процедура повторяется при пи­
тании квадратурной обмотки В 3 В4 и замкнутой накоротко обмотки
возбуждения В 1 В2. Таким образом получается восемь точек с дан­
ными измерений, в результате анализа которых выбираются наи­
большие значения остаточной ЭДС и наибольшие отклонения изме­
ренных углов со знаком«+» и«-». Асимметрия нулевых точек рас­
считывается по формуле
ла:с=(1+а1т 1+ -1 -а;т 1)/2.
Относительная остаточная ЭДС в нулевых точках определяется
Qтношением
еост%=(Е~стmfЕст) 100.
Для каждого класса точности относительная остаточная ЭДС
в нулевых точках не должна превосходить значений, указанных в
табл. 9.3.
Определение ЭДС квадратурной обмотки производится при пи­
тании обмотки возбуждения В 1 В2 номинальным напряжением.
К квадратурной обмотке В 3В4 подключается вольтметр и измеряет­
ся ЭДС при повороте ротора от О до +360° через каждые 30°.
Относительная ЭДС квадратурной обмотки определяется по
формуле
екв%=(Еквт/Ин.н) 100.
Здесь Екв т - максимальная ЭДС квадратурной обмотки; Ив.в-:­
номинальное напряжение обмотки возбуждения.
•
Синусно-косинусный ПТ. В СКПТ при холостом ходе ЭДС си­
нусной обмотки С 1 С2 выражается зависимое'!'ью Ее o=·Eвkmsin а,
<!. косинусной обмотки К 1 К2 - зависимостью Ек o=Eвkmcos а. При
нагрузке
Ее . Ёвkт sin а/(1 +а cos2 a);
Ек=Ёнkт cos а/(1 +ь si:n 2 a).
(9.11)
(9.12)
Здесь а и '6 - комплексные коэффициенты, зависящие от пара­
метров ПТ и частоты сети.
Выходные синусная и косинусная характеристики снимаются по
схеме, приведенной на рис. 9.30. На обмотку возбуждения В 1 В2 по- '
дают номинальное напряжение . Ротор ПТ поворачивают до положе­
ния, при котором вольтметр, включенный на выводы синусной об­
мотки С 1 С2 , показывает нуль. Это положение ротора принимают за
начальное. На шкале угломерного устройства устанавливают нуль.
При таком положении ротора ось синусной обмотки расположена
перпендикулярно, а ось косинусной обмотки - параллельно оси
обмотки возбуждения. После установки нулевого положения ротор
183


поворачивают на угол от О до 180°. При этом через каждые f0--15°
измеряют напряжения на з .ажимах синусной И с и косинусной Ик
обмоток. Для повышения точности измерений рекомендуется изме­
рять напряжения одним вольтметром.
По опытным данным строятся зависимости Ис, и Ик от угла по­
ворота ротора а (рис. 9.31).
Линейный ПТ (ЛПТ) . .Ли ­
нейная характеристика ~снима­
еrоя 'П'О ~схеме ЛПТ с .вторич­
ны1м сим•метри1рованием (рис.
9.32). Для полного устранения
погрешности от влияния попе-
Рис. 9.31. Выходные характеристики
СIЩТ
с.)
ив
Zкв н
Рис. 9.32. Схемы линейных поворот•
ных тр•ан.сфо;рматоров пр,и втаричн ом
(а} и первичном (6) симм е трирова-
н.ии
речного 'П'Оля ,неОiбХОlд'И!МО ВЫ!полнить у,слоВJия вторичного сим 1метри­
рования - до·битыся ра'ВЕшст.ва 1пол1ных юопротивлений ,цепей вторич­
ных обмоток С1С2 и К1К2:
Zкв+Zс+Zнс=Zк+ZнК·
Для проверки наличия симметрии в цепь обмотки возбуждения
следует включить амперметр. Неизменность показаний амперметра
при повороте ротора свидетельствует о достижении полной симмет­
рии.
Характеристика снимается при постоянном nоминальном напря­
жении на обмотке возбуждения Ив.н=сопst. За исходно~, нулевое,
положение ротора принимается такое, при котором напряжение в
цепи последовательно соединенных синусной и квадратурной обмо­
ток равно нулю. Поворачивая ротор от О до 180°,
через каждые
10-15 ~ измеряют напряжение на сопротивлении Zн с- По опытным
данным строится зависимость П c=f (а) (рис. 9.33).
Выходная характеристика ЛПТ имеет вид
Ис=И0kт sin a;(l +m cos а).
(9.13)
Здесь т - постоянный коэффициент, зависящий от электриче­
ских и магнитных параметров ЛПТ. При m=0,54 зависимость полу-
184


чается линейной с точностью до 0,1 % в пределах изменения угла
поворота ротора ОТ -60 ДО +60°.
Масштабный ПТ (МПТ). Зависимость напряжения на вторич­
ной обмотке С 1 С2 от напряжения на обмотке возбуждения при по­
стоянных сопротивлениях нагрузки Zн с= const, Zн к= оо и угле
поворота ротора a=const снимается по схеме, приведенной на
рис. 9.34, при замкнутой квадра'I'ур­
ной обмотке.
При номинальном напряжении,
на обмотке возбуждения за исход-
ное нулевое положение ротора при-
Zкв.н
нимается такое, при котором на ко­
синусной обмотке напряжение рав­
но нулю. При· этом выходное на­
пряжение снимается с синусной об- И8
мотки.
Рис. 9.33 . Зависимость выходного на­
пряжения ЛПТ от угла поворота ротора
Рис. 9.34. Схема для про­
верки симметрирования ПТ
Опыт проводится для положений ротора а1 = 45° и а2 = 60°
и значений сопротивления нагрузки Zнс=оо и Zнс=500 Ом при
каждом значении угла а. После.установки угла а и сопротивлений
нагрузки с помощью автотрансформатора изменяют напряжение
возбуждения в пределах (0,3-;--1,2)Ив.н и снимают зависимости
Ис=f(Ив), показанные на рис. 9.35 .
Исследование работы ПТ в режиме построителя. С помощью
ПТ-построителя можно определить гипотенузу треугольника с= Ис
и угол ~ по заданным катетам Ь= Ив и а= Икв. (рис. 9.36).
В исходном, нулевом, положении ось синусной обмотки распола­
гается параллельно оси квадратурной обмотки, а ось косинусной об­
мотки - параллельно оси обмотки возбуждения. С помощью потен­
циометров от сети на обмотку возбуждения подается напряжение
Uв==Ь, а на квадратурную обмотку - одинаковое по фазе напряже­
ние Икв=а. Токи в обмотках возбуждения и квадратурной создадут
пульсирующие магнитные потоки, которые nри отсутствии насыще­
ния прямо пропорциональны заданным катетам: Фнв=а и Фв=Ь.
Результирующий поток Ф, сцепляясь с обмотками ротора, наводит
185


в них ЭДС. В несложной следящей системе (рис . 9.36), в которую
кроме испытуемого ПТ-построителя входят исполнительный двига­
тель ИД с редуктором JJ и усилитель У, ЭДС косинусной обмотки
через усилитель воздействует на обмотку управления ИД. Ротор
ИД приходит во вращение и поворачlfвает ротор ПТ до тех пор.
пока косинусная обмотка не
займет положение, · перпенди­
кулярное потоку Ф. В этом по­
ложении ЭДС косинусной об­
мотки Ек=О, а значение ЭДС
синусной обмотки С1С2 макси•
мально (Ес=Ест) ипрямопро­
порционально гипотенузе за­
данного треугольника с. Дейст­
вительное значение Ис будет
равно измеренной ЭДС Ест,
умноженной на масштаб т =
= 1/kт,
Рис. 9 .35 . Выходные
характеристики мас­
штабного . ПТ
Есrтт
Рис. 9.36 , Схема ПТ в режиме
построителя
Вектор результирующего магнитного потока Ф, равный геомет­
рJtческой сумме потоков Фнв и Фв , расположится относительно век­
торов Фкв и Фв под теми же углами, что и гипотенуза относительно
катетов а и Ь. Ось потока Ф составит искомый угол j3 с осью квад­
ратурной обмотки:
~ = arctg (ИJUкв>·
'-
Опыт может быть проведен для любого прямоугольного тре-
угольника.
Симметрирование синусно-косинусного ПТ. Для устранения по­
грешностей в выходных напряжениях от влияния поперечных полей
роторных обмоток при , протеканн:и по ним токов нагрузки произво­
дится симметрирование ПТ. Поперечные поля компенсируются под­
бором соответствующих сопротивлений либо в цепи статорной
186


(ю~адратурной) обмотки - первичное симметрирование, либо в це­
пи роторных обмоток - вторичное симметрирование.
Для осуществления первичного симметрирования необходимо
равенство полных сопротивлений _в цепях обмоток возбуждения и
квадратурной. Для этого в цепь квадратурной обмотки следует
включить сопротивление Zкв.н, которое в сумме с собственным со­
противлением обмотки Zкв было бы равно полному сопротивлению
цепи обмотки возбуждения:
Zкв.н+Zкв=Zцст+zл+ Zв,
(9.14)
где Zист, Zл - соответственно сопротивления источника питания и
линии, соединяющей источник питания с обмоткой возбуждения.
Если ПТ питается от мощного источника, внутреннее сопротив­
ление которого равно нулю, квадратурную обмотку следует зам­
кнуть накоротко (Zкв.н =О) .
Для осуществления вторичного симметрирования необходимо
равенство полных сопротивлений цепей синусной и косинусной об­
моток:
Обычно собственные сопротивления вторичных обмоток одина­
ковы (Zc=Zк) и для осуществления вторичного симметрирования
достаточно выполнить условие Zн с=Zн к- Нс! практике используют
активные сопротивления.
Экспериментальная проверка симметрирования производится
по схеме, приведенной на рис. 9.34. При этом используется свойство •
независимости тока обмотки возбуждения от угла поворота ротора
при полной вторичной симметрии. Сопротивления синусной и коси­
нусной обмоток подбирают такими, при которых поворот ротора не
вызывает изменения показаний амперметра, включенного в цепь об-
мотки возбуждения.
·"
Более точно вторичное симметрирование проверяется вольтмет­
ром, включенным в цепь квадратурной обмотки. При полной вто­
ричной симметрии поперечные поля синусной и косинусной обмоток
направлены встречно и взаимно компенсируются. Суммарный попе­
речный поток равен нулю и не наводит ЭДС в квадратурной обмот­
ке: Икв=О.
Вначале рекомендуется произвести вторичное симметрирование
с помощью амперметра в цепи обмотки возбуждения. Затем осуще­
ствить проверку с помощью вольтметра, включенного в квадратур­
ную обмотку.
Первичное симметрирование производится путем замыкания на­
коротко квадратурной обмотки (предполагается, что Zист+Zл=О).
При этом следует обратить внимание на то, что показания ампер­
метра, включенного в цепь обмотки возбуждения, с поворотом рото­
ра изменяются. Это свидетельствует о том, что при первичном сим­
метрировании угловое положение ротора влияет на ток в цепи об­
мотки возбуждения.
187


АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
Погрешности ПТ можно разделить на две основные группы: свя­
эанные с конструкцией и технологией изготовления; обусловленные
принципом действия работы.
К первой группе относятся погрешности, вызванные обмоточны­
ми и зубцовыми гармониками, а также нелинейность-то магнитной
характеристики. Эти погрешности выявляются в режиме холостого
хода и вызывают отклонение выходной характеристики от заданно­
го функционального закона (синусного, косинусного, линейного).
Для устранения погрешностей от обмоточных гармоник применяют­
ся обмотки высшей точности (синусные и др.). Для подавления
зубцовых гармоник производится скос пазов статора и ротора. Гар­
моники, обусловленные нелинейностью магнитной характеристики, -
устраняются путем обеспечения работы магнитопровода при малом
насыщении. Кроме того, применяется тщательная технология изго­
товления ПТ, обеспечивающая точность штамповки, правильную
сборку сердечников, веерную шихтовку, отсутствие эксцентриситета
между осью вала и наружной поверхностью ротора и равномер­
ность воздушного зазора .
Вторая группа погрешностей проявляется при нагрузке ПТ и вы­
зывается поперечными составляющими потоков реакции поля ро­
тора. Эти погрешности устраняются симметрированием обмоток ПТ.
Сущность первичного симметрирования заключается в компен­
сации поперечных потоков за счет потока квадратурной обмотки.
В этой обмотке результирующий поперечный поток Фq наводит
ЭДС Енв и вызывает встречный поток Фнв, В результате их взаимо­
действия поток Фq значительно ослабляется и погрешность умень­
шается . .
Полная компенсация поперечных потоков при вторичном сим­
метрировании происходит при равновесии МДС синусной и косинус­
ной обмоток по поперечной оси:
lcwc cos a=lкWк sin а.
В ЛПТ с первичным симметрированием симметрирующее со­
противление Zн к включается в цепь обмотки возбуждения и соеди­
ненной с ней последовательно косинусной обмотки. Квадратурная
обмотка замыкается на сопротивление Zнв.н, При этом сопротивле­
ния Zн к и Zив .н должны быть выбраны такими, чтобы поперечный
поток Фкsin а косинусной обмотки и поток Фив квадратурной об­
мотки были взаимно скомпенсированы при любом угле поворота
ротора а.
При непостоянстве входного сопротивления достоинс'Гвом ЛПТ
с первичной симметрией является независимость его выходного со­
противления от угла поворота ротора ,а. При постоянстве входного
сопротивления ЛПТ с вторичной симметрией существенным недо­
статком, значительно ограничивающим область его применения, яв­
ляется непостоянство выходного сопротивления от угла поворота •
ротора.
188


Вопросы для самопроверки
1. Как устроен ПТ?
2. Какие функции выполняют ПТ?
3. Укажите требования, предъявляемые к ПТ.
4. Какими мерами в ПТ vбеспечивается высокая точность воспроизведения
-функциональных зависимостей выходных напряжений от угла поворота ротора?
5. От чего зависит асимметрия нулевых точек ПТ и ЭДС в нулевых точках?
6. Что называется симметрированием ПТ - первичным, вторичным? Как они
осуществляются и с какой целью?
7. Как можно преобразовать СI(ПТ в ЛПТ, СКПТ в ПТ-построитель?
8. Укажите достоинства и недостатки первичного и вторичного симметри•
рования.
9. Укажите погрешности, связанные с принципом действия ПТ.
10. Каким образом в ПТ устраняется влияние зубцовых гармоник?
11. Какими мерами в ПТ. достигается магнитная и электрическая симметрия?


Раздел четвертый
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРОМАШИН
Глава 10
ОПЫТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОМАШИН
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
§ 10.1 . ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННОА МАШИНЫ
ПРИ ОДНОФАЗНОМ ПИТАНИИ
Для анализа работы и расчета выходных характеристик маши­
ны необходимо знать параметры, являющиеся коэффициентами в
системе уравнений для токов: активное сопротивление обмотки ста­
-гора rs; сопротивление рассеяния обмотки статора xs; сопротивле­
ние взаимной индуктивности Хт обмоток .статора и ротора, приве­
денное к обмотке статора; активное сопротивление ротора rн, при­
веденное к обмотке статора; сопротивление рассеяния ротора хн,
приведенное к 09мотке статора.
Значения параметров зависят от размеров машины, обмоточных
данных и свойств использованных материалов. Большое влияние
оказывает число фаз обмотки, что обусловлено взаимными индук­
-гивностями между ними, вызываемыми как главным полем машины,
-гак и потоками рассеяния. Параметры, определяемые при однофаз-
ном питании, используются для анализа работы машины при вклю­
чении в сеть одной или двух фаз, сдвинутых в пространстве на элек­
-грический угол 90°.
Существующие методы определения параметров асинхронных
двигателей можно разделить на две группы: треб у ю щи е раз­
(5оркимашиныинетребующиеее.
При разборке машины появляются дополнительные возможно­
сти для определения параметров, связанные с использованием изме­
рительных катушек или других датчиков, размещаемых в воздуш- .
вом 'зазор~ или в пазах машины. Однако разборка машины приво- 1
дит к нарушению рабочих свойств машины и поэтому не всегда
tюзможна. Кроме того, некоторые методы предусматривают прове­
дение опытов при вынутом роторе, что искажает магнитное поле
машины. Поэтому большое значение приобретают методы опреде- 1
.ления параметров без разборки машины.
1
Все характеристики асинхронной машаны могут быть выражены
1'аким образом, что индуктивные сопротивления рассеяния обмоток
~татора и ротора войдут в уравнения только в сумме друг с другом.
190


Поэтому, во-первых, методы без разборки машины не позволяют
разделить эти сопротивления, во-вторых, разделять их нет необхо-
а)
'
Рис. 10.1 . Исходная (а) и преобразованная (6) схемы
замещения асинхронной машины
димости. Это находит отражение при
переносе намагничивающего контура в
схемах замещения за индуктивное со­
противление ротора. Такое преобра­
зование показано на рис. 10.1 на при­
мере схемы замещения асинхронной
машины при симметричных режимах
работы. На рис. 10.2 приведена преоб­
разованная схема замещения асин­
хронного двигателя при однофазном
питании.
Параметры преобразованной схемы
замещения связаны с исходными еле-
дующими зависимостями:
x;=xs+xRfcR;
x;,,=xmfcR;
,
2
ГR=ГRfcR;
CR= l _+xRJxm.
l"sд jXSA
Рис. 10.2 . Преобразованная
схема замещения асинхрон­
ного двигателя при одно-
фазном питании
(1О:1)
(10.2)
(10.3}
(10.4).
Полное сопротивление асинхронного двигателя при однофазном
питании (без учета потерь в стали)
Z- +·'+
jr~x;,,(r~+jt"~)
.
(10.5\ .
-
ГS JХS (,)2(,)2
,'
Г
rR - хт (l-v2) + j2r~m
Согласно теории геометрических мест, конец вектора Z при из­
менении относительной скорости v = п! пс перемещается по окружно­
сти. Круговые диаграммы полного сопротивления при однофазном
питании приведены на рис. 10.3 для двигателей общего назначения~
для которых характерно Хт'/rн'=4-;-20, и на рис. 10.4 для исполни­
тельных двигателей, имеющих обычно Хт' ~rн'.
При v= оо круговая диаграмма проходит через точку А с коор-
динатами
•
(10.6)
19)


1•
flеременная составляющая вектора Z в этом случае равна нулю.
Диаметр АВ круговой диаграммы можно определить из условия
максимума м одуля переменной составляющей IZ--Zoo I вектора Z
{см . (10.5)]. Очевидно, что максим ум будет получен, когда действи­
тельная часть знаменат еля переменной составляющей равна нулю:
(rR) 2
-
(х~) 2 (1- v2)=0.
lJв
G
R
Рис. 10.3 . Круговая диаграмма
полного сопротивления асинхрон­
ного двигателя общего назначения
Кд 2,5-4 при однофазном пита-
нии
Таким образом,
и, следовательно,
jx
(10.7),
Рис. 10.4. Круго­
вая
диаграмма
полного сопротив­
ления
асинхрон­
ного исполнитель­
ного
двигателя
АДП262 при одно-
фазном питании
(10.8)
(10.9]
При коротком замыкании (v=0) переменная составляющая век­
тора .z
(10.10)
и, следовательно,
tg L DAE=x~/r~ .
(10.llJ.
Из (10.9) и (10.11) следует, что LDAE=LBAC; LDAB=
=LCAE; vDB=vCE=vAC; LAOC=LCOE. Проведем линию
OF параллельно мнимой оси, тогда
L РОС= ...t_ L АОС =-
1
L РОЕ.
2
3
192


Рассмотренные свойства _круговой диаграммы позволяют ис­
пользовать ее для опытного определения параметров без разборки
машины. Можно рекомендовать такую последовательность опера­
ций :
1) измерить полное сопротивление машины при однофазном пи­
тании в режиме короткого замыкания и нескольких (не менее двух)
значениях частоты вращения (измерять частоту вращения не
нужцо);
2) построить по полученным данным круговую диаграмму со­
противлений Z, отметить точку Е, соответствующую режиму корот­
кого замыкания;
3) провести линию OF параллельно мнимой оси;
4) разделить на три равные части LFOE, определить точку С;
5) провести линию АС параллельно действительной оси и · линии
СВ и AG параллельно мнимой оси. При этом АС rя'/2; ВС . Хт'/2;
AG=xs'.
Метод дает хорошие результаты, если сопротивления Хт' и rя'
различаются не более чем в 8-1 О раз.
Цель исследования- ознакомление с методикой опытuо­
го определения параметров схемы замещения. Объектом испытания
могут быть асинхронные двигатели с двухфазной обмоткой на с:rа­
торе, как исполнительные, так и неуправляемые. В табл. 10.1 при­
ведены параметры схемы замещения в размерных и относительных
единицах для некоторых управляемых и неуправляемых двигателей,
отличающихся мощностью, числом полюсов и частотой вращения.
Эти данные могут бьrть использованы как исходные для моделиро­
вания на расчетном столе.
Таблиц а 10.1 •
1х; 1
,
1rR
Тип
Обозначение
's
хт
,
,
e:n Рн,
двигателя
двигателя
Ps
.,.,es
Вт
р /,Гц·
Ом
Исполни- дм 0,04
90 55 70 45 1,98 1,22 1,54 0,04 2 400
тельные дви- ДМ 0,1
150 188 225 126 1,20 1,53 1,79 0,1 2 400
rатели с ро- дм 2,5
5,0 36 100 44 0,11 0,81 2,28 2,5 3 400
тором· « бе- ДКИ - 1-12ТВ
66 96 198 149 0,44 0,65 1,33 1,0 2 400
пи·чья клет- АД50
4,5 29 54 69 0,06 O,q6 0,78 3,5 4 400
ка»
Исполни- АДП262
44 28 225 392 0,12 0,07 0,57 9,5 1 50
тел ьные дви- АДП362
27,5 19 213 236 0,12 0,07 0,90 19,0 1 50
rатели с по- АДП263А
34,6 164 342 483 0,07 0,08 0,71 27;8 3 500
пым
рото- ЭМ-2М
80,6 70 168 296 0,27 0,2 4 0,57 2,9 3 500
ром
ДИД-0,1 ТА
361 73 260 346 1,05 0,21 0,75 0,1 1 400
Неупра~- l(Д-30
96,7 87 1450 94,5 1,02 0,92 14,8 60 ,0 1 50
.JJяемые дв,1- l(Д6-4
670 392 2130 47Q 1,43 0,83 4,53 6,0 2 50
rа тели
7-761
193


ПРОrРАММА ИССЛЕДОВАНИИ ·
А. Экспериментальные исследования
1. Ознакомиться с паспортными данными исследуемого двигате­
ля, со значениями параметров двигателей-аналогов.
2. Ознакомиться со схемой испытательной установки и методами
измерений на ней.
3. Измерить активные сопротивления обмоток статора исследу­
емого двигателя в холодном состоянии.
4. Определить полное сопротивление фазы двигателя при ко­
ротком замыкании.
5. Определить полное с·опротивление фазы двигателя при одно-
фазном питании для нескольких частот вращения (4-5 значений).
Б. Расчеты и построения
На основании результатов экспериментального исследования:
1. Построить круговую диаграмму сопротивления фазы двигате-
ля при однофазном питании.
2. Определить параметры преобразованной схемы замещения.
3. Сравнить полученные значения параметров с параметрами
двигателей-аналогов.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ
Перед началом испытаний следу_ет ознакомиться с номинальны­
ми данными двигателя, параметрами схемы замещения аналогич­
ных двигателей, близких по мощности и частоте вращения. Это по­
может n;редставить себе соотношения параметров, уяснить, на чт()
в первую очередь надо обратить внимание при проведении испы­
таний.
Все испытания проводятся на стенде, принципиальная схема
которого приведена на рис. 10.5. Стенд имеет три основные части,
'
каждая из которых выполняет свои функции: исследуемый двига.­
тель; приводной двигатель со схемой управления, обеспечивающей ·
регулирование частоты вращения до двойной синхронной скорости
исследуемого двигателя; блок питания и измерения сопротивления
исследуемого двигателя.
Сопротивления должны измеряться с высокой точностью: При
использовании для этой це.'lи амперметра, вольтметра и ваттметра
необходимо учитывать собственное потребление приборов . Класс
точности приборов должен быть не ниже 0,2. Наилучшие результаты
дает измерение сопротивлений компенсационным методом, напри­
мер с помощью потенциометров переменного тока. Чтобы исключить
случайные погрешности, измерения каждой величины целесо­
образно повторить 3-4 раза. При проведении опытов следует под­
держивать постоянными температуру обмоток и насыщение маг­
нитной системы, для того чтобы параметры в процессе эксперимен-
та оставались постоянными.
194


У ~еу~равл~Jмьtх щшгат~лей 1Xm'-:i> •ri/, - поэтому ОСQбенно важl:t6'
следить за постоянством насыщения, так как диаметр круговой диа­
граммы определяется в основном параметром xnJ-'· Контролировать
температуру обмоток особенно важно при измерении сопротивления
короткого замыкания, так как именно эти измерения определяют ос­
новные построения. Чтобы исключить влияние изменения сопротив­
ления обмотки статора rs при пере­
менной температуре, целесообразно
строить круговую диаграмму сопро­
тивления Z-r8 (а не сопротивления
Z), измеряя величину r8 после каж­
дого опыта.
У ИД магнитная система малб
насыщена, а параметры Хт' и rR' од­
ного порядка. Поэтому здесь необ­
ходимо в первую очередь поддер­
живать постоянную температуру об­
моток, контролируя ее после каждо­
го опыта по значению сопротивле­
ния r8 , измеряемого мостом посто­
янного тока. Можно стабилизиро­
вать в достаточной степени темпера­
туру обмоток и насыщени~ магнит­
ной системы, если проводить опыты
при пониженном напряжении.
По данным опытов строится кру-
говая диаграмма сопротивлений .
1rv
0 ----
--
_, ....
Пp_ufJoBнoii 1
rJ!Jигатель
Исслеilуемый
8/Jvгатель
Для ее построения достаточно трех Рис. 10.5 . Схема стенда для опыт-
точек в координатах r, х, _но для ПО"
ноrо определения параметров
вышения точности желательно иметь
пять-шесть точек. При этом можно рекомендовать следующий при­
ем построения. Находим все возможные центры окружностей для
точки короткого замыкания и двух других точе~, каждый раз вы­
бираемых в новых сочетаниях. За счет погрешностей эксперимента
эти центры могут не совпадать .- В этом случае за центр окружно­
сти принимаем точку с координатами, определяемыми как среднее
арифметическое координат, полученных при построении центров
окружностей. Радиус окружности выбираем таким образом, чтобы
окружность проходила через точку короткого замыкания*.
Дальнейшие постр'Оения проводятся в соответствии с рис. 10.3
или 10.4 . Точку короткого замыкания Е соединя:ем с центром окруж­
ности _ и проводим параллельно оси Х радиус OF. Получившийся
угол РОЕ делим на три равные части (LFOC= 1/ 3 LFOE). Точка Е
короткого замыкания может лежать на верхней части окружности
(для Ид), в этом случае угол РОЕ будет тупым. Проведем АС па-
* Можно построить окружности для всех ~найденных центров, определить
параметры для каждой из окружностей и найти их среднее арифметическое.
7*
195


раллельно оси R, AG и ВС пар·аллельно оси Х. Получаем в мас­
штабе сопротивлений:
АО х;; AC=r~/2; ВС х~/2.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ
Полученные из круговой диаграммы опытные значения парамет­
ров схемы замещения необходимо сравнить с расчетными для ма­
шин, аналогичных по назначению и близких по мощности и частоте
вращения. Это позволит установить характерные соотношения па­
раметров для данного класса машин .
Для обобщения результатов исследования машин различных
мощностей, частот вращения удобно использовать относительные
параметры схемы замещения. В табл. 10.2 приведен диапазон отно­
сительных парам етров асинхронных двигателей различного назна­
чения: управляемых и неуправляемых . В качестве базовой величины
здесь принято активное сопротивление ротора rR' преобразованной
схемы замещения.
Таблиц а 10.2
Управляемые двигат ели
Неуправляемые
Относительные
двиг а тели
с полым немагни т-
с ротором типа
пара метры
(Р8 =1+750 Вт,
ным ротором
«беличья клетка~
f=50 Гц)
(Р8 =О,1+40 Вт,
(Р 11 =0,04-f;З , 5 Вт,
f= 400 и f=500 Гц)
f=400 Гц)
~~= x~frR
5-45 при 2р = 2 0,18-1 ,40(2,50)
0,7-2,3
2-20 при 2р= 4
0,6-2,5
0,06-0,35 (1)
0,06-2,0
0,6-3
0,14-0,40
0,4-1,5
Роль относительных параметров в электромеханическом преоб­
'разовании энергии различна. Относительное сопротивление взаим­
ной индуктивности sm' характеризует основные электромагнитные
процессы, непосредственно связанные с передачей энергии эл е ктро­
магнитного поля через воздушный зазор к ротору и преобразовани­
ем ее в механическую. Относительные активное сопротивление об­
мотки статора ps' и сопротивление рассеяния ss' являются, в сущ­
ности, паразитными и непосредственного участия в преобразовании
энергии не принимают, хотя и существенно влияют на протекающие
процессы , Именно относительные параметры определяют основные
вьiходные показатели машины, поэтому они оказываются весьма
полезными в оценке оптимальности и в сравнении различных ее ис­
полнений.
196


Вопросы для самопроверки
1.· Какие методы опытного определения параметров асинхронных машин
используются на практике? Каковы их достоинства и недостатки?
2. Почему при определении параметров без разборки машины невозможно
разделить сопротивления рассеяния статора и ротора?
3. В чем _ главная идея опытного определения параметров схемы замещения
методом круговой диаграммы сопротивлений при однофазном питании?
4. Какие опыты надо провести для постр·оения круговой диаграммы сопро•
тивлений?
5. Как обеспечить точность измерения активной и индуктивной составляю­
щих сопротивлений?
6. Назовите последовательность построения круговой диаграммы сопротив­
лений фазы и определения отдельных параметров схемы замещения.
7. К а ковы у<;_ловия проведения опытов для определения параметров схемы
замещения с достаточной точностью?
8. Как влияет температура обмоток на параметры схемы замещения?
9 . Как влияет насыщение магнитной цепи машины на параметры схемы за­
мещения?
10. Каковы характерные соотношения параметров схемы замещения для не­
управляемых асинхронных двигателей?
11 . Каковы характерные соотношения параметров схемы замещения для Ид
с полым немагнитным ротором и ротором типа «беличья клетка:.?
12. Какова роль параметров с точки зрения преобразования энергии в ма­
шине?
§ 10.2. ОПЫТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕА
Для оценки точности методов расчета и экспериментальной до­
водки отдельных образцов синхронных двигателей необходимо
знать их парамет:ры. В синхронных двигателях с постоянными маг­
нитами (СДПМ) и в синхронных реактивных двигателях (СРД)
наибольшую трудность представляет опытное определение син­
хронных индуктивных сопротивлений по продольной и поперечной ·
осям ротора (ха и Xq). Нахождение других нараметров синхрон­
ных двигателей может быть проведено известными методами, ис­
пользуемыми при испытании асинхронных машин.
При исследовании крупных . синхронных машин с электромаг­
нитным возбуждением для опытного определения параметров Xd
и X q используется, как известно, оцыт малого скольжения [5]. При­
менение этого метода для двигателей малой мощности приводит
к значительным погрешностям вследствие большого активного со­
противления обмоток статора. Для двигателей с постоянными маг­
нитами этот способ не может быть использован, так как у них
принципиально не удается устранить возбуждение со стороны ро­
тора. Все это приводит к необходимости определять параметры
синхронных микродвигателей непосредственно из рабочего режима.
При этом исключается влияние короткозамкнутых пусковых обмо­
ток ротора и учитывается насыщение магнитной цепи.
В основу опытного определения параметров синхронных дви­
гателей при симметричном питании ПО.(!ОЖены векторные диаграм­
мы токов и напряжений (рис. 10.6) . Согласно методу приближен­
ной суперпозиции [13], эти векторные диаграммы справедливы ~
. 197


для насыщенных машин. в отличие or асинхронных машин, где ре­
жим работы однозначно определяетса скольжением, в синхронных
двигателях в качестве переменной, характеризующей нагрузку,
могут быть приняты углы 0е, 0; 0u, '\\), ~-
Наиболее широко в каче­
стве угла нагрузки используется угол 0u :между поперечной осью
ротора и вектором н.апряжения питания. Угол нагрузки принимает­
ся положительным, когда вектор напряжения опережает ось q.
d
Рис. 10.6 . Векторная диа­
грамма синхронного дви­
гателя с системой воз-
буждения на· роторе
и
<./i =fC/2
jd :j
а)d
а)
Рис. 10.7 . Векторные диаграммы синхронно­
го двигателя с постоянными магнитами
для частных режимов
d
.Из
векторной диаграммы СДПМ (рис. 10.6) :можно получить
выражения для расчета синхронных индуктивных сопротивлений
(~: -
'
u
rU cos6и- Iгscos('f - 6и)- Е0
X4=------"-~--~---
( 10.12)
Isin('f - 6u)
U sin 6и + lr8 sin (ч>-6u)
Xq = -----''- - -~ - -'- - -"'-'-
(10.13)
/ cos{'f~6u)
Ps
Здесь .U, /, Е0 - фазные зна­
чения напряжения, тока, ЭДС хо­
лостого хода: rs - активное со­
противление фазы обмотки якоря.
В выражения (10.12), (10.13)
входит угол нагрузки 0u, измере­
ние которого представляет изве­
стные трудности._ Если с помощью
приводного двигателя установить
Рис . 10.8. Трафик
- для
определения
частных реж.имов ,ра,боты синхрС>Нных
дв.игат~лей
частные режимы работы исследу­
емоrо двигателя, то необходи­
мость в определении у~ла 0u от-
падает. Так, в режиме идеального
холостого хода (рис. 10.7, а), когда угол 'lj)=л/2, токи lq=O, ld=l,
угол 0u= (q>-л/2) <О, индуктивное сопротивление по продольной
оси рассчитывается как
хd=(И sin rp-E0)//.
Этот режим характеризуется раве1-1ством И cos cp=frs.
198
(10.14)


В режиме, когда продольная СОСТаВJiЯЮЩс;lЯ тока отсутствует
(рис. 10.7, 6), ток l c; =l, углы нагрузки принимают значения ,р=О, ,-
0u =<р и индуктивное сопротивление по поперечной оси определяет­
ся по формуле
(10.15)
Этот режим характеризуется равенством И cos <р =Eo+lr8 . По.:
лучить режимы, соответствующие уравнениям ( 10.14) и ( 10.15),
достаточно сложно, поэтому их находят искусGтвенно, используя
графоаналитический способ - по пересеченной кривой И cos <р= -
=f(Ps) с кривыми lrs =f (Ps) и (Eo+lrs) =f (Ps) при изменении
угла нагрузки от -n/2 до п/2 (рис. 10.8). Описание установки,
позволяющей изменять угол нагрузки в широких пределах, приво­
дится ниже.
При отсутствии возбуждения со сторойы ротора (Е0 =0) выра­
жения (10.12)-(10.15) позволяют найти значения индуктивных
сопротивлений СРД . Выражения (10.14), (10.15) позволяют ис­
следовать влияние насыщения магнитопровода (напряжения пита­
ния) на параметры xd и Xq синхронных двигателей. Для СДПМ,
если иопользовать вспомогательный возбужденный микродвигатель,
можно получить информацию об угле нагрузки и по выражениям
(10.12), (10.13) проследить изменение параметров Xd и Xq в зави 0
симости от режима работы.
Цель работы - ознакомить t методами опытного определе..:
ния параметров СДПМ и СРД при симметричном трехфазном пи- -
тании и дать представление о соотношениях индукт~tвных сопро-
тивлений в синхронных микродвигателях. -
ПРОГРАММА РАБОТЫ
А. Экспериментальные исследования
1. Ознакомиться с экспериментальной установкой, конструкци­
ей и паспортными данными исследуемых двигателей .
2. Измерить активное сопротивление фазы обмотки статора ис­
пытуемых двигателей и ЭДС холостого хода СДПМ .
3. Определить синхронные индуктивные сопротивления Xd и Xq
возбужденного двигателя : а) при различных напряжениях питания;
б) для различных режимов работы при И= Ин.
-
4. Найти синхронные индуктивные сопротивления Xd и Xq реак­
тивного д
0~игателя при различных напряжениях питания.
Б. Расчеты и построения
1. Рассчитать и построить зависимости синхронных индуктив­
ных сопротивлений от напряжения питания и угла нагрузки (для
СДПМ).
2,_ Построить векторные диаграммы СДПМ и СР Д для режима
идеального холостого хода при И= Ин~
199


ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
Схема установки для опытного определения синхронных индук­
тивных сопротивлений по осям d, q представлена на рис. 10.9. С ва­
лом исследуемого двигателя Ид сочленяется приводной двигатель
ПД, мощн~сть которого в 3--5 раз превышает мощность ИД.
Рис. 10.9. Схема для опытного определения параметров
синхронных микродвигателей
В качестве ПД применяется синхронный двигатель, имеющий то же
число полюсов, что и ИД. Чередование фаз источников питания
должно обеспечивать согласное вращение ПД и ИД. Для обеспече­
ния устойчивой работы исследуемых двигателей в широком диапа­
зоне изменения углов нагрузки приводной двигатель необходимо
нагрузить с помощью электромагнитного тормоза ЭМТ моментом,
превышающим - максимальный синхронизирующий момент ИД
(Мп.д>Мвыхи.д). Статор ИД должен иметь возможность углового
, перемещения в пространстве на угол л/р с . последующей фиксацие11
в любом заданном положении. Питание ИД осуществляется через
трансформатор 'ГИПа РНТ.
При использовании в качестве Ид двигателя с возбуждением
на роторе появляется возможность измерения углов нагрузки 0u.
Для этого с валом ИД жестко сочленяется вспомогательная воз­
бужденная синхронная машина ВМ, имеющая такое же число по­
люсов, что и ИД. Концы одноименных фаз обмоток статора и Ид
и ВМ подаются на вход дэухлучевого осциллографа. Подключив
ПД к сети, поворотом статора Ид (либо статора ВМ) добиваются
совмещения по фазе ЭДС холостого хода Еои.д и Еов.м- Таким обра-
200
/(


зом осуществляется одинаковое расположение роторов ИД и ВМ
по отношению к одноименным фазам статорных обмоток. Осцил­
лографируя в процессе исследований напряжение питания . Ии.д и
электродвижущую силу - Еов.:.r, измеряют угол нагрузки 0u. Для
измерения угла нагрузки можно также использовать · фазометр.
Описанную установку можно применить и для снятия угловых ха­
рактеристик СДПМ.
Определение активного сопротивления фазы обмотки статора.
Оно измеряется в соответствии с указаниями, изложенными в
§ 1.3. Особое вню1 ание следует обратить на температурный режим
работы двигателя. Рекомендуется в процессе исследований произ­
вести несколько замеров активного сопротивления.
Для измерения ЭДС холостого хода Еои . д возбужденный щзига­
тель приводится во вращение с помощью ПД. Напомним, Ч'Ю в вы­
ражения (10.12)-(10.15) входят фазные значения электрических
величин.
Определение синхронных индуктивных сопротивлений. Для ис­
следования влияния насыщения магнитопровода на параметры х1,
и Xq снимаются зависимости / и cos ер от потребляемой мощности
Ps при различных напряжениях питания ИД (0,5Ин< И< 1,2Ин).
Выбор в к;1⁄4честве аргумента потребляемой мощности позволяет бо­
лее точно определить режимы, при которых '1\)=0 и 'I\J=:тt/2. Объяс­
няется это те м, что в двигателях малой мощности при изменении
нагрузки от нуля до максимальной потре(5ляемый ток изменяется
в 2-3 раза, а потр е бляемая мощность
-
в 5-10 раз. Испытание
рекомендуется начинать с режима, при котором потребляемая мощ­
ность минимальна. Этот режим устанавливается по показаниям
ваттметров поворотом статора ИД. Затем статор ИД поворачива­
ют в ту сторону, в направлении которой потребляемая мощность
возрастает. Результаты измерений используют для расчета сле,ziую-
щих величин:
..
Р8 =Ра ± Р@ ; cos 'f=Ps/(V3Uлl); И cos:'f=Ps/(31).
Построив на одном график_е зависимости U cos rp, Ir8 и
(Eo+frs) от Р8 (рис. 10.8), находят режимы ИД, для которых
'1\)=0 и 'I\J=:тt/2. Для этих режимов определяются потребляемый ток
и коэффициент мощности и по формулам (Ю.14), (10.15) рас­
считываются индуктивные сопротивления ха и Xq. Приведенный М€:­
тод определения .параметров ха и Xq применим как для СДПМ, так
н для СРД. Однако СРД в режиме, когда 'lj,=0, находится в не­
устойчивой зоне углов нагрузки. Устойчивость системы обеспечив<1-
ется нагруженным приводным двигателем. По результатам расче­
тов строятся зави с имости параметров Xd, Xq от напряжения пита-
1шя и векторная диа грамма Ид для режима идеального холостого
х ода при И=Ин (см. рис . 10.7, а).
При исследовании влияния нагрузки на параметры Xd, Хч
СД ПМ измеряются угол нагрузки, потребляемые мощности и ток
,r контролируется напряжение питания (V= Ин). Параметры Xd, х,,
рассчитываются по формулам (10.12), (10.13).
201


АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
При обработке результатов исследований следует обратить вни- i
мание на то, что в СДПМ в отличие от СРД и двигателей с элект- !
ромагнитным возбуждением индуктивное сопротивление по попе­
речной оси превышает индуктивное сопротивление по продольной
оси (xq>xd). Объясняется это тем, что в двигателях с радиальным
расположением постоянных магнитов и короткозамкнутой обмотки
большая часть продольного потока якоря замыкается по путям
рассеяния полюсных башмаков из-за малой магнитной проницае­
мости материала магнитов (см. _§ 6.1). Магнитное сопротивление
рассеяния полюсных наконечников определяется в основном шири-
1-Iой межполюсной прорези и .значительно превышает магнитное
сопротивление воздушного зазора. В то же время основная часть
поперечного потока якоря замыкается лишь через воздушный зазор
-
(рис . 10.10).
С возраtтанием напряж-ения питания синхронные индуктивные
сопротивления уменьшаются вследствие увеличения насыщения
магнитной цепи. В СДПМ в процентном отношении наиболее быст­
ро уменьшается параметр Xq, а в СР Д - параметр Хd-
При изменении нагрузки синхронных двигателей (изменении
угла 0u) индуктивные сопротивления также не остаются постоян­
ными вследствие перераспределения магнитных потоков по про­
дольной и поперечной осям. Сте-
Фаq_/2 .
пень и характер изменения пара-
.
-~-1 --. ..
метров xd и Xq зависят от конст-
✓--;7.,. • /"~,... ,
рукции магнитной системы двига- ,
/
1'
,
/,-,
''',\
тел я, степени его возбужденности ;
11
''
и активного сопротивления об-
-
11
'\
Фе1а/?11_
_U:f1(1d/2 мотки якоря. Если синхронные
q',
1,
двигатели выполнены на базе
\\
//
статора асинхронного двигателя,
\~,_.... ,
\'-'/
то параметр Xq в СДПМ и . пара-
',,
1
,
.//
метр Xd в СР Д близки к значению .
'-Х -
-j,...-_ .... _
полного индуктивного сопротив-
ф/2
ления обмотки статора (хт+Хаs)
dq
асинхронной машины. В СДПМ
Рис. 10.10. Пути замыкания потоков
якоря в синхронном двигателе с по­
стоянными магнитами
отношение индуктивных сопро- j
тивлений по осям d, q составляет j
xd/Xq=0,3-; -1,0; в СРД - Xd(Xq= j
=.: 2-;-5.
. Прак тиче ски
равенство}
индуктивных сопротивлений по осям d и q имеет место в СДПМ е,
аксиальным расположением короткозамкнутой обмотки ротора и ~
постоянных магнитов.
Вопросы для самопроверки
1. Почему опыт малого скольжения неприменим для· определения парамет~
ров двигателей с возбуждением or постоянных магнитов?
2. Что положено в основу опытного определения параметров Xd и Xq?
202
I


3. Что понимается под углом нагрузки?
4. Из каких режимов работы СРД определяют,ся параметры xd и Xq?
5. Чем отличаются векторные диаграммы СДПМ - и СРД?
6. Каково назначение приводного двигателя?
7. Чем обеспечивается устойчивая работа опытной - установки в широком
диапазоне изменений угла нагрузки?
8. Каково назначение вспомогательной машины?
9 . Какие электрические машины могут быть использованы в качестве при•
водного двигателя и вспомогательной машины?
10 . Как может быть измерен угол нагрузки СДПМ?
11 . Объясните р а зличные соотношения параметров xd и Xq в СДПМ и СРД.
12 , Как · изменяются параметры xd и Xq при изменении напряжения питания?
13 . Объясните непостоянство параметров xd . и Xq при изменении нагрузки
двигате л я.
14. Какое направление вращения должны иметь приводной и исследуемый
двигатели?
15 . Как определить п·1,Jложение поперечной оси СДПМ?
§10.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОН ПОСТОЯННОН
ВРЕМЕНИ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МИКРОДВИГАТЕЛЕН
Одно из основных требований, предъявляемых к ИД как эле­
ментам системы автоматического регулирования и управления,­
б ы стр оде й ст . в и е при отработке сигнала - обеспечивается · ма~
лой электромеханической постоянной времени Тм. Электромехани­
ческая постоянная времени характеризует время разбега двигате­
ля от момента подачи сигнала до определенной частоты враще­
ния [IOJ.
На практике чаще всего рассматривается пуск двигателя без "
статического момента сопротивления на валу (:в режиме холостого
хода) под действием момента, развиваемого двигателем в процес-
се разбега . В этом случае дифференциальное уравнение моментов
ИД при разбеге имеет вид
M=ldOJdt,
(10.16)
где М - вращающий момент двигателя; J - момент инерции рото-
ра; Q - угловая скорость.
.
Если реальную механическую характеристику ИД переменного
тока линеаризировать, соединив точки пускового момента Мн и уг­
ловую скорость холостого хода Qx (,рис. 10.11), то можно получить
( 10.17)
Подставив (10.17) в (10.16), получим дифференциальное урав­
нение
решение котороrо запишется как
О=Ох(1-е-t/тм) ,
где электромеханическая постоянная времени
Тм=lОхfМк
(10.18)
(10.19)
(10.20)
203


представляет собой время, в течение которого угловая скорость
двигателя достигает 0,633 от угловой скорости холостого хода:
Qx=2:rtnx/60 (рис. 10,12).
Электромеханическая постоянная времени тем меньше, чем
больше пусковой момент и меньше момент инерции и частота вра­
щения холостого хода. Так как у реального двигателя механиче-
м
а
Рис . 10.11 . Реальная (1) и ли•
неаризованная (2) механиче­
ские характеристики ИД пере-
менного тока
о
t
Рис. 10.12 . Кривые разгона ис•
полнительноrо двигателя при
реальной (1) и идеальной (2)
механических
характеристи-
ках
екая характеристика всегда проходит выше идеальной, то его ротор
будет разгоняться быстрее и электромеханическая постоянная вре­
мени реального ИД, найденная опытным путем, будет несколько
меньше, чем у идеального двигателя: Тм.р<Тм (рис. 10.12).
При опытном определении Тм двигатель переменного тока еле•
дует включать в двухфазную сеть для большей линейности меха­
нической характеристики и приближения кривой Q=f(t) к экспо­
ненциальной. Для конденсаторных ИД при этом надо так подобрать
напряжение на обмотке возбуждения, чтобы пусковой момент ос­
тался неизменным. Для ИД с относительно большей нелин е йно­
стью механической характеристики время, за которое достигается
угловая скорость Q = 0,633Qx, является лишь условным показателем
быстродействия.
Значения Тм при круговом поле для ИД переменного тока мощ,
ностью до 40-60 Вт приведены в .табл. 10 .3 .
Тип двигателя
С по,1ым немагнитным ротором
С ротором типа «беличья клетка»
(сквозной конструкции)
С полым ферромагнитным ротором
204
Таблица 10.3
Электромеханическая п ос тоянн ая
времени Т М' с, uри частоте питающей
сети, Гц
50
0,005-0, 160
0,007-0,120
1,00-2,00
1
400-500
0,015-0,280
0,0 l 0-0,080
1,50'--3,00


Так как Ид переменного тока имеет нелинейную регулировоч­
ную характеристику Qx=f (а), а его пусковой момент Мн зависит
от коэффициента сигнала а= Uy/Uy.н л•инейно, то при уменьшении
а отношени е D.x/ Мк и, следовательно, постоянная времени Тм уве­
Jшчивают с я .
Для ИД постоянного тока с наиболее распространенным видом
управления - якорным
-
электромеханическая постоянная времени
несколько больше, чем для ИД с полым немагнитным ротором, и
ее значение не зависит от коэффициента сигнала; так как зависи­
мость Мк=f (а) и регулировочные характеристики этих двига_те­
лей линейны [2].
В кач е стве объекта испытания рекомендуется использовать ИД
переменного или постоянного тока, у которых разгон происходит
больше чем за 5-6 периодов пере м енного тока, используемого в
качестве масштаба времени.
Данные Ид переменного и постоянного тока приведены в
таб.п. 10.4.
Таб-1ица 10.4
Данные исподиительных двигателей разных типов
Параметр
ДИД-!ТА
1дК:И-16-12ТВ 1
ДИД-5ТА
ДПМ-35
ДПР-72
f, Гц
400
400
400.
постоянный ток
М,.-10-\ Н•м
15,4
216
295
1400
4600
J-!Q-7
, КГ·М2
0,78
24,5
20,l
60,8
76,4
п,, об/мин
18 ООО
6000
10000
9800
6400
Наряду с механическим переходным процессом при подаче уп­
равляющего сигнала Uy происходит электромагнитный переход­
ный процесс, обусловленный изменением тока в обмотке управле­
ния. Однако процесс этот быстро з атухает, а характеризующая его
электромагнитная постоянная времени Тэ в десятки раз меньше Тм.
Таким образом, наибольший интерес при исследовании динамиче­
ских характеристик ИД представляет определение Тм.
Цел ь р а боты - ознакомление с методикой определения
электромеханической постоянной времени.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
А. Экспериментальные исследования
1. Проверить направление вращения испытуемого и контрольно­
го двигателей .
2. Измерить частоту вращения испытуемого двигателя при хо­
лостом ходе.
3. Ознакомиться с устройством и принципом действия измерите-
JlЯ постоянной времени.
.
4. Снять осциллограмму разгона ИД.
205


Б. Расчеты и построения
1. Обработать осциллограмму разгона ИД и определить элект­
ромеханическую постоянную времени.
2. Рассчитать электромеханическ·ую постоянную вре:мени при
идеализированной механической характеристике ИД.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ
Для измерения электромеханической постоянной времени Тм
ИД используется специальный магнитоэлектрический измеритель,
который фиксирует с помощью шлейфового осциллографа время
~ц
КД
ИД
Рис. 1О.! 3. Схема ддя определения электромеханической посто­
янной времени
3
Ч5б
9
Рис. 10.14 . Устройство магнитоэлектрического измерителя
разгона испытуемого двигателя до частоты вращения, равной 0,633
от установившейся при холостом ходе.
Для измерения Тм применяется схема, приведенная на рис. 10.13.
Обмотки возбуждения ОВ и управления OJ! исследуемого Ид и
контрольного Ид двигателей включаются в двухфазную сеть с об­
щим проводом, полученную из трехфазной с помощью индукцион­
ного регулятора (см. рис. 8.7, 6). На схеме: К - катушка измерите­
ля; Ш 1 , Ш2- шлейфы осциJ1лографа; В1-Вб - выключатели.
206


Конструкция измерителя показана на рис. 10.14. Он состоит из
неподвижного магнитопровода 3 с ка-~:ушкой. 4, закрепляемой вме­
сте с контрольным двигателем на специальной стойке, и подвиж­
ного магнитопровода, расположенного на валу контрольного двига­
теля 1. Подвижный магнитопровод имеет две стальные втулки 2
и 8 с выступами, образующими полюса. Втулкц соединены алю- •
миниевой трубкой 5. На вал исследуемого двигателя 9 надевается
легкая
алюминиевая -
втулка 7 с запрессован­
ным в нее I:1амагничен­
ным в поперечном на­
правлении постоянным
магнитом б, находя­
щимся в расточке по­
движного магнитопро­
вода. Когда полюсы
магнита и подвижного
магнитопровода совпа­
дают, магнитный по- Рис. 10.15. Осциллограмма разбега исполни-
ток, проходящий через
тельного двигателя
катушку, максималь-
ный, когда не совпадают - минимальный. Таким · образом, часто­
та и амплитуда ЭДС, навuдимой в катушке (рис. 10.13), определя­
ются разностью часто1· ьращения КД и ИД.
Перед началом работы все выключатели •на схеме (рис. 10.13)
должны находиться в выключенном положении. Вначале надо
включить выключатели В 1 и В2 и потенциометром R1 установить
номинальные напряжения возбуждения; потенциометром R2 устано­
вить номинальное напряжение управления ИД; включить выключа­
тель В3 и измерить частоту вращения холостого хода Ид. Затем
следует выключить Вз; включить В"' и потенциометром Rз устано­
вить угловую скорость Кд Q = 0,633Qx. При эrом следует убедить­
ся, что валы двигателей ИД и Кд вращаются в одну сторону.
Измерение ча~тот вращения холостого хода у Ид и n=0,633nx
у КД при наличии двух выходных концов вала можно производить
строботахометром, одного - с помощью частотомера, включаемого
в цепь катушки измерителя К.
При измереюш постоянной времени следует, включив выключа­
тель В 5 , подать сетевое напряжение - масштаб времени
-
на шлейф
Ш2. Затем включить выключатель Вв, подготовить шлейф Ш1 к ра­
боте, запустить бумагу или пленку и выключателем Вз включить
испытуемый двигатель. В первый момент частота наводимой в ка­
тушке измерителя ЭДС, а следовательно, и тока, записываемого
шлейфом, определяется частотой вращения Кд. Затем ИД начи­
нает догонять Кд и частота уменьшается. Момент равенства час­
тот вращения двигателей четко фиксируется на осциллограмме.
Искомая электромеханическая постоянная времени Тм определяет­
ся временем от начала разгона испытуемого двигателя до момента
прохождения частоты ЭДС катушки измерителя через нуль (рис.
207


10.15). На осциллограмме разбега Ид: А
-
масштаб времени (на­
пряжение сети f=50 Гц), В- кривая тока в измерительной катуш­
ке К. На р,ис. 10.15 показан также интервал времени i=a про­
хождения ЭДС измерительной катушки через нуль. Как показано
на рис. 10.15, масштаб-времени m1=200/c (в данном примере 200 мс
составляет с мм), а разгон ИД происходит на длине осциллограм­
мы Ь мм. Электромеханическая постоянная времени Тм=m 1 Ь=
=218 мс.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ
После снятия и проявления осциллограмма разгона Ид обра­
батывается, как указано выше, и по ней определяется электроме­
ханическая постоянная времени. Для ИД следует рассчитать по­
стоянную времени Тм по формуле (10.20) и сравнить .расчетную
величину с экспериментальной.
Вопросы для самопроверки
1. I(акой вид имеет механическая характеристика Ид?
2. I(аким показателем оценивается быстродействие Ид?
3. I(ак влияет на быстродействие Ид коэффициент сигнала?
4. I(ак можно рассчитать электромеханическую постоянную времени ИД?
5. I(ак определить опытным путем электромеханическую постоянную вре­
мени?
6. I(акие переходные процессы протекают в ИД? Каково соотношение их по­
стоянных времени? •
7. Каково среднее значение электромеханической постоянной времени у Ид
переменного тока с полым немагнитным ротором? ротором типа «беличья
клетка~ .;:1
8. От каких величин зависит значение электромеханической постоянной вре­
мени?
Глава 11
МА.ТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХФАЗНЫХ
АСИНХРОННЫХ МИКРОМАШИН НА РАСЧЕТНОМ СТОЛЕ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
§ 11.1 . ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Двухфазная асинхронная машина обычно несимметричная.
Асимметрия ее обусловлена схемой включения: питание от несим­
метричной системы напряжений, неравенство сопротивлений фаз,­
и связана в первую очередь с принципом действия. Расчет харак­
теристик двухфазных машин значительно сложнее, чем симметрича
ных трехфазных. Для их определения целесообразно использование
различных средств механизации и автоматизации расчетных ра­
бот, в частности моделирование асинхронной машины на расчет-
208


.
.
переменного тока. При этом в определ~нном масштабе
воспроизводится схема замещения исследуемой машины со всеми
активными и реактивными со-
противлениями и источниками
н_апряжения.
Для моделирования на рас­
четном столе требуются с о в­
мещенные схемы заме­
ще ни я. В них отражена связь
токов и напряжений прямой и
обратной последовательностей
с токами и напряжениями фаз,
а также с токами ротора по jxRA
продольной и поперечной осям.
В работе используется мос­
тиковая схема замещенин двух­
фазной асинхронной машины
(рис. 11.1), которая позволяет
достаточно полно ее исследо­
вать. Ей соответствуют урав- Рис. 11 .1. Мостиковая совмещенная схе-
нения
ма замещения
•
Ил=iлZsл +jjmAXmA;
jU~=ji~ (Z~в+z~)+ j (ji~в) Хтл;
0= jiтАХтА + jiRdxRA +iRA1ГRAfs +iRA2ГRлf(2-s);
0= j (ji~в) Хтл +j (jiRq) XRл -iRA1rRAfs+iRA2ГRлf(2-s);
j Rd=jRA1 +iRA 2;
jjRq= - jRA1+jRA2;
jтА=jА+jRd;
j~B
_ j~+jRq,
(11.1)
( 11.2)
( 11.3)
(11.4)
( 11.5)
(:11.6)
(11.7)
(11.8)
где lв'=lв/k, Z'sв=Zsв/k 2 , Zc'=Zc/k 2 ~ -тoк и сопротивления цепи
фазы В, приведенные к обмоточным данным фазы А; / Rd, / Rq - то­
ки ротора по продольной и поперечной осям.
При моделировании этой схемы на расчетном столе можно из­
мерить электромагнитные мощности прямой и обратной последова­
тельностей, определяющие вращающий момент:
Mэ=-2 -[I7.л1rRAfs-Ikл2rRAf(2-s)] ,
Qc
где Qс=2л//р-угловая скорость (синхронная).
Набрав мостиковую схему на расчетном столе, можно опреде­
лить полностью рабочие и пусковые характеристики машины: токи
и мощности потребления фаз, электромi:J.гнитные мощности и мо­
менты при различных частотах вращения.
8-761
209


Мостиковую схему замещения можно упростить, сохранив воз­
можность измерения тех же величин при моделировании, если пере­
нести намагничивающий контур к мостику сопротивлений rнA!s и
Гял/(2-s) (рис. 11.2). !(оэффициент • преобразования
"R=
=} + ХRл/ХтА•
Преобразованные параметры связаны с исходными соотноше­
ниями
х:д=ХтдfсR; х;д=Хsд +xRAf(,R; r~д=rRдfci.
~
2
.
Хтд
CRS J--
1CR
z'с
Объектами моделирова­
ния на расчетном столе мо­
гут быть следующие асин­
хронные машины с двумя об­
мотками на статоре:
а) конденсаторный дви­
гатель;
б) однофазный двигатель
с пусковыми элементами;
в) исполнительный дви-
гатель;
г) датчик момента;
д) тахогенератор.
Цель
исследова-
Рис. 11 .2 . Преобразованная схема замеще­
ния
нИЯ·-
ИЗУЧИТЬ С ПОМОЩЬЮ
математической модели ха­
рактеристики двухфазных
асинхронных машин, опре­
делить основные выходные
показатели и проанализиро­
вать влияние на них пара­
метров схемы замещени~.
ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИЙ
А. Экспериментальные исследования
1. Ознакомиться с конструкцией и схемой расчетного стола.
2. Определить ма·сштабы сопротивлений, напряжений, токов и
мощностей, рассчитать сопротивления и напряжения модели и вы­
ставить их на расчетном столе .
Пр им е чан и е. На расчетном столе по указанию преподава­
теля моделируется одна из машин, параметры которых приведены
в табл . 11.1.
3. Для моделируемой машины исследовать методами планиро­
вания эксперимента влияние параметров схемы замещения и фазо­
смещающего элемента на выходные показатели (по указанию пре­
подавателя):
а) для неуправляемых двигателей - КПД, номинальное сколь­
жение, кратность пускового момента, кратность максимального мо­
мента, скольжение при максимальном моменте;
210


б) для исполнительнь1х двигателей - нелинейность механиче­
ской характеристики при различных способах управления (ампли­
тудное, фазовое, амплитудно-фазовое) и коэффициентах сигнала;
в) для асинхронного тахогенератора - крутизну выходной ха­
рактеристики Иг/п;
г) для датчика момента - крутизну выходной характеристики
Мн/Иу .
.Б. Расчеты и построения
На основании результатов экспериментального исследования
рассчитать на ЭВМ коэффициенты полиномов, оценить значимость
коэффициентов и проверить адекватность полиномов.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ
Моделирование производится на стенде, схема которого приве­
дена на рис. 11.3. Для моделирования используется преобразован­
ная мостиковая схема замещения . (рис. 11.2), в которой индуктив-
1,
Рис. 11.3 . Схема расчетного стола
ные элемеf:1,ты заменены емкостными, а емкостные - индуктивны­
м и. Целесообразность этой замены объясняется тем, что схема за­
мещения содержит четыре индуктивных сопротивления и только
одну емкость. Е~костные элементы удобны для использования в
модели, так как они имеют минимальное собственное активное
сопротивление. При этом токи и напряжения заменяются комплекс­
но-сопряженными значениями.
Модель содержит магазины активных сопротивлений и емко­
стей, постоянную индуктивность и источники питания, регулируе­
мые по амплитуде и фазе. Магазины <iктивных сопротивлений -
декадные, они имеют пределы 0,1-1 ООО ООО Ом; магазины емко-
8*
211


..
МК, Г•С\1
Обознач е ни е
/,Гц
Тип машинh!
Р8, Вт
Zp
Неуправляемые
1
дви-1
гатели:
конденсаторный
с кдsо
-
50
·Ср
---
--
60
2
конденсаторный
с RAC-152M
-
50
СриСп
--
250
2
с повышенным ак- 4ААЕ56В4
-
5(J
тивным . сопротивле-
~
-
нием в пусковой фа-
4
зе
Исполнительные дви- АДП-362
1700
50
гатели с полым немаг-
--
--
19
2
нитным ротором
ДИД-ЗТВ
90
40(}
3
4
Исполнительные ДВИ· дКИ-25-
65
400
с ротором типа 12ТВ
--
гатели
2,5
4
«беличья клетка»
ДМ-0,IТВ
6
400
--
--
0,1
4
·датчик момента с по- дм
50
400
--
лым немагнитным рота-
-
12
ром
Тахогенератор с ПО· АТИ
-
400
JIЫM немагнитным рота-
4
ром****
• Напряжения UА и Ив совпадают по фазе.
•• Напряжения UА и Ив сдвинуты по фазе на 90° (сдвиг схемой).
••• К:онденсатор в цепи управления.
• •• • К:р ут из на 5 мВ/(об/мин).
С, мкФ
4
Ср=8
С,.=35
-
6,5
-
0,22
-
1***
1
-
.У
стей- штепсельные, их пределы 0,1-111,1 мкФ. Используется
индуктивность . L = 111 м Гн с собственным активным сопротивлени­
ем 32 Ом. Источники питания со стабилизированной частотой
f=400 Гц (500 или 1000 Гц) позволяют плавно регулировать потен­
циометрами R л , Rв напряжения 0-24 В и фазы 0-360° с помощью
электромеханического фазовращателя ФВ.
На модели устанавливаются в масштабе сопротивления преоб­
разованной схемы замещения:
х~л=Хsл +xRлfcR; r;л=rsA;
212


Таблица 11.1
fлавная фаза (управления)
Вспомогательна я· фаза
(воз буж дения)_
UA, В
'SA\ xSA\хтА
1
'RA
1ХRЛ ив,в
k
'sв 1
XSB
Ом
о _-,
-
220 91 65
1310
100
48
220* 0,805 57
42,0
220 7,5
7
266
10
7
220 * 1,23 14,6
11,1
220 30 19
191
20
23
220* 1,1 69
5,3
110 27,5 19
213
236
о
120* 1,34 49,5
33,l
361114
58
83
о
30** 0,90 9,8
11,4
362127
192
142
32
l 15* 3,02 200
246,0
36 150 148
265
175
47
18** 1,19 220
210,0
40 96
68
88,7 233
о
40 ''' 0,91 11_6
82,3
.,,
-
6,1
25
78,7
267
о
110
0,44 32
128,0
..
х~в=Хsв/k2 +хял/ся=Х~в+хял/ся; r~в=rsв/k2 =Г~в;
х:.nА=ХтА/ся; r~л/s=rял/(с2яs); -
где Ся= 1 +хял/ХmА •
Г~л/(2- S)= ГRAi'[c1 (2-s)],
Кроме того , от источника питания подаются два напряжения
*
*
фаз: UA и -jUв. Поскольку модель обращенная, напряжения фаз
*
должны быть комплексно - сопряженными, причем напряжение Uв
поворачивается ,по фазе на --90°.
Выбор масштабов поясняется в табл. 11.2 . Основными явл~ются
масштабы сопротивлений μz и напряжений μи, они должны быть
выбраны так и м образом, чтобы мож~-tо было полученные величины
Z и U установить на модели, исходя из ее технических во з можно­
стей. Выбор μz часто лимитируется сопротивлениями r"sв и х"sв
213


Таблица 11.2
Ве.'lНЧПНЫ
1
Масштабные
действит ель ные
на модели
коэффици е нты
Ил
*
Илμ= Ил /11-и
и
11-
=-
(r~
.
*,
ииμ
Ивμ = - jUв/11-и
'
R1 + rL =r~в/11-z
rsв
ГSА
R2 = r sл/fJ-z
r~л/s
Rз = R4 = r~лf(S11-z)
r~л/(2- s)-
Rs = Rб=r~лf[(~ - s)11-z]
z
f'-z=-
Zμ
х;в-х~
l/(wC1)-wL = (x;8 -x~)!μz
.
l / (wC2) = x;лff'-z
XSA
ХтА
1 /(wСз) = l / (wC4) = х"тл/11-z
i
*
iμ=/μ/
f' -1 =f'- u/11-z
р
Рμ = Р11-р
2
11-р = 11-u/u.z
обмотки фазы В и сопротивлением Хе фазосмещающего конденса­
тор_а (учитывая наличие в этой фазе на модели сопротивлений
f - xL=ffiL и rL):
г;в=Р.z (R.1 +rr);
xs;-xcfk2 =P·z l1/(wC 1)-wL}.
При отсутствии в фазе В емкостного фазосмеiцающего элемента
индуктивность L целесообразно закоротить переключателем П1
(рис. 11.3) для облегчения выбора масштаба сопротивления. Мас­
штабы токов 1.1.т и мощностей μр являются производными и рассчи­
тываются по выбранным основным масштабам.
Измерения на модели производятся электронными приборами,
собстве нное потребление которых практически равно нулю. Изме­
ряются значения и фазы напряжений _ Иаь, Иас, Иdе, И11 и значения
214


напряж е ний Иg i, Ug h - По результатам этих измерений определяют­
ся с учетом ма~::штаба все электрические ве.тшчины:
напряжения фаз А и В
Ил=Иаь'rи;
(11.9)
токифазАиВ
f А =Иac!l-1/(rsл/';Lz);
f в= И11'r1/ [k (rsв/(k2';J,z)- гL)];
мощности потребления фаз А и В
рл =ИлfА cos (ua-;:udJ;
Рв =Ивfв cos (И;::-Ие1);
- (11.10)
(11.11)
(11 .12)
(11.13)
(11.14)
электромагнитные мощности прямой и обратной последователь­
ностей
Рэ1 = 2U~iS';J,p/(r RAl'fz);
Р32 = 2U~h(2-s) ';J,P/(ГR A/';Lz).
(11.15)
(11.16)
Полученные вел1ичины позволяют рассчитать электромагнитный
момент и механическую мощность на валу машины:
М = рэ1/Qс +рэ2/( - Ос);
(11.17)
(11.18)
1
Моделирование на расчетном столе позволяет при известных
параметрах сх е мы замещения м а шины быстро получить характери­
стики и определить по ним основные выходные показатели. Основ­
ные характеристики и показатели неуправляемых асинхронных
двигателей рассмотрены в § 5.1, исполнительных асинхронных дви­
гателей - в § 8 .1, асинхронных тахогенераторов - в § 9.1.
При исследовании неупJ;>?Вляемых двигателей для нахождения
номинального скольжения необходимо, пользуясь формулами
(11.15), (11.16) и (11.18), пос:rроить характеристику Pя=f(s). При
номинальном скольжении по формулам ( 11.13)-(11.18) определя­
ют КПД Т) =Ря/ (Рл +Рв) и номинальный момент Мн. Чтобы найти
максимальный момент и соответствующее ему скольжение, строят
механическую характеристику М = f (s) исследуемого двигателя
(см . рис. 5.9). Пусковой м омент определяют при s=l.
Для ИД с использованием ( 11.15 )- ( 11.17) снимают механиче­
скую характеристику и по ней определяют ее нелинейность (см.
рис. 8. 12). Способ управления ИД и коэффициент сигнала задают­
ся преподават елем.
При исследовании тахогенератора на расчетный стол от источ-
*
ника питания подается только напряжение Ил μ, при этом переклю-
*
чатель П2 (рис . 11.3) выключается. Напряжение Ивμ будет являть-
ся выходным напряжением тахогенератора. Измерив его на рас­
четном столе для нескольких значений частоты вращения n=
215


=пс (t-s), построим выходную характеристику тахогенератор~
Ив="f (п) и определим ее крути зну Ив/п.
Датчик мо м ента используется в следящих системах для управ­
J1ения моменто м на валу при неподвижном роторе . Его мо жн о рас ­
сматривать как ИД при s= 1. Выходной характеристикой датчика
момента является зависимость пускового момента от напря ж ения
.
0
управления. Поскольку эта зависимость имеет линейный характер,
для определения крутизны выходной характеристики достаточно
найти пусковой момент только при Uy= Uун.
Возможность быстро изменить установленные на расчетном
столе значения параметров схемы замещения позволяет исследо­
вать их влияние на выходные показатели машины. Наиболее эф­
фективно можно обобщить и проанализировать результаты этих
исследований с помощью мате матической теории экспери м ента.
Вопросы для самопроверки
1. Сформулируйте понятие « математическая модель».
2. В чем сущность моделирования асинхронной машины на расчетном столе?
3. Поясните выбор и последовательность определения масштабов при моде­
лировании.
4. Как ие величины и каким образом могут быть определены при м оделиро­
вании разли<1ных типов асинхронных машин?
5 . Перечислите преимущества · м о делирования на расчетном столе .
6. Какие типы электрических машин м огут моделироваться на используемом
расчетном ст оле?
7. Поясните методику определения на расчетном столе исследуемого показа­
теля электри ч еской машины.
§ 11.2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЯ
Математической основой теории эксперимента являются мето­
ды теории вероятностей и математической статистики, практически
т~ория эксперимента опирается на современную электронно-вычис­
лительную технику, ее основное приложение - математическая об­
работка результатов эксперимента. При этом решаются следующие
воиросы: подбор · эмпирических формул и оценка их параметров,
оценка истинных значений измеряемых величин и точности измере­
ний, исслед ование корреляционных зависимостей, а также некото­
рые вопросы анализа - интегрирование, дифференцирование, ин­
терполяция.
Рассмотрим вопросы подбора эмпириче.ских формул, которые
решаются методами планирования эксперимента (ПЭ). Эти методы
позволяют выбрать стратегию исследования путем постановки опы­
тов по некоторой заранее составленной схеме, обладающей опти­
мальными свойствами и позволяющей получить зависимость между
многочисленными входными параметрами процесса Х1, Х2, Хз, ... , Xn
и его выходными показате.Jiями У1, У2, Уз, ... , Ут в виде полинома:
п
п
Yk=b0 + I Ь;х;+ ~ bijxixi+ .•••
(11.19)
i-1
i<J
216


Для получения подобной зависимости ставится минимальное
число опытов.
Существуют различные планы экспериментов, позволяющие по­
лучить те или иные математические модели исследуемого процес­
са в виде полиномов ['14). В каждом из планов число основных опы­
тов равно числу неизвестных коэффициентов полинома и показа­
телей степени. Для проверки точности модели выполняются допол­
нительные опыты. В результате реализации основных опытов полу­
чаем систему уравнений, решая которую находим неизвестные
коэффициенты и показатели степени полиномов. Планирование
эксперимента по з воляет найти такое сочетание опытов, при кото-­
ром расчет неизвестных коэффициентов · полиномов будет наиболее
простым.
Процесс исследования некоторого выходного показателя · для
получения его математической модели методом ПЭ состоит из не­
скольких этапов:
1) выявления входных независи м ых переменных и пределов их
варьирования;
2) изучения характера зависимости иссдедуемого f!ОКазателя
от входных параметров и Ra этой основе выбора плана экспери­
мента;
3) реализации зап л анированных опытов, расчета коэффици­
ентов;
4) проверки адекватности полученной математической моделц.
При иссJJедовании характеристик асинх ронной машины на рас­
четном столе в качестве входных независимых переменных целе­
сообразно принять относительные параметры преобразованной схе­
мы замещения ( см. рис. 11.2) . За базовую величину удобно принять
приведенное активное сопротивление ротора. В этом случае будем
иметь три независимые переменные: относительное сопротивление
взаимной индукции, относительное активное •·сопротивление обмот- •
ки статора и относительное сопротивление рассеяния соответст­
венно, _т. е.
~,:.= XmACRfГRA;
,
2
рs=ГsлСр)ГRА;
,
2
~s=XsACR/ГRA +xRACR/ГR А•
Диапазон изменения параметров принимаем равным ±10% от
среднего значения в соответствии с данными табл. 11.1 . При этом
сравнительно небольшом диапазоне характер исследуемых зависи­
мостей можно считать линейным и использовать для получения
полиномиальных зависимостей полный факт о р н ы й э . к сп е­
р имен т (ПФЭ).
Важнейшая особенность ПЭ состоит в том, что он использует
нормализованные значения входных независимых переменных
Хi=(Х;-Х;ср)/ЛХ1,
(11.20)
где
Х/ср=(Хiмакс+Хzмии)/2;
(11.21)
ЛХ1=(Х;макс - Х;мин)/2.
(11.22)
217


Очевидно, что нормализованные переменные изменяются от -1
до + 1. Така я нор мализаци я, во-первых, облегчает расчет коэффи­
циентов полино ма , во -вторы х, позволяет по значению коэффици­
ентов оценить степень влияния на исследуемый показатель различ­
ных входных величин.
Для определения всех коэффициентов полинома при трех неза­
висимых переменных необходимо провести 23 =8 опытов, указан­
ных в матрице планирования (табл. 11 .3) . В ней знаком«+» обо­
значены значения перем е нных, равные + 1, знаком «-»- перемен­
ные, равны е -1 . Результаты опытов заносятся в графу «Значение
исследуемого пока зателя из опыта». Коэффициенты полинома на­
ходятся следующим образом:
Ь;= [CI [Y}/N,
(11.23)
где N - число опытов; [С)- матрица-столбец значений нез ав иси­
мой переменной в соответствии с табл. 11.3; [У] - матрица-столбец
значений функции цели в соответствии с табл. 11.3 .
Таблица 11.3
Независимы е переменные
Значение 11с сле дуе -
моrо пок аза теля
Номер
строки
Хо
х,
х,
х,
Х12
х"
Х:,э
Х123
из
1
по
опыта
полиwоку
1
+
-
-
-
+
+
+
-
2
+
+
-
-
--
-
+
+
3
+
-
+
-
-
+
-
+
4
+
+
+
-
+
-
-
-
5
+
-
-
+
+
-
-
+
6
+
+
-
+
-
+
-
-
7
+
-
+
+
-
-
+
-
8
+
+
+
+
+
+
+
+
g
+
о
о
о
о
10
+
11
Примеч ан ия : 1. хо. Х1 2. Х1 з, Х23 , Х1 2з-Фиктивные п·еременные : Xti = I ; Х1 2 =Х1Х1;
х13 =х1х3; х23=х,х3; х12,=х,х,х3• 2. Строки 1- 8 - матрица ПФЭ; строки 9 и 10 отражают
опыты в центр е плана и произвольной точке внут ри пла на для п рове рки адек ватности по•
ланома; последняя графа «Знач е ние иссл едуемого пока зате ля по полиному» заполняется
толь ко для строк 9 и 10.
Для оценки точности полученного полинома проводят еще два
дополнительных опыта: при н улев ых значениях независимых пере ­
менных и произвольном сочетании их, - а затем опытные значения
сравнивают с вычисленными с помощью полиномов . Результаты
сравнения заносят в табл . 11.3 .
218


Кроме того, по значениям коэффициентов полиномов следует
сделать выводы о степени влияния каждого из параметров схемы
замещения на исследуемый показатель машины.
Пример. Исследуем кратность пускового момента двигателя с пусковым
конденсатором для привода компрессора торгового холодильника.
Основные данные двигателя: Рн=250 Вт; 2р=2; f-50 Гц; Sв=2,5~;
Uв=220 В; Сп=60 мкФ; Мн=О,816 Н-м; kп=5.
П р и м е ч а н и е. По условиям применения двигатель спроектирован с повы­
шенной кратностью пускового момента.
Параметры схемы замещения двигателя (Ом): Гsл =6,26; Хsл = 6,08; Хвл =
=6,87; Хтл= 183; rнл=8,47; rsв= 10,0; Хс=53,05. Коэффициент трансформа­
ции k=l,3.
Относительные параметры схемы замещения:
Ps = rsAIГRА = о,739; es ~= xsAIГRA = о,717;
eR = XRAIГRА= 0,811; Sm = XmAl'RA =21 ,6;
ее= xc/(k2 гRл) = 3,71.
Относительные параметры преобразованной схемы замещения:
,
2
.
Ps= PsсR= О,8,
Исследование кратности пускового момента проводилось при колебании от­
носительных параметров преобразованной схемы замещения в пределах ± 10%.
Опыты проводились на расчетном столе переменноrо тока в соответствии с мат­
рицей планирования (табл. 11.3). Результаты опытов приведены в последней
колонке матрицы (табл. 11.4). Там же даны абсолютные и нормализованные
значения относительных параметров схемы замещения во всех опытах. Кроме
того, в матрице имеются результаты опытов в центре плана и произвольной точ­
ке внутри плана, приведенных для оценки точности полинома.
Расчет коэффициентов пол,инома ведется по формуле (11.23):
Ь0= (+ 1-4,90+ l•4,88+ l•5,25+ 1-5,25+1-4,91+ 1-4,90+
+ 1-5,30 + 1-5,30)/8 = 5,086;
Ь1·= ( + 1-4,90-1 •4,88 + l •5,25- 1 -5,25 + 1-4,91- 1•4,90 +
+ 1-5,30-. , -1 -5,30)/8=0,004.
Аналогично рассчитываются и другие коэффициенты полинома: Ь2-= -0,189;
Ьз= -0,616; Ь12=0,004; Ь1з=0,001; Ь2з=О,009; Ь 123 =0,001.
Искомый полином кратности пускового момента
kп = 5,085 + 0,004 Х1 - О, 189 Х2- 0,016 Х3 + О,004Х1Х2 +
-t - 0,001 Х1Хз -t - 0,009 Х2Х3-t-0,001 X1XzX3,
где нормализованные значения независимых переменных согласно (11.20)-
(11.22)
-"i=(e~ -2 2,5)/2,25; Х2=(Р;-0,8)/0,08; Хз=(е;- 1,62)/0,162.
В табл. 11.4 для опытов 9 и 10 в последней колонке в скобках приведены
результаты расчета кратности пускового момента, найденные по полиному. Срав­
нение их с опытными данными позволяет сде:~~ать вывод о хорошей адекватности
полученного полинома.
219


Таблица 11.4
Независимые переменные
Номер
~~1
,
1е~
строки
Ps
kп
Хо
1
1
х"
Х1а,
Х23
Х11з
х,
х,
Ха
1
+1 24,8
l0,879 11,78
+11
+11
+1
+1
+1
+1
+1
4,90
2
+1 20,3
1 0,879 11,78
-11
+1
1
+1
-1
-1
+1
-1
4,88
3
+1 24,8
1 0,719
1,78
.+1
1
-1
+1
-1
+1
-1
-1
5,25
4
+1 20,3
10,719 11,78
-1
1
-1
1
+1
+1
-1
-1
+1
5,25
5
+1 24,8 10,879 11,46
+11
+1
1
-1
+1
-1
-1
-1
4,91
6
+1 20.,3
1 0,879 11,46
-11
+1
1
-1
-1
+1
-1
+1
4,90
7
+1 24,8
10,719 1
1,46
+11
-1
1
-1
-1
-1
+1
+1
5,30
8 +1 20,3
1 0,719 1
1,46
-1
1
•-11
-1
+1
+1
+1
-1
5,30
9
22,5
1 0,799 1
1,62
oj о1
о
5,086
(5,086)
10
23,4
10,759 [ 1,67
+0,41
-0,51 +0,3
5,172
(5,175)
, 220


Аналнз коэффициентов полинома показывает, что наибольшее влияние на
кратность пускового момента оказывает относительное активное сопротивление
статора p.s' (Ь2 = -0, 189). Коэффициенты полинома , характеризующие влияние
,относительног о сопротивления взаимной индукции sm' и сопротивления рассея-
11ия ss'(b,=0,004; Ьз=О,0I6), мало значимы, поэтому их можно не учитывать.
Незначительны также парные и тройное взаимодействие, поэтому с достаточной
точностью :м.о.жно счит а ть
•
k 11 ~5,086-О,189х2.
BonpQcы для самопро верки
1. Как находится полиномиальная · зависимость выходного показателя от па­
JJаметров схемы замещения машины? Поясните методику определения · коэффи- .
циентов п о линомов.
2 . При каких с оотношениях параметров проводились опыты для определения
l{Оэффициентов полиномов?
3. Как оценить точность полученного полинома?
4. Проведите анализ полученного полинома и укажите роль отдельных фак­
торов.
Глава 12
ИССЛЕДОВАНИЕУРОВНЯЗВУКА,ВИБРАЦИИ
11 РАДИОПОМЕХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРОМАШИНАХ
~ 12.1 . ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЯ ВИБРАЦИИ И ЗВУКА
В МИКРОМАШИНАХ
Платформа стенда, предназначе~ного ,п:ля контроля вибрации
при упругой установке электрическои машины, должна быть до­
статочно жесткой, т .е. не должна вносить в результаты йзмерений _
существенных искажений из-за резонансов, возможных в платфор­
ме. Собственная частота колебаний электрической машины в вер- ,
-rикальном направлении при ее упруr~ой установке, а также часто-
"rа колебаний относительно горизонтальной оси, проходящей через
центр тяжести системы перпендику.пярно оси вращения, не должны
nревышiэ.ть значения 0,25 от наименьшей частоты вращения при
пспытании машины [25] .
За счет · подбора жесткости и расположения упругих элементов
обеспечивается собственная частота колебаний. Во всех случаях
статическое перемещение платформы под действием массы плат-
4>ормы с установленной испытуемой электрической машиной не
должно превышать половины свободного хода амортизатора или
половины максимально допускаемого прогиба упругого элемента.
Оценку собственной частоты установки при колебаниях в верти­
кальном направлении можно проводить по статическому прогибу
упругих элементов платформы. Статический прогиб бс тт (мм) под
действием массы платформы с установленной на ней электриче­
ской машиной должен быть не менее бмин= 15 (1000/п) 2, где п­
наименьшая рабочая частота вращения. машины при испытании,
()б/мин.
221


Частоту собственны:х колебаний fO можно определить одним из
двух способов:
1) эксперим ентально - и зм ерением частоты резонансных коле­
баний при воздействии на неработающую машину, установленную
на амортизаторах или подвешенную упруго, внешним механическим
возбудителе м , напри м ер с помощью вибратора с регулируемой
частотой;
2) расчетным путем - по формуле
/ 0 = [ 1/(2:rt)} VCq/0,
( 12.1}
__r_
z
у
Рис. 12 . 1. Картина распол о ­
жения электрической .маши­
ны относительно осе й
Рис. 12.2 . Структурная схема из-
мерительн о й установк11:
1 - самописец; 2 - измерительный уси•
литель; З - предварительный усили-
тель; 4 - вибропреобразователь; 5 -
электрическая машина; 6 - платфор­
ма;7- амортизаторы; 8-· фундам е нт
где Cq - динамическая жесткость амортизаторов в направлен и и
действия силы тяжести (берется из каталога или технических ус­
ловий на амортизаторы) .
Точки измерения вибрации выбирают:
а) nри упругой установке без дополнительной массы - н а под­
шипниковых щитах по осям Х, У и в направлении оси Z (рис . 12.1)
возможно ближ е к оси ·вращения, а также на лапах или фланце
машины :в направлении, перпендикулярном опорной поверхности,
, в четырех точках вблизи установочных отверстий. Для малогаба­
ритных электрических машин разрешается перенос точек измере­
ния на корпус машины вблизи подшипниковых щитов;
б) при упругой установке с дополнительной массой - то же,
что и в п.а; кроме того, для горизонтальных машин - на платфор­
ме в двух точка х под подшипниковыми щитами на проекции оси
вращения в вертикальном направлении (по оси У); для вертикаль ­
ных фланцевых машин, которые нельзя испытьшать в горизонталь­
ном положении, - на платформе в двух точках по осям Х и У
:вблизи фланцев в направлении оси Z;
.
в) при жестко й установке - н а подшипниковых щитах по осям
ХиУивнаправленииосиZ.
Спектральнь1й анали з вибрации проводят при упругой установ­
ке машины без дополнительной массы в точк е с максимальным
значением вибрации :
222


Контроль вибрации целесообразно проводить при следующих
режимах работы:
а) с но м инальной нагру з кой - для электрических машин, на­
rрузку которых можно осуществить без механических соединений
-е вспомогат ельными механизмами и м ашинами (например, элект•
ромашинный преобразователь);
б) при частоте вращ е ния с максимальной вибраци е й - для
многоскоростных машин и машин с регулируемой частотой вра­
щения;
в) в режиме холостого хода при номинальном напряжении, токе
я частот е питающей сети, а также номинальной частоте враще­
,1-шя - для остальных машин.
0
"
Измерительная установка, схема - которой представлена на
рис. 12 .2, включает в себя: вибропреобразователь, преобразующий
механические колебания в электрические; предварительный усили­
-тель, согласующий выходное сопротивление вибропреобразователя
с входным сопротивлением по следующих приборов; измерительный
усилитель, регистрирующий вибрации исследуемого объе кта . Пред­
варительный усилитель производит предварительное усиление и
устанавливает род измерений - вибрационной скорости, вибраци­
онного ускорения или вибрационного смещения.
Для проведения спектрального анализа вибрации вм ·есто изме­
рительного усилителя используются соответствующие анализаторы,
которые делятся на спектрометры и частотаые анализаторы. Спек­
трометры позволяют исследовать спектр в третьоктавном и октав­
ном диапазонах частот. Частотные анализаторы отличаются узкой
полосой пропускания, причем в отличие от спектрометров полоса
nропускания остается постоянной во всем диапазоне частот.
Для автоматической записи спектра вибрации используются
самописцы уровня, синхронизированные с соответствующими ана­
лизаторами. Обычно самописец уровня задае1' скорость переключе­
ния фильтров анализаторов. Логарифмический масштаб самописца
позволяет считывать результаты непосредственно с бумажной
ленты. •
Перед измерением вибрации необходимо настроить отдельные
nриборы ; входящие в измерительный тракт. Настройка и калиб­
ровка производятся в соответствии с инструкцией для определен•
1:1ого комплекта приборов. .
•
При исследовании звука шумовыми характеристиками являются:
а) спектр уровней звуковой мощности (октавные уровни звуко-
1юй мощности в полосах со среднегеометрическими частотами 65,
125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц);
б) корректированный уровень звуковой мощности;
в) уровень звука на опорном радиусе 3 м (для машин, постав­
ляемых на экспорт);
г) уровень звука на расстоянии 1 м от наружного контура ма­
:mины;
д) характеристика направленности излучения шума (если пока­
.затель направленности превышает 6 дБ по шкале А).
223


Как уже отмечалось в § 3.1, шумовые характеристики маши8
могут определяться в свободном звуковом поле, в отраженном зву­
ковом поле или с помощью образцового источника на расстоянии
1 м от наружного контура машины. Вспомогательный (образцовый)
источник долж е н создавать стабильный шум с широким частотным
спектром и ненаправленным излучением. При отсутствии образ­
цового источника допускается для проверки помещения использо­
вать испытуемую машину . Метод определения с помощью образцо­
вого источника применяется для ориентировочных измерений. Им
можно пользоваться при проведении лабораторных работ со ~ту­
дентами.
Измерение шума на расстоянии 1 м от наружного контура ма­
шины применяют в условиях, соответствующих требования:\! сво­
бодного поля.
Особое внимание следует уделять влиянию по:v1ех, которое долж­
но учитываться в диапазоне частот измерений. Если уровень зву­
кового давления общего шума, включающего в себя шум машины
и помех, прев~шает уровень помех на 1О дБ и более, то помехи мож­
но не учитывать. В том случае, когда это превышение помех м ень­
ше 10 дБ, для учета помех необходимо из уровня звукового дав л е­
ния общего шума вычесть поправку. Так, например, если превы­
шение составляет 9-6 дБ, то поправка равна 1 дБ, а если превы­
шен и е соста·вляе т 5-4 дБ, то попра,вка - 2 дБ. Если уровень по­
мех сильно колеблется и л и превышение помех меньше 4 дБ, то про-
ведение изм,ерений недопустимо.
•
_
Шумом помех следует считать также шум системы привода ис­
пытуемой машины и независимо действующих узлов и механизмов.
При измерении шума машина устанавливается таким образом.
чтобы исключить погрешности в измерениях за счет передачи на
нее посторонних вибраций, а также передачи вибрации от исnытуе­
~ой машины к другим конструктивным - элементам, которые могут
стап, источниками звуковых помех. С этой целью машину, незави­
симо от способа ее установки в эксплуатации, необходимо при из­
мерении шума подвешивать упруго или крепить к фундаменту на
амортизаторах.
,
Допускается установка машины без амортизаторов, например
подвеска машины. Установка без амортизаторов возможна лишь в
,:рм случае, когда известно, что для машин данного типа установка
без амортизаторов не искажает шумовых характеристик.
_Во
избежание резонанса частота свободных колебаний fo (Гц)
испытуемой t.1ашины, подвешенной или установленной на аморти·­
заторах, должна удовлетворять условию fо~О,5fмин, где fмин__:._
наименьшая возможная частота вынужденных колебаний машины
лри испытании, Гц.
Для вращающихся машин при отсутствии автоколебаний fм ин =
=nмин/60, где nмин - наименьшая частота вращения машины при
-испытании, об/мин.
Расчет частоты свободных колебаний fo прои з водится по фор­
муле (12.1).
224


При отсутствии данных о динамической жесткости амортизато­
ров приближенный расчет может производиться по формуле
(12.2)
где б- линейная деформация амортизатора или упругой подвески~
под действием массы изделия, м .
Если при измерении шумовых характеристик испытуемая маши­
на должна быть спарена с каким-либо механизмом или устройст­
вом, то следует применять муфты, уменьшающие передачу вибра­
ции по валу. При этом должны быть приняты меры, исключающие:
резонансные колебания .
Режим работы при испытании шумовых характеристик . выбира ­
ется аналогично режиму работы при _исследовании вибрационных:
характеристик . Измерения для определения шумовых характери­
стик машин должны проводиться шумомера,ми с полосовыми фильт­
рами или измерительным трактом, включающим в себя измеритель ­
ный микрофон, усилитель, полосовые фильтры, индикаторный
прибор, самописец уровня. Частотная характеристика измеритель­
ного тракта или шумомера должна удовлетворять значениям, при­
веденным в ГОСТ 17187-81. Частотная характеристика Un или С
шумомера используется для измерения уровней звукового давле­
ния, а характеристика А - для измерения уровня звука.
Измерительный микрофон должен иметь шаровую диагра;-.н.iу
направленности с отклонениями, не превышающими значений, ука­
занных в ГОСТ 17187-81.
Ширина полосы пропускания фильтров шумомера или частот­
ного анализатора должна быть равной одной октаве. Допускается
применение приборов с шириной полосы пропускания, равной 1/ 3
октавы.
Калибровка приборов должна производиться до и после прове- '
дения измерений по соответствующим инструкциям.
При проведении измерений должны быть приняты меры, исклю-­
чающие влияние внешних электромагнитных полей. Желательно
применять конденсаторные микрофоны, как менее чувствительные
к помехам, создаваемым электромагнитными полями.
Во время измерений корпус шумомера, другие приборы и наб­
людатель должны находиться на расстоянии 1 м и более от микро­
фона. Показания шумомера следует брать с округлением до 1 дБ.
При наличии в испытательном помещении звукоотражающего
пола (коэффициент звукопоглощения не более 0,05) испытуемую
машину располагают на полу (на фу'ндаменте) или непосредствен­
но над полом вблизи его центра. Звукоотражающий пол должен
простираться во все стороны за измерительную поверхность на ве­
личину измерит ельного расстояния и более. Если пол обладает хо­
рошим з вукопоглощением (коэффициент звукопоглощения не ме­
нее 0,8), то машину располагают над ,центром пола на высоте не
менее 1 мот пола и не ближе 1,5 мот потолка.
225


Точки измерения при определении шумовых характеристик в
:условиях свободного поля выбираются в соответствии с рис.
12.3, а, б.
Расчет lмакс, lмин и d производят без учета выходного конца ва­
.ла и других выступающих частей (деталей) машины. Расстояние
,от измерительной линии до поверхности испытываемой машины
lмакс
5
г-
1
"t;
1d1---'---1-------,1d
11
1
1
L__....__.....__
__._
г----
1
' 1:,
1
1
:11
ld
.,
:r
d
d
1
1
,1
~
.1-----
___ __J
4
а}
J <..,
г-
1~
1 ,-! --. L.j -L ---- ,,-- -f- --- ,-
1
1
11
ld
1
1
1
1
13
L--L---,..-~
2-а--п
dIс.:,
~w..~!!Ч--_..~
,s
1
1
4
'
_____J
о)
Рис. 12.3 . Схема расположения точек измерения для машин гори­
зонтального (а) и вертика~ьного (б) исполнений
выбирается равным d:;,,.2lманс• При измерениях на расстоянии 1 м
от наружного контура машины d= 1 м. Для машин, имеющих
lмакс::::;;0,5 м, допускается d=0,5 м с последующим пересчетом ре­
зультатов измерений на измерительное расстояние 1 м по формуле
LA1=(LA)0 ,5 +201gr1 -10 дБ-А,
гдеr, -
эквивалентный радиус при d= 1 м:
Г1 =lмaкcf2+d.
(12.3)
(12.4)
Цель р а боты - ознакомление с методикой измерения вибра­
ции и шума на примерах асинхронного двигателя с короткозамк­
нутым ротором и однофазного коллекторного двигателя.
226


ПРОГРАММА РАБОТЫ
А. Экспериментальные исследования
1. Ознакомиться с конструкциями двигателей и их данными.
2. Ознакомиться с приборами для измерения вибрации и уровня
звука.
3. Произвести калибровку приборов для измерения вибрацюr
шума.
4. Измерить вибрации АД в режиме холостого хода: а) пустить
в ход двигатель; б) измерить вибрации в измерительных точках~
в) записать спектр вибрации (в одной из точек).
5. Определить составляющие магнитных вибраций двигателя:
а) установить напряжение питания на 20-30% ниже Ин; б) изме­
рить вибрации при пониженном напряжении; в) записать спектр,
вибрации в одной точке.
6. Измерить уровень шума однофазного коллекторного двигате­
ля в режиме нагрузки: а) пустить в ход двигатель; б) установить
номинальный режим нагрузки; в) измерить уровни звука в измери­
тельных точках (шкала А); г) записать спектр шума в точке с наи­
большим уровнем звука (линейная шкала).
7. Определить уровень магнитного шума: а) переключить , дви­
гатель с последовательного возбуждения на параллельное; б) ус­
тановить номинальный ток и номинальную частоту вращения;.
г) измерить уровни шума в измерительны?' точках (шкала А);
д) записать спектр шума в точке с наибольшим уровнем звука
(линейная шкала).
8. Определить уровень звука механических источников: а) снять
крыльчатку вентилятора; б) установить номинальную частоту вра­
щения; в) измерить уровни звука в измерительных точках (шкала
А); г) записать спектр шума в точке с наибольшим уровнем звука
(линейная шкала).
Б. Расчеты и построения
1. Начертить стру'ктурную схему испытательной установки.
2. Рассчитать частоты вибровозмущающих сил и вибрации:
а) )\{еханического происхождения; б) магнитного проиехождения.
3. Рассчитать уровни шума двигателя на расстоянии 1 м от кор­
пуса по результатам измерений п. 66, 7г, 8в.
4. Проанализировать полученные спектры. Рассчитать частоты,
соответствующие вентиляционному шуму, магнитному шуму и шуму
коллектора. Определить уровни шума перечисленных источников.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
Можно рассчитать частоты вибровозмущающих сил и вибрации
АД, обусловленные наличием подшипников качения, по следующим
формулам. Так, например, разностенность колец подшипников вы­
зывает вибрации ,с частотой (Гц)
/ 1 =n/60,.
(12.5)
где п-' частота вращения вала, об/мин.
227


",:·,,,
.,,
... .....
Овальность внутренних кол'ец является источником вибрации с
двойной частотой вращения:
( 12.6)
Смещение сепаратора, а следовательно, и его неуравновешен­
ность вызывают вибрации с частотой вращенин сепаратора
( 12.7)
:где Do - диаметр окружности расположения центров тяжести тел
качения; dш- диаметр тел качения.
Отклонения в размерах тел качения и периодическое измерение
.жесткости подшипника при перекатывании шариков или роликов
вызывает вибрации с частотой (Гц)
f4=(D0 -dш)nZ/(2D060),
(12.8)
rде Z - число тел качения.
Частота вибрации, обусловленной гранностью тел качения,
(12.9)
еде k=O, 1, 2, ... , п - число граней на поверхности тела качения.
Дефекты рабочих поверхностей внутренних и внешних колец
.
приводят к появлению вибрации с частотами соответственно
f 6 =(D~+d~) nZk;;(2D0dш60);
f1=(D~ - d ~) пzk;;(2D0dш60),
(.12.10)
(12.11)
rдеk{иk2' -
число дефектов на рабочей поверхности внутреннего
и внешнего колец.
• Частотный спектр
вибровозмущающих сил и вибраций, обус­
ловленных магнитными причинами, может быть получен расчетным
путем. Так, например,
•
.
fв=/0 (k2 ;
2
+ ~),
(12.12)
гдеJo- частота питающей сети, Гц;k2=О; ±1; ±2; ±3; ...;Z2-
число пазов ротора; р- число пар полюсов.
Частоты вибровозмущающих сил, обусловленных эксцентриси­
тетом и насыщением, можно получить по соответствующим выра­
ж.ениям
( 12.13)
(12.14)
Расчетные значения частот вибрации магнитного и механиче­
ского происхождений необходимо отметить на экспериментальных
в:и6роrраммах, полученных в соответствии с п. 4в, 5в, и сопоставить
•результаты расчета и эксперимента.
~8


В качестве нормируемого значения - уровня звука принимаем
согласно ГОСТу средний уровень звука, обозначаемый L1A, на рас­
стоянии 1 м от контура машины при наличии звукоотражающего
.nола, или корректированный уровень звуковой мощности, обозна­
IIаемый Lм.
Средний уровень звука
Lл=lOlg(i 10°•
1
L)-10Jgn,
(12 .15)
rде L; -уровень звука в i-й точке измерения; i= 1, 2, 3, .. . ; n-
число точек измерения.
Если усредняемые уровни звукового давления отличаются
друг от друга меньше чем на 5 дБ, то за средний уровень шума
принимается среднее арифметическое этих уровней.
Вопросы для са.мопроверки
1. Перечислите источники и причины возникновения вибрации и шума.
2. Назовите магнитные источники вибрации и шума.
3. Назовите механические источники вибрации и шума.
4. Перечислите аэродинамические источники вибрации и шума.
5. Расскажцте о способах определения вибрации и уровня звука.
6. От каких факторов зависит точность измерения вибрации и шума?
7. Какие основные приборы входят в комплект измерения вибрации _ и шума?
8. Как определить составляющие вибрации и шумв механического, магвит-
1сюго и аэродинамического происхождений?
9. Что такое вибрационные смещения, скорость и ускорение?
10. Как выражаются вибрационные скорость и ускорение в децибелах?
11. Какие режимы работы электрической машины допускаются при ее вибро­
акустических нспытан:иях?
12. Объясните принцип действия вибропре_образователя.
§ 12.2 . ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОПОМЕХ ДВИГАТЕЛЯ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
••
Индустриальные радиопомехи - это электромагнитные помехи,
которые создаются электрическими и электронными устройствами
и оказывают мешающее действие радиоприему.
Принципиально радиопомехи о~ электрических машин могут
распространяться двумя путями: электромагнитным излучением,
по пр9водам, отходящим от электрических машин .
.В
результате электромагнитного излучения создается электро­
магнитное поле радиопомех, которое воздействует на антенны
теле- и радиоприемников, создавая неустойчивый прием теле- и
радиопередач.
На рис . 12.4 изображена емкостная связь антенны приемника с
nомехонесущ е й сетью. В этом случае преобладает емкостная связь
между антенной приемника •и помехонесущей сетью вследствие
параллельности проводов антенны и сети, однако даже и в этом
случае существует также и индуктивная ~ связь между сетью и ан­
тенной. Наиболее эффективное индуктивное воздействие помехоне-
229


сущей сети ла антенну будет в том случае, если антенна приемни­
ка -- рамочного типа; емкостная связь тогда минимальна.
Поле помех наиболее эффективно воздействует на антенны в
том случае, когда пом.ехонесущие провода находятся в непосред­
ств енной· близости от антенн приемников. При достаточном удале­
нии пом ехо несущих проводов поле помех естественным образом
быстро затухает и его влияние на антенны ослабевает.
Рис. 12.4 . Схема емкостной
связи антенны приемника с
помехонесущей сетью:
/ - провод пом ехо несущий; 2 -
антенна при ем ника; 3- прием•
ник
Рис . 12 .5 . Картина расположе­
ния распределительных емко-
•стей между электрической ма­
шиной и «землей»
В результате распространения радиопомех по проводам, отхо­
дящим от источника помех, возникает напряжение помех, которое~
распространяясь по проводам, попадает в приемные устройства.
Напряжение помех - это высокочастотный, чаще всего непре­
рывный спектр напряжений, амплитуда которых с ростом частоты
уменьшается. Если рассматривать спектр напряжения помех от од­
ного источника, то математически его можно представить в виде
ряда
U =U1 sin (юt +ч~1>+ U 2 sin (2юt +Ф2>+ ... +и п sin (nwt+Фп>, (12.16)
где ffi=2лf.
.
Как показали многие опыты, амплитуды напряжений с ростом
частоты убывают по гиперболическому закону. Амплитуду напря­
жения, соответствующую какой-либо частоте, можно определить из
выражения
где А =const.
Напряжение помех в электрических машинах создается высоко­
частотными токами, протекающими через электрическую машину_
В общем случае напряжения помех в электрической машине воз­
никают всегда, когда имеются изменения во времени либо тока, ли­
бо потока, либо сопротивления цепи, т. е. когда
di/di j: О; dФ/dt j: О; dR/di :j: О; dU/dt :j: О.
На рис. 12.5 изображены два пути распространения напряженна
помех.
230


·'
По первому пути распространяются помехи, создаваемые высоко­
"Gастотными токами, проходящими от источника по проводу 1 че­
рез распределенную емкость С 1 между проводами и далее по прово­
ду 2 к источнику. Так как токи, создающие симметричные помехи,
·т е кут по обоим проводам, но в разные стороны, то образующиеся
Еокруг проводов электромагнитные поля в каждое мгновение будут
иметь противоположные знаки при равных амплитудах. Поэтому
JfX результирующее внешнее воздействие будет мало.
По второму пути распространяются помехи, вызываемые высо­
:кочастотными токами, проходящими по проводам 1 и 2 через рас­
n·ределенные емкости С2 и С3 на землю и возвращающиеся через
распределенную емкость С4 на корпус и через Cs к источнику.
Несимметричные составляющие напряжений помех обусловли­
ваются именно наличием емкостей между обмотками. якоря и по­
.люсов, с одной стороны, и корпусом машины - с другой. Эти емко­
сти в значительной степени определяют напряжения несимметрич­
ных радиопомех в электрической сети. Несимметричные напряже­
flИЯ помех кроме непосредственного распространения по электриче­
ским сетям воздействуют еще и суммарным э.JJектромагнитным по­
.лем помех. Именно несимметричные напряжения помех оказывают
Qсновное мешающее воздействие на те,1Iе- и радиоприем. Поэтому
в дальнейшем под мешающим воздействием будут пониматься имен­
но несимметричные помехи, называемые радиопомехами.
Среди многочисленного класса электрических машин наиболь­
ший уровень радиопомех создают электрические машины, имею­
щие в своей конструкции коллектор, хотя, безусловно, источниками
радиопомех (как напряжений помех, так и электромагнитных по­
.лей) являются практически· все виды электрических машин.
Здесь же будут рассмотрены только коллекторные электриче­
ские машины, как наиболее «вредные» с точки зрения радиопомех.
Анализ многочисленной литературы, как а;гечественной, так И·
зарубежной, позволяет считать, что в коллекторной машине имеет­
ся ряд факторов, которые создают свой спектр радиопомех или вли­
яют на общий уровень радиопом. ех. Все эти спектры, накладываясь
друг на друга в отходящих от машины проводах (именно там про­
исходит слияние всех высокочастотных токов и напряжений), об­
разуют сплошной спектр радиопомех. Анализ позволяет сгруппиро­
вать все основные факторы, участвующие в образовании радиопо­
мех, в три основные группы: 1) электромагнитные; 2) механичес­
кие; 3) физико-хи~ические.
К первой группе факторов относятся: изменение питаемого на­
пряжения; пульсации магнитного ·потока в воздушном зазоре (воз­
действие потока реакции якоря на обмотки главных и добавочных
полюсов); коммутация секций обмотки якоря (наличие высокочас­
тотных коммутационных токов и потоков); различные пульсации
ЭДС в обмотке якоря и коммутируемой секции.
Ко второй группе факторов относятся: динамическая неуравно­
вешенность вращающихся частей; эк"сцентриситет поверхности
скольжения щеток относительно оси вращения; волнистость поверх-
231


ности скольжения коллектора; выступание или западание отдель­
ной ламели; наличие трения между щеткой и коллектором; воздей­
ствие внешних воз мущающих факторов вибрационного характера_
К третьей группе факторов относятся: передача тока между под­
вижными контактами при наличии оксидной пленки; изменение пе­
реходного сопротивления межд у щеткой и коллектором; полупро­
водниковьiе свойства медно-закисной пленки; химические процес­
сы, проходящие между щеткой и коллектором, а также на поверх­
ности коллектора.
Факторы, относящиеся к первой группе, влияют на создание в.
электрических машинах изменяющихся во времени высокочастот-:­
ных магнитных потоков и изменяющихся во времени высокочастот­
ных ЭДС.
Факторы, относящиеся ко второй группе, оказывают воз дейст­
вие на скользящий контакт щетка ,- коллектор. В результате воз­
действия этих факторов происходит неупорядоченное нарушение ме­
ханического контакта щетка - коллектор, что приводит к модуля­
ции переходного сопротивления щетка - коллектор.
Кроме то·го, нарушение ,механического контакта между щеткой
и ламелью приводит к изменению переходного падения напряжения
•ЛИ между щеткой и лам елью.
Факторы, относящиеся к третьей группе, обусловлены физико-
_,,
химическими процессами, происходящими на поверхности коллек­
тора и в пространстве между коллектором и щеткой.
Цель р а боты - ознакомление с методикой измерения радио,­
помех.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
А. Экспери-ментальные исследования
1. Ознакомиться с .конструкцией однофазного коллекторного
двигателя переменного тока.
2. Определить число коллекторных пластин в коллекторе и снять
статическую профилограмму коллектора.
3 . Измерить уровень напряжений радиопомех в диапазоне о-г
0,15 до 30 МГц при отсутствии фильтра и номинальном режиме ра­
боты двигателя.
4. Измерить уровень напряжений радиопомех в диапазоне от
0,15 до 30 МГц при включении фильтра и номинальном режиме ра­
боты двигателя.
Б . Расчеты и построения
1. Рассчитать основные несущие частоты напряжений радиопо­
мех: а) зубцовую; б) ламельную .
2. Построить на одном графике спектры напряжений радиопо­
мех, полученных без фильтра и с помехоподавляющим фильтром.
3. Построить статическую профилограмму коллектора универ­
сального коллекторного электродвигателя.
4. Определить эффективность затухания напряжений радиопо-'
мех при наличии помехоподавляющего фильтра.
232


ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
Прежде чем приступить к выполнению экспериментальной части
работы, необходимо записать в протокол паспортные данные дви­
гателя, число зубцов якоря и ламелей коллектора; нарисовать
принципиальную схему для измерения напряжения радиопомех и
рассчитать зубцовую и ламельную несущие частоты при номиналь­
ной частоте вращения
fz=Zn~oм/60; fл=Nлnном/60,
(12.17)
где z- число зубцов якоря; N л - число ламелей коллектора; nном­
номинальная частота вращения.
С/·13~
i«-
Гj
f·'
"1~
Рис. 1,2.6. Структурная схема для
измерения напряжений помех
DB
Рис. 12.7 . Схема
фильтра - «емкост­
ная блокировка»
Принципиальная схема для измерения напряжения радиопомех
!Изображена на рис. 12.6 . Перед началом измерения необходимо от­
калибровать селективный микровольтметр СМВ. Для непосредст­
венного измерения напряжений на выводах электродвигателя при­
меняются пробники.
Статическая профилограмма коллектора. Она снимается при
Еынутом из двигателя якоре. Якорь устанавли}1ается на подставку
и к нему подводится стойка, на которой крепится микрометр с щу­
nом. Щуп микрометра устанавливают посередине коллектора на
.одну из ламелей и записывают показание шкалы микрометра. :З-а­
тем якорь рукой поворачивают на одно коллекторное деление, что­
бы щуп микрометра оказался на соседней ламели, и снова записы­
вают показания шкалы. Таким образом, провернув якорь на 360°,
заносят в таблицу относительный перепад радиальной высоты кол­
лекторных пластин. Затем по полученным данным строят профило­
трамму коллектора.
Уровень напряжений радиопомех. Источник радиопомех ИЛ
(электродв1игатель) включают через эквивалент сети ЭС, который
,отфильтровывает высокочастотный спектр питающего напряжения.
Затем измеряют напряжения радиопомех на фиксированных ча­
~тотах, включая и рассчитанные зубцовую и ламельную частоты. На­
uряжение помех измеряется на обоих выводах электродвигателя.
Перед измерением напряжений помех к выводам подсоединяют
nроходной конденсатор СФ (рис. 12.7). З-атем проводят измерение
каквп.3.
233


АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ И ИССЛЕДОВАНИИ
На практике часто напряжения радиопомех от коллекторных:
электродвигателей превышают допустимые нормы. Для уменьшения
уровня радиопомех от этих двигателей ставят различные помехо­
подавляющие фильтры. Простейший фильтр, который использует­
L
L
/,
~~
оIооIо
а)
в>
~
ся для подавлен ия ра диопо­
мех, - это конденсатор, вкл ю­
ченный по схеме, представлен­
ной на рис. 12.7.
При больших превышениях:
над до пустимыми нормами мо­
гут использоваться и более­
сложные фильтры - Г-, П- и;
Т- о. бразные фильтры. Примеры;
таких фильтров показаны на
рис. 12.8, а-г.
В каждом конкретном слу­
чае при расчете помехоподав­
Рис. 12.8. Схе~ы раз л,ич ных типов ляющих фильтров необход им<>-
aI
о
о)
г)
помехоподавляющих фильтров
знать внутреннее комплексно~
сопротивление электродвига-
теля. Ориентировочный расчет фильтров производится по специаль­
ной методике. Затем рассчитанный фильтр проверяется в изделии и
дора-батывается путем опытного подбора элементов.
Недостатком применения помехоподавляющих фильтров явля­
ется то, что фильтрация напряжений помех происходит не во всем
диапазоне частот, а только на определенных частотах, на которые­
рассчитывается фильтр.
I(роме фильтров для подавления или снижения уровня напря­
жения ра д иопомех применяют различные конструктивные и техно­
логические мероприятия, улучшающие качество изготовления под­
шипниковых и щеточно-коллекторного узлов, позволяющие ·выб­
рать рациональные обмотки якоря, и др.
Вопросы для самопроверки
1. В каких единицах выражается уровень напряжения и поля помех?
2. Какие существуют пути распространения радиопомех от электрических:
машин?
3. Каким образом воздействует поле помех на теле- и радиоприем?
4. Какие токи - симметричные или несимметричные
-
представляют наи­
больший «вред» с точки зрения напряжений помех и почему?
5. Какие несущие частоты имеются в спектре напряжений помех?
6. По каким группам можно разбить все факторы, участвующие в образо-
вании радиопомех?
7. Перечислите факторы, относящиеся к той или иной группе.
8. Каковы общие условия образования радиопомех?
9. Какие существуют способы борьбы с радиопомехами?
10. Какие типы помехоподавляющих фильтров Вы знаете?


Раздел пятый
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСl(ИХ ПОl(АЗАТЕЛЕй
ЭЛЕl(ТРИЧЕСl(ИХ МИl(РОМАШИН НА АВ1~
rлава 13
.1\\ЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ МИКРОМАШИН НА АВМ
Электрические микромашины сравнительно часто работают в
переходных режимах. В общем случае переходные процессы в эле­
ктрических машинах описываются системой нелинейных дифферен­
циальных уравнений, аналитическое решение которых возможно
.лишь при существенных допущениях. Наиболее просто и наглядно-­
переходные процессы · в электромеханических системах исследуют­
ся на аналоговых вычислительных машинах (АВМ) [15].
В АВМ используется метод математического моделирования, ха­
рактери зующийся тем, что модель и оригинал, различ_ные по своей
физической сущности, описываются одинаковыми по форме урав­
нениями. Аналоговые вычислительные машины состоят из решаю­
щих блоков, выполняющих операции интегрирования, суммирова­
:ния, умножения, перемены знака функции и т. д. Символическое
,обозначение основных решающих блоков приведено в табл. 13.1.
Почти все решающие блоки в АВМ построены на базе операцион­
ных усилителей постоянного тока, поэтому характерной особенно­
-стью АВМ является смена знака у выходной величины решающего
блока. Описание устройства и технических характеристик различ­
ных типов АВМ можно найти в специальной литературе [4, 16].
Методика постановки задачи ·на АВМ включает в себя следую­
щие этапы: 1) преобразование дифференциальных уравнений к ви­
Jl.У, удобному для реализации на АВМ; 2) составление схемы мо­
де.7Iирования в соответствии с преобразованной системой уравнений;
З) выбор масштабов переменных величин, входящих в уравнения,
и расчет коэффициентов передач решающих блоков модели; 4) рас­
чет таблиц настройки нелинейных блоков; 5) набор математичес­
кой модели на АВМ; 6) фиксация решения.
Преобразование уравнений. Для электрических машин преобра­
зование исходных уравнений к виду, удобному для моделирования,
состоит, как правило, в решении их относительно высшей производ­
ной. Например, если при начальных условиях (d2x/dt2 ) 0 =0.
(dx/dt)o=C1, хо=С2 исходное уравнение имеет вид
b1d 2x/dt2 +b2dx/dt +о3 х =0,
(13.1)
235


Назначение
Обозначение
решающего блока
решающего блока
Масштабный блок {при ~
-
k= 1 - инвертор)
"-.'У ~
Сумматор
Интегратор
Интегросумматор
Блок произведения
Функциональный (не­
линейный) олок
.Рпх ~
~
Таблица 13,1
Математическое описание
работы блока
t
Ив;,х = -kilJ Uвxdt ± Ur:,
о
t
Иных=--= - ~ k;j JИвхj±Uо
о
то преоrбрас!ованное уравнение при неизменных начальных условиях.
запишется как
( 13.2)
где а1 =Ь2/Ь1; а2=Ьз/Ь1.
Составление схемы моделирования. Схема набора модели на .
АВМ составляется по методу понижения порядка производной пу­
тем подачи ее на вход интегратора. Схема, •моделирующая уравне­
ние ( 13.2), приведена на рис. 13.1, из которой видно, что для реа­
лизации (13.2) необходимы интегросумматор, интегратор и инвер­
тор. При составлении схемы моделирования нужно стремиться к то­
му, чтобы обратными связями охватывалось нечетное число опера­
ционных усилителей. В этом случае модель получается более устой­
чивой.
Выбор масштабов и расчет коэффициентов. В АВМ в качестве
машинной переменной используется напряжение постоянного тока.
Связь между переменными величинами модели и исследуемого урав-
236


пения устанавливается с помощью масштабных коэффициентов:
по формуле
(13.3} •
где Хм - машинная переменная; тх
-
масштаб; Хр - реальная пе­
ременная в преобразованном уравнении. Обычно масштабы выби­
раются исходя из оценки
максимальных значений ре­
альных переменных и изве­
стного рабочего диапазона
АВМ.
В дальнейшем принима­
ется, что рабочий диапазон
решающих блоков равен
± 100 В. Поэтому масштаб
одной переменной рассчиты-
вается ИЗ условия
Рис. 13.1 . Схема моделирования уравнениw
(13.2)
(13.4)
масштабы суммы и произведения двух переменных - из условий:
mr,= 100/(хр+ Ур)макс;
(13.5)
(13.6)
Максимальные значения переменных обычно приближенно из­
вестны из физического смысла задачи. Так, известно, например, ЧТ()
при пуске трехфазного асинхронного двигателя кратность пусково­
го тока может достигать 5-7, а кратность пускового электромаг­
нитного момента - 3-4 .
Независимой переменной величиной АВМ является машинно~
время, масштаб его определяется соотношением
mt=fм/ip,
(13.7)
где tм и tp - машинная и реалъная независимые переменные.
Масштаб времени выбирается из условий необходимости замед­
ления или ускорения исследуемого переходного процесса, возмож­
ности его регистрации и воспроизводимости на используемой АВМ_
При mt> 1 переходный процесс на модели замедляется в mt раз.
По выбранным масштабам и известным коэффициентам при пе­
ременных в преобразованных уравнениях рассчитываются коэффи­
циенты передач kii решающих блоков:
для суммирующего (масштабного) блока
( 13.8)
где i - номер решающего блока; j- номер входа решающего бло­
ка; щ - коэффициент в преобразованном уравнении, стоящий перед_
переменной, поступающей на вход решающего блока; твых и твх­
масштабы выходной и входной переменных величин;
237


для интегрирующего блока
kij=aim•ыxf(m0xm1);
(13.9)
для суммирующего блока, на вход которого подается произве­
дение двух величин,
ki1= lOOaimвыxf(m 0xxmнxy);
(13.10)
для интегрирующего блока, на вход которого поступает произ­
ведение двух величин,
kif = 100a1mвыxf(m0xxmвxYmt>·
( 13.11)
Для схемы набора модели уравнения ( 13.2) коэффициенты пе­
редач рассчитываются по формулам ( 13.8), ( 13 .9):
k11 -:-a1/m 1; k 12 =a2mx,f(mxmt); k21 =mxf(mx,mt), k 31 = 1.
Обычно АВМ позволяют
устанавливать коэффициен­
ты передач решающих бло­
ков в пределах 0,01 -< .ki j-<.10 .
Настройка этих коэффици­
ентов производится на мас­
штабном блоке, выход кото­
рого подается на вольтметр,
а на вход подключается
входное переменное сопро-
Uвхt Uвx.z Ивхз Uвх1; Ивхs Ивх=х '"х тивление (при kij< 1 значе-
ние Rвх i=l=-1 МОм, при k;i> l
значение Rвх i=l=-0,1 МОм):
Рис. 13.2 . Кривая, аппроксимирующая не­
линейцую зависимость
На входное сопротивление
подается эталонное напря •
жение (100 В при kij<l и 10 В при kij>l) и изменением величины
Rвх j устанавливается требуемое напряжение на выходе решающе-
.
го блока. Отношение выходн'ого напряжения к входному определя­
,ет значение коэффициента передачи. Перед началом настройки ко­
эффициентов должны быть проверены и установлены нули решаю­
щих блоков так, чтобы при отсутствии сигнала на входе усилителя
на его выходе был нулевой потенциал.
Дифференциальные уравнения электрических машин могут со­
держать различного рода нелинейности. Нелинейная операция пе­
ремножения переменных величин реали:зуется на АВМ блоком про­
Jfзведения, а функциональная зависимость воспроизводится функ-
,. циональным блоком приближенно - методом линейно-кусочной ап­
проксимации. Основным элементом функционального блока явля­
ется диодная ячейка, воспроизводящая в любом, но в одном, квад­
ранте функцию
у=± k(Х-Хна~),
где k=O при lx/ ~ /хначl и k=const при lx/ > /хначl-
238
-
(13.12)


Совокупность нескольких диодных ячеек позволяет воспроизво­
дить любую линейно-кусочную монотонную функцию. Рассмотри:м<
однозначную непрерывную на определенном интервале нелинейную­
зависимость y=f (х), представленную с учетом масштабов пере­
менных на рис. 13.2. Используя метод линейно-кусочной аппрокси-·
мации, эту зависимость можно представить выражением
i=Б
ymy= ~ ki(X-Xнaчi>mx,
i=1
(13.13}
где ki - коэффициент, определяющий крутизну характеристики ди­
одной ячейки; Хнач i - значение х в начале каждого отрезка раз­
биения аргумента; i - номер отрезка.
Точность аппроксимации заданной фушщии определяется чис­
лом отрезков ломаной линии. Принадлежность диодной ячейки к:
тому или иному квадранту определяется положением последующе­
го отрезка разбиения по отношению к предыдущему (на рис. 13.2:
квадранты отмечены римскими цифрами). По выражению (13.13)
и аппроксимирующей кривой (рис. 13.2) составляется карта наст­
ройки нелинейного блока, приведенная в табл. 13.2. Ограничением,
по х (установкой отпирающего напряжения Иотп) осуществляетсЯI
включение необходимой диодной ячейки, а настройкой f (х) устанав­
ливается требуемая крутизна характеристики диодной ячейкI:I
(ki = Ивых;/:Ивхi) .
Таблица 13. ~
l(вадранты
1
1
IV
Диоды·
1
2
3
4
1
5
6
Ограничение
(Uотп)
ПО
xl
о
Ивхl
Ивх2
1
Ивх3
Ивх4
Настрой-
Ивх 1 Ивхl
Ивх2
t1вх3 1 Ивх4 Ивх5
каf(х)
Ивых 1 Ивыхl Ивых2
Ивых3 1 Ивых4 Ивых5
Набор модели. После настройки коэффициентов передач и нели­
нейных блоков производится коммутация решающих блоков соглас­
но составленной схеме набора модели. На интегрирующих блоках
путем зарядки конденсаторов устанавливаются начальные условия"
выраженные в масштабе выходных переменных. Для схемы модели­
рования, представленной на рис. 13.1,
- (dxjdl)0 = -тх,с1; Х0 -тхс2 •
После набора задачи на АВМ осуществляется пробное решение"
позволяющее уточнить масштабы переменных величин. При этом
необходимо следить за тем, чтобы решающие блоки не выходили
за пределы линейности, т. е. чтобы их выходное напряжение не пре-
вышало +100 В.
.
При использовании малых АВМ с недостаточным числом ре-
239


tпающих блоков допускается параллельная работа нескольких мо­
.делирующих установок. В этом случае АВМ, с которой ведется уп­
равление, является ведущей, а остальные АВМ - ведомыми.
Фиксация решения. Система управления _ АВМ позволяет много­
:кратно воспроизводит!, процесс решения задачи (кнопки «Пуск» и
-«Исходное положение») и останавливать исследуемый процесс в
желаемые моменты времени (кнопка «Останов»). В связи с этим
решение может фиксироваться визуально на экране осциллографа,
Еепрерывно с помощью записывающих регистраторов (двухкоорди­
;натных самописцев) и измерением дискретных значений цифровыми
измерительными приборами.
В практике исследования электрических машин на АВМ широко
яспользуется система относительных единиц. При этом в качестве
<iазисных величин принимаются:
•
И6 = V2И~.ф- амплитуда номинального фазного напряже­
. :ния,
В;
1 6 = }121~-Ф- амплитуда номинального фазного тока, А;
Zб= Uбilб= Ин.ф/lн .Ф - входное сопротивление, Ом;
Pб=m1Ur,lб/2=m1Uн.фlн .ф - мощность, Вт (т1
-
число фаз);
ffiб = (i)c = 2лf1- синхронная электрическая угловая скорость,
J)ад/с;
tб= 1/ffiб= 1/2лf1 - время, с;
wб=Ибtб= v2ин.ф/(2лf1)- потокосцепление, В-с;
Lб=Zб/(i)б= (,Uн.ф//я.ф)/ (2лf1) -индуктивность, Гн;
Мб=РРбfщ=рm1Ин.фlн.ф/(2лf1) -момент, Н-м (р - число пар
fIOЛIOCOB);
lб=PMfiб!(i)б - мом,ент инерции, кг-м 2 .
При · использовании системы относительных единиц физический
<:мысл уравнений электрических машин сохраняется, но время про­
;екания электромеханических переходных процессов при модели­
ровании возрастает в (i)б раз. Это замедление необходим°" учиты­
:Бать при выборе масштаба машинного времени.
Выбор в качестве базисной угловой скорости синхронной элект­
рической угловой скорости позволяет заменить в уравнениях эле­
хтрических машин относительные индуктивности численно равными
,относительными индуктивными сопротивлениями ( L/Lб = Х/ Хб).
Параметры электрических машин при моделировании на АВМ -
•. :величины заданные. Они должны быть заранее определены либо
· расчетным, либо опытным путем. В дальнейшем все уравнения эле­
:ктрических машин записываются в относительных единицах. Ис­
nользование абсолютных единиц будет специально оговариваться.
Вопросы для самопроверки
1. Перечислите этапы постановки задачи на АВМ.
2. Как составляется схема набора модели на АВМ?
3. Из каких условий выбираются масштабы переменных?
4. Как рассчитываются коэффициенты передач решающих блоков и как осу-
1Цествляется их настройка?
5. Как воспроизводится на АВМ нелинейная зависимость?
6. Как устанавливаются начальные условия?


Глава 14
ИССЛЕДОВАНИЕ НА АВМ АСИНХРОННЫХ
МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ
§ 14.1 . АСИНХРОННЫА ТРЕХФАЗНЫП ДВИГАТЕЛЬ
С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
Для исследования динамических режимов асинхронных двига­
телей наиболее часто используются дифференциальные уравнения
асинхронной машины, выраженные в системе ортогональных коор­
динат а, ~' неподвижных относительно статора [4, 15]. При обще­
принятых в теории асинхронных машин допущениях дифференци­
аль&ые уравнения напряжений симметричного асинхронного двига­
теля с короткозамкнутым ротором в относительных единицах за­
писываются в следующем виде:
Uas = г sias +dФas/d t;
I
Щs= rsi~s +dФ@sfd t;
O=rR~aR+d'faRfdl+ ФR'f~R;
0= гRiм+ dФм!d t- юRФaiR,
где напряжения питания
Иas=COS U+Yo); щs-sin и+У с),
потокосцепления обмоток статора и ротора
/fas=Xsias+xmi"д; /faR=XяiaR+Xmias; }
Ф~s=Xsi~s+xmi~R; 'f@R=XRi ~R+xmi~s-
• (14.1)
(14.2)
(14.3)
3дecь индуктивные сопротивления фаз обмоrок статора и ротора
где Г&, Xas - активное сопротивление и индуктивное сопротивление
рассеяния фазы обмотки статора; rR, Хан - активное сопротивление
и индуктивное сопротивление ра'ссеяни_я обмотки ротора, приведен­
ные к числу витков и числу фаз обмотки статора; Хт - сопротивле­
ние взаимной индуктивности.
Все указанные параметры тождественны сопротивлениям, вхо­
дящим в схему замещения асинхронной машины для установив­
шегося режима, и выражены в относительных единицах. Выраже­
ния для базисных величин приведены в гл. 13.
Если ротор двигателя вращается с переменной угловой скоро~
стью, то его движение описывается уравнением
JdФR/df+M~aгp=Mэ,
(14.4)
где J - относительное значение момента инерции ротора и приве­
денного момента инерции нагрузочного ' механизма; ШR - электри­
ческая угловая скорость ротора, отн. ед.; t - относительное время;
9-761
241


Мнаrр - момент внешни х сил, отн. ед.; Л1э
-
электромагнитный МG­
мент двигателя, отн. ед.:
Mз=Ф~sias-Фasi~s-
(14.5)
Уравнения (14.1)-(14.5) описывают электромеханические про,­
цессы в асинхронном двигателе. Для построения аналоговой моде­
ли наиболее удобны уравнения, в которых искомыми переменными
являются потокосцепления. В этом случае модель требует мини­
мального числа решающих элементов и получается устойчивой. •
Чтобы исключить токи, выразим их через потокосцепления"
используя уравнения ( 14.3):
i.s
(14.6)
Тогда система уравнений, преобразованная к виду, удобном.у
для моделирования, запишется как
dФas/di=COS_{t+vo>-a1Фas+a2ФaR; \
dФ@.s/di= sin (t+vo)- -a1Ф@s+a2Ф@R;
dФaR/dt =азФаs-а4ф~R- (l)R'f~R;
d'-/J ~R/d t =азФ~s- а4ф~R+ (l)R'f"R;
d(l)R/di=a5(Mз-Mиaгp);
Мэ=а5 <Ф@sФaR--Фas'f~R)-
Здесь коэффициенты при переменных
1
a1=ГsXR/(XsX.R-'-X';,,); a2=ГsXm/(XsXR-X~). )
a3=ГRXm/(XsXR-x~); a4=ГRXs/(xsXR-x';,,) ;
а5 = 1/J; a 6=Xm/(XsXR-x~).
(14.7)
(14.8)
В преобразованной системе уравнений (14.7) токи в явном виде
отсутствуют, однако при необходимости они могут быть определе­
ны из алгебраических уравнений ( 14.6).
На основании системы дифференциальных уравнений (14.7) со­
ставляется схема набора модели асинхронного двнгателя (рис. 14.1,
а), которая содержит четыре блока произведения БП, пять интегро,­
сумматоров; один сумматор и шесть инверторов. При необходимо­
сти определения токов статора и ротора схема должна быть допол­
нена еще четырьмя сумматорами (рис. 14.1, 6), реализующими
уравнения
242
ias=a1'fas-aвФaR; iаR=авФаR-абФаs; }
i~s=a1Ф~s-a5ф~R; i~R=asФ~R-aвФ~s,
(14 .9)


(14.10)
5)
Рис. 14.1 . Схема моделиР'ования уравнений асинхронного двигателя с ко­
роткозамкнутым ротором
Первые два уравнения системы (14.7) содержат гармонические
функции напряжений питания, которые формируются специальной
схемой генератора гармонических колебаний (рис. 14.1, в). Такой
генератор реализует дифференциальное уравнение маятника
d 2y/dt2=-Y,
(14.11)
где y=sin (1t+y0); при t=O значения Yo=sinyo, Yo'=.cosyo.
Для образования гармонических функций на АВМ потребуется
еще два интегратора и один инвертор.
9*
246


Цель работы - иссле дов ;н11-н:> nсно131-п,тх дтт.т-~ам·~лт р ,ч,-н :v ч ста­
тич еских характеристик трехфа з ного асинхронного двигателя с ко­
роткозамкнутым ротором.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Набрать на АВМ модель системы дифференциальНЬ!Х уравне~
ний асинхронного двигателя.
2. Произвести пуск двигателя. Определить ударный момент"
ударный ток и время пуска при холостом ходе (Мнагр=О) и номи­
нальной нагрузке (Мнагр=Мн) -
3. Осуществить наброс нагрузки в установившемся режиме с
Мнагр=О до Мнагр=Мн. Определить пиковые значения тока, момен­
та и время переходного режима.
4. Снять механическую характеристику двигателя в установив ­
шемся режиме ffiR = f (Мэ) в диапазоне частот вращения ротора от
синхронной (юя=юс) до критической (юя=юянр). Определить пе­
регрузочную спосо.бность двигателя.
5. Определить кратности пускового момента и пускового тока R
установившемся режиме к5>роткого замыкания.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
Перед началом исследований следует ознакомиться с паспорт­
ными данными двигателя и рассчитать базисные величины (табл.
14.1), относительные значения параметров и коэффициенты при пе­
ременных в преобразованных уравнениях (см. (14.8)]. Абсол ютные
значения параметров должны быть заранее известны.
•
Таблица 14.1
Базис- U6, В 16, А z6,
ооб, tб, с tJiб, Рб, Вт Мб, .16,
ные ве-
личины
Ом рад/с
В-с
Н•м кr-м2
Расчет•
Uб
1
3
рРб РМб
ные фор- ✓2Ин.Ф f21н.ф
21r,/ 1 -
Uбtб 2 Ибlб
---г
мулы
16
ооб
006
ооб
Набор модели. Для расчета коэффициентов передач решающих
блоков необходимо выбрать масштабы переменных величин. Из
практики моделирования пусковых режимов асинхронных микро­
двигателей могут быть рекомендованы следующие масшт а бы: на­
пряжения mu= 100 В/ед.; тока m;=20 В/ед.; потокосцепления m,p=
=50 В/ед.; угловой скорости mro= 100 В/ед.; момента тм=50 В/ед.;
времени m1=0,5; гармонических функций rny=my, =mи.
По выбранным масштабам, используя формулы ( 13 .8)- ( 13.11),
рассчитываются коэффициенты передач решающих блоков (табл.
14.2). Коэффициенты передач решающих блоков, использу е мых в
качестве инверторов, равны единице.
244


Таблиц а 14.2
-
11~
""
Коэффи- ;
""
"'
-
"'
"'
~-
"'
""
""
"'
~~
,.._
~
~ с-,-'1! ~
.с\!
.с\!
.с\!
.с\!
.с\!
.с\!
.с\!
.s> 11
циенты
11
11
IJ
IJ
11
11
11
11
11
11
.с\! -
11
передач
11 :::
-
""
"'
;;;
"'
"'
-
-
-
-
.,.-'1!
::
~~~
"'
"'
u:,
"'
00
О>
~11
.с\!
.с\!
.с\!
.с\!
.с\!
.с\!
- <\!
- <\!
Расч~т-
~~_!:1_~ 100 ~ asm"
1 а5тм а7т; a5m1 а8т1
ные фор-
мулы mumt mt mt mt m"mt mt тмт1 mt О,Оlт: тф тф
тф
Осуществив настройку _коэффициентов передач на соответству­
ющих решающих блоках, набирают модель в соответствии со схе­
мой (рис. 14.1). На выходах блоков интегрирования 6 и 7 устанав­
ливают начальные условия (В)
,
Yo=mu cos Vo; -Yo=-mu siп V0 •
При нулевой начальной фа-
зе питающего напряжения на wR, o е М3, о.е
интеграторе 6 устанавливается
~----
t-.-~ -~
~
--
-
-
напряжение 100 В. Остальные
блоки интегрирования имеют
нулевые начальные условия.
На вход сопротивления R51 по­
дается напряжение, характери­
зующее нагрузку двигателя в
масштабе момента.
Пуск двигателя. Процесс
пуска асинхронного двигате­
ля сопровождается значитель­
ными бросками тока и электро­
магнитного момента. На рис.
14.2 показан характер измене­
ния переменных iu. s , Мэ . и ffih
при пуске двигателя. без на­
грузки. Ударные значения мо­
мента (рис. 14.2, а) и тока
1,0
1n
,,.,
о
·--;---
-·1
•
'
i
(
2,0 г-·-1--1-Н---!--'--~--+--г 1
о
!!д
Б)
(рис. 14.2, б) наблюдаются в р 14 2 о
нс. . . сциллограммы пуска асин-
течение первого полупериода:
хронноrо двигателя вхолостую
изменения. По окончании про-
цесса пуска без нагрузки (идеальный холостой ход) электромаг­
нитный момент становится равным нулю, а частота вращения рото­
ра достигает синхронной. Соблюдение этих условий свидетельст­
вует о правильности набора модели на АВМ и балансировке опе­
рационных усилителей. Осциллографируя зависимости iu.s, Мэ, WR
в функции t, определяют ударный ток, ударный момент и время
пуска. Отметим, что ток iu.s равен ммювенному значению тока · в
одной из фаз обмотки статора. Для нахождения времени пуска - 1•
времени, за которое ротор, находящийся в неподвижном состояниu/
245


достигает установившейся частоты вращения, используется ма­
шинный отметчик времени. Значения переменных в реальных еди­
ницах пересчитываются по формуле
(14.12)
,где Хр - реальное значение переменной; Хм
-
значение машинной
переменной, В; Хб - базисная величина; т:х;
-
масштаб.
При исследовании пуска двигателя под нагрузкой момент на­
грузки устанавливается заранее с помощью делителя эталонного
напряжения. При номинальной нагрузке подаваемое на вход сопро­
тивления Rы * напряжение (В) рассчитывается по формуле
Мщр.н=9,55(Р.Rнfnн)(тм/Мб),
(14.13)
где Р Rн - номинальная мощность двигателя, Вт; пи
-
номинальная
частота вращения ротора, об/мин.
Наброс нагрузки. Вначале осуществляется пуск двигателя без
нагрузки. По. достижении ротором установившейся частоты враще­
ния на вход сопротивления R51 от делителя эталонного напряжения
подается сигнаJI, соответствующий номина.1ьной нагрузке [ см.
(14.13)].
Как и пуск двигателя, наброс нагрузки сопровождается броска­
ми токов и электромагнитного момента. Осциллографируя i,,,s и
Мэ, определяют их пиковые значения. Время переходного режима
оvсчитывается от момента наброса нагрузки до момента достиже­
ния ротором номинальной ча-стоты вращения.
Перегрузочная способнос,ть двигателя. Аналоговую модель дви­
гателя можно испо.r~ьзовать для исследования как переходных про­
цессов, так и установившихся режимов.
Для снятия механической характеристики двигателя u:,н=f (Мз)
в установившемся режиме осуществляют пуск двигателя без на­
грузки и по достижении ротором- синхронной частоты вращения
увеличивают с определенным шагом момент нагрузки (ЛМнагр:::::::;
:::::; 0,25 Мнагр.н). Регистрация электромагнитного момента и частоты
вращения ротора пrоизводится обычно цифровыми приборами АВМ
по окончании переходного процесса наброса нагрузки, когда Мэ=
=Мнагр и ffiн=•const.
Для более точного опреде.JJения максимального электромагнит~
ного момента изменение нагрузки при частотах вращения, близких
к критической, осуществляют с малым шагом. При этом определяют
два момента нагрузки, отличающихся на малую величину. При
меньшем значении момента двигатеJ1ь работает устойчиво, а при
большем - частота вращения ротора уменьшается до нуля. За мак­
симальное значение электромагнитного момента принимается пер­
вое значение. Перегрузочная способность двигателя определяется
по отношению максимального момента к номинальному: kм=
=Мэ.манс/Мн.
* В схеме моделирования (рис. 14.1) сопротивлению Rs1 соответствует коэф­
фициент передачи ks1.
246


Режим кор от 1..,rо 3.i,,ii><n.anШi. I3 ::, ·юм pt.mri .ivi t ро т ор двигателя
неподвижен (ffiн=O). Реальный двигатель не может длительно на­
ходиться в таком режиме из-за больших токов короткого замыка­
ния, вызывающих перегрев~шие обмоток. При проведении исследо­
ваний на аналоговых моделях такой опасности не существует.
Для реализации режима короткого замыкания на АВМ необхо­
димо отключить интегратор 5, моделирующий уравнение движения
ротора. Тогда модель будет решать лишь электромагнитные пере ­
ходные процессы. После их окончания с помощью цифровых при­
боров машины фиксируют установившиеся значения тока iasк и
электромагнитного момента Мэ.к, по- которым рассчитывают крат­
ность пускового то1,а и кратность пускового момента:
ki=lsкfl~=i«sкfбl(Y2m/н); kм=Мз.кfМн=М11.кМб/(тмМн},
1·де iaSк - амплитудное значение установившегося тока короткого
замыкания на модели, В.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
В асинхронных двигателях малой мощности ударные значении
пусковых моментов и токов практически не зависят от момента со~
противления. С увеличением момента нагрузки возра~тает лишь
Dремя пуска двигателя. Относительные значения ударных момен­
тов и токов в микродвигателях значительнQ меньше, чем в маши­
нах большой мощности, за счет бо.пьшеrо активного сопротивления
обмотки статора. Ударный момент определяется токами переходно­
го режима и вследствие этого от.1шчается от начального пускового
момента, найденного из режима короткого замыкания двигателя.
При набросе нагрузки пиковые значения моментов и токов за­
висят от изменения момента нагрузки, но не превышают значений
ударных моментов и токов при пуске.
-
Полученные в результате исследования установившихся режи­
мов работы асинхронного двигателя его. перегрузочная способ­
ность и кратности начальных пусковых тока и момента рекоменду­
ется сравнить с каталожными данными двигателя. Наблюдаемое
при этом различие расчетных и каталожных данных объясняется
тем, что в настоящей работе моделируется идеализированная ма­
шина, в которой не учитываются потери в стали, механические по­
тери, изменение параметров, высшие гармонические.
Приведенная выше программа работ, ставящая целью приобре­
тение навыков исследования асинхронных двигателей на АВМ и
иллюстрацию возможности метода математического моделирова­
ния, охватывает .1ишь элементарные исследования. Однако описан­
нан здесь моделt, может быть использована для решения более
широкого круга задач.
Вопросы для самопроверки
1. К:акие данные являются исходными при ,исследованин пуска асинхронного
двигателя?
2. Какие велич ины являются базисными?
247


3. Во сколько раз изменяется время протекания переходных процессов при
использовании системы относительных единиц?
4. Как выбираются масштабы переменных величин?
.
5. Как преобразовать дифференциальные уравнения к виду, удобному для
моделирования?
6. В чем сосrоит принцип состав ле н,ия схемы модел,ир-ования преобразован­
ных уравнений?
7. Каким образом воспроизводятся на АВМ гармонические функции?
8. Объясните различие между ударными и установившимися _значениями
пусковых токов и моментов.
9. Чем определяется время пуска асинхронного двигателя?
.
10. Какие внешние возмущения вызывают в асинхронном двигателе .пер.еход­
ные процессы?
11. Каково соотношение электромагнитного момента и момента нагрузки в
установившемся режиме?
12. Как определить перегрузочную способность двигателя?
_13. Как осуществить режим короткого замыкания реального двигателя и его
модели?
§ 14.2 . АСИНХРОННЫИ КОНДЕНСАТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
В большинстве случаев асинхронный конденсаторный д1щгатель
(АКД) состоит из симметричного короткозамкнутого ротора и
двухфазного статора. При этом фазы об­
мотки статора расположены в nростран­
стве под электрическим углом 90° ,И име­
ют различные числа витков. В одну из
U°':; фаз двигателя включен конденсатор (рис.
14.3).
о·. Дифференциальные уравнения такого
двигател?. в системе координат а, ~ в от­
носительных единицах могут быть запи-
р 143э
саны в следующем виде {4, 15]:
нс. . . лектрическая
схема асинхронного кон-
уравнения электрического равновесия
денсаторного двигателя напряжений uбмоток статора и ротора
• l l1 =Ua.s=rasias+dФasfdt; U1 -Uc=Щs=Г~si~s+dФ~s7dt; }
о..+
(J4.14)
=ГaR'taR dфaRldt+шRФм; O=raRi~R+dФ~R/dt-шRФaR;
уравнения потокосценлений обмоток статора и ротора
Фas=Xasias+xт)aR; ф"R=XaRiaR+xm,.ias;
Ф~s=X~si~s+ kXmai~R; Ф~R=XaRi~R+ kxmi~s-
} (14.15)
Здесь И1 =sin(t +vv)- мгновенное значение питающего напряже-
ния сети;
uc__;_Xc Jiмdt- напряжение на конденсаторе;
icт.s, ir,s --реальньrе токи в фазах обмотки статора, отн. ед.; icт.R, i1ш -
токи ротора, приведенные к фазе а обмотки статора; rcт.s, rr,s- ак­
тивные сопротивления обмопш статора; Гст.R -- активное сопротив­
J1ение обмотки ротора, приведенное к фазе а обмотки статора;
полные индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора
Xas=Xa11 s+Xm11.; X~s=Xa~s+ k 2Xma.; Xa.R=XaaR+xm,.;
248


Xoas, x011 s - индуктивные сопротивления рассеяния фаз обмотки
статора; Хаан - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ро­
тора, приведенное к фазе а обмотки статора; Хта - сопротивление
Езаимной индуктивности фазы а обмотки статора с обмоткой рото­
ра; хе - реактивное сопротивление
конденсатора; k=
= u·r,kor,/ (Wakoa) -- отношение эффективных чисел витков фаз об­
мотки статора.
Уравнение движения ротора (отн. ед.)
JdwR/dt+Mнaгp=M 9 ,
(14.16)
где J - момент инерции ротора и вращающихся с ним масс; @н
-
электрическая угловая скорость ротора; t- относительное время;
М-нагр - момент внешних сил; Мэ
-
электромагнитный момент дви­
гателя:
(14.17)
Система ураnнений (14.14)-(14.17) описывает электромехани­
ческие процессы в асинхронном конденсаторном двигателе.
В тех случаях, когда токи в эквивалентных обмотках ротора
интереса не представляют, они могут быть исключены из рассмот­
рения, если их выразить через потокосцепления. Из уравнений
(14.15) найдем
; _ Xaso/aR- ХтаЧ1аs
.
·
X@so/@R-kxmao/@s
~,,.R-
··
2
,
l@R
kZ2
(14.18)
XaSXaR-Xma
X@Sx,,,R- Хта
Тогда электромагнитный момент АКД запишется в виде
Токи статора могут быть определены из (14.15):
(14.20)
С учетом ( 14.18)-( 14.20) система уравнений, преобразованная
к виду, удобному для моделирования, запишется как
dФ"sfdt= sin (t +vo)-a1Фas+a2ФaR;
dФ,sfdt=щs-aзФ~s+a4ф~R;
dф".Rfdt=as'fas-aбФaR-wRФ~R;
d'f~R/dt=a7ф~s-aвФ@R+шRФaR;
duc/dt=a 9i@s; Щs= si,n U+v0)-uc;
(14.21)


!50
Здесь
r«sx«R
г"sхт"
а1=
2
а2=
2
x._r«R-x.,,,a.
Xa.Sxa.R-Xma.
-
ГpsX«R .
Гpskxm« .
аз-
2,а4=
2,
XpsX,,.R -k2xm"
xf,sX"R-k2xm«
a 5=a2ra.Rlra.s; a6=a5xa.s1Xm«;
a 7=a4r,,.R/rps; a 8=a7xps/(kXm«>;
а9=Хс; а10 = l/J; а11 = k; а12 = 1/k;
a13=a1fr«s; a14=aJr"s;
a15 =aэfrfJs; a 16 =aJrfJS•
БПz
sin(t+У0)
БИ1
(14.22)
Ряс. 14.4. Схема моделирования уравнений асинхронного конденсаторного
двигателя


С~ема моделирования системы дифференциальных уравнений
(14.20 приведена на рис. 14.4. Она содержит пять интеrросумма­
торов', три интегратора БИ, четыре блока произведения БП, четы­
ре сумматора БС и восемь инверторов. Гармоническдя функция на­
пряжения питания воспроизводится схемой гармонических колеба­
ний (см.§ 14.1), набранной на интеграторах 7 и 8.
Цель р а боты·- исследование динамических характеристик
асинхронного конденсаторного двигателя с короткозамкнутым ро­
тором и поиск оптимаJ1ьных значений емкостей: конденсатора.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Набрать на АВМ схему моделир_ования асинхронного кон­
денсаторного двигателя.
2. Исследовать влияшJе емкости конденсатора на пусковые и
рабочие свойства двигателя: а) определить установившиеся значе­
ния пус-ковых токов ia.sк, i~sк, момента Мз.к и напряжений на кон­
денсаторе Иск и конденсаторной фазе и~sк при ffiR=O; б) осущест­
вить пуск двигателя без нагрузки; определить время пуска tп, час­
тоту вращения холостого хода ffiRo и напряжения исо и и~80 при
u.>я=rоно; в) снять механические характеристики двигателя в ус­
тановившемся режиме.
3. Выбрать пусковую Сп и рабочую Ср емкости конденсатора,
обеспечивающие заданные технические uоказате.аи двигателя в
в динамическом и установившемся режимах.
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
Перед началом исследований СJ1едует ознакомиться с паспорт­
ными данными двигателя и рассчитать базисные величины (та~л.
14.3), относительные параметры и коэффициенты при переменных
в преобразованных уравнениях по ( 14.22).
••
Таблица 14.3
1
Бааисиые U6 ,B 16, А zб, Wб, tб,с/Wб, Рб,Вт Мб, 16,
величины
.
!
Ом рад/с
В-с
Н•м КГ•м2
Расчетн·ые
✓-!Uб
1
рРб рМ6
формулы 'Jf2U1н
211.J
2л/ 1 - Uбtб Uбlб
(1)2
1lб
Wб
щб
6
1
Абсолютные значения параметров должны быть заранее опре­
делены расчетным или опытным путем.
Набор модели. При исследовании двигателей: малой мощности
д.~я расчета коэффициентов передач решающих блоков могут быть
рекомендованы следующие масштабы переменных величин: напря­
жений ти1=тиа=-100 В/ед.; mut1=U1u1i=mи1/(2k); токов m;~=
=20 RJP.n.; mi,=km,a; потокосцеплений m,.,.=50 В/ед . ; т.о==
j~·
''
' ·.-


=irч,a/(2k); угловой скорости m"'= 100 В/ед; момента mм=ЗО В/ед;
времени mt=0,5. Коэффициенты передач решающих блоков р~ссчи­
тываются по формулам (13.8)-(13.11) и заносятся в табл. 14Ч.
Таблица 14 .4
К:оэффици-
k11 k12 k1з k21 k22 k2з kз1 kз2 kзз k41 k42 k43 k51
енты
· передач
Расчетные тф" ~ ~ тф" ~ аз ~ 200k !:о. .!!.! .. 50 ав agmuk
---
формулы mu1mt mt fflt mu1mt т1 т1 т1 m"'mt mt fflt km"'mt mt т 1~ т 1
Продолжение табл. 14.4
Расчет- а1от"' i\ l
~aн;k2m. a 1e,k2m1" а 1зтiа. a14mia 100тм 200kтм
ные фор-
-
\Q
la
мулы тмтt mt
'
О,5тФа О,5тФа тФа то/а тф"т1"k mo/,. mia
Осуществив настройку коэффициен.тов передач, приступают к
набору модели АКД в соответствии со схемой моделирования (рис.
14.4). На выходе блоков интегрирования 7 и 8 устанавливают на­
чальные условия (В)
,
Yo=mu1 cos Уо; -Уо= -mu1 Уо,
где у0 - начальный фазовый угол питающего напряжения.
Исследование влияния емкости конденсатора на пусковые u
рабочие свойства двигателя . Выполнение этого пункта программы
связано с перестройкой на модели коэффициента передачи ks1 =
= Xcmu1! (2k 2m1a.m1). Для сокращения времени на перестройку реко­
мендуется выполнят,, всю программу исследований, предусмотрен­
ную п. 2, для каждого значения емкости конденсатора. При указан­
ных масштабах переменных модедь позволяет реализовать
изменение относительного реактивного сопротивления конденсатоs
ра в диапазоне О,О,! k2 <xc<4k2.
При определении установившихся значений пусковых (rоя = О)
токов ia.sк, i~sк, момента Мэ.к, напряжений Иск и Ирsк интегратор 6,
моделирующий уравнение движения ротора, должен быть откл19-
чен. По окончании электромагнитных переходных процессов с по­
мощью цифровых приборов машины фиксируют амплитудные зна­
чения искомых величин. Связь между машинными значениями пе­
ременных и их реальными величинами устанавливается выражением
( 14.2).
Для нахождения времени пуска двигателя из неподвижного со­
стояния до установившейся частоты вращения используется машин-
252


11ый о~етчик вреиени. ПодЕJ1ючив интегратор 6 и осуществив пуск
дВиt"атфля на модели без нагрузки (Мнагр=О), по осциллограмме
WR=f(t) опредею1ют время пуска tп, частоту вращения холостого
.хода ШRо (рис. 14.5) и нестабильность частоты вращения No=
·-
= ( ffiRмa1,c-ffiRмин) /ШRО• С ПОМОЩr>Ю цифровых приборов АВМ фик­
СИJ)УЮТСЯ напряжения Исо и Щsо-
Механические характеристики двигателя ШR=f (Мэ) в устано-
13ившемся режиме снимаются по методике, изложенной в § 14.1 .
(1)
t
Рис. 14.5 . Осциллограмма угловой
скорости ротора АКД при пуске
t;, ',/'1 \
{JL------------- ..,.. -- '-
c
Рис. 14.6 . Кривые, показывающие
влияние емкости конденсатора на
пусковые свойства АКД
ёБ АКД при емкости конденсатора, не обеспечивающей круrоме
"Вращающееся поле, электромагнитный момект содержит пульси­
·рующую с двойной частотой составляющую. В этом случае фикси­
'])уется средний врашающий момент, равный моменту нагрузки
(Мэ.ср=Мнагр). При снятии мы:анических характеристик АКД оп­
·ределяются также токи ir:xв, i138 и напряжение на конденсаторной
фазе Щs-
Выбор пускового и рабочего конденсатора. По результатам ис­
•следований строятся зави~имости искомых величин от емкости кон­
денсатора (рис. 14.6). Пусковая емкость Сп выбирается из условия
•обеспечения минимального времени пуска при заданных кратнос­
тях начальных пусковых токов и момента; рабочая емкость конден­
сатора Cr, -
из условия обеспечения номинальной мощности при
заданной кратности максимального электромагнитного момента и
допустимой степени эллиптичности магнитного поля. Оценка эллип­
тичности осуществляется с помощью осциллографа по фигурам
.Лиссажу. Для этого, установив одинаковое усиление по осям осцил•
Jiографа, подают на его пластины токц_ модели ias и i138 . В устано•
·вившемся режиме при рекомендованных масштабах токов на экра­
·не осциллогр.афа появится в общем случае эллипс, а при выполне-
253


"
нии условий образования кругового вращающегося пашr -ркруж-
ность. По соотношению осей элJшпса можно судитъ о; 4тепени
эллиптичности магнитного паля (см. § 1.2).
'
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
В общем случае в воздушном зазоре АКД образуется эллипти­
ческое магнитное поле. Наименьшую степень эллиптичности поля
(круговое вращающееся пcJie) можно получить лишь при одной
впоJiне определенной емкости (см. § 5.3). С увеличением емкости
степень эллиптичнос'Ги поJiя вначале уменьшается, а затем возрас­
тает. Пусковой момент достигает максимального значения при ем-
. кости
нескоJiько большей, чем емкость, обеспечивающая наимень­
шую степень элJ:иптичности поля. Объясняется это тем, что с уве­
личением емкости возрас-rает напряжение на конденсаторной фазе.
При эллиптическом магнитном поле электромагнитный момент
АКД содержит пульсирующую составляющую, обусловленную
взаимодейст~ием тока прямой (обратной) пос,1едовательности ста­
тора с током обратной- (прямой) последовате"1ьности ротора. На­
JШчие пульсирующей составю1ющей момента приводит к увеличе­
uию длительности переходного процесса пуска двигателя.
При неизменной емкости напряжения на конденсаторе и кондек­
саторной фазе не остаются постоянными в процессе пуска. Макси­
мальные значения напряжений ис и Щ,s наблюдаются при холостом
ходе. Частота врашения холостого хода уменьшается с возрастани­
ем эллиптичности поля вслед,ствие увеличения тормозного момента
от токов обратной последовательности.
Анализ характеристик двигателя в установившемся режиме при­
.веден в § 5.1, 5.3.
Вопросы для самопроверки
1. Назовите параметры, входящие в систему дифференциальных уравнений
Аl(Д.
2. Какой диаnазон варЬ'иров,ання реактивного сопротивления конденсатора
позволяет реализовать модель АКД?
3. Коэффициент пе,редачи какого блока подлежит перестройке при- измене~
нии емкости конденсатора?
4. Как определить установившиеся значения пусковых токов и момента?
5. Как связаны реальные переменные с переменными на АВМ?
6. Какова методика определения времени пуска двигателя и частоты враще~
ния холостого хода?
7. Что понимается под нестабильностью частоты вращения?
8. Как изменяется напряжение на конденсаторной фазе в процессе пуска?
9. Объясните зависимость времени пуска от емкости конденсатора.
- 10. Как изменяется частота вращения холостого хода с изменением емкости
конденсатора?
11. Почему в АКД электромагнитный момент содержит пульсирующую со~
ставляющую?
12. Объясните зависимость пускового момента от емкости конденсатора.
13. Как выбрать пусковую н рабочую емкости?


J';(ава 15
иСслЕдовлниЕ нл лвм синхронных
МИКРОДВИГАТЕЛЕИ
:§ 15.1 . ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ВХОДА В СИНХРОНИЗМ
•СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕА С АСИНХРОННЫМ ПУСКОМ
При расчетах, проектировании и испытаниях сю1хронных микро­
двигателей первостепенное значение имеет определение предельного
:момента нагрузки, при котором происходит надежное втягивание
ротора в синхронизм. Такой момент нагрузки называется мо:иентом
~хода в синхронизм. Момент входа, а следовательно. и номинальщIя
.мощность синхронных микродвигателей с асинхронным пус·ком за­
висят как от характера изменения, так и _от значений асинхронного
и синхронизирующего моментов в зоне синхронизации, а также от
момента инерции ротора и связанных с ним вращающихся масс.
(),1щ1J и то же значение момента входа может быть получено при
выборе различных сочетаний пусковых и угловых механических ха­
рактеристик, соотношен.ие и связь между которыми оаре,в_еляют
энергетические показатели двигателя в синхронном режиме.
Процесс вхождения ротора синхронного двигателя в синхронизм
:является переходаым электромеханическим' процессом и описывает­
.ся системой нелинейных дифференциальных уравнений сцнхронно_й
.:машины. В большинстве случаев механическая постоянная времени
,синхронных двигателей значительно превышает электромагнитные
постоянные времени обмоток статора и ротора. Поэтому на практике
-часто исследуют не всю систему уравнений, а лишь уравнение дви­
жения ротора, считая при этом, что электромагнитные процессы про­
"1'екают значительно быстрее механических 11:роцессов и динамиче- ;
,ские моментно-угловые и моментно-частотные характеристики
"1'Ождественны ста1ическим. Тогда исходным уравнением для нссле­
-дования процесса вхождения .в синхронизм синхронных дщ1гателей
е асинхронным пуском является уравнение движения ротора (абс.
.ед.)
(15.1)
Для явнополюсных возбужденных двигателей при частотах вра­
!Пlения, близких к синхронной (при малых скольжениях), сuнхрони­
;:зирующий момент можно представить суммой моментов:
( 15.2)
·в этом уравнении максимальные значения основного Мгт и реак­
,-ивноrо Mdqm моментов, угол сдвига угловых характеристик а, тор­
-:мозной момент Мт=М2.,+.Мdqт (Мт<О) зависят от параметров дви­
;гателя и могут быть рассчитаны по формулам, приведенным в [2,7)
,(см. также § 6.1).
255


Асинхронный моме нт в зоне синхронизации изменяется '/прямо
пропорционально с1юльжению:
м
(15.3)
где Ма е ' - крутизна пусковой ме­
ханической характеристики; s=
= (ю с -юн)/ю с - скольжение. ·
На рис. 15.1 показаны момент­
но-частотная и моментно-угловые
характеристики синхронного дви­
гателя при а=п/4.
Угол 0u, характеризующий на­
грузку двигателя, изменяется в
процессе синхронизации в широ­
ких пределах:
t
Рис. 15 .1. Угловые и механическая
Bu= S(шc-'0R)dt+Buo,
u
(15.4)
•характеристики
синхронного двига­
теля с возбуждением на роторе
где юс = 2ref 1 - электрическа~ уг­
ловая скорость поля статора;
ыл= рQн - электрическая угловая скорость ротора.
Используя уравнение ( 15.4), можно установить связь скольже­
• ния с углом нагрузки и частотой вращения ротора:
s=dBu/(щcdt); dшRfdt=-шcds/dt.
Тогда уравнен пе · двю•<ения ротора в зоне синхронизации можно
записать в виде
(1 / р) (d2Buld12) +(М:с/шс) (dfJu/ d i) +
+м,т sin (Bu +a>+Mdqm siл 20,; +м,,=Мнзгр•
(15.5)
Если принят ь в качестве базисных величин основной макси­
мальный момент и частоту собственных колебаний
Мб=М,т; iJJб=iJJo= ·v p/11,m/J; i5= 1/щп,
то уравнение ( 15.5), преобразованное к виду, удобному для моде­
"лирования, запи(пстся в относительных единицах как
(15.6)
Здесь а 1 = (!)oMac '/(юcMim) - коэффициент демпфирования; а2 =
=Mdqrn/M,m - коэффициент реактивности; а3 = (Мнагр-Мт)/М ,m -
коэффициен'Г нагрузки; t=юо! - безразмерное время.
При исследовании синхронизирующих свойств неявнополюсноr<>
двигателя уравнение ( 15.6) ~начительно упрощаетсн, так ка~< в этом
случае а=О и а2=О.
•
Для реактивного двигателя уравнение ( 15.6) принимает вид
d2B;/dt 2 =-a~dбufdt- sin 2Au+a; ,
(15.7}
256


где
а~=щоМ~с/(щсМdqт); a;=(M"aгp-Mdq,}/1Vldqm; що= V pMdqm/J~
Механические щюцессы, оrшсываемые уравнениями ( 15.6).
( 15.7), протекают в (J)o раз l\!едленнее реальных.
Схема моделирования '71;
дифференциального не- 3
линейного неоднородноrG
уравнения ( 15.6) приве­
дена на рис. 15.2. Схема
содержит интегросумма­
тор, интегратор, два бло­
ка нелинейностей, воспро­
изводящих тригонометри•
ческие функции, блок про,
изведения, реализующий
гармоническую • функцию
двойного аргумента, сум­
матор и инвертор. Сумма­
тор обеспечивает требуе­
Рис. 15.2 . Схема моделирования уравнения
}lвижения ротора синхронного двигателя
мый сдвиг угловых характеристик основного и р.еактивного момен­
тов и реа~изует решение уравнения
si,n (Bu+a)=a4 cos вu+а 5 siп Ou,
(15.8}
где
a5 =Yl-a~; a=arcsina4 •
Вхощшм сигналом схемы моделирования является коэффици­
ент нагрузки а3 • выходньтм -либо угол 0u, либо относительное
скольжение s= d0u/dт:= SuJc/(,10
.
Нача.п1,ное относительное скольже­
ние рекомендуется определять из условия
(15.9)
При выполнении этого условия момент входа в синхронизм не
зависит от начального угла наРрузки.
Цел _ь работы - исследовать процесс синхронизации синхрон­
ных двигателей с возбужденным и невозбужденным ротором .
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Набрать на АВМ схему моделирования дифференциального
уравнения, описывающего двюкение ротора в зоне синхронизации.
2, Исследовать влияние коэффициента демпфирования при его
значениях, равных 0,5; 1,0; 1,5, на момент входа в синхронизм не­
явнопо"1юсного синхронного двигателя (а2 =О).
3. · Исследовать
влияние коэффициента реактивности при его
значениях, равных 0,25; 0,5; 1,0 1 па синхронизирующие свойства
двигателя при а,= 1 и а=О.
4. Иссле,аоват• а.JJняюrе угла сдвига моментно-угловых харак-
257


-теристик (а=О; л/4; л/2) на момент входа в синхронизм при а 1 = 1
и а2=0,5.
.
5. Определить моме!IТ входа в синхронизм синхронного реактив-
1юго двигателя при а{, равных 0,5; 1,0; 1,5.
ПОЯСНЕНИЕ И УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ
В процессе вхождения двигателя в синхронизм угол нагрузки
изменяется в широких преде.пах. Для повышения точности реше­
ния уравнения движения готора рекомендуется воспроизводить си­
нусно-косинусные зависим◊сти на нелинейных блоках Ji:ишь в диа­
пазоне изменения углов 0u от О до 2n, а для расширения пределов
изменения углов нагрузки дополнять схему моделирования устрой-
R
ством периодизации угла, собираемым
на выходе интегратора 2 (рис. 15.3).
Набор модели. Основной элемент
устройства периодизации - высоко­
чувствительное поляризованное реле
>-,._8и__ РП, замыкающие контакты :которого
КPn включены параллельно интегри­
рующему конденсатору через .разряд­
ное сопротивление R. К обмотке воз­
буждения реле прикладывается с од-
Рис. 15 :3. Схема устройст- нога конца через вентиль В1 опорное
ва периодизации угла на- напряжение Еоп, подбираемое таким
грузки
образом, что при достижении на выхо-
де инт~гратора 2 напряжения, соо:rвет­
ствующего углу 0"u=2n, реле сра,батывает и интегрирующий конден­
· сатор разряжается до нуля. При этом время разряда конденсато­
ра должно быть значительно меньше времени изменения угла 0u
от О до 2л. Это условие осуществляется подбором сопротивления R.
На интеграторе 1 (см. рис. 15.2) устанавливают начальные ус­
ловия в масштабе скольжения. I3 данной работе рекомендуется ис­
пользовать следующие масштабы переменных: скольжения ms=
= 100/2=50 В/ед.; угла нагрузки тв= 100/2:п:= 15,9 В/ед.; тригоно­
метрических функций ms1n=50 В/ед.; времени mт= 1,0; нагрузки
т~1 =50 В/ед. Тогда для выполнения условия. ( 15.9) на выходе ин­
тегратора 1 надо установить начальное скольжение (В)
.s0 =ms<1+a2 )/a 1 = 100, .
поскольку при выполнении любого из пунктов программы: работы
[ ( 1+ а2) /а1] манс~2.
При моделировании сунусно-косинусные функции аппроксими­
руются кусочно-линейным методом. Рекомендуемые кар;rы настрой­
ки не.1инейных блоков, обеспечивающие погрешность не более 2%.
приведены в табJr. 15.1, 15.2 .
В процессе син:.хронизашш двигателя при малом коэффициенте
демпфирования угол нагрузки может принимать отрицательные зна-
!58


Квадранты
Дноды
Uотп, В
вх• 6U, в
и
ивых• sin 6U,
Квадранты
Диоды
Uотп, В
Uвх, &и, В
в
U 0 ;;,x, cos6u, В
1IV
11
о
13,0
13,0 22,2
37,5 50,0
Fo
1
IV
11
2,8
о 12,О
50 37,5
1IV
22,2 27,8 37,0
27,8 37,0 63 ,0
50,0 37,5
-37,5
1
2
131
4
12,0 38,0 47,2
38,0 47,2 52,8
-37,5 -50,0 -50,0
Таблица 15.1
9
10
63,0 72,2 77,8 87,О :
72,2 77,8 87,0 10()!
- 50,0 -50,0 -37,5
()
Таблица 15.2
1
1IV
15
161
7
18
52,8 62,0 88,0 97,2
62,0 88,0 97,2 100
-37,5 37,5 50,0 50,(}
чения. Для учета sтого явления следовало бы дополнить схему мо­
делирования еще двумя нелинейными блоками, воспроизводящими
синусно-косинусные зависимости отрицательного аргумента. Одна­
ко для выполенния указанной программы работ, в которой ка­
чания ротора не исследуются, можно принять, что процесс синхро-
1шзации заканчивается, как тодько скольжение достигает нуля. При
этом yroJI нагрузки принимает .11ишь положительные значения .
Уравнение ( 15.6) записано в критериальной форме и поэтому мо­
жет быть исследовано без эадания реальных исходных данных пу­
тем дискретного варьи ~ ования ко э ффициентов г.ри переменных_ .
В большинстве сJ1учаев ЗЧ?. чения этих коэффициентов находятся в.
пределах: коэффициент демпфирования а 1 = 0--: - · 2,0; коэффициент
реактивности а2 = О-:- 1,0. Искомой ве л ичиной при решении уравне­
ния ( 15 .6) является коэффициент предельной нагрузки азвх, при ко­
тором двигатеJlЬ еще втягивается в синхронизм . Нагрузка в выбран­
ном масштабе задается пода•1ей напря жения на вход интегратора 1
(см. рис. 15.2) через сопропшлепие R 11 * от делителя эталонного на­
пряжения.
Влияние козффициента демпфирования. Исследование влияния
коэффициента демпфирования на момент входа в синхронизм про­
водится для неявнополюсного двигателя . Так как реактивный мо­
мент у такого двигателя от,сутствует (Mdqm=0; а=О; а2 =0), то из
схемы моделирования (см . рис. 15.2) следует исключить блок про­
изведения и блок нелинейности, воспроизводящий I<осинусную функ­
цию угла нагрузки (k12=kз2=0). При этом сумматор 3 работает в
режиме инвертора, так ка'к а4 =0; as= 1; k3 1 = 1. Остальные коэффи-
* В схеме модолирования сопротивлению R11 соответствует 1шэффнциент
передачи k11.


цие_нты переда,~ решающих блоков рассчитываются по формулам
{13.8), ( 13.9):
Определение предеJiьной нагрузки, при которой двигатель еще
втягивается в синхронизм, проводится для трех значений коэффици.
€Нта демпфирования а 1 , равных 0,5; 1,0; 1,5. Предельная нагрузка
находится путем задания на делитеJ1е эталонного напряжения ряда
значений коэффициента а2 = (О+ 1) тм. При этом определяются два
граничных значения нагрузки, незначительно отличающихся и удо­
Блетворяющих сJiедующему условию: при меньшей нагрузке двигз.­
-теJiь еще втягивается в синхронизм, а при большей - продолжает
работать в асинхронном режиме. За момент входа в синхронизм
принимается первое значение нагрузки. Переход от машинных пе­
ременных к реальным осуществляется по формуле (14.12).
Влияние коэффициента реактивности. Для учета составляющей
~инхронизирующего момента, обусловленной реактивностьIQ двига­
теля, в схему (см. рис. 15.2) вводится блок произведения тригоно­
метрических функций. Так как, согласно программе работы, иссле­
дование проводится при коэффициенте демпфирования а1 = 1 и ну­
.певом: сдвиге угловых характеристик а=О, коэффициенты передач
решающих блоков принимают следующие значения:
k11= k13= k14= k31= 1; k21=0,318; k32=0;
2
k12i=0,Бa21msf(0,01ms1nm~).
Методика определения предельного коэффициента нагрузки, со­
ответствующего моменту ;зхода в синхронизм, изложена выше.
Влияние yrJ1a сдвига моментно-угловых характеристик. При
выполнении программы работ п. 4 функционируют все решающие
элементы схемы мо,;.rеJшроьания (см. рис. 15.2). Коэффициенты пе­
редач решающих блоков при коэффиuиенте демпфирования а,= l
и коэффициенте реактивности а2 =0,5 имеют следующие значения:
k11 =k13 =k14 =1; k12 =0,5; k21 =0,318; k31 =a5 ; k~=a4 •
При а=О значения а4 =--,О. а5 = 1 и значение предельного коэф­
фициента нагрузки может быть взято из данных предыдущего опы­
та. При а=л/4 значение а4 =аь=О,707; при а=л/2 значения а4= 1;
as=O.
Исследование синхронно,·о реактивного двигателя. В синхрон­
ном реактивном двигате.тте отсутствует основная составляющая
синхронизирующего момента (Мет=О) и движение ротора в зоне
синхронизации описывается уравнением ( 15.7). Для его реализации
необходимо исключить из схемы моделирования (см. рис. 15.2) сум-
260


матор 3 (k 13 =k31 =k32 =0). Оставляя прежними масштабы перемен­
ных, найдем коэффициенты передач решающих блоков:
k 11 -kyz,-1; k21 =0,318; k14i=a;ifm~.
Методика определения момента входа в синхронизм реактивного
двигателя такая же, как в предыдущих опытах.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ
l(оэффициент демпфирования может увеличиваться либо за счет
возрастания крутизны асинхронной механической характеристики,
либо за счет уменьшения момента инерции вращающихся вместе с
ротором масс. В первом случае увеличивается энергия синхронизи­
рующих сил ( Wc==Mc+Mac), во втором -уменьшается кинетиче­
ская энергия враrщ:ющш~ масс (Wк=l), противодействующая рабо­
те синхронизирующих си.п. Этим и объясняется увеличение момен­
та входа двигателя в синхронизм с росrом коэффициента
демпфирования. Теоретически при .Мас'-+оо или J-+0 момент входа
в синхронизм достигает максима.11Ьного значения синхронизирую­
щего момента. Добавление реактивного момента при сохранении
основного момента приводит к возрастанию результирующего син­
хронизирующего момента, а следовательно, и момента входа, при­
ч.ем увеличение момента входа прояв.'Iяется тем больше, чем выше
коэффициент демпфирования.
Подобное явление наблюдается и при изменении угла сдвига мо­
:ментно-уrловых характеристик явноп.олюсного возбужденного дви-
1·ателя. Значение а=О соответствует угловой характеристике син­
хронного двигателя с электромагнитным возбуждением. При a=n/4
основной и реактивный моменты достигают максимальных значений
при одно_м и том же угле нагрузки. Такую угловую характеристику
можно получить в синхронном двигателе с комбинированным рото­
ром, например ротором с ак·сиалыrым расположением на валу явно­
выраженных полюсов и постоянных магнитов. Угловой характерис­
тикой при a=n/2 об.падают син,хронные двигатели с возбуждением
от постоянных магнитов. Синхронный реактивный двигатель имеет
значительно меньшую энергию синхронизирующих сил по сравнению
с возбужденным двигателем и поэтому развивает меньший момент
входа. Однако при увеличении коэффициента демпфирования значе­
ние момента входа также стремится к максимальному синхронизи­
рующему моменту.
Вопросы для самопроверки
l. При.каких допущениях проводится решение уравнения движения ротора?
2. Каково назначение устройства периодизации угла нагрузки?
З. Какова методика определения момента входа?
4. Что понимается под моментом входа в синхронизм?
5. Какие параметры определяют синхронизирующие свойства синхронного
двигателя?
"
6. Как зависит момент входа в синхронизм от момента инерции нагрузки?
261


7. Какое влияние на момент входа оказывает реактивная составляюща11
синхронизирующего момента?
•
8. Как реализуется на АВМ сдвиг угловых характеристик возбужденного
явнополюсного двигателя?
9. Как воспроизводится на АВМ реактивная составляющая синхронизирую­
щего момента?
10. Из каких условий выбирается начальное скольжение?
11. Какие изменения необходимо произвести в схеме моделирования
(рис. 15.2) для получения модеJ])И синхронного реакт,ивного двигателя?
12. Объясните влияние угла сх на момент входа.
13. Как зависит момент входа от крутизны пусковой м.еханической харак­
теристики?
§ 15.2 . СРАВНЕНИЕ ПУСКОВЫХ, СИНХРОНИЗИРУЮЩИХ
И РАБОЧИХ СВОИСТВ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕR
В качестве объектов сривнения приняты синхронный двигатель с
постоянными магнитами (СДПМ) и синхронный реактивный двига­
тель (СРД).
Электромехани•rеские процессы, происходящие при пуске, син­
хроf!изации и в рабочем режиме СДПМ, с учетом общепринятых в.
теории синхронных машин допущений описываются в координатных
осях d и q, жестко.связанных с ротором, следующей системой нели­
нейных дифференциальных уравнений [7, 15]:
уравнения равновесия напряжений обмоток статора и ротора
Ud= rsid+d.JJdfdi-wR'Jlq;
Uq=Гsiq+d'Jlq/dt+wR'Jld;
O=rviv+dФv/dt;
0=ГQiQ+d'JIQJdi;
1
уравнения потокосцеплений обмоток статора и ротора
( 15.10)
Чid=Xdid+xadiv+e0; Фv=xviv+xaid+eo; }
5
(1 ..11)
фq=Xqiq+xaqiQ; фQ=XQiQ+Xaqiq;
уравнение движения ротора
JdwRfdt+Mнaгp=Mэ.
(15.12)
В формулах ( 15.10)-(15.12) rs и Гп, ГQ - активные сопротивле­
ния обмотки статора и эквивалентных обмоток ротора по осям d,
q; xd, Xq и Хп, XQ - полные индуктивные соnротивления фаз статора
и ротора по осям d, q:
Xd=Xas+Xad; Xq=Xas+Xaq;
Xv=Xav+Xad; XQ=XaQ+Xaq,
Xas и Хап, XaQ -- индуктивные сопротивления рассеяния обмоток ста­
тора и ротора; Хаа., Xa.q
-
индуктивные сопротивления реакции якоря
по осям d, q; J -- момент инерции вращающихся масс; ffiR - элек­
трическая угловая скорость ротора; Мнагр -- ::\юмент внешних сил;
Мэ - электромагнитный момент двигателя:
Mэ='Jliq-фqid.
(15.13)


Система уравнений (15.10)-(15.13) записана f; относительных
единицах. Выражения для базисных ведичин приведены в гл. 13.
При записи системы уравнений принято, что ось q опережает ось d.
Все параметры роторных цепей приведены к чис.1у фаз и. витков
обмотки статора. Постоянный магнит заменен одновитковым кон­
туром без потерь, включенным на источник постоянного тока. Ве­
лиt1ина Ео в уравнениях ( 15.11) характеризует собой потокосцепле­
ние поля постоянных магнитов с обмоткой статора, численно рав­
ное в относитеJ1ьных единицах ЭДС холостого хода.
При о-гсутствии возбуждения со стороны ротора (ео=О) уравне­
н_ин (15.10)-(15.13) представляют собой систему дифференциаль­
ных уравнений СРД.
Известно [5], что при симметричной системе напряжений пита­
ооя составляющие ud и Uq могут быть представлены как
иd=-sin0u; Uq=cosвu;
где 0u -угол между поперечной осью ротора и вектором напря­
жения:
t
Bu=j (l-(l)R)dt+вuo•
( 15.14)
При исследовании двигатеJiьноrо режиМ'а работы машины угол
6u принимается положительным, когда вектор напряжения питаню1
опережает ось q ротора. Используя уравнение ( 15.14), можно легко
установить связь между уr.тюм нагрузки и угловой скоростью ро­
тора:
(15.15)
В большинстве случаев значения токов в 'эквивалентных обмот­
ках ротора интереса не представляют . Для уменьшения числа ре­
шающих блоков и повышения устойчивости модели эти токи мож­
НG исключить из рассмотрения с помощью уравнений ( 15.10),
(15.i 1). Тогда система дифференциальных уравнений СДПМ, при­
веденная к удобному для моделирования виду, запишется следую­
щим образом:
drJ(d/dt= -sin ви+шRфq-а1i4 ; '
dфq/dt=COS вu-шRIJJ4-a1iq;
dфDfdt=a2id-aзФD+a3e0;
dфQ/dt=a4iq-a5фQ;
id . абф4-а1ФD-авео;
iq=a9фq-a10фQ;
dшR/d t =ан (фdiq - Фqia- м;агр);
dбufdt= 1-шR.
(15.16)


Здесь коэффициенты при переменных
а1=Гs; a2=ГDXadfXD; a3=ГD/XD; a4=ГQXaq/XQ;
a5=ГQ/XQ; aв=XD/(xdXD-X~d); Щ=Xadf(xdxv-x;d );
as ={XD - Xad)!( xdxD - x~d); ag = XQ/( XqXQ - X~q);
a 10 =Xaqf(xqXQ-X~q); а11= 1/J.
}1
~ (15.J7)
1
'
}
Рис. 15.4 . Схема моделирования уравнений синхронного двигате­
ля с возбуждением от постоянных магнитов
На основании системы дифференциальных уравнений ( 15.16)
составляется схема моделирования синхронного двигателя (рис.
15.4), содер ж ащая четыре б.тiока произведения БП, два функцио-
264


нальных блока, шесть интегросумматоров БИ, три сумматора БС
11 четыре инвертора.
,
Цель р а боты - исследовать различные динамические и ста­
-тические характеристики синхронных двигателей с постоянными
магнитами ·, а при Ео=О-- и синхронных реактивных двигателей.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Набрать на ЛВМ модель системы дифференциальных урав­
нений синхронного двигателя с возбуждением от постоянных маг-
нитов.
,.
2. Осуществить пуск дЕнгателя без нагрузки и си.ять рабочие
характеристики СДПМ.
• 3. Исследовать синхронизирующие свойства синхронных дви­
rателей: а) определить моменты входа в синхронизм и выхода из
синхронизма СДПМ и СРД; б) исследовать влияние степени воз­
бужденности двигателя на е го синхронизирующие свойства.
4. Снять рабочие характеристики СРД .
ПОЯСНЕНИЯ И УКАЗАНИЯ 1( РАБОТЕ
.
'
В качестве базового двигателя удобно принять синхронный дви-
гатель с постоянными магнитами. Ознакомившись с . его паспорт­
ными данными, сJiедует рассчитать базисные величины (см.
табл. 14.1), относительные :?Начения параметров и по (15.17) -
коэффициенты при переменных в преобразованной системе уравне­
ний. Абсолютные значения параметров должны быть заранее из­
вестны.
Набор модели. Для расчета коэффициентов передач решающих
бJJоков необходимо выбрать масштабы переменных. Для двигате-
2rей малой мощности рекомендуются следующие масштабы: напря­
жения и тригоно метричесю;х фующий mu='c ·m s1n=mco s=5O В/ед.;
-rока mi=2O В/ед.; потокосцепления m,p=5O В/ед.; угловой скорос-
-rи m ,,, =80 В/ед.; момента тм=4O В/ед.; времени m 1 =0,5; угла на-
грузки тв= 15,9 В/ед. По выбранным масштабам, используя фор­
мулы (13.8)-(13.11), рассчитываются коэффициенты передач ре­
шающих блоков (табл. 15.3).
Для повышения точности модели тригонометрические функции
воспроизводятся на н:е.,,инейных блоках лишь в диапазоне измене­
ния уг.тюв нагрузки от О до 2л:. Карта настройки функции cos 0u
приведена в табл. 15.2 , карта настройки функции
-sin0u - в
табл . 15.4; погрешность воспроизведения функций менее 2 %. Рас­
ширение пределов из м енения угла нагрузки обеспечивается уст­
ройством периодизации угла, собираемым на выходе и11тс1·1юt·ум­
матора 4 по схеме, привед:енной на рис. 15.3 .
В процессе вхождения синхронных двигателей в сш1х1ю1111 :1м 111111
больших моментах инерции нагрузки и малой крутизне 11yt·1ш11on
механической характеристики частота вращения ротора мшк1•·r
длительно превышать синхронную частот у вращении по.1111 111,11р11 .
1,1!\tl


Расчетные
формулы
I(оэффициен-1
ты передач
Расчетные
формулы
Диоды
[ro-rn; в
Ивх• 8U, в
j''
~ 100 а,т• 1•нт.
mumt m<»mt
mimt тмтt
a 4m<I'
. !!§..
asmi a6mi
m;m1
mt
ти
m<I'
IV1
1
113
о 13,0 22,2 27,8
13,0 22,2 27,8 37,0
ипых, -sin Ou, В
-37,5 -50,0 -50,0 -37,5
Таблица 15.3
~
~ a 2m<I'
аз
--
mromt
m;mt
mt
t
Продолжение табл. 15.3
a1mi
a9'fli а 10тI 100тм
---
m<I'
m,i,
m<I'
m<Jlmi
Таблица 15 .4
1IV
1
IV
19110
37,0 63,0 72,2 77,8 87,0
63,0 72,2 77,8 87,0 100
37,5 50,0 50,0 37,5
(}
. В этом случае угол нагрузки может принимать отрицательные
значен_Jiя. Для учета этого явления следовало бы дополнить схе­
,;1:у моделирования еще двумя нелинейными блоками, воспроизводя­
щими синусно-косинусные зависимости отрицательного агрумента.
Однако в современных синхронных микр~щвигателях, имеющих на:
роторе практически поJ1ную демпферную (пусковую) клетку, ЭТ()
. явле ние
возникает крайне редко. Кроме того, оно может быть уст~
ранено, если осуществлять пуск двигателя с определенной нагруз­
кой.
Осуществив настройку коэффициентов передач и нелинейных
блоков, приступают к набору модели в соответствии со схемой, при­
веденной на рис . 15.4 . На выходе интегрос.умматоров 1 и 5 устанав­
.rшваются начальные условия (В) -'\)40 = -' /)vo=fll,tl:0 .
На входы сумматора 7 и интегросумматора 5 через сопротивле­
ния R71 и R51 поп.ается напряжение Иы =-И11 =mue,(). На вход интег-
.,
росумматора 4 через сопротивление R42 подается напряжение U42=
=--80 В, соответствуюшее синхронной угловой скорости поля
якоря. Момент нагрузки устанавливается на входе сопротивления
R32 * с помощью делителя эталонного напряжения. О правильности
* В схеме моделирования (рис. ,15.4) сопротивлению Rз2 соответствует ко­
эффициент передачи kp~ .
266


задания начальных условий можно судить по току id, значение кo­
-roporo до запуск;:t модели должно быть равно нулю .
Рабочие характеристики СДПМ. Эти характеристики снимают­
ся в диапазоне изменения нагрузки от нуля· до момента выхода из
синхронизма . Значение нагрузки устанавливается делителем эта­
л онного напряжения. По к а з ания приборов фиксируются после то­
то, как частота вращения ротора достигнет синхронной (рис. 15 .5).
При Мнагр>Мвы х двиrате.rrь выпадает из синхронизма и переходит
в асинхронный режим ((i)n<ffic). N\омент выхода характеризует
перегрузочную способность двигателя.
<oR, а.в
1, 0 ,---:-:---.-т=~..~-7'"---
fl, 5
Рис . 15.5 . Осциллограммы угловой
скорости ротора СДПМ при пуске
а ~----::::-:----:=-=---=-'-=--l..-.-1
D,f 0,2 O,J 0,4- с0
Рис . 15 .6, Кривые, показыва19щие
влияние степени возб у жденности на
сннхрониризующие свойства СДПМ
По измеренным значениям Мваrр, id, iq и 0u рассчитываются ре­
альные переменные [ см. ( 14.2)]. Рабочие характеристики опреде­
ляются по следу ющим формулам: потребляемый ток (А)
/ s= ViJ+i~/Y2;
потребляемая мопуюсть (Вт) Ps=
=3Иб (iq cos 0u-id sin 0u} /2; коэффиuиент мощности cos ер= V2Ps/
1(3U6 / s) ; полезная мощность (Вт}, Рв=Мнагрffiб/р; КПД fJ =Рн/Ps.
По расчетным данным строятся рабочие характеристики Рв; ls;
cos q>; 11 в зависимости от Ря и угловая. характеристика Мнагр=
=f (0и) двигателя.
Исследование синхронизирующих свойств. Синхронизирующие
свойства синхронных двигателей характеризуются моментом входа
Мвх (см. § 15. l), который рекомендуется определять из режима
ресинхронизации. Для этого осуществJ1яют пуск двигателя без на­
грузки и, после того как частота вращения ротора достигнет син­
хронной, нагружают двигатель до момента, при котором он ВЫХ(J•
.пит из син х ронизма. Пр и этом определяют максимальный синхро­
низирующий · момент Мвых, Затем, уменьшая момент сопротивления,
определяют два его значения, незначительно отличающихся и удО•
влетворяющих следующему условию : при меньшем значении мо•
:мента нагрузки дви г атель втягивается в ,синхронизм (ffiR =юс), а Щ>Н
большем - продолл.;ает работать в асинхронном режиме (ro11<CJ1a),
За момент входа принимается первое значение момента нагрузки,
267


C :·\ .e;vi d iv1V)J. c" н1 !Jvlla.11r111 ( L 1Vl ·.
!)ИL. 1~-~) 11U,:н.н.) J1 Я ет исследовать
ВJiияние степени возбужденности СДПМ на его синхронизирующие
свойсп1а. ДJiя этого следует лишь изменить нача j1ьные условия и
входные напря жения, завпсящие от i::0 . При нулевых начальных
условиях (во= О) получают модеJ1ь синхронного реактивного двига­
теля. Моменты входа и выхода СР Д определяют по изложенной
методике. По д а нным: опытов сравнивают синхронизирующие свой­
ства СДПМ и СРД и строят зависимости Мвых и Мвх от i:: 0 для
СДПМ . Такие зависимости д.11я двигате.11я мощностью 25 Вт при­
ведены на рис. 15.6.
Рабочие характеристики СРД. Обычно в синхронных реактив­
ных двигателях индуктивное сопротивление по продо.11ьной оси
превышает индуктивное сопротивление по поперечной (xd>xq}.
В данной работе исследуется СР Д с параметрами невозбужденно­
го СДПМ, у которого xd<x,,. Это обстоятельство не имеет принци­
пиа.11ьного значения, поскол1,ку выходные характеристики СРД оп­
ределяются разностью индуктивных сопротивлений по осям d, q.
а конечные результаты не зависят от наименования осей. Однако
следует иметь в виду, что при xd<Xq рабочие характеристики СР Д
нахnдятся в зоне значений углов нагрузки 0u>n/2. Рабочие харак­
теоистики СРД спимаютс~ по методике, изложенной для СДПМ.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Поскольку номинальный момент синхронных микродвигателей
спределяется в основном моментом входа, целесообразно сравни­
вать рабочие свойства СРД и СДПМ при Мнагр=Мвх• Как правило,
СДПМ обладают более высокими энергетическими показателями
(cos с:р, ri). Однако с уменьшением мошности это различие становит­
ся менее значительным. Объясняется это тем, что для обеспечен_ия
надежного пуска СДПМ малой мощности выполняются с низкой
степенью возбvжденности.
СинхронизЙрующие свойства синхронных двигателей определя­
ются соотношением всех параметров , входящих в систему диффе­
ренциальных уравнений . Момент входа в значительной мере зави­
сит от момента инерции нагрузки, так как с увеличением его рас­
тет кинетическая энергия: вращающихся масс, препятствующая
процессу синхронизации . П<1раметры роторных цепей определяют
вращающий момент в асинхронном режиме, который не только
обеспечивает пуск двигателЕ'й, но и участвует в работе синхронизи­
рующих сил, способствуя процессу синхронизации.
В двигателях ~~алой мощности на синхронизирующие свой ства
существенно 'в л ияет активное сопротивление обмопш якоря. С рос­
том сопротивления r8 наблюдается значительное снижение момен- :J
та входа не тол ь ко за счет у м еньшения максимаш.ного синхрони­
зирующего момента, но ·и за счет увеличения тормозного момента.
который прямо пропорционален rs (см. § 6.1 ).
В двигателях с постоянными магнитами синхронизирующие
свойства в значительной мере определяются степенью возбужден-
268


·ности двигателя. В двигателях малой мощности имеется определен­
ная величина е0 , нри которой обеспечиваются наилучшие условия
синхронизации. Дальнейшее увеличение степени возбужденности­
приводит к снижению момента входа, несмотря на то что момент
выхода продолжает возрас'!'ать (Мвых==во). Объясняется это тем,
что тормозной момент в СДПМ пропорционален квадрату степенн
возбужденности (Мт=в 02 ).
Вопросы дАя самопроверки
1. Какие изменения необходимо . произвести в схеме моделирования (см.
рис . 15.4) для получения модели синхронного реактивного двигателя?
2. Как воспроизводятся на АВМ тригонометрические функции угла нагрузки?
3. Объясните принцип действия устройства периодизации угла нагрузки.
4. Как проверить правильность задания начальных условий?
5. ~акова методика определения момента входа в синхронизм?
6. По каким переменным можно определить режим работы синхронного дви­
гателя?
7. Объясните различие индуктивных сопротивлений по осям d и q в СДПМ
и СРД.
8. В каком диапазоне углов нагрузки находятся рабочие характеристики
СДПМ и СРД?
9. Какая веJ1ичнна характеризует перегрузочную способность синхронных
двигателей? Как она определяется?
10. Как свяааиы реальные переменные с переменными модели?
1·1. Какое мияние на синхронизирующие свойства оказывает степень воз~
буждения двигателя?
.
12. Как зависит момент входа от момента инерции нагрузки?
13. Какое влияние на момент входа оказывает активное сопротивление об­
мотки статора?


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Испы11ание электрических м,икромашин/Астахов Н. В., Крайэ Б. Л., Ло-
11.ухина Е. М. и др. М., 1973.
2. Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических устройств. М.,
1976.
3 . Лопухина Е. М., Семенчуков Г. А. Проектирование асинхронных микро­
двигателей с применением ЭВМ. М., 1980 .
4. Копылов И. П. При-мене111ие вычислительных машин в инженернQ-эконо­
мических расчетах. М., 1980.
5. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины. М., 1980.
, 6. Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. Электрические машины и
микромашины. М., 1981.
•
7. Осин И. Л. , Колесников В . П., ЮфероtJ Ф. М. Синхронные микродвигате­
.ли с постоянными магнитами. М., 1976 .
••
8. Микродвигатели для систем автоматики/Под ред. Э. А. Лодочникова,
Ф. М. Юферова. М., 1969.
9. Хрущев В. В. Электрические микромашины автоматических устройств.
л ., 1976.
10. Лопухина Е. М., Сомихина Г. С. Асинхронные микр·омашины с полым ро­
• • 'Тором . )\,_'\., 1967.
11. Лопухина· Е. М., Сомихина Г. С. Проектирование асинхронных микро­
машин с полым ротором. М., 1968 .
12. Каасик П. Ю ., Несговорова Е. Д., Борисов А. П. Расчет управляемых
!{ороткозамкнутых микродвигателей . Л., 1972.
13. Кононенко Е. В. Синхронные реактивные машины. М., 1970.
14 . Ивоботенко Б. А., Ильинский Н. Ф., Копылов И. П. Применение плани­
рования эксперимента в задачах электромеханики . М., 1975.
15. Копылов И. П. Электромеханические преобразователи энергии. М., 1973.
16 . Сипайлов Г. А., Лоос А. В. Математическое моделирование электриче­
-ских машин. М., 1980.
17 . Электротехнический справочник. М. - Л., т. 111, кн. 2, 1981.
18. Потапов Л. А., Юферов Ф. М. Измерение вращающих моментов и скоро-
<:тей вращения микроэлектродвигателей. М., 1974.
.
19 . Волков Л. К., Ковалев Р. Н., Никифоро1ю Г. Н. Вибрации и шум элект­
_:рических машин малой мощности . Л ., 1979 .
20 . Адаменко А . И., Кисленко В. И. Преобразование однофазного тока в
-rрехфазный. l(иев, 1971.
21. ГОСТ 16264-78. Электродвигатели малой мощности общего назначения.
()бщие технические условия.
22. ОСТ 16 .0.800.498-77. Комплексная система управления качеством про­
дукции. Электродвигатели малой мощности . Оценка уровня качества.
23. ГОСТ 23941-79 (СТ СЭВ 541-77) . Шум. Методы определения шумо-
вых характеристик. Общие требования.
.
24 . ГОСТ 20815-8G. Машины электрические вращающиеся. Вибрации. до•
11устимые значения и методы испытаний.
25. Кацман М. М., Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических си­
стем. М., 1979.


OfllABIIEHHE
Предисловие ...
Введение
РАЗДЕЛ IJЕРВЫй
МЕТОДИКА ИСПЫТАНИй МИЮ~МАШИН .
Гл а в а 1. Измерение электрических величин
.
§ 1.1 . Измерение тока, напряжения и мощности
§ 1.2 . Снятие кривых напряжения н тока. Оценка характера поля
..
§ 1.3 . Измерение активного сопротивления и превышения температуры об-
моток .................... .
Г л а в а 2. Измерение неэлектрических величин
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
§ 2.1 . Классификация методов измерения вращающих моментов
.
§ 2.2 . Тормоза-моментомеры для измерения вращающих моментов
§ 2.3 . Измерение частоты вращения
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Г л а в а 3. Измерение уровня звука, вибраций и радиопомех
§ 3.J . Измерение уровня звука
.. ..
§ 3.2. Измерение вибраций
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
§ 3.3. Измерение радиопомех
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Г л а в а 4. Автоматизация испытаний микромашии
.
.
.
.
.
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
Стр-.
3
4
6
&
6
!}\
10'
12
12
14
24-
31!
31
36
4f.
4,3
ИСПЫТАНИЕ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
48
Г л а в а 5. Испытание асинхронных микродвиrателеQ,
.
.
.
.
.
.
.
.
48
§ 5.1 . Универсальный асинхронный двигатель
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
48:
§ 5.2 . Однофазный асинхронный двигатель с экранированными полюсами
.63
§ 5.3. Асинхронный конденсаторный двигатель
.
.
.
.
.
.
.
75
Гл а в а 6. Испытание синхронных мнкродвнrателеii
.
.
.
.
87
§ 6.1. Синхронный двигатель с постоянными магнитами
.
87
§ 6.2. Синхронный реактивный двигатель
.
.
.
.
.
.
.
.
.
96·
§ 6.3 . _Синхр онный
гистерезисный двигатель . . . . . . . .
1ОЗ
Гл а в а 7. Испытание универсального коллекторного микродвигателя
11()
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ
ИСПЫТАНИЕ ЭЛЕl(ТРИЧЕСКИХ МИКРОМАШИН АВТОМАТИЧЕ-
Сl(ИХУСТРОЙСТВ.......~
.
.
.
.
.
.
.
.
.
120
Гл а в а 8. Испытание исполнительных микродвигателей
.
.
.
.
.
120'
§ 8.1 . Исполнительный асинхронный двигатель
.
.
.
.
.
.
.
.
.
120
§ 8.2 . Исполнительный двигатель постоянного тока
.
.
.
.
.
.
.
136
Гл а в а 9. Испытание информационных электрических мнкромашнн
.
.
.
146
§ 9.1 . Асинхронный тахоrенератор (ТГ)
.
.
.
.
146
§ 9.2 . Тахоrенератор постоянного тока
.
.
.
.
.
154
§ 9.3 . Сельсины
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
НЮ
§ 9.4 . Поворотный трансформатор
.
.
.
.
.
.
.
177
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСl(ИХ МИКРОМАШИН 19()
Гл а в а 10. Опытное определение параметров микромашин переменного
тока•••••............................
190-
§ 10.1 . Определение параметров асинхронной машины при однофазном
питании.............................. 190-
271


§ 10.2. Опытное определение параметров синхронных двигателей
.....
§ 10.3. Определение электромеханической постоянной времени исполни­
тельныхмикродвигателей.....................
Гл а в а 11. Математическое моделирование двухфазных асинхронных
микромашин на расчетном столе переменного тока . . . . .
§ 11.1. Определение выходных характеристик
.
.
.
.
.
.
.
.....
.
-§ 11.2. Применение метода планирования эксперимента для исследования
выходныхпоказателей.......................
Гл а в а 12. Исследование уровня звука, вибрации и радиопомех в элек;т,-
рическихмикромашинах..............
- § 12.1. Определение уровня вибрации и звука в микромашинах
§ 12.2 . Исследование радиопомех двигателя постоянного тока
.
.
.
.
.
.
РАЗ ДЕЛ ПЯТЫЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕй ЭЛЕI(ТРИЧ,~~­
СК:ИХ МИК:РОМАШИН НА АВМ
Гл а в а 13. Методика моделирования микромашин на АВМ
....
.
Г ;лав а 14. Исследование на АВМ асинхронных микродвигателей
..
.
- § 14.1, Асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым •ротором
§ 14.2. Асинхронный конденсаторный двигатель
.... .........
.
Гл а в а 15. Исследование на АВМ синхронных микродвигателей
....
.
'§ 15.1 . Определение момента входа в синхронизм синхронных двигателей
с асинхронным. пуском ...................... .
- § 15.2. Сравнение пусковых, синхронизирующих и рабочих свойств син­
хронныхдвигателей...........
Списоклитературы..............
Николай Владимирович Астахов, Елена Моисеевна Лопухина,
Виктор Тихонович Медведев, Игорь Львович Осин,
Геннадий Алексеевич Семенчуков, Галина Сергеевна Сомихина,
1Алексей Яковлевич Титунин /, Федор Михайлович Юферов
ИСПЫТАНИЕ ЭЛЕК:ТРИЧЕСК:ИХ МИК:РОМАШИН
Заведующая редакцией Н. И. Хрусталева
Редактор С. М. О1юдова
;
Художник В. Н. Хомяков
:Художественный редактор Л. К:. Громова
Технический редактор А. К. Нестерова
К:орректор Г. И. К:острикова
ИБ No 4377
>Изд. No Стд - 415 . Сдано в набор 27.07.84. Подп. в печать 22.11.84. Т-21181.
Формат 60Х90'/,,. Бум. тип. No 2. Гарнитура литературная. Печать высокая .
.Объем 17 усл. печ. л. 17 усл. кр.-отт. 17,98 уч.-.изд. л. Тираж 11 ООО экз.
·зак. No 761. Цена 90 коп.
Издательство «Высшая школа», 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул.,
Д. 29/14
Московская типография No 8 Союзполиграфпрома
·при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли,
101898, Москва, Центр, Хохловский пер., 7 .
Стр.
197
203
208
208
216
221
221
229
235
235
241
241
248
255
255
262
270