Б. Электрические машины малой мощности
На электростанциях — гидравлических (ГЭС), тепловых (ТЭС), атомных (АЭС) и др., энергия падающей воды, тепловая, атомная и др. преобразуется в электрических генераторах в электроэнергию. Во многих электроприемниках электроэнергия преобразуется в механическую с помощью электрических двигателей.
Электрические генераторы и двигатели в совокупности — электрические машины. Среди них особое место занимают электрические машины малой мощности (ориентировочно от 10 до 600 Вт) и микромашины (от долей до 10 Вт). Такие машины, как правило, используются в виде электродвигателей в счетно-решающих приборах и устройствах, в видно- и радиоаппаратуре, в компьютерах, в самопишущих измерительных приборах, в устройствах автоматического управления и регулирования, в гироскопах, в часовой, текстильной, швейной промышленности, деревообрабатывающих станках, ручных электроинструментах, вентиляторах, промышленных роботах, в кассовых аппаратах, в бытовой технике и др. Таким образом, сфера использования электрических машин малой мощности и микромашин довольно широка.
Работа генераторов и двигателей переменного тока основана на вращающемся магнитном поле. Поэтому остановимся на механизме его образования.
Б.1. Вращающееся магнитное ноле
На рис. Б.1, а изображены три проводниковые катушки с началами Л, В, С и соответствующими концами X, Y, Z, сдвинутые друг относительно друга на 2л / 3 = 120° и соединенные в звезду.
Подведем к началам катушек три фазных (линейных) тока:
Эти токи вызовут в катушках пульсирующие магнитные поля, магнитные индукции которых будут меняться аналогично токам, т.е.
Если их изобразить векторами в числовой плоскости, то их положительные направления будут совпадать с осями «своих» катушек, как показано па рис. Б.1, а.
Рассмотрим величины и направления результирующих векторов Врсз для трех случаев: когда со? = 0, со? = п / 2 и соt- л.
1. Для случая, когда соt = 0, согласно (Б-1):
Модуль ?ре:, найдем из треугольника на рис. Б1, б:
откуда Bpe;j = 1,5Вт и направлен «вертикально вверх».
Рис. Б.1
2. Для случая, когда со? = л / 2, согласно (Б-1):
Модуль Врез найдем из векторной диаграммы по рис. Б.1, в:
и направлен «горизонтально вправо».
3. Для случая, когда соt = л, согласно (Б-1):
Модуль ?рез найдем из треугольника рис. Б-1, г:
и направлен «вертикально вниз».
Из рассмотренного очевидно, что результирующий вектор магнитной индукции В[КЗ, оставаясь равным 1,5Вт, вращается со скоростью со по направлению от начала первой катушки А к началу второй катушки В, т.е. магнитное поле вращается в сторону отстающего тока. Поскольку Д = = 1,5Вт = const, то вращающееся магнитное поле — круговое. Если поменять порядок чередования фаз, например вторую катушку подключить к фазе А, а первую — к В, то изменится направление вращения магнитного поля на обратное.
Если токи будут разные по величинам или они будут сдвинуты не на 120°, то образуется не круговое, а эллиптическое вращающееся магнитное поле. Таким образом, величина В и форма вращающегося магнитного поля зависят от величин и угла сдвига между токами.
Вывод: вращающееся магнитное поле можно создать и в однофазной цепи, если между токами, протекающими по двум катушкам, подключенными под напряжение такой цепи, создать сдвиг по фазе.
Повторимся, на вращающемся магнитном поле основаны электрические машины переменного тока — синхронные и асинхронные двигатели, которые потребляют порядка 60% электроэнергии, вырабатываемой всеми электростанциями в мире.
Б.2. Общие сведения о трехфазных двигателях переменного тока и принципах их работы
Заметим, что синхронный генератор (см. параграф 5.1), как и другие электрические машины, обратим, т.е. его можно использовать в качестве синхронного двигателя (СД). Для этого на обмотку ротора подают постоянный ток, а обмотку статора подключают к трехфазной сети. Обмотка статора СД возбуждает в воздушном зазоре между статором и ротором вращающееся магнитное поле, которое, пересекая ротор (электромагнит постоянного тока), увлекает его. Особенностью СД является равенство (синхронность) частот вращения магнитного поля статора со и ротора пр, т.е. со = пр. Поэтому такой двигатель называется синхронным.
Статор асинхронного двигателя (АД) аналогичен статору СД, т.е. состоит из магнитопровода с трехфазной обмоткой. Между тем ротор АД, в отличие от ротора СД, представляет собой барабан, собранный из отдельных листов электротехнической стали и сидящий на валу. На поверхности такого барабана имеются пазы, куда размещают обмотку АД в виде стержней, замкнутых накоротко с обоих торцов, или проводниковой многовитко- вой трехфазной обмотки. Первый тип АД называют АД с короткозамкнутым ротором, второй — с фазным ротором. В качестве АД малой мощности используются первый тип АД, поэтому остановимся на нем.
При подключении статорной обмотки АД к трехфазной сети в воздушном зазоре, как и в СД, возбуждается вращающееся магнитное поле, которое, пересекая ротор, наводит ЭДС на его обмотку, вследствие чего по ее короткозамкнутым стержням протекают токи. Взаимодействие этих токов с вращающимся магнитным полем статора вызывает вращающий момент, приложенный к поверхности ротора, который вращает его в сторону вращения магнитного поля.
Нетрудно заметить, что частота вращения ротора АД пр отстает от частоты вращения магнитного поля статора со, т.е. пр < оэ, поскольку при яр = оэ не будет пересечения магнитным полем статора обмотки ротора и, как следствие, не будет ЭДС, токов, вращающего момента. Таким образом, особенность АД состоит в том, что магнитное поле статора со вращается не синхронно, а асинхронно с частотой вращения ротора пру отсюда и название «асинхронный двигатель».
Б.З. Трехфазные синхронные двигатели малой мощности
В СД малой мощности в качестве ротора, как правило, используются не электромагниты. В зависимости от конструкции ротора различают СД с постоянными магнитами, реактивные и гистерезисные.
На рис. Б.2 представлена упрощенная конструкция трехфазного СД с ротором из постоянного магнита.
Пуск СД непосредственным включением в сеть затруднителен или невозможен, так как ротор из-за своей относительно значительной массы не может быть сразу увлечен вращающимся магнитным полем статора, вследствие чего токи статора увеличиваются кратно с нежелательными последствиями вплоть до механических деформаций и поломок. Для пуска СД приходится применять специальные способы, сущность которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до близкой к синхронной скорости, при которой между статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь. Одним из эффективных способом пуска СД является асинхронный пуск. Сущность такого пуска поясним с помощью рис. Б.2.
Рис. Б.2
Для обеспечения пускового момента на роторе (на наконечниках постоянного магнита) СД предусматривается короткозамкнутая обмотка. Она представляет собой систему медных стержней, соединенных с торцов накоротко медными сегментами. Двигатель работает так. Пуск осуществляется прямым подключением статорной обмотки под трехфазную сеть.
Он (статор) создает вращающееся магнитное поле, которое увлекает ротор, как в АД, из-за указанных короткозамкнутых пусковых обмоток на наконечниках ротора. После этого, благодаря постоянному магниту ротора, он втягивается в синхронизм, т.е уравниваются частота вращения магнитного поля статора со и скорость вращения ротора /у
В трехфазном синхронном реактивном двигателе ротор отличается от двигателя с постоянным магнитом тем, что он состоит из магнитомягкого ферромагнитного материала с узкой петлей гистерезиса. Принцип работы такого двигателя состоит в следующем. При подключении обмотки статора к трехфазной сети в ней образуется круговое вращающееся магнитное поле, которое, пересекая ротор, создает в нем вихревые токи. Взаимодействие последних с породившим их магнитным полем создает вращающий момент. Одновременно действует и реактивный момент, обусловленный неравенством магнитных сопротивлений двигателя из-за впадин между выступами «полюсов» ротора (аналоги магнитных полюсов явнополюсной машины).
В трехфазиом синхронном гистерезисном двигателе ротор отличается от ротора реактивного двигателя тем, что он состоит из магиитотвердого ферромагнитного материала с широкой петлей гистерезиса. Принцип работы такого двигателя аналогичен принципу работы двигателя с постоянным магнитом, поскольку вращающееся магнитное поле обмотки статора намагничивает ротор и взаимодействие его с создавшим полем создает вращающий момент.
Б.4. Асинхронные двигатели малой мощности
Как трехфазные, так и однофазные АД малой мощности изготовляют с короткозамкнутым ротором.
Трехфазные АД. Устройство и принцип действия таких АД мало отличаются от аналогичных АД общепромышленного применения. Особенность их состоит в том, что для увеличения пускового момента они имеют повышенные активные сопротивления обмоток роторов. Это влечет за собой большую разницу между частотой вращения магнитного поля статора со и частотой вращения ротора пр, чем у АД общепромышленного применения.
В ручных электроинструментах в качестве приводных двигателей малой мощности применяют АД повышенной частоты переменного тока (200— 400 Гц), за счет которых их массогабариты уменьшаются. Широкую номенклатуру таких электроинструментов (шлифмашины, дрели, гайкошурупо- веры и др.) выпускают зарубежные предприятия, в том числе фирма Bosch (Германия). В настоящее время наилучшими источниками их питания являются транзисторные преобразователи частоты (ТПЧ), которые преобразуют однофазное напряжение промышленной частоты 50(60) Гц в трехфазное напряжение повышенной частоты 200—400 Гц.
На практике у АД малой мощности КПД р < 0,6, а у ТПЧ г > 0,8.
Однофазные АД. Однофазные АД (ОАД), нашедшие наибольшее распространение на практике, состоят, как и другие АД, из статора и ротора. На статоре размещают две обмотки — основную и вспомогательную, взаимно сдвинутые по его окружности на л / 2 = 90°. По подключении их к однофазной сети в них возбуждаются пульсирующие магнитные поля, которые не могут создавать момента, вращающего ротор. Как указано выше, вращающееся магнитное поле можно создать и в однофазной цепи, если между токами, протекающими по двум катушкам, создать сдвиг по фазе. Такой сдвиг можно организовать включением в основную или вспомогательную обмотку активного сопротивления относительно большой величины или конденсатора.
Ниже рассматривается ОАД с конденсаторами, включенными во вспомогательную обмотку, которые называются также конденсаторными двигателями. Принципиальная схема такого ОАД, точнее, ОКАД, представлена на рис. Б.З, а.
Рис. Б.З
На рис. Б.З, б изображена векторная диаграмма токов обмоток статора ОКАД: вектор тока в основной обмотке Ц отстает от вектора напряжения U на угол
В исполнительных {управляемых) микродвигателях, с целью уменьшения массы ротора и соответственно уменьшения его инерционности, применяется ОКАД с немагнитным (как правило, алюминиевым) полым ротором. Такие двигатели отличаются двумя особенностями: во-первых, они питаются от двух разных фаз трехфазной сети, во-вторых, их роторы состоят из вращающихся тонких цилиндров (стаканов) и неподвижных ферромагнитных сердечников без обмоток.
На рис. Б.4, а представлен эскиз конструкции такого ОКАД. Он состоит из ферромагнитного сердечника статора 1 с обмоткой 2, вращающегося полого немагнитного ротора 3, жестко закрепленного на валу двигателя 6, неподвижного ферромагнитного ротора 4, подшипника 5 и корпуса 7. Между статором и неподвижным ротором имеется воздушный зазор, в котором вращается ротор 3, увлекаемый вращающимся магнитным полем статора.
Рис. Б А
На практике возникает необходимость перевести трехфазный АД в однофазный. Для этого разработано много схем. Наиболее рациональные из них приведены на рис. Б.4, б и в. В этих схемах С1—С4, С2—С5, СЗ—С6 — стандартные обозначения начал и концов обмоток трехфазного АД; С' - емкость конденсатора, используемая при пуске двигателя, Сра(з — емкость рабочего конденсатора. При пуске АД ключ К замкнут, в раоочем режиме К разомкнут и С' остается включенным в сеть черед резистор и диод.
Для того чтобы перевести трехфазный АД, обмотки которого соединены в звезду (см. рис. Б.4, б) в однофазный, необходимо, чтобы все шесть выводов обмоток (Cl, С2, СЗ — начала; С4, С5, С6 — концы) были выведены на клеммный щиток. Для перевода трехфазного АД, обмотки которого соединены в треугольник и рассчитаны на 220 В (см. рис. Б.4, в), в однофазный, достаточно, чтобы на клеммный щиток были бы выведены лишь три начальных вывода обмотки (Cl, С2, СЗ).
Формулы для расчета емкостей конденсаторов (без вывода) следующие:
В этих формулах значения и ?/ф берутся из паспортных данных трехфазных АД, которые выбиты на «шильдиках» (заводских щитках), прибитых на корпусах АД. При подборе конденсаторов в качестве рабочих используются металлобумажные марки МБГЧ, пусковых — электролитические.
У трехфазных АД, переведенных в однофазный режим работы, мощности составляют порядка 60—70% номинальной мощности. При этом трехфазные АД в режиме однофазных не могут длительно работать с малыми нагрузками, тем более на холостом ходу. Они должны быть загружены максимально.
В однофазные переводят трехфазные АД, у которых синхронная частоты вращений со > 1500 об / мин. Тихоходные трехфазные АД не эффективно переводить в однофазные.
Б.5. Общие сведения о двигателях постоянного тока
Двигатели постоянного тока (ДПТ) различаются по назначению, конструкции, схемотехнике и другим признакам. Между тем по устройству и принципу действия они, в том числе малой мощности, сходны между собой. ДПТ подразделяются на коллекторные и бесколлекторные. Заметив, что в бесколлекторных ДПТ коллекторно-щеточные устройства (см. ниже) заменены транзисторными коммутаторами, укажем, что ниже рассматриваются коллекторные ДПТ, нашедшие наибольшее распространение в мире. Они подразделяются на ДПТ и универсальные. Рассмотрим их.
Устройство и принцип работы ДПТ. ДПТ состоят из трех основных частей (рис. Б.5): индуктора 1 (неподвижная часть), якоря 2 (вращающаяся часть) и коллекторно-щеточного устройства 3.
Индуктор 1 предназначен для создания (возбуждения) основного магнитного поля. Он представляет собой электромагнит постоянного тока, состоящий из ферромагнитного сердечника (магнигопровода) с полюсными наконечниками (башмаками), на которые надеты проводниковые катушки обмотки возбуждения (ОВ). На рис. Б.5 они обозначены крестиками. ОВ образуют магнитные полюса согласно рис. Б.5. Начало и концы ОВ выведены наружу. В качестве индуктора могут выступать постоянные магниты.
Якорь 2 также состоит из магнитопровода в форме барабана, набранного из листов электротехнической стали, на поверхности которого имеются пазы, куда укладывают обмотку якоря (ОЯ). На рис. Б.5, с целью упрощения картины, изображены две одновитковые катушки ОЯ в виде четырех стержней. На самом деле ОЯ состоит из многовитковых катушек, включающих в себя, в общем случае, по несколько секций, стороны которых размещаются в пазах сердечника якоря, а торцы выступают за его пределы, образуя лобовые части. Между якорем и полюсными башмаками индуктора, как и во всех электрических машинах, имеется воздушный зазор.
Коллекторно-щеточное устройство 3 предназначено для подвода напряжения питания к ОЯ. Оно состоит из коллектора (на рис. Б.5 — светлые прямоугольники) и щеток (на рис. Б.5 заштрихованные прямоугольники). Коллектор представляет собой набор клинообразных пластин из твердотянутой меди, изолированных друг от друга и вала якоря, на который он закреплен. Сверху коллектор образует цилиндрическую поверхность, к которой прижаты щетки (медно-графитовые), снизу к коллекторным пластинам припаиваются выводы от катушек ОЯ.
Двигатель постоянного тока работает следующим образом. При подведении напряжении UB к ОВ по нему протекает ток /в, возбуждающий основной магнитный поток Ф, пронизывающий якорь. При подаче напряжения питания U„ на ОЯ по нему также протекает ток /я, который, взаимодействуя с Ф ОВ, создает электромагнитный момент Мэл, приложенный к поверхности якоря и вращающий его с окружной частотой п. Этот момент пропорционален потоку Ф и току /я, т.е. Мэл = сФ/я, где с — постоянный коэффициент машины.
Рис. Б.5
При вращении якоря на витки ОЯ наводится ЭДС, суммарное значение которой Е = ЫФ, где k — постоянная машины. Направление этой ЭДС, определяемое правилом правой руки, противоположно направлению тока /я. Поэтому напряжение {/„, приложенное к ОЯ, уравновешивается этой противо-ЭДС Е и падением напряжения на ОЯ. Вследствие этого уравнение электрического равновесия ДПТ выглядит так:
откуда
где R,a — сопротивление ОЯ.
Машины постоянного тока обратимы, т.е. ДПТ может работать генератором (ГПТ), если на ОВ подать напряжение UB, а якорь вращать сторонней силой. При этом ЭДС ?, наведенная на ОЯ, будет уравновешиваться выходным напряжением U и падением напряжения на сопротивлении якоря, т.е.
откуда
С уравнениями электрического равновесия ДПТ и ГПТ мы уже встречались, когда обсуждали закон Ома для участка цепи, где источник ЭДС выступал в ролях приемника и источника электроэнергии соответственно (см. параграф 1.3).
Классификация ДПТ но способу возбуждения. Двигатели постоянного тока подразделяют на машины с внешним возбуждением (на ОВ подается питание от постороннего источника, например аккумулятора) и с самовозбуждением (на ОВ подается питание от якоря самой машины), а также с возбуждением от постоянного магнита. В свою очередь ДПТ с самовозбуждением делятся на машины последовательного, параллельного и смешанного возбуждения. На рис. Б.6 представлены схемы ДПТ с внешним (а), последовательным (б), параллельным (в), смешанным (г) возбуждением, а также с возбуждением от постоянного магнита (д). Из них в ручных инструментах применяются ДПТ последовательного возбуждения.
Рис. Б.6
Универсальные коллекторные двигатели. Коллекторные электродвигатели (на рис. Б.6, е изображена принципиальная схема), используемые в ручных электроинструментах, делаются универсальными в том смысле, что их можно питать как постоянным (напряжением 110 В), так и однофазным переменным (напряжением 220 В) токами. Они отличаются от ДПТ с последовательным возбуждением тем, во-первых, что их магнитные системы, с целью уменьшения потерь в стали, выполняются шихтованными (индукторные и якорные магнитопроводы собираются из листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм), во-вторых, их ОВ состоят из двух полуобмоток (секций), от которых сделаны отводы (см рис. Б.6, е).
Секционированием ОВ уменьшают индуктивность при питании коллекторного двигателя переменным током. При подключении двигателя под переменное напряжение U используется часть ОВ, иод постоянное Un - вся ОВ (см. рис. Б.6, е).
