Asynchroniczne silniki wykonawcze

Asynchroniczne silniki wykonawcze stosowane są w systemach automatyki do sterowania i regulacji różnych urządzeń.

Silniki siłowników asynchronicznych rozpoczynają pracę po otrzymaniu sygnału elektrycznego, który zamieniają na określony kąt obrotu wału lub jego obrót. Usunięcie sygnału powoduje natychmiastowe przejście wirnika pracującego silnika do stanu stacjonarnego bez użycia urządzeń hamujących. Praca takich silników trwa cały czas w warunkach przejściowych, w wyniku czego często przy krótkim sygnale częstotliwość obrotów wirnika nie osiąga wartości stacjonarnej. Przyczyniają się do tego również częste starty, zmiany kierunku i zatrzymania.

Silniki wykonawcze z założenia są maszynami asynchronicznymi z dwufazowym uzwojeniem stojana, wykonanym tak, że osie magnetyczne jego dwóch faz są przesunięte w przestrzeni względem siebie, a nie pod kątem 90 stopni.

Jedna z faz uzwojenia stojana jest uzwojeniem wzbudzającym i posiada wyprowadzenia do zacisków oznaczonych C1 i C2.Druga, działająca jako cewka sterująca, ma przewody podłączone do zacisków oznaczonych U1 i U2.

Obie fazy uzwojenia stojana są zasilane odpowiednimi napięciami przemiennymi o tej samej częstotliwości. Tak więc obwód cewki wzbudzenia jest podłączony do sieci zasilającej o stałym napięciu U, a do obwodu cewki sterującej dostarczany jest sygnał w postaci napięcia sterującego Uy (ryc. 1, a, b, c).

Ryż. 1. Schematy załączania asynchronicznych silników wykonawczych podczas sterowania: a — amplituda, b — faza, c — faza amplitudy.

W efekcie w obu fazach uzwojenia stojana powstają odpowiednie prądy, które dzięki zawartym w nich przesuwaczom fazowym w postaci kondensatorów lub regulatora fazy są przesunięte względem siebie w czasie, co prowadzi do wzbudzenia eliptyczne wirujące pole magnetyczne, które obejmuje wirnik klatkowy.

Podczas zmiany trybów pracy silnika, eliptyczne wirujące pole magnetyczne w granicznych przypadkach staje się naprzemienne ze stałą osią symetrii lub obrotem kołowym, co wpływa na właściwości silnika.

Rozruch, regulacja prędkości i zatrzymanie silników wykonawczych są określone przez warunki powstawania pola magnetycznego za pomocą sterowania amplitudowego, fazowego i amplitudowo-fazowego.

W regulacji amplitudy napięcie U na zaciskach cewki wzbudzającej pozostaje niezmienione i zmienia się tylko amplituda napięcia Uy. Przesunięcie fazowe między tymi napięciami, dzięki odłączeniu kondensatora, wynosi 90 ° (ryc. 1, a).

Sterowanie fazowe charakteryzuje się tym, że napięcia U i Uy pozostają niezmienione, a przesunięcie fazowe między nimi jest regulowane przez obracanie wirnika regulatora fazy (ryc. 1, b).

W przypadku sterowania amplitudowo-fazowego, chociaż regulowana jest tylko amplituda napięcia Uy, ale jednocześnie, ze względu na obecność kondensatora w obwodzie wzbudzenia i oddziaływanie elektromagnetyczne faz uzwojenia stojana, następuje jednoczesne zmiana fazy napięcia na zaciskach uzwojenia do wzbudzenia i przesunięcie fazowe między tym napięciem a napięciem z zacisków cewki sterującej (ryc. 1, c).

Czasami oprócz kondensatora w obwodzie uzwojenia wzbudzenia przewidziano kondensator w obwodzie uzwojenia sterującego, który kompensuje bierną siłę magnesowania, zmniejsza straty energii i poprawia właściwości mechaniczne silnika indukcyjnego.

W sterowaniu amplitudowym kołowe wirujące pole magnetyczne obserwuje się przy sygnale nominalnym niezależnie od prędkości wirnika, a gdy maleje, staje się eliptyczne.W przypadku sterowania fazowego kołowe wirujące pole magnetyczne jest wzbudzane tylko sygnałem nominalnym i przesunięcie fazowe między napięciami U i Uy, równe 90° niezależnie od prędkości obrotowej wirnika, a przy innym przesunięciu fazowym staje się eliptyczne. W sterowaniu amplitudowo-fazowym kołowe wirujące pole magnetyczne istnieje tylko w jednym trybie — przy nominalnym sygnale w momencie rozruchu silnika, a następnie, gdy wirnik przyspiesza, staje się eliptyczne.

We wszystkich metodach sterowania prędkość obrotowa wirnika jest sterowana poprzez zmianę charakteru wirującego pola magnetycznego, a kierunek wirowania wirnika jest zmieniany poprzez zmianę fazy napięcia przykładanego do zacisków cewki sterującej o 180° .

Szczególne wymagania stawiane są asynchronicznym silnikom wykonawczym w zakresie braku mocy samobieżnej zapewniającej szeroki zakres regulacji prędkości obrotowej wirnika, prędkości, dużych moment rozruchowy i małej mocy sterującej przy względnym zachowaniu liniowości ich charakterystyk.

Samobieżne asynchroniczne silniki wykonawcze przejawiają się w postaci spontanicznego obrotu wirnika przy braku sygnału sterującego. Spowodowane jest to albo niedostatecznie dużą rezystancją czynną uzwojenia wirnika-metodycznie samobieżnego, albo słabą wydajnością samego silnika-technologicznie samobieżnego.

Pierwszy jest wyeliminowany w konstrukcji silników, co zapewnia produkcję wirnika o zwiększonych oporach uzwojenia i poślizgu krytycznym scr = 2 — 4, co dodatkowo zapewnia szeroki stabilny zakres regulacji prędkości obrotowej wirnika, a drugi - wysokiej jakości produkcja obwodów magnetycznych i cewek maszyn z starannym montażem.

Ponieważ asynchroniczne silniki wykonawcze ze zwartym wirnikiem o zwiększonej rezystancji czynnej charakteryzują się małą prędkością obrotową charakteryzującą się elektromechaniczną stałą czasową — czasem, w którym wirnik nabiera prędkości od zera do połowy prędkości synchronicznej — Tm = 0,2 — 1,5 s , to w instalacjach automatyki preferowane jest sterowanie silnikami wykonawczymi z wydrążonym wirnikiem niemagnetycznym, w których elektromechaniczna stała czasowa ma niższą wartość — Tm = 0,01 — 0,15 s.

Szybkoobrotowe silniki wykonawcze indukcyjne z wydrążonym wirnikiem niemagnetycznym posiadają zarówno zewnętrzny stojan z obwodem magnetycznym o konwencjonalnej konstrukcji i uzwojeniem dwufazowym z fazami pełniącymi rolę uzwojeń wzbudzających i sterujących, jak i wewnętrzny stojan w postaci laminowanej wnęki ferromagnetycznej cylinder zamontowany na osłonie łożyska silnika.

Powierzchnie stojanów są oddzielone szczeliną powietrzną, która w kierunku promieniowym ma wielkość 0,4 — 1,5 mm. W szczelinie powietrznej znajduje się szkło ze stopu aluminium o grubości ścianki 0,2 - 1 mm, zamocowane na wale silnika. Prąd jałowy silników asynchronicznych z wydrążonym wirnikiem niemagnetycznym jest duży i osiąga 0,9 Azm, a sprawność nominalna = 0,2 — 0,4.

W instalacjach automatyki i telemechaniki stosowane są silniki z wydrążonym wirnikiem ferromagnetycznym o grubości ścianki 0,5 – 3 mm. W maszynach tych, stosowanych jako silniki wykonawcze i pomocnicze, nie ma wewnętrznego stojana, a wirnik osadzony jest na jednym wciskanym lub dwóch końcowych czopach metalowych.

Szczelina powietrzna między powierzchniami stojana i wirnika w kierunku promieniowym wynosi tylko 0,2 — 0,3 mm.

Charakterystyki mechaniczne silników z wydrążonym wirnikiem ferromagnetycznym są bardziej zbliżone do liniowych niż charakterystyki silników z konwencjonalnym wirnikiem wiewiórkowym, a także z wirnikiem wykonanym w postaci wydrążonego niemagnetycznego cylindra.

Czasami zewnętrzna powierzchnia wydrążonego wirnika ferromagnetycznego jest pokryta warstwą miedzi o grubości 0,05 - 0,10 mm, a jego powierzchnie końcowe warstwą miedzi do 1 mm w celu zwiększenia mocy znamionowej i momentu obrotowego silnika, ale jego wydajność nieco spada.

Istotną wadą silników z wydrążonym wirnikiem ferromagnetycznym jest jednostronne przyleganie wirnika do obwodu magnetycznego stojana na skutek nierówności szczeliny powietrznej, co nie występuje w maszynach z wydrążonym wirnikiem niemagnetycznym. Silniki z wydrążonym ferromagnetycznym wirnikiem nie są samobieżne; pracują stabilnie w zakresie prędkości od zera do prędkości synchronicznej wirnika.

Asynchroniczne silniki wykonawcze z masywnym wirnikiem ferromagnetycznym, wykonane w postaci stalowego lub żeliwnego cylindra bez uzwojenia, wyróżniają się prostotą konstrukcji, dużą wytrzymałością, dużym momentem rozruchowym, stabilnością pracy przy zadanej prędkości i mogą być używany przy bardzo wysokich obrotach wirnika.

Istnieją silniki odwrócone z masywnym wirnikiem ferromagnetycznym, który jest wykonany w postaci zewnętrznej części obrotowej.

Asynchroniczne silniki wykonawcze produkowane są dla mocy znamionowych od ułamków do kilkuset watów i przeznaczone są do zasilania ze źródeł o zmiennym napięciu o częstotliwości 50 Hz, a także o częstotliwościach podwyższonych do 1000 Hz i więcej.
Przeczytaj także: Selsyns: cel, urządzenie, zasada działania