В настоящей книге рассматриваются основные типы электрических микромашин для автоматических устройств — исполнительные двигатели, тахогенераторы, поворотные трансформаторы и машины, синхронной связи, вопросы их теории и практического использовании в схемах автоматики.
Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов электротехнических и энергетических вузов, а также для инженеров и техников, работающих в области автоматики, телемеханики и счетно-решающей техники.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В Директивах XX съезда Коммунистической партии Советского Союза по шестому пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1956—1960 гг. весь второй раздел посвящен механизации и автоматизации производственных процессов. Кроме того, указания об автоматизации имеются и в других разделах (станкостроение, тяжелое машиностроение, радиотехническая и приборостроительная промышленность и др.). В разделе первом сказано: ..... увеличить за пятилетие изготовление приборов и средств автоматизации примерно в 3,5 раза". Из этого видно, какое большое значение придается партией и правительством вопросам дальнейшего развития в нашей стране автоматики, телемеханики и счетно-решающей техники.
В связи с этим приобретают большой интерес и вопросы теории и практического использования в схемах автоматики электрических микромашин, зачастую являющихся незаменимыми элементами таких схем.
В истории развития микромашин автоматических устройств наиболее „старыми" являются машины синхронной связи. Уже в середине прошлого века были разработаны как русские (А. П. Давыдов, К. И. Константинов, В. Ф. Петрушевский), так и иностранные (Гейслер, Уит-стон) установки синхронной связи, в основном для военных целей (автоматизации артиллерийской стрельбы). В дальнейшем стали развиваться системы с использованием различных электромеханических преобразователей (ключей-коллекторов), работающих на переменной частоте (И. Г. Маругин, Барбье-Бенар и др.). В настоящее время почти исключительно применяются схемы с индукционными микромашинами постоянной частоты — сельсинами. Над вопросами теории и расчета сельсинов много работали М. П. Костенко, Д. В. Васильев, Д. А. Городский, А • И. Штурман, А. Г. Иосифьян. Приоритет создания
я
бесконтактных сельсинов принадлежит А. Г. Иосифьяну и Д. В. Свечарнику. Из иностранных ученых, работавших над теорией сельсинов, следует упомянуть Бэйли, Райта, Линвилла, Вудворда, а также инженеров фирм Сименс, АЕГ, Дженерал Электрик, Вестингауз.
В области теории микромашин других типов (исполнительные двигатели, тахогенераторы, поворотные трансформаторы) интенсивная работа начата сравнительно недавно. Здесь можно назвать исследования А. А. Папер-нова, И."Я. Лехтмана, Е. М. Лопухиной, Г. И. Штурмана, Б. М. Кагана, К. М. Нарсидзе.
Отсутствие в технической литературе как нашей, так и зарубежной обобщенного систематического изложения этих вопросов и связанные с этим затруднения для учащихся тех втузов, в которых имеется соответствующая специализация, побудили автора написать учебное пособие. Основой его является содержание лекций по курсу „Электрические микромашины автоматических устройств", читаемому автором в Московском энергетическом институте имени В. М. Молотова. Ввиду ограниченного времени, отводимого на этот курс в учебных планах, здесь рассматриваются лишь основные типы микромашин, наиболее часто применяемые в схемах автоматики.
При составлении книги предположено, что читатель достаточно подробно изучил общую теорию электрических маший.
Материал настоящей книги во многом является оригинальным и представляет результат длительной исследовательской работы автора в области микромашин. Учитывая также то обстоятельство, что книга представляет собой первый опыт создания учебного пособия в этой области, автор с признательностью примет указания о всех ее недостатках.
Автор приносит благодарность канд. техн. наук Н. А. Явлинскому за ценные замечания, сделанные им
при просмотре рукописи.
Автор
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие.......................... 3
Введение ........................... 9
Раздел 1
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ Глава первая. Общая теория исполнительного двигателя
переменного тока.................... 13
-1. Устройство, принцип действия и схема включения ... 13
-2. Схемы замещения и их параметры........... 19
-3. Уравнения для токов.................. 32
-4. Электромагнитная мощность и вращающий момент ... 36 -5. Потери в стали в эллиптическом поле и учет их влияния
на величину тока статора................ 38
1-6. Потери в обмотках статора и ротора и в конденсаторе 43 1-7. Энергетическая диаграмма. Полная механическая и полезная мощности, подводимая мощность, к. п. д., коэффициенты мощности. Напряжение на конденсаторе ... 44
1-8. Условия получения кругового поля........... 46
1-9. Статорные обмотки исполнительных двигателей..... 49
1-10. Параметры схемы замещения.............. 53
Глава вторая. Теория „идеального" асинхронного исполнительного двигателя................. 56
2-1. Электромагнитная мощность и вращающий момент .... 56
2-2. Механические и регулировочные характеристики..... 60
2-3. Мощности управления и возбуждения. Полезная мощность 63 Гл ава третья. Теория реального двигателя с амплитудным и фазовым управлением............. 68
3-1. Электромагнитная мощность и вращающий момент при
амплитудном управлении................. 68
3-2. Механические и регулировочные характеристики при амплитудном управлении.................. 73
3-3. Линейность регулирования и ее обеспечение....... 78
3-4. Мощности управления и возбуждения. Коэффициенты мощности. Полезная мощность. Коэффициент полезного
действия......................... 81
3-5. Двигатель с фазовым управлением............ 88
3-6. Критерий отсутствия самохода.............. 94
3-7. Влияние величины, активного сопротивления ротора на
характеристики машины и ее использование....... 98
•j-8. Елкякье нагрева ротора ка характеристики двигателя-,-. 106
б
Г л а в а ч е т в ер т а я. Теория двигателя с конденсатором в цепи возбуждения. Сравнение различных способов управления.......................107
4-1. Электромагнитная мощность и вращающий момент . . . 107 4-2. Механические и регулировочные характеристики .... 111
4-3. Линейность регулирования и ее обеспечение.......ИЗ
4-4. Мощности управления и возбуждения. Коэффициенты мощности. Полезная мощность. Коэффициент полезного действия. Напряжение на конденсаторе...........114
4-5. Сравнение различных способов питания.........122
4-6. Основные особенности двигателей с клеткой на роторе и
полым ферромагнитным ротором.............126
Глава пятая. Исполнительные двигателя постоянного
тока...........................129
5-1. Устройство, принцип действия и схемы включения .... 129
5-2. Исполнительный двигатель постоянного тока с якорным
управлением.......................131
5-3. Исполнительный двигатель постоянного тока с полюсным
управлением............. . . . •......139
5-4. Сравнение свойств двигателей с якорным и полюсным управлением и сопоставление их со свойствами идеального асинхронного двигателя ................. 145
Глава шестая. Электромеханическая постоянная времени исполнительных двигателей...........146
6-1. Электромеханическая постоянная времени асинхронного
исполнительного двигателя переменного тока ...... 146
6-2. Электромеханическая постоянная времени исполнительных
двигателей постоянного тока .............. 151
Раздел 2 ТАХОГЕНЕРАТОРЫ
Глава седьмая. Тахогенераторы переменного тока . . 154
7-1. Выходная характеристика................154
7-2. Синхронный тахогенератор................156
7-3. Асинхронный тахогенератор с полым ротором. Принцип
действия.........................157
7-4. Уравнение выходной характеристики асинхронного тахо-
генератора........................160
7-5. Влияние величины и характера нагрузки на выходную
характеристику асинхронного тахогенератора ...... 164
7-6. Погрешности асинхронного тахогенератора и способы их
ослабления........................169
Глава восьмая. Тахогенераторы постоянного тока . . . 178
8-1. Типы тахогенераторов постоянного тока.........178
8-2. Выходная характеристика............... . 179
8-3. Погрешности тахогенератора постоянного тока и способы
их ослабления......................180
6
ПОВОРОТНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
»»
Г т а в а девятая. Устройство поворотных трансформаторов, их назначение и принцип действия .......
9-1 Устройство поворотных трансформаторов........юо
9-2'. Синусный поворотный трансформатор..........188
9-з'. Синус-косинусный поворотный трансформатор со вторичной компенсацией .................... 193
9-4. Синусный поворотный трансформатор с первичной компенсацией ........................195
9-5. Линейный поворотный трансформатор..........197
9-6. Поворотный трансформатор-построитель.........200
Глава десят.ая. Теория четырехобмоточного поворотного трансформатора.................202
10-1. Основные уравнения напряжений и токов........202
10-2. Синусный поворотный трансформатор без компенсации
поперечного поля....................207
10-3. Синусный поворотный трансформатор с компенсирующей
обмоткой на статоре..................213
10-4. Синус-косинусный поворотный трансформатор с двумя
обмотками на роторе..................218
10-5. Синус-косинусный поворотный трансформатор с четырьмя
обмотками. Погрешность, вызванная реакцией ротора . . 222
10-6. Линейный поворотный трансформатор..........228
10-7. Поворотный трансформатор-построитель.........230
Глава одиннадцатая. Обмотки высокой точности для
поворотных трансформаторов.............236
11-1. Общие соотношения для распределенных обмоток. . . . 236
11-2. Электродвижущие силы статора и ротора........246
11-3. Анализ обмоток различных типов............248
11-4. Расчет и составление схем обмоток различных типов . . 253 11-5. Погрешности, вызываемые зубчатым строением статора
и ротора........................264
11-6. Погрешности, вызываемые непостоянством магнитной
проницаемости ..................... 270
Раздел 4 МИКРОМАШИНЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ СИНХРОННОЙ СВЯЗИ
Глава двенадцатая. Синхронные двигатели......273
12-1. Основные показатели, характеризующие работу микрома-
шин в устройствах синхронной связи..........273
1/-2. Классификация синхронных двигателей и области их
применения.......................276
12-3. Реактивные двигатели со сосредоточенными обмотками
12 4 сгтат°Ра • •........................276
•*. Статический и динамический синхронизирующие моменты реактивного двигателя со сосредоточенными обмотками
статора ..,,,,., ................. 280
7
12-5. Реактизные двигатели с распределенной обмоткой статора .......................... 290
12-6. Теория синхронного реактивного двигателя с распределенной обмоткой статора ................ 295
12-7. Редукторный реактивный двигатель........... 318
12-8. Гистерезисный двигатель................ 321
Глава тринадцатая. Микромашины для индукционных
систем синхронной связи..............329
13-1. Классификация, свойства и области применения микромашин для индукционных систем синхронной связи . . . 329
13-2. Сельсины в трехфазной системе синхронной связи . . . 335
13-3. Теория работы однофазных сельсинов в индикаторном
режиме.........................337
13.-4. Теория работы однофазных сельсинов в трансформаторном режиме........................361
13-5. Дифференциальные сельсины..............367
13-6. Однофазные сельсины с одноосной обмоткой синхронизации ..........................369
13-7. Магнесины........................372
ПРИЛОЖЕНИЕ
Технические данные некоторых микромашин для автоматических устройств, выпускаемых промышленностью СССР .........................376
Исполнительные двигатели постоянного тока с независимым возбуждением серии СЛ..................376
Асинхронные исполнительные двигатели с ротором в виде беличьей клетки типа АСМ................377
Реактивные синхронные двигатели со сосредоточенными обмотками статора (импульсные двигатели) серии СЧ.....378
Реактивные синхронные двигатели с распределенными обмотками статора серии СТ.................37?
Сельсины............................38С
Литература ..........................38С
ВВЕДЕНИЕ
По характеру выполнения тех или иных функций )лектрические микромашины, применяемые в автоматике, •елемеханике и счетно-решающей технике, можно подразделить на четыре основные группы:
1) исполнительные двигатели;
2) тахогенераторы;
3) поворотные трансформаторы;
4) машины синхронной связи.
Перечисленные типы микромашин строятся как для переменного так и для постоянного тока, за исключением поворотных трансформаторов, работающих только на переменном токе.
Рассмотрим вкратце назначение микромашин каждого типа и их применение на примере простейших схем. Изучение более сложных схем является задачей специальных курсов.
Исполнительные двигатели предназначаются для преобразования подводимого к ним электрического сигнала (напряжения управления) в механическое перемещение вала, т. е. для электрической отработки. На ^ис. В-1 показана скелетная схема автоматического управления с исполнительным двигателем. На заводящее устройство ЗУ, возбуждаемое напряжением U8 -сети, подается механический поворот на угол а (угол заводки). Выработанный в отрабатывающем устройстве ОУ элек- . трический сигнал подается после предварительного усиления в усилительном устройстве УУ в виде напряжения управления U на исполнительный двигатель ИД, возбуждаемый напряжением Ue сети. Последний, будучи соединен механически (непосредственно или через редуктор) с валом нагрузки, приводит его во вращение. Одно-Ере менно благодаря механической обратной связи ИД с п\г л.-™,, постепенно" уменьшаться напряжение U , и
Цена: 150руб.
