Учебное пособие по предмету «Автоматика»

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Термоэлектрические датчики (термопары). Индукционные датчики. Пьезоэлектрические датчики. Вращающиеся трансформаторы. Первая задача Вторая задача. Другие типы датчиков Электрические исполнительные элементы. Электродвигатели постоянного тока Основные уравнения. Пуск электродвигателя и При первом способе Второй способ Постоянная времени электродвигателей. Типы электродвигателей переменного тока Асинхронный электродвигатель с полым немагнитным ротором. Основные характеристики двухфазных асинхронных двигателей. Шаговые (импульсные) электродвигатели.

Подобный материал:

• Учебное пособие Житомир 2001 удк 33: 007. Основы экономической кибернетики. Учебное, 3745.06kb.
• Учебное пособие, 2003 г. Учебное пособие разработано ведущим специалистом учебно-методического, 794.09kb.
• Учебное пособие, 2003 г. Учебное пособие разработано ведущим специалистом учебно-методического, 454.51kb.
• Учебное пособие, 2003 г. Учебное пособие разработано ведущим специалистом учебно-методического, 783.58kb.
• Е. Г. Непомнящий Учебное пособие Учебное пособие, 3590.49kb.
• Учебное пособие Сыктывкар 2002 Корпоративное управление Учебное пособие, 1940.74kb.
• Учебное пособие г. Йошкар Ола, 2007 Учебное пособие состоит из двух частей: «Книга, 56.21kb.
• Учебное пособие Нижний Новгород 2007 Балонова М. Г. Искусство и его роль в жизни общества:, 627.43kb.
• Общий курс физики т-1 Механика: учебное пособие М.: Физматлит, 2002. Сивухин Д. В.,, 679.32kb.
• Учебное пособие Бишкек 2008 Учебное пособие «Права женщин на землю», 3306.04kb.

Термоэлектрические датчики (термопары).

Термоэлектрические датчики (термопары) применяются для измерения температур.



Рис.7. Термоэлектрический датчик.

Термоэлектрический датчик состоит из двух термоэлектродов 1 и 2, изготовляющихся из разнородных проводников. Одни концы этих проводников сварены, а два других служат выходом датчика, откуда снимается выходное напряжение (рис.7). Точка спая термоэлектродов называется горячим спаем. Горячий спай помещается в область контролируемой температуры, и если температура «холодных» термопары t₁⁰, то на выходе в силу термоэлектрического эффекта возникает термо-ЭДС, определяемая по формуле

(17)

где с- коэффициент пропорциональности, зависящий от материала проводников термопары.

Таким образом, Е_t0 пропорциональна разности температур.

Статические характеристики большинства термопар нелинейны.

В зависимости от измеряемой температуры применяются различные термопары: при длительном нагреве до 600С – хромель – копель, при нагреве до 1000С- хромель – алюмель, до 1300С- платина- платинородий, до 2100С- вольфрам – молибден. При максимальной рабочей температуре значение термо-ЭДС составляет 10-50 мВ.

Термоэлектрические датчики обладают инерционностью, характеризующейся постоянной времени. В зависимости от конструкции постоянная времени срабатывания термопары изменяется от десятых долей секунды до сотен секунд.


Индукционные датчики.

В индукционных датчиках используется явление электромагнитной индукции.

К такого типа датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного токов, используемые как датчики угловой скорости, вибраций, скоростей движения, расхода жидких и газообразных потоков и т.д.

Тахогенераторы фактически представляют собой электромагнитные генераторы.


Пьезоэлектрические датчики.

Пьезоэлектрические датчики для измерения усилий представляют кварцевую пластину. С двух сторон ее напылены или приклеены токопроводящим клеем электроды, с которых снимается выходное напряжение (рис.8).



Рис.8. Пьезоэлектрический датчик.

Два электрода и кварцевый диэлектрик образуют конденсатор, на электродах которого присутствуют электрические заряды Q, возникающие вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта при сжатии кварцевой пластины силой Р.

Электрический заряд пропорционален сжимающей силе Р:

Q=P (18)

Где - коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем.

Под действием изменяющейся силы З на электродах датчика появляется выходное напряжение

(19)

где С_Д- емкость датчика; С_М- емкость монтажа.

Выходное напряжение датчиков изменяется от единиц милливольт до единиц вольт. Усилитель, подключаемый к выходным зажимам пьезодатчика, должен обладать входным сопротивлением.

Большим достоинством пьезоэлектрических датчиков является их безынерционность. Применяются пьезодатчики для измерения сил, давлений, вибраций и т.д.


Вращающиеся трансформаторы.

Вращающимся трансформатором (ВТ) называется индукционная электрическая машина переменного тока, предназначенная для выработки напряжений, пропорциональных синусу и косинусу угла поворота или напряжений, пропорциональных углу поворота ротора машины (в зависимости от схемы включения обмоток статора и ротора).




Рис.9. Схема вращающегося трансформатора.


Конструктивно вращающийся трансформатор выполнен в виде статора и ротора с контактными кольцами.

На статоре и роторе ВТ помещаются по две обмотки, сдвинутые в пространстве под углом 90 (рис.9). Магнитные оси этих обмоток взаимно перпендикулярны. Одна из обмоток статора является обмоткой возбуждения и питается от однофазной сети переменного тока. Если при этом ротор ВТ повернуть на угол , то ЭДС, наводимые в обмотках ротора, будут пропорциональны синусу и косинусу угла поворота:

(20)

где Е₁,Е₂- действующие значение ЭДС в обмотке ротора; Е_max- максимальное значение ЭДС в обмотке ротора (при совпадении осей обмоток ротора и статора).

Максимальное значение ЭДС (без учета потерь) в обмотке ротора определяется из выражения

(21)

где U- напряжение возбуждения ВТ;

_р- число витков в обмотке ротора;

_с- число витков в обмотке статора;

К- коэффициент трансформации ВТ.

Следовательно, напряжение, снимаемые с синусной и косинусной обмоток ВТ, определяются следующим образом:


U₁=KU sin ; U₂=KU cos . (22)

Вращающиеся трансформаторы применяются в автоматике очень широко как датчики угловых величин, а так же как функциональные элементы аналоговых счетно-решающих устройств. Они применяются при решении тригонометрических задач, связанных с вычислением параметров треугольников и преобразованием координат.

Далее приведены некоторые задачи, решаемые с помощью ВТ.

Первая задача. Преобразование полярных координат точки А в прямоугольные (определение катетов х и у прямоугольного треугольника по гипотенузе D и углу ). (Рис. 10-а).

Формулы преобразования координат для прямоугольного треугольника в этом случае имеют вид:

y = D sin ; x = D cos .

Чтобы решить эту задачу с помощью ВТ, необходимо ротор ВТ повернуть на угол , а на обмотку возбуждения статора подать напряжение, пропорциональное D:

U= (1/K)* D

Тогда напряжение, снимаемые с синусной и косинусной обмоток ротора ВТ, включенных по схеме, приведенной на рис. 9, будут:U₁=y, U₂=x.




Рис.10. К решению тригонометрических задач с помощью ВТ.

Д – двигатель: У – усилитель.

Вторая задача. Преобразование прямоугольных координат точки А в полярные (определение гипотенузы D и угла  по катетам y и x).

В этом случае (рис.10-б) на взаимно перпендикулярные обмотки статора должны быть поданы сигналы

y = KU_y; x = KU_x

где К – коэффициент трансформации ВТ.

В результате воздействия этих двух напряжений на обмотках ротора ВТ возникнут напряжения, определяемые выражениями

U₁=KU_y sin  + KU_x cos ; U₂=KU_y cos  - KU_x sin 

Угол  определяется следующим образом. Ротор ВТ следует поворачивать вручную до тех пор, пока напряжение U₂ не станет равным нулю. Тогда

U_y cos  = U_x sin ; y cos  = x sin 


Откуда


U_y/U_x = y/x = sin /cos  = tg 


Таким образом, угол  будет соответствовать искомому углу только в том случае, если при повороте ротора ВТ на этот угол напряжение U₂ будет равно нулю. Указанную операцию можно механизировать: ротор ВТ поворачивать не вручную, а автоматически электродвигателем, управляемым через усилитель напряжением U₂, как показано на рис.10-б. Двигатель будет поворачивать вал ротора ВТ до тех пор, пока напряжение U₂ не станет равным нулю.

Гипотенуза D треугольника определяется из уравнения

D=U₁=KU_y sin  + KU_x cos 

Или

D= y sin  + x cos 

Схема, приведенная на рис.10-б, обеспечивает автоматическую выработку искомых величин  и D. При этом  вырабатывается в виде угла поворота, а D – в виде напряжения U₁.

Кроме рассмотренных двух схем включения ВТ в автоматике и вычислительной технике широко применяются ВТ, работающие в линейном режиме – линейные вращающиеся трансформаторы (ЛВТ), масштабные вращающиеся трансформаторы (МВТ) и ВТ, работающие в качестве фазовращателей.

На рис.11-а,б, приведены схемы включения ВТ в режим линейного вращающегося трансформатора.




Рис.11. Некоторые схемы включения ВТ.

а, б – в линейном режиме; в – в масштабном режиме.

Напряжение на выходе ВТ, включенных по этим схемам, пропорционально углу поворота ротора ВТ в диапазоне 0-60 и соответствует выражению


Где Uвх – входное напряжение; Uвых – выходное напряжение;

k₁,k₂ – коэффициенты пропорциональности (k₁=0,50,55);  - угол поворота ротора.

Схема включения ВТ в масштабном режиме дана на рис.11-в. В этом случае.

Uвых = k₃Uвх

Где k₃- коэффициент пропорциональности, зависящий от угла поворота ротора ВТ.

Масштабные вращающиеся трансформаторы применяются для согласования масштабов в каскадных схемах с ВТ.

Для получения более высокой точности работы ВТ применяются специальные схемы симметрирования, уменьшающие влияние поперечного поля (магнитного потока), создаваемого поперечной квадратурной обмоткой статора, на изменение выходного напряжения ВТ. Симметрирование осуществляется как со стороны первичной цепи ВТ – первичное симметрирование, так и со стороны вторичной цепи – вторичное симметрирование. Кроме того, существует двустороннее симметрирование. В этом случае достигается одновременно симметрирование как статорной, так и роторной цепи.

Вращающиеся трансформаторы классифицируются по назначению, габаритам, характеру токосъема, параметрам и точности.

По назначению вращающиеся трансформаторы в схемах автоматики и вычислительной техники подразделяются на синусно-косинусные (СКВТ), линейные (ЛВТ), по строительные (ПВТ), масштабные (МВТ) и фазовращатели.

По габаритам ВТ делятся на семь групп – с ВТ-1 по ВТ-7 (с первого по седьмой габариты). Существуют так же специальные образцы вращающихся трансформаторов.

По характеру токосъема ВТ подразделяются на контактные и бесконтактные. У контактных ВТ токосъем с ротора осуществляется либо с помощью колец и щеток, либо с помощью спиральных пружин; у бесконтактных ВТ – за счет дополнительного трансформатора ротора.

Параметры ВТ в зависимости от их типа следующие:

Сопротивление холостого хода 250-4500 Ом; коэффициент трансформации 0,1-1; материал магнитопровода – электротехническая сталь или пермаллой.

По точности ВТ делятся на четыре класса в зависимости от максимальной погрешности воспроизводимой функции. Данные по классам точности приведены ниже.

Класс точности ВТ	Максимальные ошибки, %
Нулевой Первый Второй Третий	0,05 0,1 0,25 0,25

Общий вид вращающегося трансформатора типа ВТ-5 приведен на рис.12.





Рис.12.Общий вид (а) и схемы обмоток (б) вращающегося трансформатора ВТ-5

Другие типы датчиков


Датчики давления

На практике бывают случаи, когда измеряемую величину нельзя сразу преобразовать в электрическую. В этих случаях применяются датчики с двукратным преобразованием. Элемент датчика, осуществляющий первое преобразование, называется чувствительным элементом; элемент датчика, осуществляющий второе преобразование, фактически представляет собой один из рассмотренных выше датчиков.

Примером датчика с двукратным преобразованием может служить датчик давления, который преобразует давление жидкости или газа в электрическую величину. Чувствительный элемент такого датчика преобразует давление среды в перемещение, которое измеряется датчиком перемещения. В качестве чувствительных элементов часто используются мембраны и сильфоны.

Устройство датчика мембранного типа показано на рис.13-а. На конце трубопровода укрепляется тонкая пластина. Эта пластина и называется мембраной. Под действием давления жидкости или газа центр мембраны прогибается и перемещает движок потенциометра, при перемещении которого изменяется выходное сопротивление датчика.

Датчик сильфонного типа представляет собой тонкостенную гофрированную трубку из упругого материала, один конец которой жестко соединен с движком потенциометра (рис.13-б). Под действием давления газа сильфон растягивается, что приводит к перемещению движка потенциометра.






Рис.13. Датчики давления.

а – мембранный; б- сильфонный для газов; в – сильфонный для жидкостей.


Применяется также и другая конструкция сильфонного датчика (рис.13-в), представляющего собой полый сосуд, внутрь которого встроен сильфон. Жидкость под давлением Р поступает в полость сосуда, вследствие чего сильфон, сжимаясь, перемещает движок потенциометра.

Сила давления жидкости в данном сильфоне определяется по формуле

(23)

где m – масса жидкости в сильфоне;

l – перемещение движка потенциометра;

D_тр – коэффициент вязкого трения;

k_c – коэффициент упругости сильфона;

S_с – площадь сильфона.


Датчики линейных ускорений (акселерометры)

Датчики линейных ускорений предназначены для преобразования линейного ускорения в электрическую величину. Примером такого датчика может служить акселерометр, у которого ускорение преобразуется в усилие, которое затем измеряется пьезоэлектрическим датчиком (рис.14).





Рис. 14. Пьезоэлектрический датчик линейных ускорений.

1- корпус; 2- чувствительный элемент; 3 – кварцевая пластина; 4 – основание.


Пьезоэлектрический датчик наклеивается на основание, а сверху к нему с помощью токопроводящего клея приклеивается чувствительный элемент.

Ось ОХ, перпендикулярна плоскости кварцевой пластины пьезоэлектрического датчика, называется осью чувствительности акселерометра.

При движении объекта с ускорением  вдоль ОХ на чувствительный элемент акселерометра, установленного на объекте, действует инерционная сила, направленная в сторону, противоположную ускорению. Эта сила определяется по формуле


Fи= ma (24)


Где m – масса чувствительного элемента.

На чувствительный элемент действует также сила тяжести P.

Для рассматриваемого случая эти силы (Fи и P) совпадают по направлению, и результирующая сила


F=Fи + Р = m(a+g) (25)


Где g – ускорение силы тяжести

При изменяющейся силе F на выходе пьезоэлектрического датчика возникает напряжение

(26)

где d – пьезомодуль;

Cд – емкость датчика;

См – емкость монтажа;

К=dm/(Сд+См) – коэффициент передачи;

а_к=а+g – кажущееся ускорение, равное векторной разности действительного ускорения объекта а и ускорение силы тяжести g.

Отсюда можно сделать вывод, что акселерометр измеряет не действительное, а кажущееся ускорение объекта.


Сельсинные датчики.

В системах автоматики для измерения угла рассогласования двух осей используются сельсины, работающие в трансформаторном режиме. Они получили название сельсинных датчиков.

Частным случаем сельсинного датчика является датчик угла прецессии, применяемый в гироскопических системах. По своему устройству – это поворотные (вращающиеся) трансформаторы специальной конструкции. На их статоре и роторе располагаются по одной или по две сдвинутые в пространстве по 90 однофазные обмотки. Обмотки статора (или ротора) питаются переменным напряжением. С обмоток ротора (или статора) снимается выходное напряжение, значение которого в некоторых пределах пропорционально углу поворота ротора. За начальное положение ротора принимается положение, при котором выходное напряжение равно нулю. К датчикам угла прецессии предъявляется ряд требований, основным из которых является обеспечение большой крутизны выходного напряжения и отсутствие каких-либо моментов, действующих на оси прецессии гироскопа (трения, реактивных моментов и др.).

Ротор датчика угла прецессии крепится не в подшипниковых щитах, а непосредственно на оси прецессии гироскопа, с целью исключения моментов трения. Статор укрепляется в расточке гирорамы. Датчик угла прецессии, таким образом, в обычном понимании не представляет собой цельной электрической машины. Он состоит из статора и ротора, конструктивно расположенных в различных узлах гироскопа.

На рис.15 в качестве примера представлен датчик угла прецессии типа «микросин». Он имеет четырех полюсный статор. На каждом из полюсов располагаются две обмотки – первичная и вторичная. У первичных обмоток соединение согласно-последовательное, а у вторичных – встречно-последовательное. Ротор двухполюсный с дугой в 90. Пакеты статора и ротора набираются из электротехнической стали.

В нулевом положении каждый полюс ротора перекрывает по половине разноименных полюсов статора; при этом ЭДС выходной (вторичной) обмотки равна нулю. При повороте ротора вследствие перераспределения магнитных потоков во вторичной обмотке наводится ЭДС, амплитуда которой зависит от угла поворота, а фаза – от его направления.





Рис.15. Микросин.

а – конструкция; б – схема соединения обмоток.

Линейность выходного напряжения зависит от точности изготовления микросина. Диапазон работы микросина невелик, однако он нередко применяется вследствии высокой надежности и отсутствия моментов сопротивления.


Электрические исполнительные элементы.

Общие сведения.

Электрическими исполнительными элементами называются устройства, преобразующие электрический ток в механические перемещения. Обычно они используются для воздействия на регулируемый объект.

Электрические исполнительные элементы делятся на электродвигатели и электромагнитные устройства.

В приборостроении и автоматике используются электродвигатели постоянного тока, переменного тока и шаговые (импульсные). В качестве электромагнитных устройств – электромагнитные муфты, электромагнитные вентили, электромагниты с поворотным якорем и т.п.

К электродвигателям в автоматике предъявляется ряд требований, в частности, они должны иметь:

Широкий диапазон изменения частоты вращения; простоту регулирования частоты вращения; малые габариты и массу при относительно большой механической мощности; сравнительно малую инерционность.


Электродвигатели постоянного тока

Принцип работы, конструкция.

Первый электродвигатель постоянного тока был создан в России в 1834 г. академиком Б.С. Якоби.

Электродвигатели постоянного тока широко используются в схемах автоматики, так как они позволяют плавно регулировать частоту вращения в большом диапазоне, т.е. получать практически любые частоты.

На рис.1 приведена схема электродвигателя постоянного тока. Электромагнитные полюсы 1 статора создают магнитный поток Ф, пронизывающий секции обмотки якоря 2, по которым протекает электрический ток i_я. Напряжение постоянного тока U подводится к обмотке якоря через щетки 3 и коллектор.




Рис.16. Схема электродвигателя Рис.17.Конструкция электродвига

постоянного тока теля постоянного тока

В результате взаимодействия магнитного потока Ф с электрическим током i_я

якоря возникает вращающий момент и якорь вращается в электромагнитном поле с частотой вращения n.

Вращающий момент Мвр пропорционален магнитному потоку Ф статора и току i_я протекающему в обмотке якоря:

Мвр=k_мi_я Ф

Где k_м – постоянный коэффициент.

Электродвигатель постоянного тока состоит из следующих основных конструктивных деталей и узлов (рис.17): станицы 1 с полюсами 2 и обмоткой возбуждения 3; якоря 4 с коллектором 5 и щетками 6; корпуса 7 с крышками 8 и подшипниками 9, к которых вращается вал 10. Между неподвижной частью электродвигателя (статором) и вращающейся частью (якорем), имеется воздушный зазор 0,3-1 мм (для машин малой мощности).

Для изменения направления вращения якоря необходимо изменить либо направление тока якоря, либо направление магнитного потока полюсов (тока в обмотке возбуждения). При одновременном изменении тока якоря и потока полюсов направление вращения не меняется.

В зависимости от системы возбуждения полюсов двигатели постоянного тока (рис.18) делятся на двигатели с независимым (рис.18-а), параллельным (рис.18-б), последовательным (рис.18-в), смешанным (рис.18-г) возбуждением и двигатели с постоянными магнитами (рис.18-д).




Рис.18. Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока.


Основные уравнения. Пуск электродвигателя и

регулирование частоты вращения.

При вращении якоря проводники его обмотки пересекают линии магнитного поля, вследствие чего в них наводятся ЭДС, которые в результате сложения дают суммарную ЭДС Е, пропорциональную частоте вращения якоря n и магнитному потоку Ф:

Е=k_ЕnФ

Где k_Е – коэффициент, зависящий от конструкции машины и выбранной схемы обмотки якоря.

Для режима вращения якоря двигателя справедливо следующее выражение для напряжения, подводимого к цепи якоря:

U= E+i_яR

Причем

R = Rя + Rp + r_щ

Где R – сопротивление цепи якоря;

Rя – сопротивление обмотки якоря;

Rр – сопротивление внешнего реостата (если таковой имеется);

r_щ – сопротивление щеток;

i_я – ток якоря, определяемый по формуле i=(U-R)/R

Полученные два уравнения двигателя позволяют рассматривать работу электродвигателя постоянного тока как в режиме вращения, так и при пуске.

В момент пуска электродвигателя значение ЭДС E равно нулю, т.е. напряжение, подводимое к якорю, уравновешивается падением напряжения на активном сопротивлении R цепи якоря:

U = i_яR.

При номинальной частоте вращения якоря в машинах средней и большой мощности ЭДС составляет 93-97% номинального напряжения; в машинах малой мощности (до 500 ВТ) – 80-90%.

В силу того что ЭДС Е при номинальном режиме работы двигателя составляет около 90 % номинального напряжения, для машины мощностью до 500 Вт ток в цепи якоря будет незначительным.

Наоборот, при пуске двигателя, т.е. при Е=0, ток в цепи якоря может достигать большого значения, значительно превосходящего номинальное значение. С целью ограничения пускового тока в момент пуска электродвигателя в цепь якоря включается дополнительное сопротивление (реостат). Такой метод уменьшения пускового тока часто применяют для электродвигателей средней и большой мощности, где кратность пускового тока по отношению к номинальному может быть примерно равна:

I_пуск/I_ном = 10 20.

Обычно рекомендуется пусковое ограничительное сопротивление выбирать таким образом, чтобы отношение

I_пуск/I_ном = 2  4.

С нарастанием частоты вращения якоря двигателя растет значение ЭДС Е, а значение тока в якоре падает. Поэтому необходимо постепенно уменьшать пусковое ограничительное сопротивление (вывод реостата). Пусковое сопротивление в зависимости от требований, предъявляемых к приводу, может выводиться вручную или автоматически.

При пуске двигателей малой мощности, как правило, пусковые сопротивления не используются, потому что время разгона якоря до номинальной частоты вращения невелико и, следовательно, увеличение тока будет кратковременным и не отразиться на работоспособности двигателя.

Вырази ЭДС Е в основном уравнении для напряжения через частоту вращения n, магнитный поток Ф и постоянный для данного типа машины коэффициент k_Е, получим:

U = k_EnФ + i_яR

Тогда уравнение для частоты вращения будет:




Из полученного уравнения видна возможность организации регулирования скорости:

1)изменением напряжения питания U;

2)изменением активного сопротивления R в цепи якоря;

3)изменением магнитного потока Ф.

При первом способе частота вращения регулируется либо с помощью специального генератора (система генератор-двигатель), либо с помощью потенциометра, либо с помощью усилителя ( для двигателей малой мощности). Этот способ позволяет регулировать частоту вращения в широком диапазоне с малыми потерями мощности. Поэтому он часто применяется на практике, несмотря на необходимость использования дополнительного оборудования.

Схема регулирования частоты вращения с помощью системы генератор-двигатель приведена на рис.4-а



Рис.19.Схемы регулирования частоты вращения электродвигателя изменением напряжения питания якоря.

В этой схеме АД- асинхронный двигатель, который приводит во вращение генератор Г постоянного тока; Д – двигатель постоянного тока. При изменении потенциометром тока в обмотке возбуждения ОВ генератора изменяется магнитный поток Ф генератора. Изменение магнитного потока приводит к изменению напряжения U_п, Снимаемого с генератора для питания якоря двигателя, а если меняется напряжение питания двигателя, то меняется и частота вращения двигателя.

На рис.19-б показана схема регулирования частоты вращения двигателя с помощью потенциометра. При изменении положения движка потенциометра R_п изменяется положение питания U_п двигателя Д и таким образом регулируется частота вращения n двигателя.

На рис.19-в приведена схема регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока с помощью усилителя.

В этой схеме при отсутствии напряжения сигнала Uс напряжение питания якоря двигателя Uп, снимаемое с выхода усилителя, равно нулю – двигатель неподвижен. При подаче сигнала на вход усилителя напряжение питания двигателя увеличивается.

Второй способ регулирования частоты вращения (путем изменения сопротивления цепи якоря) является надежным и простым. Но при этом имеются большие потери мощности на сопротивлении регулировочного реостата (особенно это наблюдается при малых частотах вращения, т.е. когда сопротивление велико).

Самым экономичным и простым является третий способ регулирования частоты вращения – изменение магнитного потока Ф, осуществляемый либо с помощью реостатов в цепи возбуждения, либо с помощью усилителей. Схема регулирования частоты вращения изменением магнитного потока возбуждения с помощью усилителя приведена на рис.20.




Рис.20.Схема регулирования

частоты вращения электрод-

вигателя изменением

магнитного потока.


Механические характеристики

электродвигателя с параллельным возбуждением.

Чтобы проанализировать механические характеристики электродвигателя, полученные при регулировании частоты вращения тремя рассмотренными способами, необходимо сделать некоторое преобразование в исходном уравнении для частоты вращение:




Из уравнения для вращающего момента

Мвр = k_мIФ

Где k_м – постоянный коэффициент, можно определить

I=Mвр/(k_мФ)

Подставив его в уравнение для частоты вращения, получим:




Первое слагаемое в полученном уравнении представляет собой частоту вращения двигателя на холостом ходу

n₀=U/(k_EФ)

второе слагаемое характеризует изменение частоты вращения, обусловленное моментом нагрузки, и обозначается






Рис.21. Механические характеристики электродвигателя с параллельным возбуждением.

На рис.21-а показано, как изменяются механические характеристики при регулировании частоты вращения изменением напряжения U. Легко убедиться, что при первом способе регулирования частоты вращения меняется частота вращения двигателя на холостом ходу, крутизна же механических характеристик остается неизменной, т.е. характеристики смещаются относительно друг друга параллельно.

При регулировании частоты вращения изменением активного сопротивления в цепи якоря меняется n; частота вращения на холостом ходу остается постоянной. При увеличении сопротивления R частота вращения уменьшается; при этом жесткость характеристик n=f(Мвр) также уменьшается. Это показано на рис.21-б.

Изменением магнитного потока Ф, как указывалось, осуществляется регулирование частоты вращения по третьему способу. С увеличением магнитного потока n₀ и n уменьшаются, причем крутизна характеристик, как видно из рис.21-в увеличивается.




Рис.22. Исполнительный двигатель постоянного тока серии СЛ.

На рис.22 в качестве примера приведена конструкция исполнительного двигателя постоянного тока серии СЛ, который находит применение в приборах управления автоматики и следящих системах. На этом рисунке введены следующие обозначения: 1 – передний подшипниковый щит: 2 – щетки; 3 – обмотка полюса; 4 – корпус; 5 – статор в разрезе; 6 – задний подшипниковый щит; 7 –вал; 8 – сердечник якоря; 9 – полюс; 10 – обмотка якоря; 11 –коллектор; 12 – шариковый подшипник.

В последнее время широкое распространение получили исполнительные микро электродвигатели с постоянными магнитами.

Стоимость двигателей с постоянными магнитами, несмотря на кажущуюся их простоту, не меньше, а иногда (при мощностях в десятки – сотни ватт) больше стоимости обычных двигателей. Объясняется это высокой стоимостью магнитотвердых материалов, идущих на изготовление постоянных магнитов.

Наиболее распространенной серией отечественного производства микродвигателей с постоянными магнитами является серия ДПМ.

Постоянная времени электродвигателей.

С момента включения электродвигателя до момента, когда развивается максимальная механическая мощность, требуется соответствующее время, называемое электромеханической постоянной времени Tм. За время Тм двигатель развивает скорость, равную половине скорости холостого хода. Каждый тип электродвигателя характеризуется определенной постоянной времени Тм.

Величина Тм определяется по формуле

Тм=Jn₀/Мпуск  0,07

Где J – момент якоря: n₀ – частота вращения на холостом ходу; Мпуск – пусковой момент.

Вращающий момент на валу двигателя в динамике определяется по формуле




Где J – момент инерции всех вращающихся частей двигателя;

 - угловая скорость якоря;

Мст – статический момент нагрузки двигателя.


Электродвигатели переменного тока.


Типы электродвигателей переменного тока

Около 90% всех электродвигателей, выпускаемых промышленностью, составляют асинхронные электродвигатели. Они являются основными двигателями современного электропривода.

Асинхронные электродвигатели делятся на три класса: однофазные, двухфазные и трехфазные.

Асинхронные электродвигатели широко применяются в схемах автоматики, вычислительной техники и других областях народного хозяйства.

В следящих системах и других устройствах автоматики наибольшее распространение получил двухфазный асинхронный двигатель с полым немагнитным ротором.


Асинхронный электродвигатель с полым немагнитным ротором.

Электродвигатели с полым немагнитным ротором выпускаются промышленностью на частоты 50,330,400,500,800 и 1000 Гц мощностью от десятых долей до нескольких сот ватт. Весьма широк и диапазон скоростей электродвигателей этого типа – от 1500 до 30000 об/мин.





Рис.23. Конструктивная схема электродвигателя с полым немагнитным ротором.

Рис.24. Схемы включения обмоток статора

ения обмоток статора.


На рис.23 представлена конструктивная схема электродвигателя с полым немагнитным ротором. Основными элементами конструкции являются: внешний статор 1 с обмоткой 6, внутренний статор 2, полый без обмоточный ротор 3, укрепленный на валу 7, корпус 4, крышка 5, подшипниковые узлы 8.

Внешний и внутренний статоры изготавливаются их листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. Внутренний статор жестко связан с одним из щитов и служит для уменьшения магнитного потока. В пазы внешнего статора закладывается двухфазная обмотка. Одна из фаз используется в качестве обмотки возбуждения, другая – в качестве обмотки управления. Фазы между собой в пространстве сдвинуты на угол 90 (рис.24-а), что позволяет при сдвиге фаз равном /2, между напряжениями, подаваемыми на каждую из фаз, получать вращающееся круговое магнитное поле. В определенных случаях применяется мостовая схема соединения обмоток.(рис.24-б)

Ротор двигателя выполняется в виде тонкостенного стакана из немагнитного алюминиевого сплава. Толщина стенок ротора в зависимости от значения мощности двигателя может колебаться от 0,2 до 1 мм. Благодаря такому исполнению ротора электродвигатели имеют незначительные моменты инерции, т.е. выполняется одно из основных требований, предъявляемых к исполнительным электродвигателям автоматических устройств, - малая инерционность.

Общий зазор с учетом двух воздушных зазоров между ротором и обоими статорами и толщины стенки ротора составляет 0,5-1,5 мм. Из-за наличия большого воздушного зазора снижается коэффициент мощности, т.е. значение намагничивающего тока велико и в некоторых двигателях достигает примерно 80-90% номинального тока.

Вращающий момент в электродвигателе с полым немагнитным ротором создается в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля, возникающего при питании обмоток статора переменным током, с вихревыми токами, наводимыми в стенках ротора этим же вращающимся магнитным полем. Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля.

Обмотка возбуждения двигателя питается от сети переменного тока, обмотка управления – обычно от усилителя. При этом напряжение управления сдвинуто по фазе относительно напряжения возбуждения на +90 или -90. Напряжение управления изменяется по амплитуде. При изменении фазы управляющего напряжения с +90 на -90 направление вращения ротора изменяется на обратное.

Вращающий момент двигателя пропорционален произведению напряжений возбуждения и управления на синус угла сдвига фаз между ними:

Мвр = kU_вU_уsin 

Где k- коэффициент пропорциональности; Uв – напряжение возбуждения;

Uу – напряжение управления;  - угол сдвига фаз между Uв и Uу; обычно =90, т.е. sin =1.

В режиме пуска пусковой момент

Мпуск = kUвUу

Если учесть, что Uв=const, то Мпуск пропорционален напряжению управления Uу.

Зависимость вращающего момента двигателя Мвр от частоты вращения n при постоянном напряжении управления Uу и напряжении возбуждения Uв называется механической характеристикой асинхронного двигателя.




Рис.25. Механические характеристики асинхронного двигателя.

На рис.25-а представлена механическая характеристика асинхронного двигателя, где s=n_sn/n_c – скольжение двигателя; n_c=60 f/p –синхронная частота вращения двигателя; р- число пар полюсов обмотки статора; s_m – критическое или опрокидывающее скольжение; f – частота сети и управления; n_s – частота вращения при s=0.

По значению критического скольжения механическая характеристика электродвигателя делится на две части: неустойчивую и устойчивую.

В пределах устойчивой части характеристики электродвигатель работает устойчиво, т.е. с увеличением вращающего момента двигателя скорость его уменьшается, или, иными словами, для устойчивой работы двигателя необходимо, чтобы с увеличением скольжения вращающий момент двигателя увеличивался.

При прочих равных условиях область устойчивой части механических характеристик электродвигателя увеличивается с увеличением приведенного к обмотке статора активного сопротивления ротора Z_Ry.

На рис.25-б приведены механические характеристики двигателя с различным приведенным активным сопротивление ротора.

С увеличением приведенного активного сопротивления ротора кривая Мвр=F(n) изменяется.

Чтобы электродвигатель работал устойчиво в широком интервале изменения скольжения: от s=0 до s=1, необходимо увеличивать активное сопротивление ротора до такого значения, при котором критическое скольжение s_m1.

Это условие выполнимо для большинства двухфазных асинхронных двигателей.

Двухфазные асинхронные двигатели управляются в основном двумя способами:

1)изменением амплитуды напряжения на обмотке управления (рис.26-а);

2)изменением фазы напряжения в обмотке управления (рис.26-б)




Рис.26.Схемы включения двухфазных асинхронных электродвигателей.


Основные характеристики двухфазных асинхронных двигателей.

Уравнение моментов на валу двигателя имеет вид:

Мдин + Мст = Мвр

Где Мдин – динамический момент; Мст - статический момент; Мвр – вращающий момент двигателя.

Уравнение движения двигателя имеет вид:




Где J – момент инерции ротора;  - угловая скорость ротора; Uу – напряжение на обмотках управления; k1,k2 – коэффициенты пропорциональности.

Синхронная частота вращения

n_c=60f/p

где f – частота источника питания; р – число пар полюсов.

Электромагнитная мощность двигателя

Рэм = _сМвр

Где _с – угловая синхронная скорость ротора; Мвр – электромагнитный момент вращения.

Вращающий момент двигателя




Механическая мощность двигателя




Электромеханическая постоянная времени двигателя




Где =Uy/Uв – коэффициент сигнала; k – коэффициент трансформации – отношение числа витков обмотки возбуждения к числу витков обмотки управления;

Мпуск – начальный пусковой момент.

Частота вращения на холостом ходу




К достоинствам электродвигателей с полым немагнитным ротором следует отнести:

1. малый момент инерции ротора;
   
2. высокую кратность пускового момента, что в совокупности с малым моментом инерции ротора обеспечивает быстродействие двигателя, т.е. быструю реакцию на изменение управляющего напряжения;
   
3. сравнительно хорошее приближение механических и регулировочных характеристик к линейным;
   
4. широкий диапазон регулирования частоты вращения n_max/n_min = 100200
   
5. быстрое изменение направления вращения ротора путем сдвига фазы напряжения управления на 180;
   
6. плавность и бесшумность хода благодаря отсутствию пазов на роторе;
   
7. стабильность характеристик при значительном изменении температуры окружающей среды и температуры двигателя;
   
8. способность двигателя к самоторможению (отсутствие самохода);
   
9. малый момент трения;
   
10. отсутствие источника радиопомех;
    
11. надежность в эксплуатации, что обусловлено отсутствием скользящих контактов.
    

К недостаткам электродвигателей с полым немагнитным ротором относятся:

1. низкий КПД;
   
2. низкий коэффициент мощности (за исключением конденсаторных двигателей);
   
3. большие габариты и масса, обусловленные первыми двумя недостатками.
   

По габаритам электродвигатель с полым немагнитным ротором больше исполнительных электродвигателей постоянного тока и обычных асинхронных электродвигателей широкого применения той же мощности примерно в 2-4 раза.

Для уменьшения габаритов большинство электродвигателей с полым немагнитным ротором выполняют на повышенные частоты питания: 330-1000 Гц.

Электродвигатели, работающие от сети с повышенной частотой имеют более высокие угловые скорости ротора, а следовательно, развивают те же механические мощности при меньших вращающих моментах на валу.


Шаговые (импульсные) электродвигатели.

В последние годы в схемах автоматики начали широко применяться шаговые электродвигатели (ШД). Чаще всего такие электродвигатели используются в автоматических устройствах, где управляющий сигнал задается в цифровой форме или в виде последовательности импульсов.

Автоматизированный привод дискретного действия с шаговыми электродвигателями достаточно прост, надежен и имеет малые габариты.

В настоящее время известно большое число различных конструктивных шаговых двигателей, которые можно классифицировать по следующим признакам:

1. по числу фаз обмоток управления: однофазные, двухфазные и многофазные;
   
2. по типу роторов: активные (возбужденные) и пассивные (не возбужденные); активные шаговые двигатели можно в свою очередь разделить на двигатели с постоянными магнитами (магнитоэлектрические) и двигатели с обмотками возбуждения (электромагнитные); пассивные – на индукторные и реактивные;
   
3. по числу пакетов стали магнитопровода: одно пакетные, двух пакетные и много пакетные;
   
4. по способу фиксации ротора при обесточенных обмотках управления: с внутренней и внешней фиксацией;
   
5. по способу вращения: реверсивные, нереверсивные;
   
6. по мощности: маломощные, силовые;
   
7. по перемещению ротора: с угловым и с линейным перемещением.
   

Шаговые электродвигатели преобразуют управляющий импульс в фиксированный угол поворота ротора или в фиксированное линейное перемещение датчика обратной связи. Такие двигатели дают возможность преобразовывать унитарный код в пропорциональное перемещение механизма. Указанное свойство ШД является очень ценным, так как позволяет применять их в устройствах автоматики с цифровыми (дискретными) управляющими сигналами. Наибольшее распространение ШД получили в станкостроении для программного управления станками. В этом случае программа работы станка записывается на перфоленту или перфокарту, откуда она считывается и преобразуется в унитарный код для управления приводом станка.

Шаговые электродвигатели применяются также, когда управляющая команда (из-за технологических особенностей) носит дискретный характер. Примерами таких устройств являются различного рода счетчики, затворы, лентопротяжные механизмы и т.д.

Шаговые электродвигатели применяются также, когда управляющая команда (из-за технологических особенностей) носит дискретный характер. Примерами таких устройств являются различного рода счетчики, затворы, лентопротяжные механизмы и т.д.

Шаговые электродвигатели широко используются для регулирования ядерных реакторов и в ракетной технике.

Описание всех конструкций, применяемых в настоящее время на практике шаговых двигателей, весьма затруднительно, поэтому далее рассматриваются лишь некоторые из них.


Рис.27. Конструктивная схема шагового электродвигателя.

Схема конструкции одного из типов шаговых электродвигателей приведена на рис.27. Он состоит из статора 1, полюсов с обмотками управления 2 и ротора 3. Если на обмотку управления подать напряжение Uу, то под действием магнитного поля ротор электродвигателя повернется на угол  и останется в этом положении. При этом секторы ротора будут находиться непосредственно под полюсами статора и будут удерживаться магнитными потоками полюсов до тех пор, пока по обмоткам полюсов статора будет протекать ток. Для следующего поворота ротора на заданный угол (шаг) в статоре должны быть предусмотрены еще четыре или более полюсов с обмотками. Такой же эффект можно получить, если статор электродвигателя будет состоять из нескольких секций, расположенных в одной стороне двигателя по его длине. Однако полюсы каждой секции статора должны быть сдвинуты под определенным углом. Ротор этого двигателя по конфигурации также имеет секционную форму. При этом длина каждой секции равна длине каждой секции статора, а выступы ротора сдвинуты на тот же угол, что и полюсы статорных секций.

В таких конструкциях шаговых электродвигателей имеется не одна, а несколько обмоток – в зависимости от числа секций статора. Управление подобными двигателями осуществляется соответствующими усилителями, которые выдают серию повторяющихся импульсов определенной длительности. Такой усилитель имеет несколько выходных каналов управления. Каждый канал управления подает импульсы на свою обмотку управления, шагового двигателя. Если двигатель имеет, например, четыре секции и соответственно четыре обмотки управления, то в этом случае усилитель ШД также должен иметь четыре выходных канал.

На рис.28 представлены в качестве примера схе­ма обмотки и порядок коммутаций напряжения двух­фазного шагового двигателя типа ШД-2-1.

Обмотки двигателя имеют выводы средних точек С₅ и С₆ что приводит к их расщеплению на две полуфазы, и превращает двигатель из двухфазного в четырехфазный.




Рис. 28. Схема обмоток (а) и порядок коммутации напряжения (б) шагового двигателя типа ШД-2-1.


Управление этого двигателя производится однополярными импульсами (рис.28-6).

По своей конструкции шаговые двигатели мало отли­чаются от обычных синхронных двигателей. Их роторы чаще возбуждаются постоянными магнитами, реже — обмоткой возбуждения постоянного тока. Роторы име­ют явно выраженные полюсы. Их выполняют в виде магнитов-звездочек (многополюсными) с целью умень­шения шага.

Однофазные шаговые двигатели обычно применяют­ся там, где не требуется больших синхронизирующих моментов и высоких скоростей. Они просты по устрой­ству и управлению, не требуют сложных коммутаторов и чаще всего имеют одно направление вращения (не имеют реверса). Главная трудность создания однофаз­ных двигателей состоит в получении у них пускового момента однонаправленного действия.

На рис.29 представлен одно пакетный четырехфазный индукторный шаговый двигатель с постоянны­ми магнитами. Этот двигатель обладает такими же свойствами, что и двигатель с независимым возбуждением но не имеет потерь на возбуждение.

В настоящее время известно большое число конструкций индукторных шаговых двигателей с постоянными магнитами. Кроме одно пакетных двигателей широко применяются двух пакетные. У одних из них поток замыкается, только в плоскости, перпендикулярной оси двигателя.




Рис.29. Одно пакетный шаговый двигатель индукторного типа с возбуждением от постоянных магнитов.

Пакеты статоров таких двигателей выполняются одинаковыми, смещенными в пространстве на половину зубцового деления. У других двигателей поток имеет радиально - аксиальное направление.

На рис.29 введены следующие обозначения:

1-полюсы статора; 2- постоянные магниты; 3- ротор;
4 и 5- обмотки управления. .

Следующей разновидностью шаговых электродвигателей являются шаговые реактивные двигатели, которые, так же как и индукторные, имеют невозбужденный (пассивный) ротор. Конструктивно они весьма схожи с индукторными двигателями, имеющими электромагнитное возбуждение. Одним из недостатков реактивных шаговых электродвигателей является отсутствие у них внутренней, магнитной фиксации ротора при обесточенных обмотках статора. Кроме рассмотренных выше основных конструкций шаговых двигателей в последнее время появился ряд других типов шаговых двигателей: с катящимися и волновыми роторами, с печатными обмотками и др.


ТАХОГЕНЕРАТОРЫ