Тема 3. Электромеханические исполнительные устройства
Общие сведения
Электромеханические исполнительные устройства – это преобразователи электрической энергии в механическую. Электромеханические исполнительные устройства используются для воздействия на объекты управления с целью их механического перемещения (поступательного или вращательного).
Электромеханические исполнительные устройства делят на электродвигатели и электромагнитные устройства специальных конструкций, которые используют в качестве муфт, задвижек, клапанов и пр.
К электродвигателям, применяемым в автоматике в общем случае могут быть предъявлены следующие требования:
- Широкий диапазон изменения частоты вращения вала двигателя;
- Возможность реверса;
- Малые габариты и масса при относительно большой мощности;
- Малая инерционность;
- Надежность в работе и долговечность;
- Простота схем управления.
В автоматических гидрометеорологических системах широко используются управляемые двигатели постоянного тока и двухфазные двигатели переменного тока.
|
|
Двигатели постоянного тока
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. 3.1 показано устройство электродвигателя постоянного тока. Электромагнитные полюсы 1 статора создают магнитный поток Ф, пронизывающий секции обмотки якоря 2, по которым протекает электрический ток ia. Напряжение постоянного тока U подводится к обмотке якоря через щетки 3 и коллектор.
В результате взаимодействия магнитного потока Фо электрическом током ia якоря возникает вращающий момент и якорь вращается в электромагнитном поле с частотой вращения п.
Рис. 3.1
Вращающий момент Мф пропорционален магнитному потоку Ф статора и току Iя, протекающему в обмотке якоря. Направление вращающего момента зависит от соотношения направлений Мф и Iя.
Частота вращения вала двигателя описывается формулой:
N=
Из выше изложенного следуют общие правила управления двигателем:
1. 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 вала не меняется.
2. Для изменения частоты вращения вала двигателя нужно менять либо величину тока якоря, либо силу тока обмотки возбуждения.
|
|
Реальные возможности управления двигателем зависят от его конструктивных особенностей.
В зависимости от системы возбуждения полюсов двигатели постоянного тока делятся на двигатели с независимым (рис. 3.2, а), параллельным (рис.3.2,б), последовательным (рис. 3.2,в), смешанным (рис. 3.2, г) электромагнитнымвозбуждением и двигатели с магнитным возбуждением (с постоянными магнитами) (рис. 3.2, д).
В метеорологических измерительных системах в качестве управляемых двигателей чаще всего используют двигатели с независимым возбуждением - с электромагнитным или магнитным возбуждением.
На рис. 3.3 показана реверсивная схема управления двигателем постоянного тока с магнитным возбуждением.
Студентам предлагается самостоятельно объяснить:
1. Каким образом в этой схеме обеспечивается реверс двигателя.
2. От чего зависит частота вращения вала двигателя.
3.3. Электродвигатели переменного тока
Около 90 % всех двигателей, выпускаемых промышленностью, составляют асинхронные двигатели переменного тока.
В следящих системах и других автоматических системах, в том числе и метеорологических измерительных системах, наибольшее распространение получили асинхронные двухфазные двигатели с полым немагнитным ротором.
На статоре асинхронного двухфазного двигателя расположены две обмотки. Магнитные оси обмоток сдвинуты в пространстве на угол 90 º. Питание обмоток осуществляется токами одинаковой частоты, но сдвинутыми по фазе на p/2. Это позволяет получить в статоре вращающееся магнитное поле с частотой вращения равной частоте токов статорных обмоток. Ротор двигателя представляет собой полый алюминиевый стакан. При включении питающих токов в теле ротора под действием вращающегося магнитного поля статора наводятся вихревые тока. Взаимодействие этих токов с магнитным полем статора приводит к появлению вращающего момента, действующего на ротор. Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля статора.
В управляемом электроприводе одна из обмоток двигателя включена в сеть, и ее называют возбуждающей. Вторая обмотка называется управляющей. На нее подается напряжение, снимаемое, как правило, с усилителя. При этом вращающий момент двигателя зависит от произведения напряжений возбуждения Uв и управления Uя и синуса угла сдвига фаз между ними:
Мвр = k Uв Uя sina,
Где k – коэффициент пропорциональности, зависит от конструктивных особенностей двигателя и от частоты питающих токов. Чем выше частота тока, тем больше вращающий момент. Поэтому номиналы частот двигателей составляют 50, 330, 400, 500, 800 и 1000 Гц. Это позволяет уменьшать габариты двигателей и повышать их мощность.
На рис. 3.4 показаны обозначение двухфазного асинхронного двигателя и схема его включения.
Литература:[3, с. 302-311; 4, с. 50 – 52, 56 – 62].
Вопросы для самоконтроля
1. Поясните функциональное назначение исполнительных устройств.
2. Поясните понятие «Управляемый электропривод».
3. Перечислите основные типы двигателей постоянного и переменного тока, используемых в управляемом электроприводе.
4. Каким образом можно изменять направление вращения якоря в двигателях постоянного тока с независимым возбуждением?
5. Назовите способы управления частотой вращения якоря двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.
6. Назовите основные элементы конструкции двухфазного двигателя переменного тока.
7. Поясните условия возникновения вращающего момента ротора.
8. Каким образом может осуществляться реверс в двухфазном двигателе переменного тока?
9. Приведите примеры применения управляемых электродвигателей в автоматических гидрометеорологических системах.