Методичка. Методические указания по изучению разделов и тем курса Исполнительные механизмы систем управления

• Название: Методические указания по изучению разделов и тем курса Исполнительные механизмы систем управления
• Дата: 15.01.2023
• Размер: 1.73 Mb.
• Имя файла: Методичка.doc
• Тип: Методические указания; #887961
• страница: 6 из 9

Торможение. У двигателей независимого возбуждения возможны три тормозных режима:

• 
  рекуперативное торможение - перевод двигателя в режим генера­тора, работающего параллельно с сетью,
  
• 
  торможение противовключением - за счет изменения направления тока якоря или потока возбуждения,
  

- динамическое - перевод двигателя в режим автономного генератора.
У двигателей исполнительных устройств применяется в основном

торможение противовключением или динамическое.

Бесконтактные двигатели постоянного тока. Коллекторные двига­тели постоянного тока обладают хорошими регулировочными свойствами и экономичны, но наличие скользящего контакта коллектор-щетки ограни­чивает область их применения.

В настоящее время в связи с развитием силовой полупроводниковой электроники появились и начали получать все более широкое распростра­нение бесконтактные двигатели постоянного тока. При замене механиче­ского коммутатора - коллектора с щетками-полупроводниковым коммута­тором двигатель постоянного тока становится более надежным и долговеч­ным, создает меньше радиопомех, особенно при высоких частотах враще­ния, когда очень быстро изнашиваются щетки и значительно увеличивают­ся искрение и радиопомехи.

Конструтция. В отличие от обычного коллекторного двигателя, бес­контактный двигатель постоянного тока обладает рядом характерных осо­бенностей.

30

управляющей обмотки. При выключенной обмотке поток постоянного маг­нита замыкается в основном через якорь. Включение тока увеличивает магнитное сопротивление цепи якоря, и поток постоянного магнита начи­нает замыкаться через шунт.

6.4 Расчетные формулы для определения тягового усилия и вращающего момента

Тяговое усилие Р и вращающий момент М как нейтрального, так и поляризованного электромагнита нужно рассчитывать по общим энергети­ческим формулам: и где - магнитная энер­гия, заключенная в наружном поле электромагнита; и - линейное и уг­ловое перемещения якоря.

Электромагнит - довольно сложная система с распределенными па­раметрами, у которой из-за сложности формул теории поля обычно не уда­ется получить выражения вида или

Поэтому здесь, так же как и при расчете тяговых усилий постоянного магнита, расчет системы с распределенными параметрами обычно заменя­ют расчетом магнитной цепи с сосредоточенными параметрами.

Для определения тяговых усилий и моментов, создаваемых намагни­чивающей силой, принимают где и - энергия рабочего поля и поля рассеяния; - намагничивающая сила, поддерживающая магнитное поле во внешнем пространстве; -магнитная проводимость рабочего зазора.

У нейтральных электромагнитов перемещение якоря в пределах его рабочего хода мало отражается на величине энергии поля рассеяния. По­этому, считая получают Отсюда получим сле­дующие формулы для тягового усилия Р и момента М:

(6.1)

(6.2)

Коэффициенты k₁и k₂зависят от конструкции якоря и формы поля в рабочем зазоре. Их значения приведены в таблице 6.1, где обозначено: х -ход якоря, а - угол поворота якоря, рад.

63

мотке пружина отводит якорь от магнитопровода, и поток постоянного магнита замыкается через шунт. При включении обмотки в ней возникает намагничивающая сила, под воздействием которой поток постоянного маг­нита становится в шунте равным нулю и начинает замыкаться через якорь, вызывая его притяжение.



Рис. 6.2 Конструктивные схемы поляризованных электромагнитов

Удерживающие электромагниты предназначены для работы в авто­матических устройствах, требующих практически мгновенного отпускания в строго определенный момент времени. Принцип действия удерживающего электромагнита (рис. 6.2,л) с последовательным соедине­нием магнитных полей также основан на перераспределении потока посто­янного магнита между якорем и шунтом, но, в отличие от притягивающих электромагнитов, при включении тока намагничивающая сила обмотки уменьшает до нуля поток не в шунте, а в якоре.

Принцип действия одинарного (рис. 6.2,м) и сдвоенного (рис. 6.2,н) удерживающих электромагнитов основан на явлении насыщения участков магнитопровода вблизи круглых отверстий, сквозь которые проходят витки

62

1. 
   Силовая обмотка якоря расположена на статоре и состоит из не­скольких катушек, сдвинутых относительно друг друга в пространстве. Ро­тор выполняют в виде постоянного магнита.
   
2. 
   Положение оси магнитного потока ротора по отношению к осям катушек силовой обмотки статора определяется бесконтактными датчика­ми (трансформаторными, индукционными, магнито-электрическими, фото­электрическими).
   
3. 
   Бесконтактный полупроводниковый коммутатор осуществляет коммутацию катушек силовой обмотки статора по сигналам датчиков по­ложения. При мощности двигателей до 0,5-1 кВт в качестве коммутирую­щих элементов обычно используются транзисторы, при большей мощно­сти-тиристоры.
   

Эти факторы позволяют при устранении скользящего контакта кол­лектор-щетки сохранить основную особенность машины постоянного тока, заключающуюся в том, что частота переключения катушек обмотки якоря определяется частотой вращения ротора. Благодаря этому бесконтактный двигатель постоянного тока в основном сохраняет характеристики коллек­торного двигателя с независимым возбуждением.

Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

Преобразование электрической энергии в механическую наглядно по­казано с помощью энергетической диаграммы (рис. 3.4), где полная электрическая мощность; - потери в цепи возбуждения;

- потери в цепи якоря; - потери холостого хода; полная механическая мощность на валу ( - электромагнитная мощ­ность); - полезная механическая мощность.



3.2 Методика расчета характеристик электродвигателя постоянного тока параллельного возбуждения

Исходными данными для расчета являются характеристики электро­двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, приведенные в таблице 3.1.

Таблица 3.1



В таблице 3.1 -напряжение; - полезная мощность; -номи­нальная скорость вращения; - токи якоря и возбуждения; потери холостого хода от полезной мощности.

Требуется: определить ток холостого хода, сопротивления обмоток якоря и возбуждения, номинальный момент на валу электродвигателя, ско­рость вращения якоря двигателя при холостом ходе, КПД двигателя.

Из рассмотрения энергетической диаграммы работы двигателя по­стоянного тока следует уравнение баланса мощностей:



где

Полагая получим



Сопротивление обмотки якоря находим из выражения

(3.7)

Сопротивление обмотки возбуждения:

(3.8)

Ток якоря при холостом ходе определяем, полагая

В этом случае уравнение баланса мощностей имеет вид



где - ток якоря электродвигателя при холостом ходе.

32

6.3 Конструкции поляризованных электромагнитов

Поляризованные электромагниты (рис. 6.2) в конструктивном отноше­нии гораздо сложнее нейтральных, но отличаются высоким быстродействи­ем. Поэтому их широко применяют в устройствах автоматики. Быстродейст­вие поляризованных электромагнитов объясняется тем, что благодаря нали­чию постоянного магнита исключается время на накопление энергии, необ­ходимой для срабатывания. По величине хода якоря поляризованные элек­тромагниты принято делить на электромагниты с малым и большим ходом.

Основные особенности поляризованных электромагнитов с ма­лым ходом якоря (рис. 6.2). Это - быстродействие и возможность ревер­сировать движение якоря переменой знака (или фазы) управляющего сиг­нала. Системы с подвижным магнитом (рис. 6.2,а) и с подвижным электро­магнитом (рис. 6.2,6) развивают большой вращающий момент и применя­ются в следящих устройствах. В первом случае реверс осуществляется пе­ременой знака, а во втором - изменением фазы управляющего тока. Систе­мы с расщепленным полюсом (рис. 6.2.в), с наружным (рис. 6.2,г) или внутренним (рис. 6.2,д) магнитом отличаются простотой и технологично­стью конструкции, но в них нет разделения поляризующего и управляюще­го магнитных полей. В системе с расщепленным полюсом поляризующий поток насыщает магнитопровод и увеличивает магнитное сопротивление пути замыкания управляющего потока. В системе с наружным магнитом поток управляющей обмотки встречает большое сопротивление, т.к. может замыкаться лишь по воздуху и через постоянный магнит. В системе с внут­ренним магнитом плохо используется поляризующий поток якоря.

Системы с частично (рис. 6.2,е) и полностью (рис. 6.2,ж,з) разделен­ными полями сложнее, чем системы с неразделенными полями, но разви­вают большой вращающий момент. Наибольшим вращающим моментом обладает система (рис. 6.2,з) с поперечным поляризующим потоком. Для получения линейной тяговой характеристики здесь применяют «когти» (выступы полюсных наконечников), по которым основная часть поляри­зующего потока переходит в торцы якоря.

Поляризованные электромагниты с большим ходом якоря (рис. 6.2). Такие электромагниты делят на притягивающие и удерживаю­щие. Принцип действия притягивающих электромагнитов с параллельным (рис. 6.2.и) и последовательным (рис. 6.2,к) соединениями магнитных по­лей основан на перераспределении потока постоянного магнита между яко­рем и шунтирующей якорь частью магнитопровода. При включенной об-

61

ными из пластин для уменьшения потерь от вихревых токов. Пластинчатый магнитопровод обеспечивает наибольшую скорость срабатывания и одина­ково применим для возбуждения как постоянным, так и переменным током.

Электромагниты с поворотными торцовым (рис. 6.1,в) и боковым (рис. 6.1,г) якорями применяют в нейтральных реле. Вариант с торцовым якорем лучше в конструктивном отношении (якорь имеет меньшую массу, призменная опора обеспечивает малое трение). Вариант с боковым якорем лучше в технологическом отношении (малое число деталей, изготовление магнитопровода штамповкой) и дешевле.

Втяжные электромагниты П-образного (рис. 6.1,д) и горшечного (рис. 6.1,е) типов применяют в малогабаритных виброустойчивых реле и в автоматических приборных устройствах. П-образный магнит проще в тех­нологическом отношении, но хуже использует активные материалы и раз­вивает меньшее тяговое усилие, чем одинаковый по весу электромагнит горшечного типа. Быстродействующие электромагниты горшечного типа имеют высокий сердечник и короткий пустотелый якорь. Втяжные таре­лочные электромагниты (рис. 6.1,ж) применяют в реверсивных муфтах сле­дящих систем.

Втяжной Ш-образный электромагнит (рис. 6.1,з) применяют в авто­матических приборных устройствах, работающих от сети переменного то­ка. П-образная конструкция (рис. 6.1,и) рассчитана на питание только от сети переменного тока. Для устранения вибраций якоря (возникающих дважды за период из-за уменьшения до нуля силы притяжения) применя­ют короткозамкнутые экраны в форме колец из красной меди, охваты­вающих часть полюсной поверхности. Сила притяжения якоря двухфазно­го (рис. 6.1,к) и трехфазного (рис. 6.1,л) электромагнитов остается постоянной, но точка ее приложения циклически перемещается вдоль якоря, что вызывает его вибрацию. Вибрация отсутствует полностью лишь у двухфазного сдвоенного электромагнита (рис. 6.1,м) при расположении обмоток одной фазы на крайних стержнях, а другой фазы -на средних. Втяжные электромагниты (рис. 6.1,н,о) имеют значительно больший рабочий ход, чем электромагниты с плоским якорем, но в конструктивном отношении они значительно сложнее. Поворотный функциональный магнит (рис. 6.1,п) применяют в качестве электрической пружины, характеристика которой определяется профилем ротора; дифференциальный магнит (рис. 6.1,р) - в системах управления для сравнения двух или нескольких сигналов.

60

После преобразований получим

(3.9)

Решением последнего уравнения относительно неизвестного Iяxxяв­ляются два корня:

(3.10)

Выбираем наименьшее значение

Скорость вращения двигателя при холостом ходе определяется с ис­пользованием конструктивного коэффициента двигателя с.

Известно, что ЭДС обмотки якоря определяется скоростью вращения якоря , магнитным потоком Ф и конструктивным коэффициентом с [6]:

(3.11)

где Здесь а - число пар ветвей обмотки; р - число пар полюсов;

-число проводников обмотки якоря.

Преобразуя (3.3) с учетом получим

(3.12)

Определив , можно найти скорость вращения якоря электродвига­теля при холостом ходе:

(3.13) Номинальный вращающий момент рассчитывают по формуле

(3.14)

Коэффициент полезного действия двигателя определяют отношением

(3.15)

Направление тока и ЭДС в проводниках обмотки якоря двигателя можно определить из рассмотренной схемы двигателя (рис. 3.5).