Методичка. Методические указания по изучению разделов и тем курса Исполнительные механизмы систем управления
 Скачать 1.73 Mb.
|
|
5.2 Особенности конструкции и принципа работы линейного шагового двигателя Линейные шаговые двигатели (ЛШД) преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет значи50 тока и допускается непосредственное включение двигателя в сеть Если  или требуется более сильно ограничить пусковой ток, то при-ходится применять специальные способы пуска. У двигателей с коротко-замкнутым ротором это в основном способы пуска при пониженном напряжении питания. Недостатком способов пуска при пониженном напряжении является то, что пропорционально квадрату фазного напряжения уменьшается пусковой момент. Реверсирование двигателя. Изменение направления вращения ротора осуществляется изменением направления вращения поля статора. Для этого достаточно поменять местами выводы двух любых фаз. Торможение двигателя. Для быстрой остановки двигателя могут применяться различные способы электрического торможения: рекуперативное, торможение противовключением и динамическое торможение. Рекуперативное торможение происходит при работе асинхронной машины в режиме генератора параллельно с сетью, т.е. при . На практике этот режим встречается редко, в основном при переходе с высших угловых скоростей на низшие, например, при изменении числа пар полюсов или частоты напряжения питания. Торможение противовключением происходит в том случае, когда магнитное поле статора вращается в одном направлении, а ротор в противоположном. При этом угловая скорость ротора и создаваемый двигателем момент имеют противоположные знаки. Динамическое торможение осуществляется отключением обмотки статора от сети переменного тока и подключением к сети постоянного тока. Возникает неподвижное поле статора, которое наводит ЭДС и токи во вращающемся роторе. В результате взаимодействия этих токов с полем статора создается тормозной момент. Регулирование скорости. Трехфазные асинхронные двигатели используют в основном в приводах, не требующих широкого регулирования угловой скорости ротора. Однако в последнее время расширяется применение этих дешевых и надежных двигателей и в регулируемом электроприводе, в том числе в станках с числовым программным управлением. Основные способы регулирования угловой скорости ротора основаны на изменении скорости поля за счет изменения частоты напряжения питания или числа полюсов, т.к.   (4.7)4? Изменение числа пар полюсов позволяет дискретно регулировать Для реализации этого способа требуется либо укладывать на статоре несколько обмоток с различным pм, либо выполнять одну обмотку из секций, выведенных на коммутатор. Основным недостатком способа регулирования является ступенчатый характер изменения угловой скорости, число ступеней скорости не превышает 3...4. Регулирование скорости в ограниченном диапазоне возможно также за счет изменения амплитуды напряжения питания, а у двигателей с контактными кольцами - за счет изменения добавочного сопротивления в цепи ротора. Однако наиболее перспективным, особенно в системах автоматического управления, является частотный способ регулирования скорости. 4.2 Унифицированные исполнительные механизмы с нерегулируемыми трехфазными и однофазными асинхронными двигателями Унифицированные исполнительные механизмы с трехфазными и однофазными асинхронными двигателями в настоящее время выпускаются в основном с нерегулируемой (постоянной) скоростью движения. Аналогичные исполнительные механизмы переменной скорости, у которых регулирование осуществлялось за счет изменения напряжения или тока в обмотках статора с помощью магнитных усилителей, широкого распространения не получили. Объясняется это большими габаритами и массой блока усиления, узким диапазоном регулирования скорости. Технические данные основных серий унифицированных ИМ постоянной скорости с асинхронными двигателями. В настоящее время наибольшее число указанных ИМ относится к следующим сериям: МЭО - механизмы однооборотные. МЭОФ - механизмы однооборотные фланцевые, устанавливаемые непосредственно на трубопроводную арматуру и предназначенные в основном для перемещения неполноповоротных регулирующих органов типа шаровых и пробковых кранов, поворотных дисковых затворов и различных заслонок. МЭМ - механизмы многооборотные, предназначенные в основном для перемещения самотормозящихся запорно-регулирующих задвижек. МЭП и МЭПК - прямоходные механизмы, предназначенные для перемещения регулирующих органов поступательного принципа действия. 44 Увеличение числа пар полюсов при неизменном диаметре ротора ограничено технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния между полюсами, обычно  . Увеличение числа обмоток управления связано с усложнением коммутатора, обычно . Поэтому у активных ШД составляет порядка десяти градусов. Дальнейшее уменьшение шага достигается либо механическим редуцированием с помощью специальных кинематических механизмов, либо специальными схемами электрического дробления шага.Меньшая величина шага - порядка одного градуса - может быть получена у Ш Д реактивного и индукторного типов. У этих двигателей ротор изготавливается из обычной электротехнической стали, имеет на поверхности зубцы, число которых zp может быть достаточно большим, и  (5.3)Однако у этих двигателей меньше вращающий момент. Важной характеристикой установившегося режима  явля-ется предельная механическая характеристика - зависимость предельного вращающего момента шагового двигателя  от частоты управляющих 49 импульсов (рис. 5.3). Она определяет тот предел, до которого при данной частоте управляющих импульсов можно плавно нагружать вал ШД, сохраняя при этом синхронный режим. Предельную механическую характеристику рассматривают обычно при  где - частота главного резонанса. С увеличением частоты происходит уменьшение вращающего момента ШД, т.к. токи и потоки в обмотках управления все в большей мере не успевают достигать установившихся значений за время такта.Рассмотрим более подробно, что происходит в эти моменты времени в двигателе. Во время такта I положительный импульс тока возбуждает обмотку управления 1 (рис. 5.2,а). Магнитный поток статора  направлен по оси этой обмотки (рис. 5.2,в). Ротор (постоянный магнит NS) притягивается к полюсам обмотки 1 и занимает положение вдоль ее оси. При переходе к такту II дополнительно возбуждаются полюсы обмотки управления 2. Результирующий поток статора Фс, создаваемый теперь двумя обмотками, скачком поворачивается на 45° (рис. 5.2,в). Возникает синхронизирующий момент синхронного двигателя, и ротор поворачивается на тот же угол. При переходе к такту III остается возбужденной только обмотка 2. Поток статор)а и ротор поворачиваются еще на один шаг, равный 45°. Положение потока статора на всех восьми тактах показано на рисунке 5.2,в.Показанная на рисунке 5.2 раздельно-совместная последовательность включения обмоток управления является несимметричной системой коммутации, т.к. нечетным и четным тактам соответствует возбуждение различного числа обмоток. Результирующий поток статора меняется от такта к такту, что вызывает пульсацию синхронизирующего момента и является недостатком схемы. Систему коммутации называют симметричной, если на всех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления (раздельно, парами и т.д.). При симметричной коммутации шаг увеличивается вдвое, а результирующий поток статора на всех тактах одинаков. Величина шага в значительной мере определяет разрешающую способность привода с ШД по отработке углового перемещения во всех режимах работы привода. В общем случае шагом ШД называют угол поворота ротора при воздействии одного сигнала управления и установленной схеме коммутации. В режиме отработки единичных шагов - работе с низкой частотой управляющих импульсов f-положение ротора фиксируется с нулевой скоростью на каждом шаге. В реальном многополюсном двигателе шаг меньше показанного на рисунке 5.2 в раз и определяется выражением  (5.1)Число тактов коммутации зависит от числа обмоток управления и схемы управления:  (5.2) где - коэффициент, равный 1 при симметричной и 2 - при несимметричной коммутации; - коэффициент, равный 1 при однополярной и 2 - при разнополярной коммутации.48 Механизмы изготавливаются с блоками сигнапизации положения выходного вала, которые могут использоваться для реализации обратной связи в замкнутой системе управления. Блоки сигнализации бывают индуктивного типа (И), реостатного (Р) и токового (У). Блок концевых выключателей (тип М) используется в основном для ручного управления. Основные технические данные ИМ указанных серий приведены в таблице 4.1. Механизмы выпускаются в общепромышленном и тропическом исполнениях, а также в исполнении для атомных электростанций. 45 Таблица 4.1  5 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ 5.1 Конструкция, принцип работы и характеристики синхронного шагового двигателя Синхронными называются электрические машины переменного тока, у которых в рабочем режиме угловая скорость ротора равна угловой скорости магнитного поля статора и не зависит от нагрузки. В отдельных случаях скорость ротора кратна скорости поля статора. В связи с развитием цифровой вычислительной техники разрабатывают и совершенствуют исполнительные элементы дискретного действия и, в частности, электрические шаговые двигатели. Шаговыми называют синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота вала или фиксированное перемещение без датчиков обратной связи. Шаговые двигатели выпускаются мощностью от единиц микроватт до киловатта, т.е. в основном это микродвигатели и двигатели малой мощности. Шаговые микродвигатели (ШД) работают в комплекте с полупроводниковыми коммутаторами. Роль коммутатора состоит в переключении обмоток управления ШД с последовательностью и частотой, соответствующими заданной команде. При этом результирующий угол поворота ШД строго соответствует числу переключений обмоток управления, направление поворота - порядку переключений, а угловая скорость - частоте переключений. Классификация основных типов шаговых двигателей приведена на рисунке 5.1. Шаговые двигатели являются многополюсными машинами. Их можно подразделить на три основные конструктивные группы: с постоянными магнитами (активного типа), реактивные и индукторные. Они могут иметь различное число фаз, но наибольшее распространение получили двух-, трех- и четырехфазные ШД. Напряжение питания обмотки управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или разнополярных прямоугольных импульсов, поступающих от коммутатора. Двигатели активного типа. Статор шаговых двигателей имеет явно выраженные полюсы, на которых располагают обмотки управления. Число пар полюсов каждой из обмоток управления равно числу пар полюсов ротора. Ротор обычно представляет собой многополюсный постоянный магнит с радиальной намагниченностью. Принцип действия ШД можно рассмотреть на примере двухполюсного двигателя.   46 На рисунке 5.2,а показана схема подключения обмоток управления 1 и 2 двухфазного ШД к коммутатору К: точками обозначены начала обмоток: - напряжение питания: - импульсный сигнал управления. На рисунке 5.2,6 изображена временная диаграмма силовых импульсов напряжения на обмотках управления двигателя при восьмитактной разно-полярной системе коммутации. Переход от одного такта к другому соответствует поступлению на коммутатор очередного импульсного сигнала управления. При этом, как видно, скачкообразно изменяются значения или полярность напряжения на обмотках управления. 47 |