Учебнометодический комплекс дисциплины преподавателя по дисциплине Средства электроавтоматики (код и наименование дисциплины) для студентов специальности
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
. Под действием этой ЭДС по обмотке возбуждения потечет ток возбуждения, который создаст небольшой магнитный поток. Если обмотка возбуждения включена правильно, то этот магнитный поток совпадет с остаточным магнитным потоком. В результате общий магнитный поток возрастает, увеличится и ЭДС, наводимая этим потоком в обмотке якоря. Поскольку возросла ЭДС якоря, возрастает и ток возбуждения, что в свою очередь ведет к новому увеличению магнитного потока и ЭДС якоря. Процесс продолжается до тех пор, пока ЭДС якоря не станет равной падению напряжения в цепи возбуждения. Рассмотрим работу машины постоянного тока независимого возбуждения в режиме двигателя (рис. 10). Рисунок 10 Уравнение 2 2 Ф k R R M kФ U p я + − = ω называется уравнением механической характеристики. Если в это уравнение подставить U=U н , Ф=Ф н , R p =0 , то получим уравнение естественной механической характеристики: 2 2 н я н н Ф k R M kФ U − = ω В режиме идеального холостого хода, когда Е я =U, I я =0, М=0, якорь должен вращаться со скоростью 0 ω , тогда из выражений для механической и электромеханической характеристик следует, что скорость идеального холостого хода можно найти согласно выражению: 0 kФ U = ω На рис. 11 приведено семейство искусственных характеристик, соответствующих различным значениям сопротивления реостата R p , включенного последовательно с якорем. Рисунок 11 Все характеристики пересекаются в точке идеального холостого хода 0 ω , поскольку скорость идеального холостого хода не зависит от сопротивления якорной цепи двигателя ( kФ U = 0 ω ). Разность значений установившихся скоростей до и после приложения заданной статической нагрузки называется статическим падением скорости электропривода ( 0 ω ∆ ). Для данного двигателя из уравнения естественной механической характеристики следует, что: 2 2 0 Ф k R M я = ∆ ω Для искусственных характеристик статическое падение скорости определится из выражения: 2 2 0 Ф k R R M p я + = ω Уравнение для скорости двигателя запишется в следующей форме: ω ω ω ∆ − = 0 Обмотка возбуждения у двигателя постоянного тока последовательного возбуждения включена последовательно с якорем (рис. 12). Рисунок 12 – Схема включения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения Уравнение механической характеристики имеет вид: 2 2 ) ( Ф k R R M k Ф U p + − = ∂ ω Рисунок 13 – Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения При уменьшении момента скорость якоря возрастает, при 0 → M скорость ∞ → ω , то есть такой двигатель не имеет скорости идеального холостого хода. При возрастании скорости машина не переходит в генераторный режим. Механические характеристики не имеют продолжения во втором квадранте. При снижении момента сопротивления скорость якоря растет и может достигнуть выше допустимой по условиям механической прочности коллектора и бандажей обмотки якоря. При нагрузках ниже (15- 20)% номинальных, работа двигателя практически недопустима из-за чрезмерного увеличения скорости якоря (двигатель идет вразнос). Это ограничивает область применения этих двигателей. Их нельзя использовать для привода механизмов, которые в режиме холостого хода создают малый момент сопротивления на валу. С увеличением сопротивления реостата скорость двигателя уменьшается при одном и том же моменте сопротивления М с , уменьшается и жесткость механических характеристик. На рис. 14 представлены искусственные реостатные механические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Рисунок 14 По способу возбуждения коллекторные исполнительные двигатели постоянного тока могут быть с электромагнитным возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов. У двигателей с электромагнитным возбуждением в качестве обмотки управления используется либо обмотка якоря – двигатели с якорным управлением либо обмотка полюсов - двигатели с полюсным управлением. У двигателей, возбуждаемых постоянными магнитами, обмоткой управления является единственная их обмотка - обмотка якоря, поэтому они всегда работают при якорном управлении. В схемах автоматики широко используются также бесконтактные двигатели постоянного тока, основные характеристики которых аналогичны характеристикам коллекторных исполнительных двигателей постоянного тока с якорным управлением. По конструкции коллекторные исполнительные двигатели постоянного тока можно разделить на двигатели с якорем обычного исполнения – с полузакрытыми пазами на его цилиндрической поверхности; двигатели с гладким якорем, у которых обмотка якоря расположена на шихтованном гладком цилиндрическом ярме и укреплена с помощью эпоксидных смол и бандажей; двигатели с малоинерционными якорями (цилиндрическими и дисковыми), у которых во время работы вращается лишь обмотка якоря с коллектором, а ярмо якоря остается неподвижным. Особенностью исполнительных двигателей постоянного тока с изменяющимся по значению магнитным потоком возбуждения (в отличие от обычных силовых двигателей) является то, что они имеют шихтованные (набранные из тонких листов электротехнической стали) не только магнитопровод якоря, но и спинку статора и полюсы, что необходимо для уменьшения постоянной времени при быстром изменении магнитного потока, а также потерь в магнитопроводе при работе двигателя в переходных режимах, которые являются обычными для исполнительных двигателей. Исполнительные двигатели с обычным якорем и электромагнитным возбуждением отличаются от обычных силовых двигателей постоянного тока тем, что имеют шихтованные из листовой стали не только магнитопроводы якоря, но и магнитопроводы спинки статора и полюсы, что обеспечивает повышение быстродействия при переходных процессах. Они менее насыщены (с целью повышения линейности основных характеристик), что приводит к увеличению их габаритных размеров по сравнению с силовыми двигателями тех же мощностей, а также имеют большее число секций якоря, а следовательно, и коллекторных пластин, что необходимо для улучшения коммутации особенно при переходных режимах, в которых постоянно работают исполнительные двигатели. В нашей стране выпускается несколько серий исполнительных двигателей постоянного тока с обычным якорем и электромагнитным возбуждением. Это двигатели серий СЛ, МИ, ПБС и др. Многие двигатели средней и большой мощностей выпускаются со встроенными тахогенераторами (МИ, ПБС). Исполнительные двигатели с обычным якорем и возбуждением от постоянных магнитов отличаются от рассмотренных двигателей обычного использования только тем, что основной их магнитный поток создается не обмоткой возбуждения, а постоянными магнитами, которые располагаются на статоре и заменяют обычные полюсы с обмоткой возбуждения. Преимущества двигателей с постоянными магнитами по сравнению с двигателями постоянного тока, имеющими обмотки возбуждения, можно сформулировать следующим образом: − отсутствие потерь мощности на возбуждение, что обусловливает более высокий КПД, достигающий даже у двигателей малых мощностей (в несколько ватт) 60...70%; − отсутствие источника питания для обмотки возбуждения; − практически полная независимость основного магнитного потока машины от изменений температуры и колебаний напряжения сети. Эти преимущества двигателей с постоянными магнитами способствуют все более возрастающему их применению как в следящих системах, так и автоматизированных приводах. В последнее время в технике получают широкое применение не только двигатели с постоянными магнитами малых мощностей, но и двигатели средних и больших мощностей. Отсутствие потерь мощности на возбуждение позволяет увеличить ток якоря и потери в его обмотке без увеличения температуры нагрева (а значит, без увеличения габаритных параметров якоря), что приводит к увеличению вращающего момента (М≈ ФI я ), развиваемого двигателем, а следовательно, и отдаваемой им мощности Р= Мn. Именно поэтому такие двигатели иногда называют высокомоментными. С целью уменьшения искрения под щетками – получения удовлетворительной коммутации при увеличенных токах якоря, что имеет место в переходных режимах (при пуске, остановке, реверсе), в которых, как правило, большую часть времени работают исполнительные и высокомоментные двигатели автоматических систем, обмотки якорей выполняют с большим числом N c секций, а коллекторы – с большим числом N K коллекторных пластин (N c = N K ). Это позволяет уменьшить число витков в каждой из секций, а следовательно, и значения ЭДС (е к ) коммутируемых секций, наводимых в них в процессе коммутации (ЭДС вращения е вр , ЭДС самоиндукции e L , ЭДС взаимоиндукции е m и ЭДС трансформации е тр ). Стоимость двигателей с постоянными магнитами, несмотря на кажущуюся их простоту, часто не ниже, а даже выше стоимости двигателей с обмоткой возбуждения. Объясняется это высокой стоимостью и дефицитностью целого ряда материалов, идущих на изготовление постоянных магнитов (например, самария, кобальта), а также трудностью их механической обработки. В последнее время получили широкое распространение недорогие ферритобариевые и другие магниты, обладающие высокой удельной энергией за счет большой коэрцитивной силы материалов. Это позволило проектировать и выпускать двигатели с постоянными магнитами большой номинальной мощности (на десятки киловатт). На рис. 15 представлена конструкция микродвигателя постоянного тока с постоянным магнитом серии ДПМ, получившего широкое распространение. Его недостатками являются нетехнологичность и сравнительно дорогой кольцевой постоянный магнит из сплава типа ЮНДК. Рисунок 15 – Конструкция исполнительного двигателя с постоянным магнитом: 1 – концевые части из цинкового сплава; 2 – постоянный магнит; 3 – якорь с коллектором В последние годы была разработана целая серия ДП микродвигателей постоянного тока исполнения Р09 с дешевыми ферритобариевыми постоянными магнитами. По своим характеристикам такие двигатели весьма близки к двигателям серии ДПМ. Исполнительные двигатели постоянного тока с гладким беспазовым якорем появились сравнительно недавно. Отличительной особенностью этих двигателей является то, что обмотка якоря у них располагается не в пазах (они отсутствуют), а укрепляется непосредственно на гладкой цилиндрической поверхности якоря с помощью клея-компаунда и бандажей. Такое расположение значительно уменьшает индуктивность обмотки, что приводит к улучшению коммутации и уменьшению электромеханической постоянной времени, т.е. повышению быстродействия двигателя. Недостатком двигателя с гладким беспазовым якорем является наличие значительного немагнитного промежутка на пути магнитного потока полюсов, который здесь складывается из воздушного зазора и толщины обмотки якоря. Исполнительные двигатели с гладким беспазовым якорем выпускаются как с электромагнитным возбуждением, так и с постоянными магнитами. Недостатком всех рассмотренных ранее исполнительных двигателей постоянного тока является наличие скользящих контактов – коллектора и щеток, которые значительно снижают надежность работы и ограничивают области их применения. С целью устранения этих недостатков в последнее время были разработаны и начали довольно широко применяться бесконтактные исполнительные (управляемые) двигатели постоянного тока, принципиально не отличающиеся от бесконтактных двигателей, рассмотренных ранее. Эти двигатели (рис. 16) не имеют коллектора и щеток, что обеспечивает более надежную работу в условиях тряски, вибрации, резко изменяющихся температур, при высоких частотах вращения, достигающих десятков и сотен тысяч оборотов в минуту, и значительно повышает срок службы. Рисунок 16 – Бесконтактный исполнительный двигатель типа ДБУ: 1 - корпус; 2 - индуктор - двухполюсный постоянный магнит; 3 - магнитопровод статора; 4 - вал; 5 - обмотка якоря; 6 - подшипниковый щит; 7 - обмотка датчика положения; 8 - контактная плата; 9- кожух; 10- сигнальный элемент (постоянный магнит) Одним из недостатков контактных исполнительных двигателей постоянного тока является то, что они имеют шихтованные из листов стали якоря с большим моментом инерции, что значительно снижает их быстродействие. Этих недостатков нет у разработанных сравнительно недавно, но получивших уже достаточно широкое применение так называемых малоинерционных двигателей. Малоинерционные двигатели в зависимости от конструкции и технологии изготовления их якорей можно разделить на две группы: двигатели с печатной обмоткой якоря и двигатели с обмоткой якоря, выполненной из обычного изолированного провода. По своим пусковым и рабочим свойствам эти двигатели близки друг другу. Рекомендуемая литература 1. Шишмарев В.Ю. Типовые элементы систем автоматического управления: Учеб. пособие. – М.: Изд. центр «Академия», 2004. С.248- 259. 2. Кацман М.М. Электрические машины автоматических устройств: Учеб. пособие. – М.: ФОРУМ, ИНФРА-М, 2002. С.102-114, 122-132. Контрольные задания для СРС [1-2] 1. Конструкция исполнительных двигателей постоянного тока 2. Пуск и тормозные режимы работы машин постоянного тока 3. Самыми распространенными силовыми микродвигателями автоматики в настоящее время являются асинхронные двигатели. По своему устройству это двигатели с короткозамкнутым ротором, который чаще всего имеет обмотку, изготовленную в виде беличьей клетки. Реже ротор изготовляется массивным и полым из чугуна или стали, что делается либо для получения мягких механических характеристик, либо ради достижения особой механической прочности ротора, необходимой при высоких частотах вращения, либо с целью уменьшения акустического шума при работе двигателя. Асинхронные двигатели с фазовым ротором не вы пускаются. В качестве силовых двигателей в схемах автоматики часто применяются трехфазные и однофазные асинхронные микродвигатели широкого применения, рассчитанные на работу от сети с частотой 50 Гц. Применение асинхронных двигателей повышенной частоты в ряде случаев диктуется не только стремлением уменьшить габариты машины, но и рядом других соображений: необходимостью иметь более высокие угловые скорости вращения, работой автоматических систем от сетей повышенной частоты и др. Асинхронный двигатель состоит (рис. 17) из двух основных частей – неподвижной, называемой статором и вращающейся части, называемой ротором. Статор содержит: А. корпус, выполненный из стали или алюминиевых сплавов; В. сердечник, представляющий из себя полый цилиндр, набранный из листов электротехнической стали, на внутренней поверхности, которого имеются пазы, в которые укладывается и закрепляется обмотка статора; С. обмотку, состоящую из трех одинаковых фазных обмоток (катушек), расположенных в пазах сердечника статора и сдвинутых в пространстве под углом в 120 градусов друг относительно друга. Выводы обмотки статора соединяются по схемам «звезда» или «треугольник». Рисунок 17 Ротор содержит: 1. вал, изготовленный из стали; 2. сердечник ротора, закреплённый на валу который представляет собой цилиндр, набранный из листов электротехнической стали. На внешней поверхности сердечника имеются пазы, в которые укладывается обмотка ротора; 3. обмотку ротора. В зависимости от типа обмотки различают две конструкции ротора: ротор с короткозамкнутой обмоткой и ротор с фазной обмоткой. Обмотка короткозамкнутого ротора состоит из алюминиевых или медных стержней, уложенных по одному стержню в каждый паз сердечника ротора. Выступающие торцы стержней соединяют между собой (закорачиваются) кольцами, которые изготавливаются из того же материала, что и стержни. Таким образом, при помощи колец стержни обмотки замыкаются накоротко. Обмотка фазного ротора имеет такую же конструкцию, что и обмотка статора, т.е. состоит из трех (катушек) совершенно одинаковых фазных обмоток, которые располагаются в пазах сердечника ротора под углом 120 градусов друг к другу в пространстве. Выводы обмотки ротора соединяются «звездой». Оставшиеся выводы подсоединяются к трем медным кольцам, которые закреплены на валу ротора. Кольца изолируются друг от друга и от вала ротора. При помощи щеток, которые скользят по кольцам, обмотка ротора может быть соединена с внешней цепью, обычно с трехфазным реостатом. Щетки закрепляются в щеткодержателях на траверсе, которая крепится на подшипниковом щите. Если к обмотке статора приложить переменное трехфазное напряжение, то по обмоткам будут протекать переменные трехфазные токи, которые возбуждают в фазных обмотках три магнитных потока. Эти магнитные потоки складываясь вместе образуют результирующее магнитное поле статора, которое по величине неизменно, а по направлению вращается с угловой скоростью n 0 или ω 0 . Скорость вращения магнитного поля статора (n 0 или ω 0 ) зависит от числа пар магнитных полюсов Р и частоты f тока статора. P f n 1 60 0 = или P f n π π ω 2 2 60 0 0 = ⋅ = Магнитное поле статора, вращаясь, пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Поскольку, обмотка ротора замкнута накоротко, то под действием ЭДС по обмотке ротора будут протекать токи. Тогда на проводники с током обмотки ротора, находящиеся в магнитном поле статора, будут действовать электромагнитные силы. Совокупность этих сил образует вращающий момент, приложенный к ротору, под действием которого ротор придет во вращение. Изменяя сопротивление цепи ротора можно изменять ток ротора и, соответственно, будут изменяться вращающий момент и частота вращения ротора. Так же, как и изменяя скорость магнитного поля статора, можно изменять и угловую скорость ротора. Угловую скорость ротора обозначим через n или ω. Угловая скорость асинхронных двигателей близка к скорости вращения поля статора, n или ω<ω 0 , но всегда несколько меньше ее. Разность скоростей магнитного поля статора и ротора (n 0 -n ) или (ω 0 - ω ) принято оценивать в относительных единицах по отношению к скорости вращения поля статора и называть |