Учебнометодический комплекс дисциплины преподавателя по дисциплине Средства электроавтоматики (код и наименование дисциплины) для студентов специальности
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
ω 0. Поле статора, вращаясь, пересекает стержни пусковой обмотки, индуцируя в них ЭДС, под действием которой по ним будут протекать токи. При взаимодействии этих токов с вращающимся полем статора создается электромагнитный момент, приложенный к ротору, ротор придет во вращение. Обмотка возбуждения на период пуска замыкается на резистор с целью уменьшения возникающих в ней напряжений. В конце пуска, когда скорость ротора становится достаточно близкой к скорости вращения магнитного поля статора (0,95-0,98) ω 0 , обмотку возбуждения отключают от резистора, и на нее подается постоянный ток. Постоянное магнитное поле вращающегося ротора сцепляется с вращающим полем статора, и ротор втягивается в синхронизм. После этого ротор продолжает вращаться со скоростью ω 0 Механическая характеристика при пуске синхронного двигателя соответствует характеристике асинхронного двигателя, а в рабочем режиме представляет собой прямую. Обе характеристики приведены на рис. 25. , развивая вращающий момент. Пусковая обмотка при этом перестает работать, так как поле статора уже не пересекает стержни пусковой обмотки, и ток в ней становится равным нулю. Электромагнитный момент, приложенный к ротору синхронной машины, создается за счет взаимодействия между магнитными полюсами магнитного поля ротора и вращающимся магнитным полем статора. Изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается изменением взаимного положения магнитных полюсов ротора и вращающегося магнитного поля статора. Рисунок 25 При идеальном холостом ходе оси полюсов магнитного поля ротора и магнитного поля статора совпадают. Ротор не создает электромагнитного момента. При увеличении нагрузки на вал ротора, ротор несколько отстает в пространстве от магнитного поля статора. Ось магнитных полюсов ротора будет сдвинута от оси магнитных полюсов статора на некоторый угол θ . За счет взаимодействия между полюсами ротора и статора появится электромагнитный момент. Чем больше угол θ , тем больше будет электромагнитный вращающий момент ротора. При определенном значении угла θ вращающий момент достигает максимума. Ниже на рис. 26 показано расположение полюсов магнитного поля статора и ротора при нагрузке в двигательном режиме. Рисунок 26 Если статический момент нагрузки превысит значение максимального момента, то двигатель выпадает из синхронизма. При приеме и сбросе нагрузки ротор совершает колебания прежде, чем займет определенное положение. Если при работе машины в режиме идеального холостого хода к ротору будет приложен вращающий момент, направленный в сторону вращения, то ось магнитных полюсов ротора сдвинется в сторону вращения на угол θ Возникнет электромагнитный момент, направленный против вращения ротора (за счет взаимодействия между полюсами магнитных полей ротора и статора) и машина перейдет в генераторный режим работы. Мощность, потребляемая синхронным электродвигателем из сети можно найти из выражения I U P ⋅ ⋅ = 3 В этом выражении U – фазное напряжение статора, I – фазный ток. Если не учитывать потери, тогда выражение для электромагнитного момента развиваемого ротором можно записать так: 0 0 3 ω ω UI P M = = При θ =90 ° электромагнитный момент, развиваемый ротором принимает максимальное значение: кз I E M 0 max 3 ω = Тогда электромагнитный момент синхронной машины: θ sin max M M = Необходимо отметить, что угол θ сдвига по фазе между ЭДС и напряжением статора в двухполюсной машине равен углу сдвига между магнитными полюсами статора и ротора. В многополюсной машине угол θ сдвига по фазе между ЭДС и напряжением статора будет больше угла θ реальный P реальное θ θ = между полюсами на число пар полюсов магнитного поля ротора: Зависимость электромагнитного момента синхронной машины от угла θ называется угловой характеристикой, она представлена на рис. 27. Устойчивый режим работы синхронного двигателя обеспечивается на участке 0< θ <90 0 θ (устойчивый участок). Обычно номинальный момент двигателя лежит в пределах =20...30 0 Вращающий момент двигателя пропорционален напряжению сети в первой степени, что определяет его меньшую чувствительность к колебаниям напряжения, чем у асинхронного двигателя. . для обеспечения запаса по моменту. Для торможения обычно применяется режим динамического торможения, при котором обмотки статора отключаются от сети и замыкаются на резисторы. Механические характеристики в этом случае подобны характеристикам асинхронного двигателя при динамическом торможении. Рисунок 28 Рисунок 27 Принципиальная схема включения синхронного двигателя при динамическом торможении приведена на рис. 28. Торможение синхронных двигателей противовключением практически не применяется, так как оно сопровождается большими бросками тока и ведет к усложнению управления ввиду необходимости отключения двигателя при подходе к нулевой скорости. Синхронный двигатель может работать и в режиме генератора параллельно с сетью (рекуперативное торможение), в этом случае электромагнитный момент будет иметь отрицательное значение. Этому режиму отвечает левая ветвь угловой характеристики, угловая скорость вращения при этом не изменяется (равна синхронной). Отличительной особенностью синхронного двигателя является его способность регулирования потребления реактивной мощности. Объясняется это тем, что, при некоторых допущениях можно считать, что ЭДС индуцируемая в обмотках статора (Е=4,44w 1 f 1 k 1 В случае, когда ток возбуждения отсутствует (тока в роторе нет), то весь магнитный поток создается током статора, следовательно, синхронный Ф) и равная напряжению сети определяется результирующим магнитным потоком двигателя, который в свою очередь возбуждается намагничивающим током статора и ротора. Следовательно, значение магнитного потока машины (вращающегося магнитного поля) и напряжение сети связаны пропорциональной зависимостью. При неизменном напряжении сети неизменен магнитный поток машины. двигатель потребляет из сети реактивную энергию и двигатель представляет собой активно-индуктивную нагрузку. Если же машину возбудить, то результирующий магнитный поток будет создаваться как током статора так и током ротора, следовательно, потребление реактивной энергии статором из сети уменьшится. Дальнейшее увеличение тока возбуждения приведет к дальнейшему уменьшению потребления реактивной энергии. При номинальном токе ротора, статор вообще не будет потреблять реактивную энергию из сети, т.е. магнитный поток машины весь создается током ротора, наступает режим идеального холостого хода. При дальнейшем увеличении тока возбуждения, ток обмотки статора станет размагничивающим, т.е. статор будет работать и представлять собой по отношению к сети активно-емкостную нагрузку, а машина станет генератором реактивной энергии. Изменяя значение тока возбуждения машины (ток ротора) можно регулировать реактивную мощность синхронного двигателя. При токе ротора больше номинального (перевозбуждение двигателя) двигатель представляет собой активно- емкостную нагрузку, и его можно использовать для повышения cos ϕ промышленных предприятий. С целью получения низких частот вращения приходится применять специальные тихоходные двигатели либо с электромагнитной редукцией частоты вращения, либо с катящимся или волновым роторами. Основной особенностью синхронных микродвигателей, определяющей области их применения, является постоянство частоты вращения при неизменной частоте f питающей сети. Частота вращения ротора двигателя в синхронном режиме (при M сопр < М m ах ) не зависит от колебаний напряжения питания и момента сопротивления. Она равна частоте вращения магнитного поля, т.е. синхронной частоте вращения: n с = 60f/p В настоящее время в схемах автоматики синхронные микродвигатели применяются очень широко. По конструктивному исполнению они весьма разнообразны, особенно однофазные микродвигатели малых мощностей (от долей ватт до нескольких ватт). Двигатели с номинальной мощностью от десятков до сотен ватт имеют обычное классическое исполнение. Они состоят из неподвижной части – статора, в пазах которого размещается трехфазная или двухфазная обмотка переменного тока, и вращающейся части – ротора, который у большинства двигателей имеет явно выраженные, полюсы. В зависимости от конструкции ротора различают синхронные микродвигатели с электромагнитным возбуждением, постоянными магнитами, реактивные и гистерезисные. Кроме двигателей обычного исполнения в схемах автоматики иногда встречаются обращенные синхронные микродвигатели, обмотка переменного тока которых размещается в пазах ротора. Микродвигатели с электромагнитным возбуждением (с обмоткой возбуждения постоянного тока на полюсах) вследствие сложности их конструкций и пуска, а также необходимости наличия источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения, в схемах автоматики применяются крайне редко. Синхронные микродвигатели выпускаются как на промышленную частоту 50 Гц, так и на повышенные частоты 400, 500, 1000 Гц. Кроме обычных двигателей в схемах автоматики широко применяются тихоходные двигатели с электромагнитной редукцией частоты вращения, работающие на зубцовых гармониках поля, и двигатели с катающимся или волновым роторами. Иногда для получения низких частот вращения используются обычные двигатели со встроенными редукторами. Синхронные микродвигатели широко применяются в приборах звуко- и видеозаписи, кино- и фотоаппаратуре, системах связи, всевозможных лентопротяжных устройствах и т. п. К синхронным микродвигателям предъявляются как общие для всех электрических машин требования – высокие энергетические показатели (n и cos φ), малые габариты, масса и т.п., так и специфические для синхронных двигателей требования, которые зависят от схемы, в которой применяется двигатель. В одних схемах от двигателя требуется постоянство средней частоты вращения, в других – постоянство мгновенной частоты вращения в пределах одного оборота ротора и т. п. В схемах автоматики применяется большое количество различных типов синхронных микродвигателей с постоянными магнитами, отличающихся друг от друга по способу запуска, конструктивному исполнению, способу питания и т. п. Все синхронные двигатели с постоянными магнитами, если их классифицировать по одному из основных показателей – способу запуска, можно разделить на три группы: самозапускающиеся микродвигатели; двигатели с асинхронным пуском; двигатели с гистерезисным пуском. Самозапускающиеся синхронные микродвигатели с постоянными магнитами находят в настоящее время очень широкое применение в схемах автоматики. Они используются для привода часовых механизмов, механизмов реле, всевозможного рода программных устройств и т.п. Номинальные мощности таких двигателей обычно не превышают долей ватта. Они имеют большое число полюсов и небольшие синхронные частоты вращения (обычно n с =60f/p ≤375 об/мин). Двигатели часто рассчитываются на работу от однофазных сетей переменного тока. Их магнитное поле либо пульсирующее, либо резко выраженное эллиптическое (у двигателей с расщепленными экранированными полюсами). Пуск этих двигателей часто осуществляется в течение полупериода изменения тока за счет всегда существующего в синхронных двигателях пульсирующего момента. Самозапускающиеся двигатели рассчитываются либо на малоинерционную нагрузку, либо за счет специального устройства, развязывающего ротор и вал на время пуска, пускаются вхолостую, а затем нагружаются. Для обеспечения пуска таких двигателей широко используют различные устройства с пружинами, храповиками и иными приспособлениями, обеспечивающими вращение ротора в заданном направлении и блокирующими обратный ход. Самозапускающиеся синхронные микродвигатели с постоянными магнитами обычно выпускаются плоскими, т.е. имеют относительно большой диаметр и малую длину. Их обмотка возбуждения имеет вид кольца, а магнитная цепь статора, изготовленная зачастую из одного листа стали, имеет клювообразные полюсы, расщепленные у двигателей с экранированными полюсами. КПД таких двигателей невелик – 3...5%. Основной массовой серией однофазных самозапускающихся синхронных двигателей с постоянными магнитами, выпускаемых в России, длительное время являлась серия ДСМ. Двигатели этой серии рассчитаны на работу от сети с f=50 Гц напряжением 200, 127, 36, 24, 12 В. Они выпускались как без редуктора, так и с различными понижающими механическими редукторами. Частота вращения выходного вала такого двигателя - 375 об/мин; частота вращения выходного редуктора - 60; 2; 0,2; 1/300 об/мин. Эти двигатели выпускались с правым и левым вращением вала. Мощность, потребляемая ими от сетей, не превосходила 4 Вт. Двигатели серии ДСМ выпускались в больших количествах и в настоящее время еще работают во всевозможных устройствах. Но с началом выпуска и расширением производства новых серий двигателей с лучшими показателями – ДСО, ДСОР, ДСК, ДСКР – выпуск двигателей серии ДСМ сокращается. Тихоходные однофазные микродвигатели типов ДСО (двигатели синхронные однофазные) – это многополюсный двигатель, рассчитанный для работы от однофазных сетей переменного тока с частотой 50 или 60 Гц, с надежными однонаправленными пуском и вращением, предназначенный для работы в различных промышленных и бытовых приборах. Конструкция двигателя типа ДСО-32 (рис. 29) достаточно проста и технологична. Статор состоит из намотанной в виде кольца катушки 7, залитой и соответствующим образом отформованной литьевой пластмассой. Отформованная катушка 7 является основой двигателя. Справа и слева к катушке прилегают магнитопроводы 4, имеющие по восемь клювообразных полюсов 6 определенной длины, направленных аксиально и полученных путем неполной выштамповки и отгибки пластин 10 правого и левого магнитопроводов. При этом полюсы одного магнитопровода располагаются между полюсами другого магнитопровода. Магнитопроводы одновременно служат подшипниковыми щитами. В их центральных отверстиях располагаются подшипники скольжения 2, изготовленные путем заливки из литьевого сополимера. Медные пластины 3 особой конфигурации, прилегающие изнутри к правому и левому магнитопроводам (по две штуки к каждому), экранируют определенную часть полюсов статора, выполняя роль короткозамкнутых витков, что обеспечивает при питании катушки статора переменным током через зажимы 9 создание вращающегося в пространстве магнитного поля (не кругового, а эллиптического). Рисунок 29 – Однофазный многополюсный двигатель типа ДСО-32 с экранированными полюсами: 1 – вал; 2 - подшипники скольжения; 3 – медная пластина; 4 – магнитопроводы; 5 – шпильки; 6 – полюс; 7 – катушка; 8 – постоянный магнит; 9 – зажимы; 10 – пластины Магнитный поток, созданный обмоткой статора, замыкаясь вокруг нее, проходит по левому магнитопроводу, его клювообразным полюсам, цилиндрическому магниту 8 ротора, клювообразным полюсам правого магнитопровода, правому магнитопроводу и замыкается на внешнем магнитопроводе, соприкасающемся с левым и правым магнитопроводами. Цилиндрический ротор двигателя состоит из кольцевого феррито-бариевого магнита 8 марки М1БИ, опрессованного литьевым полимером на стальном валу 1. Цилиндрический магнит ротора имеет 16 полюсов, полученных путем радиального намагничивания.Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами и асинхронным пуском отличаются от других типов синхронных двигателей с постоянными магнитами наличием на роторе короткозамкнутой обмотки типа беличьей клетки, предназначенной, во-первых, для пуска двигателя, во-вторых, для стабилизации его частоты вращения – демпфирования качаний ротора при резких изменениях нагрузки. В последнее время наибольшее распространение получили синхронные двигатели двух конструктивных исполнений: с радиальным и аксиальным расположениями постоянного магнита и пусковой короткозамкнутой обмотки. Статоры двигателей обоих конструктивных исполнений ничем не отличаются от статоров обычных синхронных и асинхронных машин. В пазах шихтованных статоров располагаются трехфазные или двухфазные обмотки переменного тока. Роторы двигателей сочетают в себе элементы синхронного двигателя – постоянные магниты и асинхронного двигателя – короткозамкнутую обмотку, выполненную в виде беличьей клетки, располагающуюся в пазах. Двигатели с радиальным расположением постоянного магнита и пусковой обмотки имеют кольцевой пакет стали ротора, напрессованный на постоянный магнит-звездочку, в пазах которого располагается короткозамкнутая обмотка. В магнитопроводе ротора имеются междуполюсные прорези, размеры которых выбираются из условия хорошего асинхронного пуска и оптимального использования энергии постоянного магнита в синхронном режиме, т.е. из условия уменьшения потока рассеяния магнита. Пакет стали ротора с короткозамкнутой обмоткой предохраняет магнит от размагничивания в режиме пуска (короткого замыкания). Благодаря простоте конструкции, невысокой стоимости, необходимости лишь одного источника питания, высокой надежности, стабильности характеристик синхронные реактивные микродвигатели, несмотря на сравнительно невысокие энергетические показатели, находят широкое применение во всевозможных схемах автоматики, приборах магнитной записи, связи и др. Наибольшее распространение в настоящее время нашли синхронные микродвигатели, которые конструктивно мало отличаются от трехфазных и однофазных асинхронных микродвигателей. Их статоры аналогичны статорам асинхронных двигателей. Роторы же синхронных реактивных микродвигателей весьма разнообразны (рис. 30). До последнего времени наибольшее распространение имел ротор, представленный на рисунке 6.7, а, отличающийся от обычного короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя лишь наличием впадин – вырезов из цилиндрической поверхности, с помощью которых образуются явно выраженные полюсы, необходимые для работы двигателя в синхронном режиме. Рисунок 30 – Некоторые виды (а... в) роторов синхронных реактивных двигателей Ротор разгоняется до подсинхронной скорости за счет асинхронного момента, а затем втягивается в синхронизм за счет синхронизирующего момента, возникающего вследствие разности магнитной проводимости по продольной и поперечной осям. Особенностью реактивного двигателя является то, что его момент как в синхронном, так и асинхронном режимах прямо пропорционален квадрату приложенного напряжения. Это свойство обусловливает высокую чувствительность двигателя к колебаниям напряжения сети. Так, при уменьшении напряжения на 15 % (U=0,85U H ) вращающий момент уменьшается на 28% (М ≈ U 2 ≈ 0,85 2 2 H U ≈ 0,72M H ). В настоящее время в схемах автоматики получили широкое распространение синхронные гистерезисные микродвигатели. Статор обычного гистерезисного двигателя ничем не отличается от статоров синхронных и асинхронных машин. Пакет статора набирается из изолированных листов электротехнической стали. В полузакрытых (с неширокой прорезью) пазах располагается обычная трехфазная или двухфазная (в конденсаторных двигателях) обмотка, которая при подключении к сети переменного тока создает вращающееся магнитное поле. Ротор большинства гистерезисных двигателей представляет собой сплошной или шихтованный полый цилиндр из магнитотвердого материала, имеющего широкую петлю гистерезиса (обладающего большой остаточной намагниченностью), и располагается на магнитной или немагнитной втулке. Магнитные схемы гистерезисных двигателей с различными роторами представлены на рис. 31. Принцип действия гистерезисного двигателя рассмотрим на примере двигателя со сплошным массивным ротором (рис. 32). Вращающий момент такого двигателя можно представить как сумму двух моментов: основного гистерезисного М г , обусловленного наличием большой остаточной намагниченности, и момента от вихревых токов М в М= М г +М в Рисунок 31 – Магнитные схемы гистерезисных двигателей с различными роторами: а – с ротором из магнитотвердого материала; б – с составным ротором с ферромагнитной втулкой; в – с составным ротором с немагнитной втулкой; г – двигателя с ферромагнитной втулкой; 1 – ротор; 2 – статор; 3 – магнитотвердый материал; 4 – втулка; 5 – запорное кольцо Момент от вихревых токов возникает в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля двигателя с вихревыми токами ротора. По своей природе это асинхронный момент. Он равен нулю при синхронизме и вследствие большого активного сопротивления массивного ротора максимален при пуске (n = 0). Если бы двигатель обладал только моментом от вихревых токов, то его механическая характеристика не отличалась бы ничем от механической характеристики – обычного асинхронного двигателя с повышенным активным сопротивлением ротора, имеющего s k > 1. Возникновение гистерезисного момента объясняется наличием у материала ротора широкой петли гистерезиса. При асинхронной скорости вращения ротор, находясь в магнитном поле, все время перемагничивается. При этом ось поля ротора, изготовленного из магнитотвердого материала, при наличии момента сопротивления на валу отстает от оси вращающегося магнитного поля на некоторый угол θ. В результате взаимодействия поля ротора с опережающим его вращающимся магнитным полем статора возникает вращающий гистерезисный момент М г Рисунок 32 – Принцип действия гистерезисного двигателя: a – схема сил при невращающемся магнитном поле; б – схема сил при вращающемся магнитном поле Если ротор гистерезисного двигателя поместить в магнитное поле, то он намагнитится, его области спонтанной намагниченности – элементарные магнитики будут ориентированы по силовым линиям магнитного поля. На рис. 32 схематично показаны два элементарных магнитика. В результате взаимодействия внешнего поля, которое для наглядности представлено в виде двух полюсов магнита, с элементарными магнитиками ротора возникнут силы F= F n , которые в положении ротора, соответствующем показанному на рис. 32, а, будут направлены радиально. Момент, действующий на ротор в этом случае, будет равен нулю. Если полюсы магнита, а, следовательно, и внешнее магнитное юле вращать относительно ротора, то элементарные магнитики будут поворачиваться вслед за полем полюсов, однако вследствие молекулярного трения, которое у магнитотвердых материалов весьма значительно, они будут отставать от поля полюсов на некоторый угол 9. Силы взаимодействия F между элементарными магнитиками и полем полюсов магнита в этом случае (рис. 32, б) кроме радиальных составляющих F n будут иметь еще тангенциальные составляющие F 1 , которые и создадут вращающий гистерезисный момент. Положительные качества синхронных гистерезисных двигателей следующие: большие пусковой момент и момент входа в синхронизм; независимость момента входа в синхронизм от момента инерции плавность входа в синхронизм - отсутствие рывка; незначительное изменение тока - на 20...30 % от пуска (n = 0) до холостого хода (n = n с ) и на 1...3 % от холостого хода до номинальной нагрузки; сравнительно высокий КПД, достигающий в некоторых двигателях 60%; малое время разгона; большая механическая прочность и симметрия ротора, что позволяет создавать высокоскоростные двигатели, в том числе, гидродвигатели; способность одного и того же ротора работать в магнитных полях различной полюсности – полисинхронизм ротора, позволяющий создавать много-скоростные синхронные двигатели, хотя и неравноценные по качеству на различных скоростях из-за различного намагничивания активного материала ротора; высокая температурная стабильность пусковых и рабочих характеристик, обусловленная тем, что изменение температуры влияет лишь на значение активного сопротивления обмотки статора; высокая надежность; малый уровень шума; сравнительно небольшие габариты и масса. Недостатки синхронных гистерезисных двигателей, ограничивающие области их применения, сводятся к следующим: низкий коэффициент мощности (cos φ), не превосходящий 0,3...0,45; малая стабильность мгновенной скорости вращения – качание ротора при резко изменяющихся нагрузках; большой технологический разброс характеристик двигателя, объясняющийся тем, что даже незначительные отклонения от установленного режима термической обработки ведут к значительным изменениям свойств магнитотвердых материалов; высокая стоимость магнитотвердых материалов и сложность их механической обработки. Рекомендуемая литература 1. Шишмарев В.Ю. Типовые элементы систем автоматического управления: Учеб. пособие. – М.: Изд. центр «Академия», 2004. С.259- 272. 2. Кацман М.М. Электрические машины автоматических устройств: Учеб. пособие. – М.: ФОРУМ, ИНФРА-М, 2002. С.40-91. Контрольные задания для СРС [1,2] 1. Конструкция исполнительных двигателей переменного тока 2. Пуск и тормозные режимы работы машин переменного тока 4. В позиционных системах программного управления для отработки типовых команд используются шаговые двигатели (ШД). В шаговых ИУ электродвигатель управляется последовательностью импульсов и перемещается строго на определенный угол (шаг), пропорциональный числу импульсов управления. По принципу действия ШД представляет собой дискретный синхронный двигатель, ротор которого поворачивается после каждого импульса на входе системы управления и остается неподвижным при отсутствии импульса. Блок управления ШД содержит коммутатор на логических схемах (триггеры, схемы совпадения) и усилитель мощности (ре- лейные усилители). Шаговые двигатели имеют более низкие энергетические показатели, чем регулируемые двигатели непрерывного действия, поэтому ШД используется в маломощных системах, в частности в системах с ЧПУ. ШД широко используются в качестве электромеханических преобразователей унитарного кода в угол поворота, воздействуя на задатчик программы силового следящего привода. Шаговые двигатели – это электромеханические устройства, которые преобразуют электрические импульсы напряжения управления в дискретные (скачкообразные) угловые и линейные перемещения ротора с возможной его фиксацией в нужных положениях. Применяемые в настоящее время шаговые двигатели в большинстве являются многофазными и многополюсными синхронными электрическими машинами. В отличие от обычных синхронных двигателей роторы шаговых двигателей не имеют пусковой короткозамкнутой обмотки, что объясняется частотным (а не асинхронным) их пуском. Роторы двигателей могут быть возбужденными (активными) и невозбужденными (пассивными). На рис. 33 изображены схемы работы m-фазного шагового двигателя. Для упрощения анализа физических процессов рассмотрим работу этого двигателя с простейшим невозбужденным ротором, имеющим два полюса. Рисунок 33 – Схемы работы m-фазного шагового двигателя: а - поочередное питание однополярными импульсами; б - питание четного числа обмоток; в - питание нечетного числа обмоток Питание обмоток статора может быть либо однополярным, либо двухполярным. При однополярном питании напряжение изменяется от нуля до +U; при двухполярном - от +U до -U. Шаговые двигатели по существу являются синхронными двигателями, работающими в несколько иных (необычных) режимах. Последнее накладывает отпечаток на их конструктивное исполнение. В отличие от обычных синхронных двигателей они для обеспечения нужных динамических и статических характеристик имеют минимальные диаметры ротора, выполняются без пусковой короткозамкнутой обмотки, рассчитываются на большие электромагнитные нагрузки и т. п. В настоящее время известно множество конструктивных форм шаговых двигателей. По числу фаз (обмоток управления) шаговые двигатели можно разделить на однофазные, двухфазные и многофазные. По типу роторов – на активные (возбужденные) и пассивные (невозбужденные). Активные шаговые двигатели можно в свою очередь разделить на двигатели с постоянными магнитами (магнитоэлектрические) и двигатели с обмотками возбуждения (электромагнитные), а пассивные - на индукторные и реактивные. По числу пакетов стали магнитопровода двигатели делятся на однопакетные, двухпакетные и многопакетные. По способу фиксации ротора при обесточенных обмотках управления различают двигатели с внутренней и внешней фиксацией. Шаговые двигатели можно разделить на группы также по типу магнитной системы и другим признакам. Описание всех конструкций шаговых двигателей, применяемых в настоящее время на практике, весьма затруднительно, поэтому рассмотрим лишь некоторые, наиболее типичные из них. Однопакетные шаговые двигатели с активным ротором по своей конструкции (рис. 34) мало отличаются от обычных синхронных двигателей. Их роторы чаще возбуждаются постоянными магнитами, реже – обмоткой возбуждения постоянного тока. Роторы имеют явно выраженные полюсы. С целью уменьшения шага их изготовляют многополюсными в виде магнитов- звездочек. Малые диаметры не позволяют значительно увеличить число полюсов, что приводит к сравнительно крупному шагу таких двигателей, который обычно находится в пределах от 15 до 90°. Уменьшение шага у этих двигателей возможно лишь за счет увеличения числа фаз статора и тактов коммутации. Рисунок 34 – Шаговый двигатель типа ШД-2 с активным ротором в виде магнита-звездочки Выпускается несколько серий шаговых двигателей с активным ротором – ШДА, ШДА-3, ДША и др. Кроме однопакетных шаговых двигателей с активным ротором на практике можно встретить двух-, трех- и многопакетные двигатели. У двухпакетного двигателя в одном корпусе имеется два совершенно одинаковых пакета стали ротора с одинаковыми обмотками. Пакеты стали смещены в пространстве на половину зубцового деления, что обеспечивает соответствующий сдвиг обмоток в пространстве и расширяет возможности двигателя - ведет к уменьшению шага без увеличения диаметра ротора и т.п. Оба ротора-звездочки располагаются на одном валу и не имеют пространственного сдвига, т. е. оси их полюсов совпадают. Иногда для индикаторных целей (работы практически без момента сопротивления) применяются гистерезисные шаговые двигатели, у которых ротор не имеет явно выраженных полюсов и возбуждается полем статора. Шаг таких двигателей определяется числом пазов статора. Шаговые двигатели индукторного типа имеют следующие отличительные признаки. Пакеты их статоров и роторов изготовляются из листов магнито- мягкой электротехнической стали. Пазы ротора открытые. Ротор пассивный. Статор имеет два вида пазов: большие полузакрытые, в которых размещается обмотка, и малые открытые, выполняемые на зубцах, образуемых большими пазами (рис. 35). Совокупность открытых пазов статора, расположенных на одном большом зубце, называется гребенчатой зоной. Число пазов статора и ротора и их геометрические размеры выбираются такими, чтобы обеспечить необходимый шаг и достаточный синхронизирующий момент при заданном виде коммутации токов. Основной особенностью индукторных двигателей является то, что магнитный поток в их воздушном зазоре при работе двигателя содержит постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая потока возбуждается либо постоянной составляющей тока обмоток управления – у двигателей с самовозбуждением, либо специальной обмоткой возбуждения – у двигателей с независимым возбуждением, либо постоянными магнитами – у магнитоэлектрических двигателей. Переменная составляющая магнитного поля, вращающегося в пространстве в соответствии с частотой тактов коммутации, создается импульсами тока обмоток управления, поступающими от электронного коммутатора. Рисунок 35 – Листы стали статора и ротора шагового двигателя индукторного типа В индукторных шаговых двигателях с самовозбуждением постоянная составляющая магнитного потока в воздушном зазоре создается непосредственно однополярными импульсами управления с помощью шунтирующих обмотки управления встречных диодов. Двигатели с самовозбуждением просты по устройству, не требуют сложного коммутатора. Благодаря ряду положительных качеств они получили широкое применение. Выпускается несколько серий таких двигателей: ШДР, ДШИ, РШД. Недостатком индукторных двигателей с самовозбуждением является отсутствие внутренней магнитной фиксации ротора при обеспеченных обмотках статора. В четырехфазных индукторных шаговых двигателях с независимым электромагнитным возбуждением постоянный поток возбуждения создается специальной обмоткой, питаемой постоянным током, который минует коммутатор. Этот двигатель в отличие от предыдущего имеет внутреннюю магнитную фиксацию роторов при отсутствии токов в обмотках управления. Положительным качеством такого двигателя является также то, что ток возбуждения, минуя коммутатор управления, позволяет тем самым уменьшить его установленную мощность. Шаговые реактивные двигатели, так же как и индукторные, имеют невозбужденный (пассивный) ротор (рис. 36, а). Конструктивно они весьма схожи с индукторными двигателями, имеющими электромагнитное возбуждение, однако не имеют обмоток возбуждения и постоянной составляющей магнитного потока в воздушном зазоре. По своим энергетическим показателям и величине синхронизирующего момента они уступают индукторным двигателям аналогичной конструкции. Одним из недостатков реактивных шаговых двигателей является отсутствие внутренней магнитной фиксации ротора при обесточенных обмотках статора. Однофазные шаговые двигатели наряду с многофазными находят достаточно широкое применение в средствах автоматики. Обычно они 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 при создании однофазных двигателей состоит в получении пускового момента однонаправленного действия. Рисунок 36 – Схемы шаговых реактивных двигателей: а – четырехфазного; б – однофазного двухполюсного; 1 – обмотки управления; 2 – ротор; 3 – постоянные магниты На рис. 36, б схематично представлен простейший однофазный шаговый двигатель, пусковой момент однонаправленного действия у которого создается с помощью клювообразных несимметричных полюсов. В обесточенном состоянии обмоток управления 1 ротор 2 удерживается постоянными магнитами 3 в определенном положении. При подаче импульса управления ротор поворачивается в направлении, показанном стрелкой. При повороте ротора на 90° напряжение с обмоток управления снимается и ротор, продолжая вращаться под действием сил инерции, приходит в положение, соосное с полюсами постоянных магнитов. Кроме рассмотренных конструкций в последнее время появился ряд новых шаговых двигателей: шаговые двигатели с катящимися и волновыми роторами, шаговые двигатели с печатными обмотками и др. В моментных двигателях ротор, развивая необходимый момент, поворачивается лишь на весьма малые углы, составляющие долю его оборота. Таким образом, двигатель работает практически с неподвижным ротором или, как говорят, в режиме короткого замыкания. В качестве моментных могут быть использованы двигатели различного типа как постоянного, так и переменного токов. Например, у двигателя постоянного тока независимого возбуждения момент короткого замыкания пропорционален приложенному напряжению. У асинхронного двигателя (трехфазного или двухфазного) момент определяется квадратом напряжения в цепи статора, причем в двухфазном двигателе достаточно регулировать ток в одной обмотке (обмотке управления) и изменять момент за счет внесения асимметрии. Системы с моментными двигателями отличаются повышенным быстродействием. Поскольку двигатель не вращается, то его механическая инерция не влияет на динамику системы, а переходные процессы определяются в основном электромагнитной инерцией обмоток. Поскольку электромагнитная постоянная двигателя обычно существенно меньше электромеханической, то переходные процессы в них завершаются быстрее, чем при отработке перемещений. В приводах подачи прецизионных шлифовальных станков, приборов точной механики и оптики часто требуется отработка перемещений, составляющих несколько микрометров, а иногда и десятые доли микрометра. При использовании для этой цели шаговых двигателей как обладающих малым угловым шагом все же необходима механическая передача с большим передаточным отношением, которой свойственны существенные погрешности. Так как в перечисленных установках очень высоки точностные требования, то применение шаговых двигателей практически исключается. Частичным решением задачи может быть использование шаговых двигателей с электрическим дроблением шага, когда посредством специальной электронной схемы при подаче очередного импульса обеспечивается перемещение не на полный шаг, а только на его часть. По сути дела в этом случае от дискретного управления переходят к непрерывному. Однако и здесь не обойтись без механической передачи. В связи с этим для микроперемещений необходимы двигатели, выполненные на иной физической основе. Принципиально возможно построение двигателей на основе теплового расширения тела, электромагнитного взаимодействия, магнитострикций; обратного пьезоэффекта. Двигатели для микроперемещений, построенные на тепловом расширении тела, не используются из-за большой инерционности и отрицательного влияния температурных полей на окружающие приборы и узлы. Двигатели, выполненные как втяжные или поворотные электромагнитные устройства, иногда находят применение, однако очень трудно в них обеспечить тяговое усилие, слабо зависящее от перемещения. Кроме того, такой двигатель весьма инерционен из-за большой индуктивности тяговой катушки. Полоса пропускания управляющего сигнала в нем составляет 10...20 Гц. Положительное качество двигателя – обеспечение достаточно больших перемещений, определяемых ходом электромагнита (ход может составлять несколько миллиметров). В большинстве случаев в прецизионных установках наряду с микроперемещениями необходимы и относительно большие юстировочные подачи. Более широко применяют магнитострикционные двигатели, в которых используется свойство стержня из ферромагнитного материала изменять длину под воздействием магнитного поля. Максимальное относительное изменение продольных размеров стержней из таких материалов, как никель, железоникелевые, железохромникелевые и железокобальтовые сплавы, сплавы типа инвар и другие, может составлять (20...50)·10 -6 . Следовательно, при длине 100 мм свободный конец стержня может перемещаться на 2... 5 мкм. Пороговая чувствительность составляет 0,05...0,10 мкм. Недостаток магнитострикционного двигателя, так же как и электромагнитного – инерционность, обусловленная процессами, происходящими в намагничивающей катушке. Однако индуктивность ее несколько меньше, так как зазора в магнитной цепи может не быть. Все же полоса пропускания и в этом случае не превышает 30 Гц. На точность работы двигателя существенно влияют внешнее тепловое поле и нагрев стержня. Следует иметь в виду, что намагничивающая катушка двигателя сама создает ощутимое тепловое поле, так как ее размеры и потребление энергии достаточно велики. Наиболее предпочтителен пьезоэлектрический двигатель, выполняемый обычно как столбик из пьезокерамических шайб, склеенных между собой. Исходным материалом для пьезокерамики служат оксиды металлов (титанат бария, цирконат-титанат свинца и др.). Когда к торцевым поверхностям шайб приложено напряжение, то в зависимости от ориентации электрического поля столбик сжимается или удлиняется. В некоторых пределах зависимость удлинения от напряженности электрического поля носит линейный характер. Максимальное относительное удлинение может составлять (5...7)·10 -4 Следовательно, пьезостолбик длиной 50 мм может обеспечить перемещение до 25 мкм, т. е. примерно на порядок больше, чем в магнитострикционных двигателях. Напряжение, подаваемое на шайбу, достаточно велико – до 300 В. Потребление энергии незначительно. Существенное достоинство пьезоэлектрического двигателя быстродействие. Полоса пропускания достигает 1000 Гц. К недостаткам как магнитострикционного, так и пьезоэлектрического двигателей относится наличие петли гистерезиса в характеристиках. Ширина петли может достигать 20...30 % максимального перемещения. В пьезоэлектрических двигателях влияние гистерезиса можно несколько ослабить предварительным сжатием столбика шайб. Усилия, которые могут создавать магнитострикционный и пьезоэлектрический двигатели, естественно, зависят от размеров стержня и шайб и в реальных двигателях составляют несколько сотен ньютонов. Часто максимальные перемещения, которые могут обеспечить магнитострикционный и пьезоэлектрический двигатели, недостаточны. Тогда приходится прибегать к шаговым двигателям, построенным на тех же принципах. Работу шагового пьезоэлектрического двигателя поясняет рис. 37 . Двигатель состоит из столбика пьезоэлектрических шайб 2 и двух зажимных устройств 1 и 3 на его концах. При нормальной работе в непрерывном режиме зажимное устройство 3 зафиксировано, а устройство 1 свободно. В зависимости от напряжения, поданного на шайбы, осуществляются микроперемещения конца А. Рисунок 37 – Схема шагового пьезоэлектрического двигателя: 1,3 – зажимные устройства; 2 – шайба пьезоэлектрическая При использовании возможного ресурса перемещений и соответственно при достижении напряжением предельного значения зажим 1 фиксирует конец А, напряжение с шайб снимается, а зажим 3 освобождает конец В. При этом столбик шайб сжимается до исходной длины (конец В подтягивается). После этого зажим 3 вновь фиксируется, а зажим 1 - отпускает конец А; далее вновь подается напряжение на шайбы и двигатель начинает работать, перемещая конец А, соответственно управляя объектом, механически связанным с двигателем. Если одного шага перемещения оказывается недостаточно, то цикл повторяется. Зажимными устройствами управляют с помощью специального коммутатора. Для того чтобы зафиксировать конец столбика шайб, можно установить механические устройства (например, цанговые зажимы) с управлением от магнитов или тех же пьезокерамических элементов – шайб. Шаговый магнитострикционный двигатель работает на том же принципе. Рекомендуемая литература 1. Шишмарев В.Ю. Типовые элементы систем автоматического управления: Учеб. пособие. – М.: Изд. центр «Академия», 2004. С.254- 297. 2. Кацман М.М. Электрические машины автоматических устройств: Учеб. пособие. – М.: ФОРУМ, ИНФРА-М, 2002. С.172-178. 3. Справочник по средствам автоматики / [Б.И. Филиппович, А.П. Шорыгин, В.А. Царьков и др.]; Под ред. В.Э. Низэ и И.В.Антика. – М.: Энергоатомиздат, 1983. С.339-363. Контрольные задания для СРС [1-3] 1. Классификация электрических микромашин 2. Конструкции электрических микромашин и их применение 5. Тахогенераторы предназначены для измерения угловой скорости вращающихся объектов. Ротор тахогенераторов механически связывают с валом испытуемого электродвигателя или исполнительного механизма, а об угловой скорости w судят по выходной ЭДС генератора. У большинства ТГ основной является скоростная характеристика, которая дает зависимость среднего значения напряжения от частоты вращения вала U ср =f (n); U ср = T 0 (u/T)dt ∫ , где u – мгновенное значение пульсирующего или выпрямленного напряжения; Т – время (период) одного оборота. Из тахогенераторов наибольшее распространение получили тахогенераторы постоянного тока, выпускаемые с постоянными магнитами либо с независимым возбуждением. Область их применения весьма разнообразна: прецизионные тахогенераторы постоянного тока используются в авиации, судостроении, станкостроении, металлургической и других отраслях промышленности. К преимуществам этих датчиков относят достаточно высокую точность и наличие выходного сигнала постоянного тока, удобного для последующей обработки. Основным недостатком этих тахогенераторов является наличие коллекторно-щеточного узла, снижающего надежность работы и долговечность преобразователя. Машины постоянного тока типа ТГ1, встроенного и автономного исполнения, а также типа ЭГ разработаны для комплектации с двигателями металлорежущих станков; машины типа ТГП служат для маломощных электроприводов следящих устройств, отличающихся большой частотой включений с изменением направления вращения; маломощные ТГ типов СЛ, ТД, ТГ (55-74 мм) предназначены для установки на авиационных и иных электроприводах с эксплуатационным сроком до 2000 ч; крупные прецизионные ТГ типа ПТ рассчитаны на использование в металлургической промышленности. Каждый вид ТГ, кроме отведенной для него области, может оказаться пригодным для применения на иных агрегатах серийного или индивидуального изготовления. Номинальные частоты вращения большинства ТГ не превышают 2000 об/мин, но по центробежной устойчивости предусматривается запас в 2,5-3 раза и более; при этом учитывается вероятность «разноса» привода постоянного тока. Некоторые типы ТГ или отдельные их исполнения (ТМГ, СЛ и др.) допускают продолжительную работу при частотах вращения 3500- 4000 об/мин и напряжениях на якоре до 300 В. На быстроходных агрегатах находят применение ТГ типов ТГП (n max =7000 об/мин) и TDP-0,031 (n m =12000 об/мин); максимальные напряжения таких ТГ обычно лежат в пределах 50-80 В. Для прецизионных ТГ заводы-изготовители применяют подшипники высокого класса точности и износостойкости; некоторые заводы гарантируют срок их службы до 20 тыс. ч. Прецизионные ТГ типов ПТ22, ПТ32 и ПТ42 предназначены для приводов металлургической промышленности. Номинальное напряжение 230 В, сечения проводов якорной обмотки выбираются в зависимости от скорости. Машины значительно отличаются по массе и габаритам, но надо отметить, что это не дает выигрыш по частоте полюсных пульсаций f п или частоте зубцовых пульсаций f з , так как числа зубцов их якорей мало отличаются (N з =21, 23, 25). Тахогенераторы типа ПТ42 имеют значительно большее число коллекторных пластин (N к =69, 62, 125), однако вследствие крутого фронта импульса и его малой продолжительности коллекторные пульсации k U ∆ практически не влияют на регулировочные свойства САР. Синхронные тахогенераторы имеют малое внутреннее сопротивление, что позволяет получить от них достаточно большие мощности. При изменении частоты вращения ротора в синхронных машинах изменяется не только амплитуда выходного напряжения, но и его частота. Благодаря механической устойчивости синхронные тахогенераторы нашли применение в трамваях, локомотивах, крановом хозяйстве и др. Асинхронные тахогенераторы по конструкции подобны двухфазным асинхронным двигателям. Их роторы обычно выполняют в виде тонкостенного металлического цилиндра. Две обмотки статора тахогенератора сдвинуты на 90° относительно друг друга. К одной обмотке подводят напряжение питания, а с измерительной обмотки снимают ЭДС. При подаче напряжения питания постоянной величины и частоты пульсирующий магнитный поток, пересекая ротор, индуктирует в измерительной обмотке ЭДС, пропорциональную угловой скорости w ротора, приводимого в движение контролируемой машиной или механизмом. Основное достоинство асинхронных тахогенераторов состоит в том, что независимо от частоты вращения ротора ЭДС переменного тока на выходе такого тахогенератора имеет постоянную частоту. Асинхронные ТГ отличаются простотой конструкции и малой массой подвижной части. Главное их достоинство, определяющее в большинстве случаев их выбор, состоит в том, что независимо от скорости привода напряжение на выходе ТГ имеет постоянную частоту. Наличие постоянной достаточно большой частоты позволяет отфильтровать зубцовые пульсации выпрямленного напряжения без заметного демпфирования системы. Асинхронный ТГ имеет шихтованный статор 1 (рис. 38) с двумя обмотками – задающей З и приемной П, сдвинутыми относительно друг друга на 90°. Рисунок 38 – Схема асинхронного ТГ Ротор 2, закрепленный на оси 3, представляет собой полый тонкостенный цилиндр из немагнитного металла (дюраль, бронза). Внутри ротора расположен цилиндр 4 из шихтованной стали. В некоторых схемах для улучшения электрических характеристик к обмоткам асинхронных ТГ подключаются компенсирующие конденсаторы. Синхронные ТГ имеют малое внутреннее сопротивление, что позволяет получить от них достаточно большие мощности. При изменении частоты вращения у синхронных машин изменяется не только выходное напряжение, но и частота. Выходное напряжение обычно выпрямляется, но находят применение схемы, осуществляющие контроль по частоте сигналов, поступающих от ТГ. Благодаря механической устойчивости синхронные ТГ нашли применение в трамваях, поездах, шахтных машинах, на кранах и иных агрегатах, подверженных значительной вибрации. Синхронный ТГ по принципу действия аналогичен обычному силовому синхронному генератору. Вследствие большого реактивного сопротивления статора напряжение ТГ резко падает с увеличением нагрузки и поэтому они должны работать на потенциометр с неизменным сопротивлением. Распространение получили ТГ с небольшим числом полюсов (6-12), однако имеются конструкции с числом полюсов 24, 72 и даже 500. Большое число полюсов и трехфазные схемы обмоток позволяет применять син- хронные ТГ на тихоходных приводах. Известны конструкции синхронных ТГ с выпрямителями, закрепленными на корпусе машины. Роторы и статоры бывают разнообразных конструкций, но всем им свойственна некоторая несимметрия, вызывающая низкочастотные пульсации напряжения статора. Обычно напряжение статора ТГ выпрямляется, а зубцовые пульсации сглаживаются при помощи RС-фильтра. Для снижения пульсаций выпрямленного напряжения ТГ изготавливают с полюсами специального профиля, позволяющими получить желаемую форму ЭДС. В синхронных ТГ для температурной компенсации применяются специальные магнитные шунты; при отсутствии насыщения и больших зазорах внешние магнитные поля мало влияют на напряжение статора. При чисто активной и неизменной нагрузке скоростная характеристика имеет линейный характер, несмотря на большое падение напряжения в самом ТГ. Известные синхронные ТГ предназначены для работы с приводами, не требующими высокой стабильности скоростной характеристики; при их разработке в первую очередь стремились получить дешевую безотказную машину. Индукторные ТГ трехфазного тока были созданы для крупных электроприводов металлургической и бумажной промышленности; впоследствии они нашли применение также в различных агрегатах быстро- действующего регулирования средней мощности. По сравнению с ТГ иных систем они отличаются небольшой чувствительностью к температуре и изменению напряжения на обмотке возбуждения. Главное их достоинство состоит в низком уровне оборотных погрешностей, что играет решающую роль при строгом поддержании скорости без инерционных электроприводов. Сигнал данных ТГ оценивается по среднему значению выпрямленного напряжения. Индукторные тахогенераторы представляют собой видоизмененные индукторные машины повышенной частоты. Впервые они были разработаны для приводов непрерывных прокатных станков. Необходимость в создании таких ТГ возникла при анализе работы действующих электроприводов; выявилось, что применявшиеся ТГ постоянного тока имеют недопустимо большие оборотные и полюсные пульсации выходного напряжения. Внешние характеристики ТГ, как и у обычных индукторных и синхронных генераторов, отличаются малой жесткостью, поэтому система электропривода должна быть построена таким образом, чтобы сопротивление нагрузки ТГ в процессе управления не изменялось. В случае изменения сопротивления нагрузки и перехода на другую скоростную характеристику ТГ требуется изменять добавочные резисторы в цепи таховольтметров. К основным недостаткам тахогенераторов относят ограниченный частотный диапазон измеряемых величин. В последние годы тахогенераторы постепенно вытесняются фотоимпульсными и индукционными датчиками, а также специальными интеллектуальными преобразователями – шифраторами углового перемещения (положения). В фотоимпульсных датчиках импульсы в оптоэлектронной паре источник излучения – приемник излучения (светодиод – фотопреобразователь) создаются при помощи дисков с прорезями или отверстиями, в некоторых приводах применяют вращающиеся детали машин. В подавляющем большинстве шифраторов положения также используют в качестве чувствительного элемента оптоэлектронную пару. Импульсы индукционных датчиков создаются под влиянием пульсирующего или знакопеременного магнитного потока. В качестве тела, модулирующего поток, служат специальные зубчатые колеса либо вращающиеся ферромагнитные детали машин. На практике в средствах механизации, промышленной робототехнике, устройствах числового программного управления и других промышленных системах управления и контроля широко используются два основных типа оптических угловых (поворотных) кодирующих устройств: шифраторы приращений и абсолютные шифраторы. Цифровые измерения линейных перемещений (длин) и углов поворота, в частности, функциональных элементов роботов и металлообрабатывающих станков, можно осуществлять так называемым методом считывания с использованием кодирующих линейчатых масок и кодирующих дисков. На них нанесены кодирующие дорожки в виде, например, темных (соответствуют "0") и светлых (соответствуют "1") элементов. Считывание кода и получение соответствующих сигналов обычно осуществляется оптоэлектронным способом (элементы дорожек просвечиваются). Ранее упоминалось о применении и других способов считывания. Разрешающая способность масок ограничивается различимой длиной элемента кода. При магнитном способе считывания она составляет примерно 0,1 мм, а при фотоэлектрическом — порядка единиц микрометра, то есть существует механический предел их чувствительности. Оптические шифраторы приращений интерферометрического типа обладают существенно более высокой разрешающей способностью за счет эффективного увеличения расстояния между чувствительными сегментами. При простом двоичном кодировании ошибка из-за неопределённости считывания, равная единице младшего разряда кода, может вызвать для ряда чисел перенос единицы в старший разряд, вследствие чего минимальная ошибка трансформируется в максимальную. Для уменьшения указанной погрешности вместо двоичного кода используют код Грея. В коде Грея изменение младшего разряда на 1 вызывает изменение только соседнего старшего разряда. Независимо от того, какой код используется в шифраторе, измерительная система должна его преобразовывать в простой двоичный цифровой код. Шифратор приращений индицирует только перемещение при движении от начального состояния, а абсолютный шифратор индицирует абсолютное положение. В абсолютных шифраторах углового положения используется электромеханический способ аналого-цифрового преобразования, предполагающий непосредственное преобразование угла поворота вала в соответствующий цифровой выходной сигнал, который может быть использован для обработки и интерпретации информации любым измерительным комплексом. Абсолютные шифраторы применяются в тех случаях, когда устройство бездействует в течение продолжительных интервалов времени или перемещается с небольшой скоростью. Примерами таких устройств могут быть задвижки управления подъемом воды, телескопы, грузовые краны и т.п. В традиционном абсолютном шифраторе маска на диске состоит из ряда концентрических дискретных дорожек c числом периодов на один оборот, удвоенным на каждой следующей дорожке увеличенного радиуса. Каждая дорожка имеет собственные фотодетекторы, и расположены дорожки так, что показания всех детекторов генерируют параллельный двоичный код, обычно код Грея, преимущество которого, как отмечалось выше, заключается в изменении только одного разряда при переходе в последовательном счёте от одного числа к другому. Например, шифратор с 12 дорожками будет генерировать 4096 слов за один оборот вала. Оптомеханика и электроника считывания кода такого шифратора являются значительно более сложными и дорогостоящими, чем у шифратора приращений. Тем не менее, он имеет существенное преимущество: предоставление информации тотчас же после запуска, без процедуры возврата в исходное положение. Абсолютные шифраторы по принципу действия делятся на однооборотные и многооборотные. У однооборотных шифраторов один оборот вала (360°) делится максимум на 8192 отсчета (13-битовый код измерений). После каждого полного оборота код возвращается к своему начальному значению. Контроллер шифратора не распознает количество сохраненных оборотов. В дополнение к кодирующему диску, применяемому в однооборотных шифраторах, многооборотные шифраторы имеют встроенный редуктор. Это устройство является подчиненным и закодировано таким образом, что может быть обнаружено до 4096 оборотов (12 бит). Поэтому полная разрешающая способность абсолютного шифратора составляет 25 бит: 13 бит — однооборотная разрешающая способность и 12 бит — количество оборотов. Этот тип шифраторов, характеризующийся большим значением допустимого числа измерений (33 554 432), может быть использован для длительных по времени применений, требующих для управления более одного оборота приводного устройства (например, зубчатая рейка и шестерня, подающий винт, шкив или конвейер с ременным приводом). Рекомендуемая литература 1. Справочник по средствам автоматики / Б.И. Филиппович, А.П. Шорыгин, В.А. Царьков и др.; Под ред. В.Э. Низэ и И.В. Антика. – М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 68, 76-78. 2. Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник /В.Я. Баранов, Т.Х. Безновская, В.А.Бек и др./ Под общ. ред. В.В.Черенкова. – Л.: Машиностроение, 1987. С. 330-355, 478-480. 3. Болтон У. Карманный справочник инженера-метролога / Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2002. С.192-205. 4. Мозоляк Е. Индуктивные датчики положения фирмы Peperl+Fuchs // Современные технологии автоматизации. – 2004. – № 4. – С.6-20. 5. Жданкин В.К. Поворотные шифраторы: основные типы и некоторые особенности применения // Современные технологии автоматизации. – 2001. – № 2. – С.68-79. 6. Тун А.Я. Системы контроля скорости электропривода. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 168 с. 7. Эм Г.А. Элементы систем автоматики: Учеб. пособие. – Караганда, КарГТУ, 2007. С.97-105. Контрольные задания для СРС [1-7] 1. Проанализировать конструкции современных тахогенераторов и их технические характеристики 2. Проанализировать конструкции и технические характеристики шифраторов приращений и абсолютных шифраторов |