Исполнительные устройства с двигателями переменного тока.

В автоматических системах регулирования в качестве исполнительных устройств широко применяются двух­фазные асинхронные двигатели переменного тока.

Двухфазные асинхронные двигатели по конструктив­ному исполнению подвижной части подразделяются на двигатели с_короткозамкнутым ротором, с полым немаг­нитным ротором и с полым ферромагнитным ротором.

У двигателей первого типа ротор выполнен в виде «беличьей клетки», образованной несколькими продоль­ными проводниками, замкнутыми накоротко в торцевой части поперечными кольцами.

У двигателей второго типа ротор выполняется в виде тонкостенного полого стакана. Применение полого рото­ра существенно уменьшает инерционность двигателя и момент трения на валу.

У двигателей третьего типа полый ротор выполняется из ферромагнитного материала, поэтому инерционность двигателя повышается.

В качестве примера на рис.83а приведена конст­рукция электродвигателя с полым немагнитным рото­ром.

1 — внутренний статор,

2 – ротор из немагнитного материала,

3 – внешний статор,

4 – обмотка статора,

5 – вал двигателя.

В двухфазных асинхронных электро­двигателях часто статор с обмотками располагают внутри ротора двигателя. В пазы внешнего статора 3 закла­дываются две обмотки 4 таким образом, чтобы магнит­ные оси их были взаимно перпендикулярны (рис.82б). Одна из обмоток статора является возбуждающей ОВ и подключается к источнику питания переменного тока с напряжением постоянной амплитуды U_В. Вторая обмотка является управляющей ОУ и обычно питается напря­жением переменного тока Uу той же частоты, что и воз­буждающая обмотка 0В, но сдвинутым по фазе относи­тельно напряжения Uв на 90°.

Принцип действия двухфазного асинхронного двига­теля основан на явлении вращающегося магнитного по­ля, которое возникает при подаче на обмотки статора ОВ и ОУ напряжений постоянной амплитуды, но сдви­нутых по фазе на 90°.

Частота вращения магнитного поля (синхронная ча­стота) постоянна и определяется выражением: n=60×f/р

где f — частота питающего напряжения; р — число пар полюсов обмотки статора.

В результате взаимодействия вращающегося магнит­ного поля с вихревыми токами, наводимыми в стенках ротора этим же вращающимся магнитным полем, в электродвигателе создается вращающий момент, увле­кающий ротор в сторону вращения магнитного поля. Во время холостого хода двигате­ля, когда его вращающий момент преодолевает лишь незначительный тормозящий момент от механических по­терь на трение в подшипниках и ротора о воздух, ротор вращается почти синхронно с вращающимся полем и то­ки в стенках ротора незначительны. Электромагнитный вращаю­щий момент асинхронного двигателя может создаваться только при условии, когда ротор его вращается несколь­ко медленнее вращающегося поля. При этом вращение ротора тем медленнее, чем больше механическая нагруз­ка на валу двигателя.

Управление двухфазными асинхронными двигателя­ми осуществляется двумя способами: изменением напряжения на обмотке управления U_У или изме­нением угла сдвига фаз между напряжениями возбуж­дения U_В и управления U_У. Первый способ регулирования частоты вращения называется амплитудным, вто­рой — фазовым. Применяемые в системах автоматики двухфазные асинхронные двигатели управляются в по­давляющем большинстве случаев первым способом.

В заключение следует отметить, что существенным недостатком двухфазных асинхронных двигателей явля­ется низкий КПД, который лежит в пределах от 15 до 30%. По этой причине мощность таких двигателей не превышает 10 — 20 Вт.

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА С ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ

Исполнительный механизм — одно из последних звеньев в системе автоматического регулирования. Он предназна­чен для перемещения регулирующего органа в соответствии с уп­равляющим сигналом. Мощности управляющего сигнала обычно недостаточно для непосредственного перемещения регулирующего органа, поэтому исполнительный механизм усиливает управляю­щий сигнал по мощности за счет внешнего источника энергии.

Регулирующим органом называют звено исполнитель­ного устройства, которое представляет собой переменное гидрав­лическое сопротивление и воздействует на расход среды благодаря изменению своего проходного сечения. С этой целью применяют регулирующие дросселирующие органы — плунжеры, поворотные заслонки, шиберы, шланговые и диафрагменные дросселирующие органы.

Регулирующий орган непосредственно воздействует на объект управления. Для пропорционального и позиционного регулирова­ния в качестве регулирующих органов широко применяют заслонки, задвижки, клапаны и др. В следящих системах исполнительный механизм воздействует непосредственно на объект. Таким образом,

исполнительный механизм, преобразуя управляющий сигнал, пе­ремещает орган управления.

Исполнительные элементы должны отвечать заданным техниче­ским условиям, а именно: виду применяемой энергии, значениям и характеру требуемого усилия, мощности, моменту, допускаемой инерционности, желаемым габаритам и массе, надежности, рабо­чим характеристикам.

Исполнительные механизмы классифицируют по следующим

перемещение регулирующего органа — прямоходные, поворот­ные;

вид потребляемой энергии — гидравлические, пневматические, электрические, комбинированные (электрогидравлические, элек­тропневматические) ;

конструктивное исполнение — электрические (с приводами: от электродвигателя, от электромагнита, от электромагнитных муфт), гидравлические (с приводами: поршневым, плунжерным, от гид­родвигателя), пневматическое (с приводами: поршневым, плун­жерным, диафрагменным, от пневмодвигателя). Регулирующие ор­ганы оцениваются конструктивной и расходной характеристиками. Регулирующие органы для сыпучих материалов строят на базе шнековых, дисковых, ленточных, лопастных, скребковых и дру­гих питателей.

Исполнительные механизмы с электродвигателями постоянноготока. Конструктивно их выполняют с вращательным движением выходного вала, реже — с поступательным перемещением выход­ного штока. В однооборотных исполнительных механиз­мах с углом поворота выходного вала 120—270° используют такие регулирующие органы, как заслонки, упоры, краны, шиберы. Многооборотные устройства используют для привода запорных вентилей, дросселей, задвижек, шнеков, лопастных, скребковых питателей.

У постоянно вращающихся исполнительных механизмов кру­тящий момент от вала электродвигателя передается к регулирую­щему органу через редукторы, электромагнитные муфты и другие преобразователи.

Мощность электродвигателя исполнительного механизма для перемещения регулирующего органа с требуемой скоростью и уско­рением определится как

где Р_дв — требуемая мощность; М_ст — статический момент; — КПД редуктора; I_н — момент инерции нагрузки, включая момент инерции редуктора; I_дв — момент инерции электродвигателя; i_p — передаточное отношение редуктора; _н — угловая скорость вра­щения нагрузки; _н — угловое ускорение нагрузки.

Принимая =1, определим требуемый момент на валу элек­тродвигателя

Продифференцировав выражение (4) по i и приравняв нулю, определим оптимальное передаточное отношение редуктора, при котором требуется минимальный момент на валу электродвигателя для получения заданного ускорения нагрузки

В уравнениях динамики электродвигателей постоянного тока для малых отклонений переменных за выходную величину прини­маем изменение угловой скорости двигателя .

Воздействия, вызывающие переходный процесс, могут осущест­влять преобразователи путем изменения напряжения на якоре е_{н я} или обмотке возбуждения е_{н в} и изменения постоянной со­ставляющей статического момента М_{С 0} (рис. 30, а). Характери­стики линеаризуем в зоне установившегося режима — точке А (рис. 30, б). Уравнение цепи якоря: е_{н я} = е_я + i_я R_я+ L_яp i_я.

Подставив i_P из формулы (5) в (3), получим

По данному расчетному значению выбирается электродвигатель

где М_{дв. ном} — номинальный момент электродвигателя по пас­портным данным; _{дв. ном} — номинальная скорость; _{н mах} —мак­симальная скорость нагрузки.

Выбранный электродвигатель проверяют по моменту и скорости

М_{дв. ном} М_T и _{дв. ном н mах} i_P0.

Электродвигатели постоянного тока целесообразно применять для объектов с толчкообразной нагрузкой и если требуется широ­кий диапазон плавного регулирования скорости. Достаточно вы­сокое быстродействие и КПД двигателей обусловили их широкое применение с комплектными тиристорными преобразователями в системах регулирования подачи шпалорезных установок, лесо­пильных рам, различных деревообрабатывающих станков.

Регулирование скорости двигателей происходит за счет изме­нения приложенного к якорю напряжения или изменения напря­жения подводимого к обмотке возбуждения. Возможно совместное регулирование, которое называют двухзонным.

Уравнения семейства механических характеристик (М_дв) и скоростных (U_я) двигателя постоянного тока с независимым возбуждением имеют вид

где — угловая скорость; М_дв — вращающий момент на валу электродвигателя; U_я — напряжение, приложенное к якорю; R_я — сопротивление якорной цепи; М_пуск — пусковой момент; М_ст — статический момент нагрузки; С_е — коэффициент ЭДС; К_м — ко­эффициент вращающего момента.

Уравнение цепи возбуждения: е_{н в} = i _в R _в + L _в p i _в (6) Уравнение равновесия моментов: Ip = M— М_С. Решив совместно уравнения (6), получим уравнения динамики двигателя:

где Т_м — IK_м — электромеханическая постоянная времени; К_м= = _с/ Мс_о — коэффициент передачи по статическому моменту; К_Д = _0уст / е_{н я} —коэффициент передачи по управляющему воздействию; К_ст= М‘/ — коэффициент скоростного трения.

Перейдя к изображениям, уравнение (8) можно записать

где W₁ (р), W₂ (р) — передаточные функции двигателя по управ­ляющим воздействиям по цепи якоря и по цепи возбуждения; W_f (p) — передаточная функция двигателя по возмущающему воз­действию по нагрузке.

Структурные схемы для этих воздействий представлены на рис. 30, в.

Исполнительные механизмы с двигателями переменного тока.

Двухфазные двигатели применяются в однооборотных исполнительных механизмах ДР, ПР, ИМ, ИМТ, КДУ и др. Они выпускаются с полым немагнитным и ферромагнитным коротко-замкнутым роторами. Принципиальная схема включения представ­лена на рис. 31, а. ИП — источник питания, оси обмотки управ­ления ОУ и обмотки возбуждения ОВ смещены на 90°, что обеспе­чивается конденсатором С.

Механические характеристики двухфазного двигателя (рис. 31, б) определяются экспериментально. Параметры емкости С указаны в технических данных двигателя. Механические характеристики = f (М) соответствуют определенному значению амплитуды U_y напряжения управления (U_y

Агрегатные унифицированные исполнительные механизмы.При

решении задач автоматизации технологических процессов эконо­мически выгодно использовать универсальные регуляторы обще­промышленного назначения вместо создания специализированных устройств. Универсальные регуляторы и исполнительные механизмы изготовляют по нормам Государственной системы приборов (ГСП) для создания необходимых воздействий на объект.

Унификация входных и выходных сигналов позволяет сопря­жение устройств при создании агрегатных комплексов с широкими функциональными возможностями. Агрегатные исполнительные ме­ханизмы могут выполнять как простые операции (открыть—за­крыть), так и более сложные (многоступенчатое и пропорциональ­ное перемещение).

С приводом от асинхронных электродвигателей отечественная промышленность выпускает механизмы с постоянной скоростью, различаемые по числу оборотов выходного вала — однооборот-ные и многооборотные.

Однооборотными называют механизмы, у которых ра­бочий угол поворота выходного вала не превышает 360°, а чаще не более 180°. Наиболее распространены однооборотные исполни­тельные механизмы ДР, ПР, ИМ, ИМГ, КДУ, МЭК и др. У мно­гооборотных исполнительных механизмов выходной вал за цикл управления делает несколько оборотов. Применяют их обычно для управления задвижками и вентилями, требующими плотной затяжки.

Механизм ДР предназначен для двухпозиционного регулирования и имеет две модификации: с реверсивно поворачиваю­щимся (на угол до 180°) выходным валом и поступательно переме­щающимся штоком (ход 19 мм). Асинхронный электродвигатель через редуктор приводит в движение вал, соединенный с рабочим органом, наличие блокировочных устройств позволяет через каж­дые 180° поворота вала отключать электродвигатель, что дает воз­можность открывать или закрывать рабочий орган регулятора.

Механизм ПР отличается от ДР наличием двух приводных дви­гателей с общим валом, но вращающихся в противоположные сто­роны. На выходном валу механизмов типа ПР установлены конеч­ные выключатели, ограничивающие угол поворота вала, и реостат, который может быть использован для дистанционного контроля или обратной связи. Механизм ПР предназначен для статического регулирования.

Читайте также:  Выхлопная система уаз хантер 409 двигатель схема

Механизм ИМ (рис. 31, е) — устройство, также предназначен­ное для статического регулирования. Механизм типа ИМ-2/120 приводится от двухфазного реверсивного конденсаторного двига­теля через редуктор. Изменение направления вращения достигается переключением конденсатора С из цепи обмотки W1 в цепь обмотки W2. Эти механизмы снабжены реостатом обратной связи R3 и штур­валом ручной настройки RH.

На валу с кривошипом укреплены два кулачка, воздействую­щие в крайних положениях на конечные выключатели SQ1, SQ2

и движок сопротивления R3. Наибольший угол поворота — 120° Сопротивление R3 используется для сигнализации о положении регулирующего органа.

§ 15. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ

Электромагнитные исполнительные механизмы объединяют при­воды с электромагнитами и приводы с электромагнитными муфтами Исполнительные механизмыс приводом от электромагнитных

Рис. 32. Принципиальные схемы электромагнитных приводов:

а — электромагнитные муфты скольжения; б — электромагнит; в — характеристики

муфт.Такие механизмы применяются в основном для передачи вращательного движения. Существует два типа муфт: фрикционные и электромагнитные муфты скольжения.

Фрикционные муфты предназначены для периодического включения и отключения валов механизмов. Конструктивно они

состоят из ведомых и ведущих дисков муфт. Силы трения, возни­кающие между их поверхностями, позволяют передавать крутя­щий момент. Электромагнитные муфты скольжения представляют собой устройства для плавного регулирования ча­стоты вращения рабочего вала, приводимого в движение электро­двигателем переменного тока, в пределах 1 10 (рис. 32, а).

Муфта состоит из двух половин — ведущей (якоря) 1, ведомой (индуктора) 2 с обмоткой 3. Первая приводится от асинхронного электродвигателя, вторая соединена с валом рабочей машины че­рез шкив 6. Обмотка питается постоянным током от усилителя ЭУ, присоединенного через сопротивление R4 к контактным коль­цам 5. С изменением силы тока в обмотке изменяются величина магнитного потока и величина скольжения ведомой части муфты 2 относительно ведущей 1. При этом плавно изменяется частота вращения вала муфты.

Тахогенератор и электронный усилитель образуют контур от­рицательной обратной связи по скорости, что позволяет стабили­зировать заданную скорость. Муфты имеют низкий КПД, поэтому применяют их редко. В эксплуатации можно встретить приводы подач деревообрабатывающих станков с муфтами скольжения типа ПМС-М в стружечных, шлифовальных, рейсмусовых и других станках.

Исполнительные механизмы с электромагнитным (соленоидным) приводом.Их используют в случаях, когда регулирующему органу необходимо сообщать поступательное перемещение. Поэтому эти механизмы применяют при двухпозиционном регулировании.

где dGВ/d — магнитная проводимость воздушного зазора ; I — сила тока в обмотке; W — число витков обмотки. Время срабатывания электромагнита может быть определено по формуле

Тяговое усилие электромагнитов определяется по формуле

где Т = L/R — постоянная времени электромагнита; L — индук­тивность обмотки при опущенном якоре, Гн; R — активное сопро­тивление обмотки, Ом; К_э = I_p /I_cp — коэффициент запаса элек­тромагнита по току; I_p и I_cp —рабочий ток и ток срабатывания электромагнита соответственно.

Электромагниты широко используют для управле­ния гидравлическими золотниками, пневматическими кранами, тормозными устройствами, переключением механизмов в станках, прессах и поточных линиях. Электромагниты имеют несколько конструктивных исполнений (см. рис. 32, б) с катушкой / и посту­пательно перемещающимся якорем 2. Могут изготавливаться с яко­рем, поворачивающимся на некоторый угол.

Тяговое усилие в паспортах электромагнитов указывается для максимального рабочего хода X. Для питания электромагнитов

используют как постоянный, так и переменный ток. Часто приме­няют короткоходовые электромагниты (2—5 мм) МП, длинноходо-вые (50—150 мм) КМП, ВМ, электромагниты переменного тока длинноходовые ЭС (однофазные) и КМТ (трехфазные).

Тяговые характеристики электромагнитов представлены на рис. 32, в. Из характеристик очевидно, что при равных условиях у электромагнитов переменного тока тяговая характеристика хуже. Величина переменного тока зависит от воздушного зазора.