Меню

Исполнительные двигатели постоянного тока устройство

Решение задач по ТОЭ, ОТЦ, Высшей математике, Физике, Программированию.

2. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Несмотря на ряд существенных недостатков, связанных с наличием скользящего контакта между щеткой и коллектором, исполнительные двигатели постоянного тока широко используются в системах автоматического управления, регулирования и контроля, поскольку обладают и рядом положительных качеств, в частности такими как: плавное, широкое и экономичное регулирование частоты вращения; практическое отсутствие ограничений на максимальную и минимальную частоту вращения; большие пусковые моменты; хорошая линейность механических а при якорном управлении и регулировочных характеристик.

Как и любые исполнительные двигатели, эти имеют две обмотки: обмотку возбуждения и обмотку управления. При этом напряжение управления может подаваться либо на обмотку якоря, либо на обмотку возбуждения. Поэтому различают якорное и полюсное управление.

§ 2.1 Якорное управление исполнительным двигателем

Рис. 2.1. Схема включения исполнительного двигателя при якорном управлении

Схема включения двигателя с якорным управлением показана на рис. 2.1. Напряжение возбуждения подается на обмотку полюсов, напряжение управления — на обмотку якоря. Коэффициент сигнала a здесь равен a = Uу/Uв. Для двигателей с постоянными магнитами a = Uу/Uу.ном. Регулирование частоты вращения осуществляется изменением напряжения управления.

При отсутствии насыщения Фв= kфUв, а поскольку Uв = const, магнитный поток возбуждения также остается постоянным, т.е. Фв = const.

Вращающий момент двигателя

Выразим момент в относительных единицах, приняв за базовый момент пусковой момент, развиваемый двигателем при n = 0 и a = 1

Тогда относительное значение момента m = M/Mб

(2.1)

Частота вращения при холостом ходе (m = 0 и a = 1)

(2.2)

Откуда находим cеkф= 1/nо. Подставляя это значение в (2.1), получим

(2.3)

где n = n/nо— относительная частота вращения двигателя.

(2.4)

Уравнение (2.3) есть уравнение механической характеристики исполнительного двигателя при якорном управлении. Решив его относительно n, получим уравнение регулировочной характеристики

Механическая мощность в относительных единицах рмх = mn = n(a — n). Угловую скорость, при которой наступает максимум мощности, найдем известным приемом (dpмх/dn = 0), откуда nм= a/2, а максимальное значение механической мощности будет

Мощность управления

Приняв за базовую единицу мощность управления при коротком замыкании Ру.к (n = О, a = 1)

получим мощность управления в относительных единицах

На рис. 2.2,а представлены механические, на рис. 2.2,б — регулировочные характеристики, а на рис. 2.3 показана зависимость рмх = f(n) исполнительного двигателя. Проанализируем свойства двигателя при якорном способе управления.

Механические характеристикилинейные и параллельные, что означает независимость быстродействия от коэффициента сигнала. Пусковой момент и угловая скорость холостого хода пропорциональны коэффициенту сигнала.

Рис.2.2. Механические (а) и регулировочные (б) характеристики исполнительного двигателя постоянного тока при якорном управлении

Рис. 2.3. Зависимость механической мощности от скорости вращения при якорном управлении

Регулировочные характеристикилинейные. Напряжение трогания пропорционально моменту нагрузки. Линейность механических и регулировочных характеристик является важным достоинством якорного управления.

Мощность управления резко возрастает с увеличением коэффициента сигнала. Кроме того, она доходит до 95 % полной потребляемой мощности двигателя, поскольку является мощностью якорной цепи, что характерно для двигателей постоянного тока.

В данном случае это является существенным недостатком якорного управления, ибо предполагает наличие мощных и дорогих усилителей.

Мощность возбуждения остается величиной постоянной, независящей ни от коэффициента сигнала, ни от частоты вращения. К тому же — она небольшая по величине, что также характерно для машин постоянного тока.

Максимум механической мощности в сильной степени зависит от коэффициента сигнала и даже при a = 1 не превышает 1/4 базовой мощности.

§ 2.3. Полюсное управление исполнительным двигателем

Рис. 2.4. Схема включения исполнительного двигателя при полюсном управлении

Схема управления приведена на рис.2.4 Напряжение управления подается на обмотку главных полюсов, напряжение возбуждения — на обмотку якоря, по которой в течение всего времени работы двигателя протекает ток возбуждения. В двигателях, мощностью более 10 Вт, для его ограничения включают дополнительное сопротивление Rд.

Если пренебречь насыщением магнитной цепь, можно считать Ф = kфUу = kфaUв. Тогда ток якоря

Принимая за базовый момент пусковой (n = 0, a =1))

получим относительное значение момента

С учетом (2.2) уравнение механической характеристики примет вид

Решив его относительно n, получим уравнение регулировочной характеристики

Механическая мощность в относительных единицах рмх= mn = an — a 2 n 2 . Скорость, при которой наступает максимум мощности nм = 0,5/a. Тогда максимальная механическая мощность будет


Мощность возбуждения рв = UвIв. Подставляя значение тока, получим

На рис. 2.5,а представлены механические, на рис. 2.5,б — регулировочные характеристики, а на рис. 2.6 показана зависимость рмх = f(n) исполнительного двигателя при полюсном управлении.

Рис.2.5. Механические (а) и регулировочные (б) характеристики исполнительного двигателя постоянного тока при полюсном управлении

Проанализируем эти графики.

Механические характеристики линейные, но непараллельные, к тому же и неоднозначные (одну и ту же частоту вращения можно получить при разных значениях a). Пусковой момент прямо-, а частота вращения холостого хода обратно пропорциональны коэффициенту сигнала и при малых a может существенно превышать номинальную, что безусловно опасно для двигателя.

Регулировочные характеристикинелинейные, а при m 0,5.

Читайте также:  Автомобильный преобразователь тока 220в

Мощность управления пропорциональна квадрату коэффициента сигнала и не зависит от частоты вращения. Она значительно меньше, чем при якорном управлении, что является достоинством данного способа.

Мощность возбужденияс увеличением частоты вращения уменьшается и тем быстрее, чем больше a.

Максимум механической мощности не зависит от коэффициента сигнала, что также можно отнести к достоинствам полюсного управления.

Несмотря на отмеченные достоинства полюсного управления, предпочтение все-таки следует отдать якорному потому, что оно обеспечивает линейные и однозначные характеристики, в принципе исключает самоход (при полюсном он возможен из-за взаимодействия тока якоря с потоком остаточной намагниченности полюсов), обладает более высоким быстродействием, поскольку индуктивность якоря меньше индуктивности обмотки возбуждения.

Источник

Исполнительные двигатели и тахогенераторы постоянного тока

Исполнительные двигатели постоянного тока

Исполнительные двигатели постоянного токаИсполнительные двигатели постоянного тока — маломощные машины, используемые в автоматике и телемеханике, в системах автоматического управления, регулирования и- контроля автоматизированных установок, где они преобразуют электрический сигнал измерительного органа — напряжение управления — в угловое перемещение вала для воздействия на управляющий, регулирующий или контролирующий аппарат. В тех случаях, когда поступающий сигнал недостаточен для приведения в действие исполнительного двигателя, применяют магнитный или полупроводниковый усилитель мощности.

Исполнительные двигатели обычно работают в условиях частых пусков, остановок и реверсов. Они отличаются значительным начальным пусковым моментом и быстродействием. Зависимости вращающего момента и скорости якоря от напряжения управления у них в большинстве случаев близки к линейным.

Исполнительные двигатели постоянного токаВ зависимости от системы питания цепей двигателя различают исполнительные двигатели с якорным управлением и с полюсным управлением. При якорном управлении обмоткой управления является обмотка якоря, в связи с чем напряжение управления подводят к ее зажимам, а неизменный ток возбуждения обеспечивает независимый источник электрической энергии постоянного напряжения. В случае полюсного управления обмоткой управления служит обмотка возбуждения главных полюсов и напряжение управления подводят к ее зажимам, а напряжение на зажимах якоря, задаваемое независимым источником электрической энергии постоянного напряжения, сохраняется неизменным .

Обычно используют якорное управление. Изменение полярности напряжения управления вызывает противоположное направление вращения якоря.

Исполнительные двигатели постоянного тока изготовляют номинальной мощности от долей ватта до 600 Вт нормальной и специальной конструкций.

Исполнительные двигатели постоянного токаДвигатели нормальной конструкции аналогичны машинам постоянного тока общего применения, но отличаются от них тем, что станина с главными полюсами так же, как и якорь, собрана из тонких изолированных друг от друга листов электротехнической стали, что способствует улучшению свойств этих машин в переходных режимах. Кроме того, добавочные полюсы в этих машинах отсутствуют, так как реакция якоря невелика и процессы коммутации вполне удовлетворительны. Поскольку скорость якоря небольшая, вентилятор на валу таких двигателей не предусмотрен.

К двигателям специальной конструкции относятся магнитоэлектрические машины с возбуждением основного магнитного поля с помощью постоянных магнитов, а также малоинерционные машины, отличающиеся конструкцией якоря. К последним относятся: двигатели с полым немагнитным якорем — полым тонкостенным цилиндром из пластмассы с запрессованной обмоткой из медного провода с внутренним неподвижным ферромагнитным магнитопроводом, укрепленным на подшипниковом щите, и менее долговечные двигатели с дисковым якорем — тонким немагнитным диском из керамики, текстолита, стекла, а иногда из алюминия с печатной обмоткой, представляющей совокупность радиально расположенных по обе стороны диска проводников из медной фольги, по которой скользят серебряно-графитные щетки. Названные конструкции отличаются малым моментом инерции якоря, что обеспечивает высокое быстродействие исполнительного двигателя.

Исполнительные двигатели постоянного тока

Масса исполнительных двигателей постоянного тока в 2 — 4 раза меньше, чем масса одинаковых по номинальной мощности исполнительных асинхронных двигателей, а к. п. д. их при номинальной мощности 5. 10 Вт составляет около 0,3 и достигает значения 0,65 и несколько выше для двигателей номинальной мощностью 200 — 300 Вт.

Исполнительные двигатели постоянного тока

Тахогенераторы постоянного тока

Тахогенераторы постоянного токаТахогенераторы постоянного тока — машины небольшой мощности, предназначенные для преобразования механической величины в электрический сигнал — выходное напряжение. В частности, их используют для контроля и измерения скорости вала исполнительного устройства, с которым соединен вал тахогенератора, зажимы якоря которого соединены с измерительным прибором. Помимо этого, тахогенераторы применяют в электромеханических счетно-решающих устройствах для выполнения вычислительных операций, а также в устройствах автоматической отработки генерируемых ускоряющих и успокаивающих сигналов.

Тахогенераторы бывают магнитоэлектрические с возбуждением основного магнитного поля с помощью постоянных магнитов и электродинамические с электромагнитным возбуждением, обусловленным М. д. с. обмотки возбуждения, питаемой от независимого источника электрической энергии постоянного напряжения.

Выходное напряжение тахогенератора в режиме холостого хода изменяется линейно в зависимости от скорости якоря, а при нагрузке эта линейность несколько нарушается, причем тем больше, чем меньшим сопротивлением обладает измерительный прибор, присоединенный к зажимам якоря. Все же для каждого тахогенератора существует относительно небольшой диапазон измеряемых скоростей, в пределах которого при определенном достаточно большом сопротивлении измерительного прибора и неизменных условиях цепи возбуждения выходную характеристику можно считать практически линейной.

Схема включения тахогенератора постоянного тока независимого возбуждения

Схема включения тахогенератора постоянного тока независимого возбуждения

Тахогенераторы постоянного токаСущественный недостаток тахогенераторов постоянного тока — пульсация выходного напряжения из-за незначительного периодического изменения магнитного потока вследствие неравномерности воздушного зазора и неравенства проводимостей якоря в различных радиальных направлениях, в том числе обусловленных зубчатой конструкцией его магнитопровода, а также из-за вибрации щеток, неровностей и эллиптичности коллектора и коммутационных процессов — в значительной мере устранен в тахогенераторе с полым якорем, который устроен так же, как и малоинерционный исполнительный двигатель постоянного тока с аналогичным якорем.

Читайте также:  The ac power adapter cannot be determined адаптер переменного тока не определен

Неточность установки щеток по геометрической нейтрали коллектора тахогенсратора приводит к асимметрии выходного напряжения, т. е. к генерированию двух различных напряжений в обмотке якоря при противоположных направлениях его вращения с одинаковой скоростью. При правильном расположении щеток асимметрия напряжений находится в пределах от 0,3 до 1% номинального напряжения тахогенератора.

Источник



Исполнительные двигатели постоянного тока

1. Общие сведения

В системах автоматики и телемеханики, в различных приборах исполнительные двигатели постоянного тока находят не менее широкое применение, чем исполнительные двигатели переменного тока.

К положительным качествам исполнительных двигателей постоянного тока относятся следующие:

возможность получения теоретически любых, сколь угодно малых и больших частот вращения;

возможность простого, плавного, экономичного и в широком диапазоне регулирования частоты вращения;

устойчивость работы практически при любых частотах вращения;

линейность механических, а в ряде случаев и регулировочных характеристик;

значительный пусковой момент;

сравнительно небольшая электромеханическая постоянная времени;

малые габаритные размеры и масса (значительно меньшие, чем у исполнительных двигателей переменного тока).

Основным недостатком наиболее широко распространенных коллекторных (контактных) исполнительных двигателей постоянного тока, ограничивающим области их применения, является наличие скользящих контактов — коллектора и щеток.

Непостоянство переходного сопротивления скользящих контактов приводит к нестабильности характеристик двигателя. Искрение под щетками приводит к подгоранию контактов коллектора и щеток, т. е. обусловливает необходимость систематического ухода за ними и недопустимость установки двигателей обычного использования во взрывоопасных помещениях. Коллектор и щетки являются источниками радиопомех, для подавления которых требуются специальные фильтры.

Коллекторные исполнительные двигатели имеют механический коллектор и щетки. Причем различают двигатели с ферромагнитными шихтованными (массовыми) якорями, имеющими пазы (рис. 17.1), или с гладкими (беспазовыми) якорями и малоинерционные двигатели, якоря которых не имеют магнитных магнитопроводов.

По способу возбуждения коллекторные исполнительные двигатели постоянного тока могут быть с электромагнитным возбуждением (см. рис.13) и возбуждением от постоянных магнитов.

Рис.13. Исполнительный коллекторный двигатель постоянного тока:

1 — передний подшипниковый щит; 2 — щетки; 3 — обмотка полюса; 4 — корпус; 5 — статор в разрезе;

6 — задний подшипниковый щит; 7 — вал; 8 — сердечник якоря; 9 — полюс; 10 — обмотка якоря;

11 — коллектор; 12 — шариковый подшипник

У двигателей с электромагнитным возбуждением в качестве обмотки управления используется либо обмотка якоря — двигатели с якорным управлением (рис.14, а), либо обмотка полюсов — двигатели с полюсным управлением (рис.14, б). 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.

Рис.14. Схемы включения исполнительных двигателей постоянного тока:

а — якорное управление; б — полюсное управление

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.

По габаритным размерам и массе двигатели постоянного тока в два-три раза меньше асинхронных исполнительных двигателей той же мощности, но в то же время они больше обычных силовых двигателей постоянного тока. Последнее объясняется тем, что, во-первых, магнитная цепь исполнительных двигателей, как правило, менее насыщена, что вызвано желанием получить линейные характеристики и устранить влияние на них поля реакции якоря, во-вторых, меньшими плотностями токов в обмотках, что диктуется желанием уменьшить их перегрев. Последнее очень важно, так как исполнительные двигатели постоянного и переменного токов никогда не снабжаются встроенными вентиляторами, которые, во-первых, малоэффективны (так как исполнительные двигатели практически никогда не работают при постоянных значительных частотах вращения, а работают в режимах пусков, остановок, реверсов); во-вторых, вследствие значительной инерционности вентиляторы увеличивают постоянную времени двигателя, снижая его быстродействие.

Источник

Исполнительные двигатели и тахогенераторы

Дата публикации: 26 сентября 2014 .
Категория: Статьи.

Общие положения

Исполнительными двигателями называются двигатели, которые применяются в системах автоматического управления и регулирования различных автоматизированных установок и предназначены для преобразования электрического сигнала (напряжения управления), получаемого от какого-либо измерительного органа, в механическое перемещение (вращение) вала с целью воздействия на соответствующий регулирующий или управляющий аппарат. Если напряжение и мощность сигнала малы для управления исполнительным двигателем, то применяются промежуточные усилители мощности (магнитные, электронные, полупроводниковые).

Читайте также:  Система измерения тока батареи

Номинальная мощность исполнительных двигателей обычно составляет от долей ватта до нескольких киловатт. К этим двигателям предъявляются большие требования по точности работы и быстродействию. Обычно требуется, чтобы зависимости момента M и скорости n от напряжения сигнала (управления) Uу были по возможности линейными.

Существует ряд разновидностей исполнительных двигателей постоянного и переменного тока. Ниже кратко рассматриваются исполнительные двигатели постоянного тока.

Исполнительные двигатели нормальной конструкции

По своему устройству они аналогичны нормальным машинам постоянного тока. При якорном управлении ток возбуждения iв = const, а на якорь подается напряжение управления Uу. Характеристики M = f (Uу) и n = f (Uу) при этом получаются практически линейными. При полюсном управлении на якорь подается напряжение Ua = const, а напряжение управления, Uу подается на обмотку возбуждения. При этом требуется меньшая мощность управления, однако характеристика n = f (Uу) не будет линейной. Поэтому чаще применяется якорное управление.

Магнитоэлектрические машины

В связи с разработкой сплавов ални (Al – Ni), алнико (Al – Ni – Co), а также ряда других сплавов, обладающих высокими магнитными свойствами, стало возможным изготовление машин без обмотки возбуждения, с постоянными магнитами на индукторе. В частности, с постоянными магнитами изготовляются исполнительные двигатели с якорным управлением мощностью до 50 – 100 Вт.

С постоянными магнитами можно строить также генераторы и двигатели общего назначения мощностью до 5 – 10 кВт и выше. Такие машины получили широкое распространение.

Исполнительные двигатели с полым немагнитным якорем

Вследствие малой инерции такие двигатели обладают большим быстродействием. Полый якорь в виде стаканчика изготовляется из пластмассы, и на нем размещается и укрепляется якорная обмотка обычного типа, соединенная с коллектором. Внутренний неподвижный ферромагнитный сердечник (статор) при якорном управлении может быть массивным (рисунок 1).

Рисунок 1. Исполнительный двигатель постоянного тока с полым немагнитным якорем
1 – переднй щит; 2 – щеткодержатель; 3 – крышка смотрового люка; 4 – коллектор; 5 – станина; 6 – обмотка возбуждения; 7 – полюс; 8 – полый якорь; 9 – внутренний статор; 10 – задний щит

Из-за наличия большого немагнитного зазора между внешним и внутренним статорами требуется сильная обмотка возбуждения, габариты машины увеличиваются, а коэффициент полезного действия уменьшается. Подобные двигатели выпускаются мощностью до 10 – 15 Вт.

Двигатели с печатной обработкой якоря

Двигатели с печатной обработкой якоря (рисунок 2), также обладают малой инерцией. Якорь этого двигателя имеет вид тонкого диска из немагнитного материала (текстолит, стеклотекстолит и так далее), на обеих сторонах которого расположены медные проводники обмотки якоря. Проводники выполняются путем гальванического травления листов медной фольги, наклеенных на диск якоря, либо гальваническим осаждением или переносом меди. Обмотка, изготовляемая таким способом, получила название печатной. Схема обмотки якоря обычная, двухслойная, причем проводники отдельных слоев расположены на разных сторонах диска и соединяются электрически между собой через отверстия в диске. Серебряно-графитные щетки скользят по неизолированной поверхности элементов обмотки якоря, как по коллектору.

Двигатель постоянного тока с печатной обмоткой якоря

Рисунок 2. Двигатель постоянного тока с печатной обмоткой якоря: а – разрез двигателя; б – обмотка якоря
1 – диск якоря с обмоткой; 2 – вал; 3 – втулка; 4 – щетки и щеткодержатель; 5 – постоянные магниты (полюсы); 6 – полюсные наконечники; 7 и 8 — диски из магнитной стали

Возбуждение осуществляется с помощью постоянных магнитов или обмотки возбуждения. Напряжение таких машин составляет 6 – 50 В. Ввиду хороших условий охлаждения допустимы большие плотности тока в обмотке якоря (до 30 – 40 А/мм² при продолжительном режиме работы). В случае необходимости быстрого торможения после снятия напряжения сигнала диск якоря изготовляется из алюминия.

Тахогенераторы

Тахогенераторы представляют собой маломощные электрические генераторы (обычно до Pн = 10 – 50 Вт), которые служат в системах автоматики для преобразования скорости вращения в электрический сигнал (напряжение Uс). От тахогенераторов требуется линейная зависимость Uс = f (n) с точностью до 0,2 – 0,5 %, а иногда с точностью до 0,01 %. В маломощных тахогенераторах при n = 1000 об/мин напряжение Uс = 3 – 5 В, а в более мощных тахогенераторах обычного применения при такой же скорости вращения Uс = 50 – 100 В.

Большинство тахогенераторов имеет обычную конструкцию машин постоянного тока с независимым возбуждением при iв = const или с постоянными магнитами. При необходимости уменьшения механической инерции и устранения зубцовых пульсаций напряжения применяют конструкцию с полым якорем (смотрите рисунок 1). Разработаны также униполярные тахогенераторы (смотрите рисунок 7, в статье «Специальные типы генераторов и преобразователей постоянного тока») с электромагнитным возбуждением или с постоянными магнитами. При этом отсутствуют коллекторные пульсации напряжения, однако Uс мало.

Исполнительные двигатели и тахогенераторы нормальной конструкции и с постоянными магнитами выпускались в СССР серийно.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Источник