42. Виконавчі електродвигуни в системах автоматики (серводвигуни) : електродвигуни постійного струму і змінного струму. Крокові двигуни.

Электродвигательные исполнительные устройства

Исполнительными, или управляемыми, двигателями называ­ются электрические машины, предназначенные для преобразова­ния электрического сигнала — амплитуды или фазы напряжения управления — в частоту вращения или угол поворота вала.

Большинство исполнительных двигателей имеют две обмотки. К одной из них, обмотке возбуждения, постоянно подается пита­ние из сети; к другой, обмотке управления, электрический сиг нал подается лишь тогда, когда необходимо осуществить вращение или поворот вала.

В настоящее время в качестве электрических исполнительных двигателей применяются: двухфазные асинхронные двигатели, двигатели постоянного тока с независимым возбуждением или по­стоянными магнитами, шаговые двигатели, электромагнитные муфты.

Исполнительные двигатели практически никогда не работают в установившемся режиме. Для их работы характерны частые пус­ки, остановки, реверсы. Энергетические показатели исполнитель-ных двигателей: максимум полезной мощности, высокие значения КПД и соs φ — не являются определяющими при оценке их каче­ства.

Спецификой работы исполнительных двигателей в автоматиче­ских системах определяются следующие основные требования к ним: отсутствие самохода, устойчивая работа двигателя в задан­ном диапазоне изменения частоты вращения, широкий диапазон регулирования частоты вращения, линейность механических и ре­гулировочных характеристик, большой пусковой момент, малая инерционность, малое напряжение грогания, малая мощность управления, надежность в работе, малые масса и габариты.

Явление самохода состоит в том, что исполнительный двига­тель продолжает вращаться при снятом сигнале управления.

Устойчивая работа исполнительного двигателя зависит от его характеристик и характера момента сопротивления.

Электрические двигатели постоянного тока

Общие понятия. Электродвигатели постоянного тока широко применяются в качестве исполнительных электродвигателей авто­матических систем. В условиях непрерывной работы систем в пе­реходных режимах особое значение приобретают динамические свойства исполнительных двигателей. Изучению этих свойств уделяется большое внимание.

Преимущественное применение в качестве исполнительных устройств систем автоматики имеют двигатели с независимым возбуждением. Их основное достоинство — жесткость механиче­ских характеристик и связанная с этим возможность получения устойчивого вращения под нагрузкой при низких скоростях. Оте­чественная промышленность выпускает такие двигатели с мощно­стью от десятков ватт до десятков киловатг. Однако их широкому применению препятствует наличие коллектора. Коллектор снижа­ет надежность, усложняет эксплуатацию систем и ограничивает срок службы двигателей постоянного тока.

В исполнительных двигателях постоянного тока применяют электромагнитное возбуждение или постоянные магниты. В отли­чие от обычных двигателей посто­янного тока, для уменьшения вли­яния вихревых токов в переход­ных процессах, в исплнительных двигателях шихтованными выпол­няют не только якорь, но и стани­ну, и полюсы.

Исполнительные двигатели с независимым возбуждением име­ют две обмотки: обмотку возбуж­дения, подключаемую к сети с постоянным напряжением U_в — const, и обмотку управления, на которую подается напряже­ние управления U_у = vаг. Для исполнительных двигателей при­меняют якорное или полюсное управление. При якорном управ­лении напряжение управления подается к обмотке якоря Я, которая представляет собой обмотку управления, а напряжение воз­буждения — к обмотке полюсов, которая является обмоткой воз­буждения (рис. 2.2, а). При полюсном управлении напряжение управления подается на обмотку полюсов, которая представляет собой обмотку управления а напряжение возбуждения через до­бавочный резистор R_доб — на обмотку якоря, которая является обмоткой возбуждения (рис. 2.2, б).

Исполнительные двигатели с постоянными магнитами имеют только якорное управление.

Исполнительным двигателям постоянного тока присущи сле­дующие достоинства: широкий диапазон регулирования частоты вращения (рис. 2.3), линейность механических и регулировочных характеристик, отсутствие самохода, значительный пусковой мо­мент, малые масса и габариты.

Рис. 2.3. Механические характеристики исполните­льных двигателей постоянного тока: а — при якор­ном управлении; б — при полюсном управлении

На рис. 2.3, а показаны характеристики исполнительного двигателя постоянного тока с якорным управлением, где ν =ω / ω₀ — относительная угловая скорость; т= М / М _{п ном} — относительный момент; α — коэффициент сигнала, равный α - Uу /U _в. На рис. 2.3, б представлены характеристики испол­нительного двигателя постоянного тока с полюсным управле­нием (обозначения те же).

Двухфазные асинхронные двигатели

Общие понятия. В качестве исполнительных двигателей пере­менного тока основное применение находят двухфазные асинх­ронные двигатели с короткозамкнутым ротором (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Двухфазный асинхронный исполнительный двигатель: а — кон­струкция, б, в — схемы соединения обмоток

Исполнительный двигатель имеет две статорные обмотки, рас­положенные в пространстве под углом 90° одна относительно другой. Одна обмотка постоянно питается от сети с напряжением Uв и называется обмоткой возбуждения. К другой обмотке — об­мотке управления — подается управляющее напряжение Uу.

В зависимости от конструкции короткозамкнутого ротора ис­полнительные двигатели бывают: с полым немагнитным ротором, с обычным короткозамкнутым ротором, с полым ферромагнит­ным ротором и с массивным ферромагнитным ротором.

На судах в основном применяют двухфазные асинхронные двигатели с полым ротором. Выпускаются двигатели мощностью от десятых долей ватта до нескольких сотен ватт. Двигатели испо­льзуют при помышленной частоте (50 Гц) и повышенных частотах (200, 400, 500 и 1000 Гц). Конструктивное устройство двигателя представлено на рис. 2.4, а. Двигатель имеет два статора (внешний 1 и внутренний 2); ротор 7, выполненный в виде полого немагнит­ного цилиндра; корпус 6; подшипниковые щиты 4.

Внешний статор набирается из листов электротехнической ста­ли и не отличается от статора обычной асинхронной машины. В его пазах располагаются обмотки управления и возбуждения 3. Статорные обмотки либо изолированы одна от другой (рис. 2.4, б), либо соединены по мостовой схеме (рис. 2.4,). Внутренний ста­тор 2 также набирается из электротехнической стали и служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути магнитного пото­ка, проходящего через воздушный зазор. Полый ротор 7 выполня­ется из сплавов алюминия. Дном ротор жестко крепится к валу 5. Толщина стенок ротора, в зависимости от мощности двигателя, колеблется в пределах от 0,2 до 1,0 мм.

Вследствие малой массы ротор обладает незначительным мо­ментом инерции — это ценное свойство двигателя рассматривае­мого типа. Величина зазоров между ротором и статором не пре­восходит 0,15...0,25 мм. С учетом толщины немагнитного ротора общая величина воздушного зазора между статорами составляет 0,5... 1,5 мм.

Большая величина воздушного зазора приводит к росту намаг­ничивающего тока, низкому коэффициенту мощности и малому КПД. Из-за большого намагничивающего тока приходится увели­чивать размеры машины. По габаритам и массе двиг атель с полым немагнитным ротором больше исполнительных двигателей посто­янного тока той же мощности в 2...4 раза.

Принцип действия исполнительного двигателя состоит в сле­дующем: под действием вращающегося магнитного поля (эллип­тического или кругового), возникшего в результате протекания токов в статорных обмотках, в роторе создаются вихревые токи. Взаимодействие этих токов с вращающимся магнитным полем приводит к возникновению вращающего момента, который увле­кает ротор в сторону вращения магнитного поля. Направление вращения результирующей МДС при эллиптическом и круговом вращающихся магнитных полях зависит от сдвига по времени между МДС, создаваемыми обмотками управления и возбужде­ния. Изменение фазы МДС обмотки возбуждения на 180° приво­дит к изменению направления вращения результирующей МДС и, следовательно, к реверсу двигателя.

Регулирование частоты вращения исполнительного двигателя осуществляют путем изменения напряжения управления Uу по модулю или фазе. Па практике находят применение три способа управления (рис. 2.5):

-амплитудное, при котором изменяется амплитуда напряже­ния управления при его неизменной фазе (рис. 2.5, а);

-фазовое, при котором изменяется фаза напряжения управле­ния при его неизменной амплитуде (рис. 2.5, б);

-амплитудно-фазовое, при котором одновременно изменяют­ся амплитуда напряжения управления и сдвиг' по фазе между на­пряжениями управления и возбуждения (рис. 2.5, в).

При всех способах управления изменение угловой скорости ис­полнительного двиг ателя происходит за счет деформации враща­ющегося магнитного поля. Максимальной угловая скорость ис­полнительного двигателя окажется при круговом вращающемся

Рис. 2.5. Схемы управления двухфазными асинхронными исполнитель­ными двигателями: а — амплитудное; б — фазовое; в — амплитуд­но-фазовое

магнитном поле, когда отсутствует обратное (тормозное) магнит­ное поле. Уменьшение угловой скорости достигается за смет уве­личения эллиптичности магнитного поля, в результате чего возра­стает обратное (тормозное) круговое поле. После преобразования эллиптического поля в пульсирующее исполнительный двигатель должен остановиться. Основное применение на судах находит амплитудно-фазовый способ управления (рис. 2.5, в).