Исполнительные электродвигатели переменного тока

В авто­матике наибольшее применение имеют асинхронные двухфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором и полым ротором. На статоре двига­теля расположены две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90°.

Для уменьшения инерционности, повышения быстродействия и точности работы асинхронные исполнительные двигатели изго­товляют с полым немагнитным ротором (рис. 12.15). В отличие от двигателя с короткозамнутой обмоткой, ротор этого типа обмотки не имеет, а изготовлен из алюминия или его сплава в виде тонко­стенного стакана 1, который посредством втулки 6 укреплен на валу 5.

Неподвижный магнитопровод собирают из листов электро­технической стали, но в данной конструкции он состоит из двух частей: внутренней 4 и внешней 2 (с обмоткой 3). В воздушный зазор между ними входят стенки полого ротора.

Исполнительные электродвигатели такого типа изготовляют мощностью от десятых долей ватта до нескольких сотен ватт в расчете на промышленную частоту 50 Гц и повышенные частоты от 400 до 1000 Гц. Основной недостаток их обусловлен значительной величиной немагнитного зазора между внутренней и внешней частями статора (0,4-1,5мм, включая толщину стенки ротора 0,1-0,25 мм). В связи с этим двигатель с полым немагнитным ротором имеет большой намагничивающий ток (0,8-0,9 от номи­нального тока), низкий коэффициент мощности и относительно небольшой к.п.д.

 

Шаговые электродвигатели

Характер работы многих автома­тических устройств требует применения привода дискретного (прерывистого) действия. В этих случаях используют шаговые электродвигатели, ротор которых поворачивается на фиксиро­ванный угол (делает один шаг) под действием управляющего импульса. В ответ на серию импульсов ротор делает серию шагов, число которых равно числу управляющих импульсов. Такой ха­рактер действия шаговых двигателей позволяет применятьих в устройствах с числовым программным управлением (например, промышленные роботы, металлообрабатывающие станки), а так­же в механизмах типа счетчика импульсов, лентопротяжек и т. п.

На рис. 12.16 показана схема шагового двигателя с тремя явно выраженными полюсами на статоре, обмотки которого сое­динены звездой и получают питание по линии из трех проводов, один из которых имеет полярность, противоположную полярности двух других.

 

 

Общие сведения об электромеханических промежуточных элементах автоматики

 

В структурной схеме системы автоматики промежуточные элементы занимают положение между чувствительными и испол­нительными элементами.

К промежуточным элементам относятся: стабилизаторы на­пряжения и тока, реле, распределители, усилители, управляющие (программные) устройства, генераторы импульсов, каналы связи и многие другие.

 

Реле

При опре­деленных значениях входной величины х выходная величина у изменяется скачком (график на рис. 12.17, а). Изменение вы­ходной величины от у₁ до у₂ при х = х₂ называют срабатыванием, а изменение от у₂ до у₁ при х = х₁ — отпусканием реле. От рода входной величины различают реле электрические, тепловые, фо­тореле и др. Наиболее многочисленна группа электромеханиче­ских реле, в которых изменение электрической величины (тока, напряжения, мощности) вызывает механическое перемещение подвижного элемента, в результате чего переключаются электри­ческие контакты. В группу электромеханических входят электро­магнитные, магнитоэлектрические, электродинами-ческие, индук­ционные и другие реле, а из них чаще можно встретить реле элек­тромагнитные. На рис. 12.17, б показана конструктивная схема электромагнитного реле клапанного типа, где отмечены части стального магнитопровода (1 — сердечник, 2 — катушка элек­тромагнита; 3 — ярмо; 4 — изоляционное основание; 5 — кон­такты; 6 — подвижный якорь).

Рис. 12.17

 

При отсутствии тока в катушке якорь под действием пружины (в данном реле ее роль выполняют пружинящие контактные пластины) или собственного веса находится в наибольшем удале­нии от сердечника. В результате включения тока в катушку якорь притягивается к сердечнику и происходит переключение контак­тов: одни из них (нормально разомкнутые) замыкаются, а другие (нормально замкнутые) размыкаются. Такое реле называют ней­тральным, так как его работа не зависит от направления тока в катушке.

В некоторых случаях переключение в управляемой электриче­ской цепи является конечной задачей автоматического устройст­ва, и реле в таких случаях может играть роль исполнительного элемента. Примером тому является работа электромагнитного контактора, который по принципу действия не отличается от электромагнитного реле (на рис. 10.17, в детали контактора обоз­начены так же, как у реле).

 

Электротермические реле

Из группы электротермических (тепловых) реле чаще других применяют биметаллические реле, принцип действия которых поясняет рис. 12.18.

Биметаллическая пластинка 1 — это две прочно скрепленные сваркой или пайкой полосы из металлов с резко различными коэффициентами теплового расширения, например латуни и ин­вара (сплав железа с никелем). Такая пластинка при нагревании изгибается и контакты 2, 3 замыкаются, при охлаждении она снова выпрямляется, а контакты размыкаются. Биметаллическая пластинка нагревается тем больше и быстрее, чем больше электрический ток в нагревателе (обмотка 5).

Для устранения влияния температуры окружающей среды иногда контакт 3 также крепится на биметаллической плас­тинке 4.

Реле этого типа имеет значительную тепловую инерцию, вследствие чего контакты движутся медленно и работа их этим осложняется. Для облегчения работы контактов применяют при­способления, которые при достижении определенной температу­ры заставляют контакты скачком менять положение или помеща­ют биметаллические пластины с контактами в вакуум, что значи­тельно усложняет реле.

Тепловая инерция полезна при примене­нии биметаллических реле для защиты электродвигателей от перегрузок, дает сигнал на отключе­ние двигателя.

 

Шаговые распределители

В автоматике, вычислительной технике, телефонии применяют распределители, с помощью кото­рых осуществляется поочередное переключение в измерительных или исполнительных цепях.

Как можно решить подобную задачу, дает представление схема на рис. 12.19, а. Подвижная щетка 6 поочередно соеди­няет входной зажим с одним из выходных зажимов (0, 1, 2, …) и, таким образом, распределяет, например, управляющие сигналы. Возможно и обратное поступление сигналов от кон­тролируемых объектов, которые поочередно подключаются к одному приемнику.

 

Рис. 12.19

 

Конструктивная схема электромеханического шагового рас­пределителя показана на рис. 12.19, б, где видны контактная система (набор неподвижных контактных ламелей 0, 1, 2,.... 24, 25, подвижные щетки 6) и электромагнитный привод (электро­магнит и храповой механизм). Контактные ламели расположе­ны по дуге окружности (180 или 120°) в несколько рядов (от четырех до восьми), и на каждый ряд имеется своя щетка, кото­рая состоит из двух пружинящих пластин, соприкасающихся с ламелью с двух сторон для надежности контакта. Щетки по контактному полю перемещаются шагами, причем каждый шаг совершается непосредственно под действием пружины 8 посред­ством движущей собачки 5, которая доходит до упора 4 и пово­рачивает на один шаг храповое колесо 3, укрепленное на одной оси со щетками.

При подаче в обмотку 10 электромагнита очередного управ­ляющего импульса якорь 9 притягивается к сердечнику, натяги­вает пружину и передвигает движущую собачку обратно на один зуб, при этом стопорная собачка 7 удерживает храповое колесо и щетки в фиксированном положении. По окончании управляю­щего импульса подвижная система распределителя делает очередной шаг. С последним шагом щетка сходит с последней ламе­ли, но одновременно противоположный конец щетки замыкается с первой рабочей ламелью. Этим исключается холостой пробег подвижной части распределителя.

 

Сельсины

В различных технических устройствах применя­ют дистанционные передачи угловых перемещений, причем оси, не связанные между собой механически, поворачиваются синхронно.

Такие передачи осуществляют в большинстве случаев с по­мощью однофазных сельсинов — малых индукционных элек­трических машин. В передаче используются два одинаковых сельсина (датчик и приемник), которые соединены между собой линией связи.

Схема синхронной связи на однофазных сельсинах представ­лена на рис. 12.20. Сельсин в данном случае имеет однофазную обмотку на статоре (обмотка возбуждения 0В) и трехфазную обмотку на роторе (синхронизирующая обмотка ОС). Обмотки возбуждения обоих сельсинов включены в общую сеть переменно­го тока, обмотки синхронизации соединены между собой трехпро­водной линией связи.

Если фазы обмоток ротора обоих сельсинов расположены одинаково относительно своих обмоток возбуждения, то в со­ответствующих фазах сельсина-датчика и сельсина-приемника, соединенных проводом линии, индуктируются одинаковые по величине встречно направлен­ные э.д.с. В этом случае тока в обмотках синхронизации нет и положение роторов датчика и приемника называют согла­сованным.

При повороте ротора сель­сина-датчика на некоторый угол α равновесие э.д.с. в одноимен­ных фазах датчика и приемника нарушается и тогда в обмотках и проводах линии связи появляются уравнительные токи. На токи в обмотках ротора действует магнитное поле статора, в резуль­тате чего возникает вращающий (синхронизирующий) момент, который поворачивает ротор сельсина-приемника на угол β, т. е. в положение, согласованное с ротором сельсина-датчика. Если сельсин-приемник на своем валу практически не имеет механической нагрузки (например, на валу укреплена только стрелка указателя поворота), то такой режим называется индикаторным.

При наличии механической нагрузки точность работы переда­чи значительно понижается, поэтому применяют трансформатор­ную схему, в которой в сеть включена только обмотка возбужде­ния сельсина-датчика, а такаяже обмотка сельсина-приемника является выходной. Напряжение от зажимов этой обмотки пода­ется на усилитель, а далее на обмотку управления исполнитель­ного двигателя, вал которого механически связан с валом сельси­на-приемника. Исполнительный двигатель поворачивает ротор сельсина-приемника на угол β до согласованного положения сельсинов и останавливается при α = β, если система работает в режиме ограниченного поворота.

Электрическая связь вращающихся обмоток сельсинов с не­подвижными проводами линии осуществляется через скользящие контакты (кольца и щетки), поэтому такие сельсины называют контактными.

Наличие скользящих контактов ухудшает технические харак­теристики сельсинов, поэтому широкое применение получают бесконтактные сельсины, отличительной особенностью которых является расположение обмоток возбуждения и синхронизации на статоре, а на роторе, имеющем явно выраженные полюса, обмотки нет.