Лекция 1. Введение. Основные понятия устройств автоматики. Магнитные материалы в электромашинных и электромагнитных устройствах автоматики

Лекция 1. Введение. Основные понятия устройств автоматики. Магнитные материалы в электромашинных и электромагнитных устройствах автоматики

Автоматизацией производственного процесса называют такую организацию этого процесса, при которой его технологические опе­рации осуществляются автоматически с помощью специальных тех­нических устройств без непосредственного участия человека. Авто­матизация технологического производства предполагает автомати­ческий контроль технологических параметров, автоматическое регулирование и автоматическое или автомати­зированное управление, а также защиту процессов от аварийных режимов, сигнализацию отклонений от номинальных режимов, за­щиту окружающей среды.

Если процесс управления осуществляется без участия человека, то такое управление называется автоматическим, а если с участием человека то такое управление называют автоматизированным.

Для автоматического контроля, регулирования и управления не­обходимо располагать определенной информацией о состоянии объ­екта автоматизации. Эту информацию получают путем проведения измерений. При решении вопросов автоматического контроля, регулирования и управления используются: системы автоматического контроля (САК); автоматические системы регулирования (АСР) и автоматизированные системы управления технологическими процес­сами (АСУ ТП).

На рис. 1, а показана схема системы автоматического контро­ля некоторого объекта автоматизации ОА (в данном случае объектавтоматизации называют объектом контроля).

Оператор

Рис. 1. Схемы систем автоматического контроля (а) и автоматического peгулирования (б)

Схема, как правило, включает в свой состав по меньшей мере два измерительных устpoйства, соединенных между собой каналом связи.

Одно из этих измерительных устройств воспринимает измеряе­мый параметр X_вых объекта автоматизации; его называют датчи­ком Д (или первичным измерительным преобразователем). Датчик служит для преобразования физического параметра в другой па­раметр—сигнал (например, электрический ток, давление сжатого воздуха и т. д.), который удобно передавать по каналу связи КС. Другое устройство, называемое вторичным прибором ВП, измеряет сигнал, поступающий по каналу связи и несущий информацию о значении измеряемого параметра, а затем представляет его в фор­ме, удобной для восприятия человеком-оператором.

На рис. 1, б показана схема автоматической системы регулирования. Необходимость регулирования, как регулирования ручного, так и автоматического, вызвана тем, что на объект автоматизации (в данном случае его называют объектом регулирования) постоянно действу­ют различные дестабилизирующие факторы, нарушающие однозначность связи между входным Х_вх и выходным X_вых параметрами объекта. Эти факторы называют возмущающими воздействиями ВВ. Под влиянием ВВ выходной параметр Х_вых отклоняется от заданного значения (нормы). Датчик Д измеряет текущее значение параметра Х_внх и преобразует его в сигнал У, который поступает на вторичный прибор ВП и специализированное вычислительное устройство, называемое автоматическим регулятором АР. В авто­матический регулятор кроме сигнала У поступает сигнал У_зд (за­дание), который пропорционален заданному значению регулируе­мого параметра Х_ВЬ]Х и имеет такую же природу, как сигнал У. Ав­томатический регулятор выполняет определенные вычислительные операции в соответствии с заложенным в него законом регулирова­ния и отрабатывает сигнал Z — регулирующее воздействие, поступающий к исполнительному механизму ИМ. Последний изменяет подачу Х_вх материи или энергии в объект регулирования до тех пор пока параметр Х_вых не достигнет заданного значения.

Кроме рассмотренной простейшей автоматической системы регулирования применяются каскадные, комбинированные, автоном­ные, программные и др. Работа этих систем строится на информа­ции, получаемой от одной или нескольких систем автоматического контроля.

Функции управления производственным процессом в системах автоматической стабилизации или программного регулирования параметров выполнял человек-оператор, который в основном руковод­ствовался своим субъективным опытом.

Развитие полупроводниковой вычислительной техники сделало возможной автоматизацию управления путем применения электрон­ных вычислительных машин (ЭВМ) и микропроцессоров (МП) не­посредственно в технологических процессах. Это ознаменовало но­вый этап развития автоматизации, характерной чертой которого для непрерывных технологических процессов явился переход к их оптимальному управлению.

Схема АСУ ТП с УВМ показана на рис.2, а. В объект авто­матизации ОА, в данном случае представляющий собой химико-тех­нологический процесс или ряд технологических процессов, составляющих целое производство, поступают сырье и реагенты, необхо­димые для проведения процесса (входные параметры объекта), В результате получается ряд продуктов. На объект автоматизации (в данном случае его называют объектом управления) непрерывно оказывают влияние возмущающие воздействия ВВ.

 

 

С помощью датчиков Д измеряют режимные параметры и параметры, опреде-ляющие качествопродуктов (выходные параметры объекта), а также значениявходных параметров объекта управления. Информа­ция о результатахэтих измерений по каналам связи КС поступает во вторичные приборы ВП и автоматические регуляторы АР. Последние вырабатывают регулирующиевоздействия, поступающие на исполнительный механизм ИМ, которые изменяют подачу энер­гии или материального потока (управляющие воздействия) в соот­ветствующие аппараты объекта управления. Задание регуляторам устанавливается с помощью задатчиков 3д. Таким образом, все названные устройства осуществляют автоматический контроль или наряду с ним и автоматическое регулирование режимных парамет­ров объекта управления.

Как видно из рис. 2, а, сигналы датчиков одновременно по­ступают на УВМ.

Управление любым промышленным объектом обычно сводится, с одной стороны, к контролю за ходом технологического процесса, пуску и остановке различных агрегатов, обеспечению надежной и безаварийной работы оборудования и т.п. и с другой стороны обеспечению требуемых параметров, определяющих требуемый ход технологического процесса в управляемом объекте. Под управляемым объектом подразумевается устройство (совокупность устройств), осуществляющее технологический процесс, который нуждается в специально организованных воздействиях извне. Эти воздействия оказывает управляющее устройство. Управляющее воздействие на объект управления выполняет исполнительный механизм ИМ, который воздействует на управляемый объект через регулирующий орган РО. Управляемая величина измеряется измерительным устройством ИУ.

Таким образом, к элементам и устройствам автоматики можно отнести: исполнительный механизм ИМ; регулирующий орган РО; измерительное устройство ИУ: усилители сигналов; различные реле и механизмы, обеспечивающие автоматическое изменение каких либо величин (параметров) с целью обеспечения заданного режима работы объекта.

 

Лекция 2. Преобразователи давления

Понятие преобразователя

Преобразователи, реагируя на изменения входной величины, как правило, преобразуют её в величину другой физической природы, удобную для дистанционной… Понятием «датчик» в общем случае обозначают дешевый, но надежный приемник и… Измерительный прибор осуществляет преобразование входного сигнала x(t) в выходной сигнал y(t):

Датчики измерения параметров технологического процесса

1. ВВЕДЕНИЕ Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных… 2. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ. Среди широкого разнообразия измерительных… Так например, в активной зоне атомных реакторов установлены только датчики температуры, измерение которой позволяет…

Лекция 3. Электромагнитные устройства автоматики, электромагнитные реле

Ферромагнитные материалы, применяемые в электра- аппаратостроении, обладают ярко выраженной нелинейной зависимостью электромагнитной индукции и… Рис.1. Зависимость электромагнитной индукции (a) и

Лекция 4. Регулирующий орган ОР

Кроме дроссельных регулирующих органов широкое применение получили также устройства, регулирующие расход путем изменения располагаемого на­пора. К… Для регулирования расхода сыпучих материалов применяются различные питатели:… Так как регулирующие органы являются одним из звеньев АСР, то правиль­ный выбор регулирующих органов и их…

Лекция 5. ШИБЕРЫ

Шиберы в прямоугольных каналах (рис. 3, а) имеют обычно линейную конструктивную характеристику 1 (рис. 4). Однако путем изменения профи сечения… а) б)

Лекция 6. Методы преобразования давления

Датчик давления состоит (рис.1) из первичного преобразователя давления, в составе которого чувствительный элемент и приемник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей и устройства вывода. Основным отличием одних приборов от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионнизационный.

 

 

Рис.1 Блок-схема преобразователя давления в электричекий сигнал

Тензометрический метод

В настоящее время основная масса датчиков давления в нашей стране выпускаются на основе чувствительных элементов (рис.2), принципом которых является…  

Пьезорезистивный метод

Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД, рис.3) представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с диффузионными…  

Ионизационный метод

  Рис.10 Ионнизацинный датчик вакуума

Лекция 7. Усилители.

Системы автоматики могут быть построены с использованием сигналов различной физической природы: электрических, механических, пневматических,… Одним из основных и важнейших видов электрических элементов являются… Усилителемназывается устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала за счет энергии дополнительного…

Лекция 8. Магнитные усилители

1 ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ Исполнительным механизмом в САР называют устройство, перемещающее регулирующий… 1) простота конструкции, минимальные размеры и масса, высокая надежность и устойчивость к воздействию внешней…

Лекция 9. Трансформаторы.

План:

Назначение и принцип действия трансформатора.

Устройство трансформаторов

Основные соотношения в трансформаторе.

Трехфазные и многообмоточные трансформаторы.

Назначение и принцип действия трансформатора.

Силовые трансформаторы (далее, просто трансформаторы) разделяются, в зависимости от: -числа фаз преобразуемого напряжения, на однофазные и многофазные (обычно… -числа обмоток, приходящихся на одну фазу трансформируемого напряжения на двухобмоточные и многообмоточные;

Устройство трансформаторов

В зависимости от способа изготовления магнитопроводы трансформаторов бывают пластинчатые и ленточные. Магнитопроводы однофазных трансформаторов…  

Основные соотношения в трансформаторе.

Для первичной цепи Ú1 + É1 = Í1 (r1 + j x1 ), Или Ú1 = (-É1) + Í1 j x1 + Í1r1 ; (4.6)

Трехфазные и многообмоточные трансформаторы.

    Рис. 3. Трансформаторная группа (а) и трехфазный трехстержневой трансформатор (б)

Лекция 10. Общие сведения об электромашинных устройствах автоматики. Электрические машины постоянного тока. Реакции якоря.

Общие сведения об электромашинных устройствах автоматики

Электромашинные устройства являются основными элементами автоматики. Они используются как источники (генераторы) электрической энергии, как двигатели, чтобы приводить в движение самые разнообразные рабочие механизмы на заводах и фабриках, в сельском хозяйстве, на строительных работах и т. д.

Электрические машины, предназначенные для преобразования механической энергии в электрическую, называются генераторами; электрические машины, предназначенные для обратного преобразования электрической энергии в механическую, называются двигателями.

Электрические машины применяются также для преобразования рода тока (например, переменного тока в постоянный), частоты и числа фаз переменного тока, постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения. Такие машины называются электромашинными преобразователями.

К электромашинным устройствам относят также трансформатор. Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат, который служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты. Хотя он и не является машиной (не имеет движущихся частей), все же его теория изучается вместе с теорией электрических машин, так как основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс трансформатора, применимы и к электрическим машинам.

Различают машины переменного и постоянного тока в зависимости от того, какой ток они генерируют или потребляют.

Машины переменного тока разделяются на синхронные и асинхронные. В тех и других машинах при их работе возникает вращающееся магнитное поле. Ротор синхронной машины вращается со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля. Скорость вращения ротора асинхронной машины отличается от скорости вращения поля.

Машины переменного тока бывают однофазные и многофазные (чаще всего трехфазные); первые генерируют или потребляют однофазный ток, вторые — многофазный ток.

 

Устройства и принцип работы машины постоянного тока

Рис. 1.1 Основные части машины постоянного тока Вращающаяся часть машины состоит из якоря и коллектора. Якорь представляет собой сердечник, который собирается из…

Рисунок 1.3 Принцип действия и преобразование энергии в машинах постоянного тока

Внешнюю цепь машины присоединяют к коллектору посредством графитных, электрографитированных или металлографитных щеток 11, которые помещаются в обоймах щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружинами. Щеткодержатели монтируют на переднем подшипниковом щите 10. Передний и задний щиты крепят болтами к станине. В расточки щитов помещают шариковые или роликовые подшипники.

Обмотки якоря электрических машин постоянного тока делят на пет­левые (простые и сложные), волновые (простые и сложные) и смешанные.

Если машину постоянного тока представить в виде рамы, содержащую один или w витков, и вращающуюся с частотой ω в постоянном магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом или электромагнитом, то по закону электромагнитной индукции при изменении потокосцепления в проводниках возникает ЭДС

, (1.1)

где Ψ- потокосцепление, w- число витков, B- магнитная индукция, S- сечение, через которое проходит поток при взаимодействии с обмоткой.

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. В машинах постоянного тока индукция постоянна, а изменяется площадь сцепления обмоток якоря с полем возбуждения из-за вращения якоря. Чтобы во внешней цепи ток протекал, он должен быть выпрямлен. Для этого служит специальный электромеханический выпрямитель - коллектор (К), расположенный на валу машины. В простейшем случае используются две пластины с наложенными на них щетками. Последние так должны быть расположены в пространстве, чтобы коммутация происходила в моменты периода ЭДС через ноль. С увеличением количества рамок (секций) и соответственно пластин коллектора пульсации уменьшаются и при восьми коллекторных пластинах пульсация напряжения на щетках не превышает 1% от среднего, поэтому ток, протекающий во внешней цепи, можно считать практически постоянным.

Магнитное поле, создаваемое в машине постоянного тока, состоит из двух составляющих - поля возбуждения, создаваемого постоянным магнитом или электромагнитом и поля якоря (реакции) якоря, создаваемого током якоря, протекающим в обмотках якоря, расположенных на роторе.

Поле возбуждения неподвижно относительно статора, а поле реакции якоря из-за синхронной коммутации обмоток якоря вращается относительно ротора с той же частотой ω, с какой вращается сам ротор, но в обратную сторону, и таким образом также неподвижно относительно статора.

Магнитную индукцию Bможно выразить через поток возбуждения Ф_В:

где S- площадь полюсного наконечника, который определяется следующим образом

,

p- число пар полюсов машины.

Если в машине постоянного тока – число проводников на якоря и – число пар параллельных ветвей, то подставляя все эти выражения в формулу (1.1) , получим

(1.2)

где – коэффициент, определяемый обмоточными данными и постоянная величина для данной машины.

Таким образом, ЭДС машины постоянного тока зависит от конструктивных параметров, потока возбуждения и частоты вращения.

Литература1 осн [7-13], 2 доп [700-704, 743-752], 3 доп [295-318],

Контрольные вопросы

1. Какую функцию выполняет обмотка возбуждения?

1.Какую функцию выполняет коллектор?

2.Если электрическая машина преобразовывает механическую энергию в электрическую, то это, какой режим?

4.Если электрическая машина преобразовывает электрическую энергию в механическую, то это, какой режим?

5.Что такое реакция якоря?

6.Из чего собирают якорь двигателя постоянного тока?

Реакция якоря. Тахогенераторы постоянного тока.

Реакция якоря

Мы расположили щетки на геометрической нейтрале, т. е. на линии, перпендикулярной оси полюсов. В этом случае токи в проводниках якоря верхней и… На рисунке 2.1, в показано поле машины при ее нагрузке. Мы видим, что в… При холостом ходе физическая нейтраль совпадает с геометрической. При нагрузке она смещается относительно…

Тахогенераторы постоянного тока

Тахогенераторы представляют собой электрические генераторы неболь­шой мощности, служащие для преобразования частоты вращения в электрический сигнал.… Основными требованиями, предъявляемыми к тахогенераторам, являются: а)… Выходная характеристика тахогенератора представляет собой зави­симость . Для обеспечения линейности характеристики…

Контрольные вопросы

1. Какую функцию выполняет обмотка якоря?

2.Что называется тахогенератором?

3.Какая характеристика называется выходной характеристикой тахогенератора?

4.Чем обусловлена погрешность тахогенератора?

5.Что такое реакция якоря?

6.Чему приводит реакция якоря?

 

Лекция 12. Двигатели постоянного тока. Уравнение моментов.

Характеристики двигателя

Постоянного тока.

Двигатели постоянного тока

Как отмечалось, электрические машины постоянного тока обра­тимы, т. е. могут работать не только генераторами, но и двигателями. Если отсоединить… Преобразование электрической энергии в механическую во всех дви­гателях можно… Рассмотрим энергетическую диаграмму для двигателя с парал­лельным возбуждением (рис. 2.7). Из диаграммы видно, что …

С учетом (1.2) вращающий момент, развиваемый двигателем равен

(3.4)

где – коэффициент, определяемый обмоточными данными и постоянная величина для данной машины.

Уравнение моментов.

Различают следующие моменты: 1) момент холостого хода Мо; 2) полезный момент Мн (нагрузочный); 3) динамический момент Мдин, обусловленный моментом… У двигателей малой мощности момент Мо достигает 20% от но­минального момента… ,

Характеристики двигателя постоянного тока

Пусковые характеристики определяют работу двигателя от момента включения до момента перехода к установившемуся режиму работы. Они оцениваются… При включении двигателя в сеть якорь неподвижен, поэтому ЭДС =0. Если принять… При пуске двигателей средней и большой мощности пусковой ток ограничивают введением в цепь якоря пускового реостата Rп…

Контрольные вопросы

1.Какая зависимость между моментом и частотой вращения якоря?

2.Для чего включают пусковое сопротивление?

3.Какая характеристика называется механической?

4.Какая характеристика называется пусковой?

5.Что с собой представляет рабочая характеристика?

6.Для чего ограничивает в двигателях постоянного тока пусковой ток?

Двигатель параллельного возбуждения. Двигатель последовательного

Возбуждения. Двигатель смешанного возбуждения.

Двигатель параллельного возбуждения

       

Двигатели последовательного возбуждения

На рис. 4.4 представлены рабочие характеристики двигателя. В дви­гателе последовательного возбуждения I = Iв = Iя. С изменением нагруз­ки на валу… С увеличением нагрузки магнитная система машины насыщается, и… . (4.3)

Двигатели смешанного возбуждения

   

Лекция 14 Синхронные машины.

Способы пуска синхронного двигателя.

Векторная диаграмма и основные характеристики синхронного генератора.

 

Принцип действия и устройство синхронного явнополюсного двигателя.

n1 =f160/p, независимо от нагрузки на валу. Поэтому синхронные двигатели используются в системах автоматики для приводов механизмов, требующих… Синхронный двигатель, как и асинхронный, состоит из неподвижного статора и… - явнополюсные с электромагнитным возбуждением,

Лекция 15. Электропривод.

Производственные машины и механизмы, как правило, приво­дятся в движение с помощью электрического привода, который включает в себя электрические… При длительном режиме работы электродвигателя и неизмен­ной нагрузке (рис.… При длительном режиме (t = ∞) значение установившейся

Принцип действия и устройство синхронного явнополюсного двигателя.

n1 =f160/p, независимо от нагрузки на валу. Поэтому синхронные двигатели используются в системах автоматики для приводов механизмов, требующих… Синхронный двигатель, как и асинхронный, состоит из неподвижного статора и… - явнополюсные с электромагнитным возбуждением,

Дискретный привод с шаговыми двигателями

 

Шаговые двигатели уже давно и успешно применяются в самых разнообразных устройствах. Их можно встретить в дисководах, принтерах, плоттерах, сканерах, факсах, а также в разнообразном промышленном и специальном оборудовании. В настоящее время выпускается множество различных типов шаговых двигателей на все случаи жизни.

 

Применение шаговых двигателей

Шаговый двигатель – это электромеханическое устройство, которое преобразует электрические импульсы в дискретные механические перемещения. Так, пожалуй, можно дать строгое определение. Наверное, каждый видел, как выглядит шаговый двигатель внешне: он практически ничем не отличается от двигателей других типов. Чаще всего это круглый корпус, вал, несколько выводов (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид шаговых двигателей семейства ДШИ-200.

Однако шаговые двигатели обладают некоторыми уникальными свойствами, что делает порой их исключительно удобными для применения или даже незаменимыми.

Положительные свойства шаговых двигателей

· угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые поданы на двигатель

· двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки (если обмотки запитаны)

· прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность 3-5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу

· возможность быстрого старта/остановки/реверсирования

· высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников

· однозначная зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи

· возможность получения очень низких скоростей вращения для нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без промежуточного редуктора

· может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов

Недостатки

· шаговым двигателем присуще явление резонанса

· возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи

· потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки

· затруднена работа на высоких скоростях

· невысокая удельная мощность

· относительно сложная схема управления

Виды шаговых двигателей

· двигатели с переменным магнитным сопротивлением · двигатели с постоянными магнитами · гибридные двигатели

Двигатели с переменным магнитным сопротивлением

Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют несколько полюсов на статоре и ротор зубчатой формы из магнитомягкого материала (рис. 2). Намагниченность ротора отсутствует. Для простоты на рисунке ротор имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель имет шаг 30 град.

Рис. 2. Двигатель с переменным магнитным сопротивлением.

При включени тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ротор поменяет положение, снова замкнув своими зубцами магнитный поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включать фазы попеременно. Двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках. Реальный двигатель может иметь большее количество полюсов статора и большее количество зубцов ротора, что соответствует большему количеству шагов на оборот. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает очень маленькое значения угла шага, порядка нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением довольно редко используют в индустриальных применениях.

Двигатели с постоянными магнитами ( ШД с активным ротором)

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты (рис. 3). Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.

Рис. 3. Двигатель с постоянными магнитами.

Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Такой двигатель, как и рассмотренный ранее двигатель с переменным магнитным сопротивлением, имеет величину шага 30 град. При включени тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48 – 24 шага на оборот (угол шага 7.5 – 15 град).

Разрез реального шагового двигателя с постоянными магнитами показан на рис. 4.

Рис. 4. Разрез шагового двигателя с постоянными магнитами.

Для удешевления конструкции двигателя магнитопровод статора выполнен в виде штампованного стакана. Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей. Обмотки фаз размещены на двух разных магнитопроводах, которые установлены друг на друге. Ротор представляет собой цилиндрический многополюсный постоянный магнит.

Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, котрая ограничивает максимальную скорость. Для работы на высоких скоростях используются двигатели с переменным магнитным сопротивлением.

Гибридные двигатели (Реактивный шаговый двигатель)

Гибридные двигатели являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3.6 – 0.9 град.). Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении (рис. 5).

Рис. 5. Гибридный двигатель.

Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3.6 град. двигателей и 8 основных полюсов для 1.8- и 0.9 град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол шага S двигателя:

S = 360/(Nph*Ph) = 360/N,

где Nph – чило эквивалентных полюсов на фазу = число полюсов ротора,
Ph – число фаз,
N - полное количество полюсов для всех фаз вместе.

Ротор показанного на рисунке двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтому полное количество полюсов – 200, а шаг, соответственно, 1.8 град.

Продольное сечение гибридного шагового двигателя показано на рис. 6. Стрелками показано направление магнитного потока постоянного магнита ротора. Часть потока (на рисунке показана черной линией) проходит через полюсные наконечники ротора, воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента.

Рис. 6. Продольный разрез гибридного шагового двигателя.

Как видно на рисунке, воздушные зазоры у верхнего и нижнего полюсного наконечника ротора разные. Это достигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубъев. Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным магнитным сопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока (на рисунке показана штриховой белой линией), которая и создает момент. Часть цепи лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку, поэтому не показана. В этой же плоскости создают магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот поток частично замыкается полюсными наконечниками ротора, и постоянный магнит его «видит» слабо. Поэтому в отличие от двигателей постоянного тока, магнит гибридного двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине тока обмоток.

Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая – типично 0.1 мм. Это требует высокой точности при сборке, поэтому шаговый двигатель не стоит разбирать ради удовлетворения любопытства, иначе на этом его срок службы может закончиться.
Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали. Они обычно обладают повышенной хрупкостью, поэтому с валом, особенно малого диаметра, следует обращаться с осторожностью.

Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита. При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношение крутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношение не ухудшается.

Существуют и другие конструкции шаговых двигателей. Например, двигатели с дисковым намагниченным ротором. Такие двигатели имеют малый момент инерции ротора, что в ряде случаев важно.

Большинство современных шаговых двигателей являются гибридными. По сути гибридный двигатель является двигателем с постоянными магнитами, но с большим числом полюсов. По способу управления такие двигатели одинаковы, дальше будут рассматриваться только такие двигатели. Чаще всего на практике двигатели имеют 100 или 200 шагов на оборот, соответственно шаг равен 3.6 грд или 1.8 грд. Большинство контроллеров позволяют работать в полушаговом режиме, где этот угол вдвое меньше, а некоторые контроллеры обеспечивают микрошаговый режим.

 

Лекция 13. Электрические машины переменного тока

На практике применяются преимущественно трехфазные (т = 3) машины переменного тока. Машины с другим числом фаз (т = 2, 6) используются для специальных целей.

Однако действие всех многофазных машин основано на принципе вращающегося магнитного поля, и поэтому их теория является общей.

Однофазные машины переменного тока имеют ограниченное применение.

Ниже прежде всего рассматриваются трехфазные машины переменного тока. Они подразделяются на три основных вида: синхронные, асинхронные и коллекторные.

Все виды машин переменного тока рассчитываются на работу при синусоидальном переменном - токе.

Основные виды машин переменного тока

Ротор асинхронных машин вращается несинхронно, или асинхронно, по отношению к вращающемуся магнитному полю, чем и обусловлено название этих машин.… Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при… s = (n1 – n2)/n1

Устройство асинхронной машины.

Рис. 1 Сердечник статора закрепляется в корпусе, а сердечник ротора на валу (машины малой и средней мощности) или на ободе с…