Двигателя.
а – механические характеристики; б – регулировочные характеристики
Двухфазные асинхронные двигатели, применяемые в качестве исполнительных устройств, имеют механические характеристики, показанные на рисунок 20,а. Они отсекают на оси ординат отрезки, пропорциональные пусковому моменту МП, а на оси абсцисс — отрезки, пропорциональные частоте вращения холостого хода no. При изменении частоты вращения ротора от n=0 до n=n0 вращающий момент на валу двигателя уменьшается. Это достигается путем увеличения активного сопротивления ротора и делает характеристики более линейными.
Особенностью механических характеристик (рисунок 10, а) является то, что их пусковой момент (МП1, МП2, МПз) равен максимальному моменту, полученному при скорости n=0.
Регулировочной характеристикой называется зависимость частоты вращения ротора п от управляющего напряжения Uу при постоянном значении момента нагрузки на валу. Она устанавливает связь между входной Uу и выходной n величинами двигателя. Регулировочные характеристики асинхронного двигателя приведены на рисунок 10,б. Значение управляющего напряжения, при котором ротор двигателя начинает вращаться, называется напряжением трогания двигателя UTP. Оно зависит от значения момента нагрузки на валу. При увеличении момента нагрузки UTP возрастает. От Uу=0 до Uy = UTP находится зона нечувствительности. Исполнительные двигатели должны иметь минимальные зоны нечувствительности, так как при этом уменьшаются погрешности автоматических систем регулирования.
Рисунок 11. Схема управления двухфазным асинхронным двигателем.
а – амплитудное; б – фазовое.
Управление двухфазными асинхронными двигателями осуществляется двумя способами: изменением амплитуды напряжения на обмотке управления Uy или изменением угла сдвига фаз между напряжениями возбуждения U в и управления Uy. Первый способ регулирования частоты вращения называется амплитудным, второй — фазовым. Применяемые в системах автоматики двухфазные асинхронные двигатели управляются в подавляющем большинстве случаев первым способом. Амплитудное управление показано на рисунке 11,a. Необходимы фазовый сдвиг между напряжениями VR и Uy осуществляется подбором емкости конденсатора СЕ в цепи возбуждения двигателя. Для компенсации индуктивного сопротивления в цепь обмотки управления включается последовательно или параллельно конденсатор С (на рисунке 11,а показано пунктиром).
По схеме рисунок 11,б осуществляется фазовое управление электродвигателем. Амплитуды напряжений UB и UY постоянны. Сдвиг фаз между UB и UY осуществляется фазовращателем, который исполняет роль устройства управления.
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.
Электромагнитные муфты Основные сведения
В некоторых автоматических системах управления в качестве исполнительных устройств применяются электромагнитные муфты. Последние, являясь промежуточными элементами между приводным двигателем и ведомым валом и обладая переменным скольжением, позволяют регулировать частоту вращения выходного вала системы. Значение скольжения зависит от управляющего напряжения, поступающего на вход электромагнитной муфты с предыдущего элемента системы. Следует отметить, что анергия, затрачиваемая в цепи управления муфты, незначительна по сравнению с энергией, передаваемой ведомому валу от двигателя.
В зависимости от способа создания переменного скольжения электромагнитные муфты можно разделить на два основных типа: муфты трения и муфты скольжения.
У муфт первого типа вращающий момент на выходном валу создается путем трения, а у муфт второго типа вращающий момент возникает в результате взаимодействия токов, возникающих в якоре, с вращающимся магнитным потоком индуктора.
В свою очередь муфты трения бывают двух видов: муфты сухого трения и муфты вязкого трения.
Электромагнитные муфты сухого трения (фрикционные)
Муфта сухого трения представляет собой устройство, которое связывает ведомый вал с валом приводного двигатели за счет поджатия электромагнитом фрикционного элемента. При выключении электромагнита ведомый вал и вал приводного двигателя разобщаются.
На рисунке 12 в качестве примера представлена схема реверсивной муфты сухого трения. Шестерни 2 и 3 вращаются с постоянной скоростью от приводного электродвигателя 1. Управление осуществляется при помощи электромагнитов 6 и 13, на обмотки 5 и 12 которых поступают сигналы от управляющего устройства (на рисунке не показано).
Рисунок 12 - Реверсивная муфта сухого трения.
При включении электромагнита 13 (как показано па рисунке) его якорь 11 поджимает фрикционный диск 15 к торцу шестерни 2. Шестерня 10 жестко связана с якорем 11 электромагнита и фрикционным диском 15, поэтому вращение ведущего нала 16 приводного двигателя 1 через шестерню 2, фрикционный лип; 15 и шестерню W передается к выходному (ведомому) валу 9, При отключении электромагнита 13 диск 15 отводится от шестерни 2 пружиной 14. Для вращения ведомого вала 9 в обратную сторону необходимо подать управляющий сигнал па обмотку 5 электромагнита 6. Под действием магнитного потока, создаваемого обмоткой 5, якорь 7 втягивается и фрикционный диск 4 поджимается к торцу шестерни 3, В этом случае вращение шестерни 3 через фрикционный диск 4 и шестерню 8 передается на выходной вил 9, который будет вращаться в обратную сторону. Фрикционные диски 4 и 15 изготавливаются из стали, чугуна, бронзы, пластмассы, фибры и других материалов.
Достоинством электромагнитных муфт сухого трения является малая мощность управления, а основным недостатком — неплавный характер изменения частоты вращения ведомого вала.
Муфты вязкого трения
Принцип действия муфт вязкого трения (иначе называемых порошковыми или магнитно-эмульсионными) основан на эффекте сцепления двух поверхностей, разделенных зазором с ферромагнитным наполнителем, который изменяет свою вязкость под действием магнитного потока. Если ферромагнитный наполнитель поместить в магнитное поле, то сцепление между чистиками увеличивается, и они лишаются относительной подвижности. Наполнитель, помещенный между поверхностями ведущей и ведомой частей муфты, может осуществлять между ними связь при создании магнитного ноля путем пропускания электрического тока через обмотку электромагнита, расположенного соответствующим образом.
Ферромагнитный наполнитель представляет собой смесь ферромагнитного материала и смазывающей среды и обычно называется ферромагнитной суспензией. Последние могут быть выполнены на твердой и жидкой основе. В качестве ферромагнитного материала, который является основным элементом суспензии, применяется карбонильное железо с размерами частиц от 0,5 до 50 мкм. Суспензии на твердой основе выполняют в виде смеси порошка карбонильного железа с тальком, графитом, окисью цинка. Для суспензий на жидкой основе применяется жидкость, имеющая малую вязкость и химически стойкая относительно железа (керосин, машинное масло, хлористый бензол, специальные масла).
Упрощенная схема порошковой муфты изображена на рисунке 13.
Рисунок 13 - Порошковая муфта дискового типа.
Ведущая 2 и ведомая 4 части представляют собой стальные диски, насиженные на ведущий и ведомый валы. Управляющая обмотка 3 уложена в корпусе 1. Промежуток между ведущим 2 и ведомым 4 дисками заполнен ферромагнитной массой 6. Для предотвращения вытекания ферромагнитной массы муфта имеет уплотнения 5 и 7. При отсутствии тока в обмотке управления 3 передаваемый момент от ведущего вала к ведомому очень мал
и определяется вязким трением ферромагнитной массы. При протекании тока по обмотке управления возникает магнитное поле. В результате этого частицы железа намагничиваются и появляются силы сцепления между частицами и поверхностями дисков 2 и 4. В этом случае от ведущего вала к ведомому передается значительный момент. Изменением тока в обмотке в можно управлять силами сцепления, а следовательно, можно регулировать частоту вращения ведомого вала. Существует много разновидностей конструкций порошковых муфт, и все они, как правило, имеют плавную зависимость передаваемого момента от тока в управляющей обмотке. Это свойство делает удобным применение таких муфт в автоматических системах регулирования.
Основными достоинствами порошковых муфт являются: малая потребляемая мощность сигнала управления, хорошие динамические свойства, проявляющиеся при большом значении максимального ускорения ведомого вала, отсутствие толчков при плавном изменении управляющего сигнала.
К основным недостаткам можно отнести возможность оседание ферромагнитных частиц и значительная масса, приходящаяся на единицу мощности.
Муфты скольжения
В муфтах скольжения так же, как и в муфтах трения, магнитное поле создается постоянным током. Однако по принципу действия эти муфты ближе всего к асинхронным двигателям. Схема муфты скольжения приведена на рисунке 14.
Рисунок 14 - Схема муфты скольжения.
Муфта скольжения представляет собой две несвязанные между собой механически вращающиеся части — индуктор 2 и якорь 4. Индуктор 2 закрепляется на ведущем валу 1 приводного двигателя и выполняется и виде системы полюсов, пи которых расположена обмотка 3. Она питается от источника постоянного тока через контактные кольца 6. Якорь 4 муфты может быть выполнен в виде короткозамкнутой обмотки («беличьего колеса»), полого стакана пли в форме массивного ротора. При вращении индуктора 2 его магнитное поле пересекает якорь 4 и индуктирует в нем тонн, взаимодействие которых с магнитным полем индуктора создает вращающий момент, передаваемый на ведомый вал 5. Таким образом за счет магнитной связи ведущая часть (индуктор) муфты увлекает за собой ведомую (якорь).
От асинхронного двигателя, а также от муфт трения муфты скольжения выгодно отличаются тем, что их вращающие моменты и частота вращения легко поддаются регулированию путем изменения тока возбуждения индуктора.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛИ УСТРОЙСТВА
Исполнительные гидравлические устройства {гидравлические двигатели) преобразуют энергию давления жидкости в механическую энергию перемещения или вращения.
В зависимости от вида управляющего элемента различают гидравлические исполнительные устройства с дроссельным и объемным регулированием.
Гидравлические исполнительные устройства с дроссельным регулированием работают при постоянном давлении рабочей жидкости и управляются от специального устройства — переменного дросселя. В качестве дросселей обычно используются золотники, усилители типа сопло—заслонка и струйные трубки.
Гидравлические исполнительные устройства с объемным регулированием управляются за счет изменения производительности насоса, подающего рабочую жидкость в гидравлический двигатель с вращательным движением. В качестве рабочей жидкости применяются нефтяные масла, синтетические жидкости, спиртоглицериновая смесь и др.
Рисунок 15 - Схема поршневых двигателей.
а – простого действия; б – двойного действия
По виду движения выходного вала гидродвигатели делятся на гидродвигатели возвратно-поступательного движение (поршневые двигатели) и гидродвигатели вращательного движения или гидромоторы (применяются в гидравлических исполнительных устройствах с объемным регулированием).
Основные конструктивные схемы поршневых двигателей показаны на рисунке 25. В поршневом двигателе простого действия (рисунок 15,а) движение поршня 2 вправо производится усилием давления Р рабочей жидкости, подводимой в полость силового цилиндра 3 через штуцер 1. Движение поршня влево осуществляется за счет усилия пружины 4. При этом жидкость из полости силового цилиндра 3 отводится через штуцер 1. Шток 5 с одной стороны жестко связан с поршнем 2, а с другой стороны — с объектом управления или с его органами.
В гидроцилиндре двойного действия (рисунок 15, б) движение поршня 2 в ту или другую сторону осуществляется усилием давления Р рабочей жидкости. При подаче жидкости в полость силового цилиндра 3 через штуцер 1 поршень 2 со штоком 5 перемещается вправо и через штуцер 4 осуществляется слив жидкости (на рисунке показано сплошными стрелками). Для перемещения поршня 2 влево жидкость подается через штуцер 4, а слив ее осуществляется через штуцер 1 (на рисунке показано пунктирными стрелками).
В приведенных конструкциях поршневых двигателей ход поршня обычно не превышает 3500 мм.
Рисунок 16 - Схема поршневого двигателя с шатунно-кривошипным