7.5 Виконавчі двигуни постійного струму
У системах автоматики і телемеханіки, в різних приладах виконавчі двигуни постійного струму знаходять не менш широке застосування, ніж виконавчі двигуни змінного струму.
До позитивних якостей виконавчих двигунів постійного струму відносяться такі:
можливість отримання теоретично будь-яких, як завгодно малих і великих частот обертання;
можливість простого, плавного, економічного і в широкому діапазоні регулювання частоти обертання;
стійкість роботи практично при будь-яких частотах обертання;
лінійність механічних, а в ряді випадків і регулювальних характеристик;
відсутність самоходу;
значний пусковий момент;
порівняно невелика електромеханічна стала часу;
малі габаритні розміри і маса (значно менші, ніж у виконавчих двигунів змінного струму).
Основним недоліком найбільш широко поширених колекторних (контактних) виконавчих двигунів постійного струму, що обмежують області їх застосування, є наявність ковзних контактів - колектора і щіток.
Мінливість перехідного опору ковзних контактів призводить до нестабільності характеристик двигуна. Іскріння під щітками призводить до підгоряння контактів колектора і щіток, тобто обумовлює необхідність систематичного догляду за ними і неприпустимість установки двигунів звичайного використання у вибухонебезпечних приміщеннях. Колектор і щітки є джерелами радіо завад, для придушення яких потрібні спеціальні фільтри.
Колекторні виконавчі двигуни мають механічний колектор та щітки. Причому розрізняють двигуни з феромагнітними шихтованими (масовими) якорями, що мають пази (рис. 7.6), або з гладкими (безпазовими) якорями і мало інерційні двигуни, якоря яких не мають магнітних струмопроводів.
За способом збудження колекторні виконавчі двигуни постійного струму можуть бути з електромагнітним збудженням (див. рис. 7.6) і збудженням від постійних магнітів.
1 - Передній підшипниковий щит; 2 - щітки; 3 - обмотка полюса; 4 - корпус, 5 - статор у розрізі; 6 - задній підшипниковий щит; 7 - вал, 8 - сердечник якоря; 9 - полюс; 10 - обмотка якоря; 11 - колектор; 12 - кульковий підшипник
Рисунок 7.6 – Виконавчій колекторний двигун постійного струму
У
двигунів з електромагнітним збудженням
як обмотки управління використовується
або обмотка якоря - двигуни з якірним
управлінням
(рис. 7.7, а),
або обмотка полюсів - двигуни з полюсним
управлінням
(рис. 7.7, б).
У двигунів, збуджуваних постійними
магнітами, обмоткою управління є єдина
їхня обмотка - обмотка якоря, тому вони
завжди працюють при якірному управлінні.
а - якірне управління; б - полюсне управління
Рисунок 7.7 – Схеми включення виконавчих двигунів постійного струму
У схемах автоматики широко використовуються також безконтактні двигуни постійного струму, основні характеристики яких аналогічні характеристикам колекторних виконавчих двигунів постійного струму з якірним управлінням.
За конструкцією колекторні виконавчі двигуни постійного струму можна розділити на двигуни з якорем звичайного виконання - з напівзакритими пазами на його циліндричній поверхні; двигуни з гладким якорем, у яких обмотка якоря розташована на шихтованому гладкому циліндричному ярмі і укріплена за допомогою епоксидних смол і бандажів; двигуни з мало інерційними якорями (циліндричними і дисковими), у яких під час роботи обертається лише обмотка якоря з колектором, а ярмо якоря залишається нерухомим.
Особливістю виконавчих двигунів постійного струму із змінним за значенням магнітним потоком збудження (на відміну від звичайних силових двигунів) є те, що вони мають шихтовані (набрані з тонких листів електротехнічної сталі) не тільки магнітопровід якоря, але і спинку статора і полюси, що необхідно для зменшення постійної часу при швидкій зміні магнітного потоку, а також втрат в магнітопроводі при роботі двигуна в перехідних режимах, які є звичайними для виконавчих двигунів.
За габаритними розмірами та масою двигуни постійного струму в два-три рази менше асинхронних виконавчих двигунів тієї ж потужності, але в той же час вони більше звичайних силових двигунів постійного струму. Останнє пояснюється тим, що, по-перше, магнітний ланцюг виконавчих двигунів, як правило, менш насичений, що викликано бажанням отримати лінійні характеристики і усунути вплив на них поля реакції якоря, по-друге, меншими щільностями струмів в обмотках, що диктується бажанням зменшити їх перегрів. Останнє дуже важливо, тому що виконавчі двигуни постійного і змінного струмів ніколи не забезпечуються вбудованими вентиляторами, які, по-перше, малоефективні (так як виконавчі двигуни практично ніколи не працюють при постійних значних частотах обертання, а працюють в режимах пусків, зупинок, реверсів) , по-друге, внаслідок значної інерційності вентилятори збільшують постійну часу двигуна, знижуючи його швидкодію.
7.6 Виконавчі двигуни змінного струму
7.6.1 Асинхронні та синхронні двигуни
7.6.1.1 Загальні властивості
Найпоширенішими силовими мікродвигунами автоматики в даний час є асинхронні двигуни. За своєю будовою – це двигуни з короткозамкненим ротором, який найчастіше має обмотку, виготовлену як біляча клітина. Рідше ротор виготовляється масивним і порожнистим з чавуну або сталі, що робиться або для отримання м'яких механічних характеристик, або заради досягнення особливої механічної міцності ротора, необхідної при високих частотах обертання, або з метою зменшення акустичного шуму при роботі двигуна. Асинхронні двигуни з фазовим ротором не випускаються.
Як силові двигуни у схемах автоматики дуже часто застосовуються трифазні і однофазні асинхронні мікродвигуни широкого застосування, розраховані на роботу від мережі з частотою 50 Гц.
Так як механічна потужність асинхронного двигуна практично (за інших рівних умов) прямо пропорційна частоті напруги живлення (Р ~ Мп ~ Мпс ~ M60f / p ~ f), а габаритні розміри визначаються значенням обертаючого моменту М, то в схемах автоматики дуже часто застосовують асинхронні двигуни , розраховані на роботу від напруг підвищеної частоти f.
Застосування асинхронних двигунів підвищеної частоти в цілому ряді випадків диктується не тільки прагненням зменшити габарити машини, а й низкою інших міркувань: необхідністю мати більш високі кутові швидкості обертання, роботою автоматичних систем від мереж підвищеної частоти та ін.
У ряді схем автоматики виникає зворотна задача - необхідність отримання малих частот обертання п. У асинхронних і синхронних двигунів змінного струму середніх і великих потужностей цього можна легко досягти за рахунок збільшення числа пар полюсів р, так від цього залежить як синхронна частота обертання пс:
пс = 60 f / р.
Для двигунів малих потужності і габаритних розмірів цей спосіб практично неприйнятний, особливо якщо вони розраховані на роботу від мереж підвищеної частоти. При малих габаритах збільшення числа пар полюсів р, а отже, і числа пазів двигуна досить важко, а іноді й неможливо.
З метою отримання низьких частот обертання доводиться застосовувати спеціальні тихохідні двигуни або з електромагнітної редукцією частоти обертання, або з ротором, що котиться, або з хвильовим ротором.
У більшості схем автоматики силові двигуни живляться не від трифазних, а однофазних мереж змінного струму. Саме тому в якості силових в основному використовуються однофазні двигуни. Трифазні двигуни в схемах автоматики використовуються значно рідше.
Однофазні асинхронні двигуни за своїм устроєм в переважній більшості випадків є двофазними. Вони, як правило, мають на статорі дві обмотки, зсунуті в просторі на 90°. Одна обмотка називається робочою, або головною. Вона підключається безпосередньо до однофазної мережі. Інша обмотка називається пусковий, або допоміжної. Вона підключається до однофазної мережі через фазо зсувний елемент або тільки на час пуску, або постійно. У деяких двигунах допоміжна обмотка взагалі не підключається до мережі, а ЕРС в ній наводиться потоком головною обмотки.
Залежно від типу фазозсувного елемента, а також від способу використання допоміжної (пусковий) обмотки силові однофазні асинхронні (і синхронні) мікродвигуни можна розділити на п'ять груп: з пусковим опором; пусковим конденсатором; пусковим і робочим конденсатором; робочим конденсатором; екранованими полюсами.
Крім однофазних мікродвигунів в системах автоматики у ролі силових використовуються також універсальні асинхронні мікродвигуни, які, будучи за своїм призначенням трифазними, при зміні схеми з'єднання обмоток - фаз і включенні фазозсувних елементів можуть працювати і від однофазних мереж змінного струму.
Розглянемо більш детально асинхронні двигуни двох видів.