Исполнительные двигатели постоянного тока
Исполнительные двигатели постоянного тока — маломощные машины, используемые в автоматике и телемеханике, в системах автоматического управления, регулирования и- контроля автоматизированных установок, где они преобразуют электрический сигнал измерительного органа — напряжение управления — в угловое перемещение вала для воздействия на управляющий, регулирующий или контролирующий аппарат. В тех случаях, когда поступающий сигнал недостаточен для приведения в действие исполнительного двигателя, применяют магнитный или полупроводниковый усилитель мощности.
Исполнительные двигатели обычно работают в условиях частых пусков, остановок и реверсов. Они отличаются значительным начальным пусковым моментом и быстродействием. Зависимости вращающего момента и скорости якоря от напряжения управления у них в большинстве случаев близки к линейным.
В зависимости от системы питания цепей двигателя различают исполнительные двигатели с якорным управлением и с полюсным управлением. При якорном управлении обмоткой управления является обмотка якоря, в связи с чем напряжение управления подводят к ее зажимам, а неизменный ток возбуждения обеспечивает независимый источник электрической энергии постоянного напряжения. В случае полюсного управления обмоткой управления служит обмотка возбуждения главных полюсов и напряжение управления подводят к ее зажимам, а напряжение на зажимах якоря, задаваемое независимым источником электрической энергии постоянного напряжения, сохраняется неизменным .
Обычно используют якорное управление. Изменение полярности напряжения управления вызывает противоположное направление вращения якоря.
Исполнительные двигатели постоянного тока изготовляют номинальной мощности от долей ватта до 600 Вт нормальной и специальной конструкций.
Двигатели нормальной конструкции аналогичны машинам постоянного тока общего применения, но отличаются от них тем, что станина с главными полюсами так же, как и якорь, собрана из тонких изолированных друг от друга листов электротехнической стали, что способствует улучшению свойств этих машин в переходных режимах. Кроме того, добавочные полюсы в этих машинах отсутствуют, так как реакция якоря невелика и процессы коммутации вполне удовлетворительны. Поскольку скорость якоря небольшая, вентилятор на валу таких двигателей не предусмотрен.
К двигателям специальной конструкции относятся магнитоэлектрические машины с возбуждением основного магнитного поля с помощью постоянных магнитов, а также малоинерционные машины, отличающиеся конструкцией якоря. К последним относятся: двигатели с полым немагнитным якорем — полым тонкостенным цилиндром из пластмассы с запрессованной обмоткой из медного провода с внутренним неподвижным ферромагнитным магнитопроводом, укрепленным на подшипниковом щите, и менее долговечные двигатели с дисковым якорем — тонким немагнитным диском из керамики, текстолита, стекла, а иногда из алюминия с печатной обмоткой, представляющей совокупность радиально расположенных по обе стороны диска проводников из медной фольги, по которой скользят серебряно-графитные щетки. Названные конструкции отличаются малым моментом инерции якоря, что обеспечивает высокое быстродействие исполнительного двигателя.
Масса исполнительных двигателей постоянного тока в 2 — 4 раза меньше, чем масса одинаковых по номинальной мощности исполнительных асинхронных двигателей, а к. п. д. их при номинальной мощности 5. 10 Вт составляет около 0,3 и достигает значения 0,65 и несколько выше для двигателей номинальной мощностью 200 — 300 Вт.
Тахогенераторы постоянного тока
Тахогенераторы постоянного тока — машины небольшой мощности, предназначенные для преобразования механической величины в электрический сигнал — выходное напряжение. В частности, их используют для контроля и измерения скорости вала исполнительного устройства, с которым соединен вал тахогенератора, зажимы якоря которого соединены с измерительным прибором. Помимо этого, тахогенераторы применяют в электромеханических счетно-решающих устройствах для выполнения вычислительных операций, а также в устройствах автоматической отработки генерируемых ускоряющих и успокаивающих сигналов.
Тахогенераторы бывают магнитоэлектрические с возбуждением основного магнитного поля с помощью постоянных магнитов и электродинамические с электромагнитным возбуждением, обусловленным М. д. с. обмотки возбуждения, питаемой от независимого источника электрической энергии постоянного напряжения.
Выходное напряжение тахогенератора в режиме холостого хода изменяется линейно в зависимости от скорости якоря, а при нагрузке эта линейность несколько нарушается, причем тем больше, чем меньшим сопротивлением обладает измерительный прибор, присоединенный к зажимам якоря. Все же для каждого тахогенератора существует относительно небольшой диапазон измеряемых скоростей, в пределах которого при определенном достаточно большом сопротивлении измерительного прибора и неизменных условиях цепи возбуждения выходную характеристику можно считать практически линейной.
Схема включения тахогенератора постоянного тока независимого возбуждения
Существенный недостаток тахогенераторов постоянного тока — пульсация выходного напряжения из-за незначительного периодического изменения магнитного потока вследствие неравномерности воздушного зазора и неравенства проводимостей якоря в различных радиальных направлениях, в том числе обусловленных зубчатой конструкцией его магнитопровода, а также из-за вибрации щеток, неровностей и эллиптичности коллектора и коммутационных процессов — в значительной мере устранен в тахогенераторе с полым якорем, который устроен так же, как и малоинерционный исполнительный двигатель постоянного тока с аналогичным якорем.
Неточность установки щеток по геометрической нейтрали коллектора тахогенсратора приводит к асимметрии выходного напряжения, т. е. к генерированию двух различных напряжений в обмотке якоря при противоположных направлениях его вращения с одинаковой скоростью. При правильном расположении щеток асимметрия напряжений находится в пределах от 0,3 до 1% номинального напряжения тахогенератора.
Тахогенера́тор (от др.-греч. τάχος — «быстрый», «скорость» и лат. generator «производитель») — электрическая микромашина, измерительный генератор постоянного или переменного тока, предназначенный для преобразования мгновенного значения частоты (угловой скорости) вращения вала в однозначно связанный со скоростью электрический сигнал.
Обычно величина (ЭДС), а в некоторых типах тахогенераторов и частота сигнала прямо пропорциональны частоте вращения ротора.
Электрический сигнал тахогенератора подаётся либо для непосредственного отображения и считывания показаний на проградуированный в единицах скорости вращения вторичный прибор — индикатор тахометра, либо на вход автоматических устройств управления, регулирующих частоту вращения.
Содержание
Принцип действия [ править | править код ]
По принципу действия тахогенераторы делятся на несколько типов — с выходным сигналом переменного тока или напряжения (синхронные и асинхронные) и с выходным сигналом постоянного тока.
Тахогенераторы постоянного тока [ править | править код ]
Небольшие коллекторные машины, поток возбуждения в которых создаётся постоянным магнитом или независимой обмоткой.
Эти тахогенераторы представляют собой обычные коллекторные генераторы постоянного тока, но с постоянным возбуждением, как правило осуществляемого постоянными магнитами статора. Так как ЭДС, наводимая в обмотках ротора, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока в обмотках в соответствии с законом Фарадея, то и напряжение, снимаемое со щёток коллектора оказывается прямо пропорциональным скорости вращения ротора.
Из-за наличия щёточно-коллекторного узла ресурс и надёжность данного типа тахогенераторов меньше, чем например у тахогенераторов переменного тока, а из-за процесса коммутации пластин коллектора и щёток при вращении порождаются дополнительные электрические импульсные помехи выходного сигнала тахогенератора.
Информационным сигналом тахогенератора постоянного тока является электрическое напряжение, что вызывает дополнительные ошибки преобразования скорости, обусловленные, в основном, зависимостью магнитного потока подмагничивания от температуры, переходного электрического сопротивления между щётками и коллектором, изменения магнитного потока подмагничивания постоянного магнита статора со временем из-за саморазмагничивания и изменения зазора между ротором и статором.
Достоинствами тахогенераторов постоянного тока являются удобная форма представления выходного сигнала и возможность определять не только скорость вращения ротора, но и направление его вращения (при смене направления вращения выходной сигнал меняет полярность).
Отношение выходного напряжения к частоте вращения ротора называют «чувствительностью тахогенератора» или «коэффициентом преобразования» или «крутизной тахогенератора» и обычно указывается в технической спецификации тахогенератора в милливольтах на оборот в минуту. По этому параметру и выходному напряжению можно определить частоту вращения ротора по формуле:
F r o t = U o u t S t , <displaystyle F_
Асинхронные тахогенераторы переменного тока [ править | править код ]
По конструкции подобны асинхронным электродвигателям с короткозамкнутым ротором. Короткозамкнутый ротор обычно выполнен в виде полого алюминиевого или медного цилиндра. На статоре такого тахогенератора с магнитными потоками, ориентированными относительно друг друга под углом 90°, расположены две обмотки, одна из которых (обмотка возбуждения) питается переменным синусоидальным током постоянной частоты и постоянной амплитуды, а вторая является выходной, и к ней может быть подсоединён измерительный прибор (вольтметр переменного напряжения, отградуированный, например, в об/мин), либо вход автоматической системы управления.
Принцип действия основан на увлечении магнитного потока, наведенного в роторе короткозамкнутым ротором при его вращении. При неподвижном роторе, так как магнитные поля обмотки возбуждения и выходной обмотки взаимно перпендикулярны, выходное напряжение равно нулю. При вращении ротора эта перпендикулярность нарушается и в выходной обмотке наводится ЭДС, пропорциональная скорости вращения.
Так как частота выходного напряжения не зависит от частоты вращения ротора и равна частоте напряжения в обмотке возбуждения, такой тип тахогенератора и называется асинхронным.
Асинхронный тахогенератор также позволяет определять направление вращения ротора, при смене направления фаза выходного сигнала изменяется на 180°.
Синхронные тахогенераторы переменного тока [ править | править код ]
Представляют собой бесколлекторные синхронные машины с ротором, подмагниченным постоянным магнитом. На статоре расположены одна или несколько обмоток.
Такой тахогенератор преобразует скорость вращения ротора в переменное напряжение, амплитуда и частота которого прямо пропорциональны скорости вращения ротора.
Недостаток синхронного тахогенератора — невозможность определения направления вращения, что в некоторых применениях нежелательно.
Часто ротор выполняют в виде многополюсного постоянного магнита, поэтому на 1 оборот ротора генерируется несколько периодов выходного сигнала.
Измерения скорости вращения допустимо двумя способами — частотным и амплитудным.
Синхронные и асинхронные тахогенераторы обладает бо́льшим сроком службы по сравнению с тахогенераторами постоянного напряжения, так как в них отсутствуют коллекторно-щёточный узел.
Частотный способ определения скорости вращения [ править | править код ]
Так как частота выходного сигнала не зависит от температуры, уменьшения магнитного потока вызванного старением и величины зазора между ротором и статором тахогенератора, то этот способ является одним из самых точных.
Скорость вращения вычисляется путём определения частоты выходного сигнала и дальнейшим вычислением частоты вращения ротора по формуле:
F r o t = F o u t p , <displaystyle F_
>,>
Недостатком частотного метода является то, что для более точного определения скорости необходимо больше времени, и за это время скорость может значительно измениться. Из этого следует, что чем больше времени тратится на накопление импульсов для определения частоты, тем больше динамическая погрешность в измерениях, поэтому в следящих системах автоматического регулирования скорости вращения происходит запаздывание реакции на возмущение и это в некоторых применениях нежелательно.
Для снижения динамической погрешности используют тахогенераторы с бо́льшим числом полюсов, это позволяет сократить время определения выходной частоты, а значит и время реакции управляющей системы авторегулирования.
Определить частоту сигнала можно из накопленных и усредненных периодов нескольких импульсов. Расчет производится по формуле:
F o u t = N T 1 + . . . + T N = N ∑ i = 1 N T i , <displaystyle F_
При таком способе определения скорости вращения надо учитывать, что амплитуда выходного сигнала тоже меняется, а значит вход частотного детектора должен быть спроектирован для приема входного сигнала с изменяющейся в широких пределах амплитудой, что иногда является недостатком из-за усложнения схемы.
Амплитудный способ определения скорости вращения [ править | править код ]
Такой способ определения частоты не очень точен из-за зависимости от температуры, зазора между ротором и статором, от изменений магнитного потока магнита ротора при старении, а также из-за влияния частотной интермодуляции на реактивные элементы цепи. Но, в ряде случаев, данный способ оправдывает себя, компенсируя недостатки простотой схемы управления.
По мере увеличения скорости вращения, ЭДС, генерируемая в обмотке статора СТГ, будет возрастать. Для снятия показаний с тахогенератора и приведения их к удобной форме используется одно- или двухполупериодный выпрямитель и НЧ фильтр, сглаживающий пульсации.
Отношение напряжения к частоте вращения ротора описывает параметр крутизна выходного напряжения, или коэффициент преобразования, представляемый обычно в m V ⋅ R P M <displaystyle mVcdot RPM>
F r o t = U o u t 60 S t , <displaystyle F_
Достоинства и недостатки [ править | править код ]
- Пара тахогенератор — тахометр не требует дополнительных источников питания, просто и достаточно надёжно в работе.
- Тахогенераторы не могут измерять очень медленное вращение — амплитуда генерируемого сигнал становится очень малой.
- Тахогенераторы создают дополнительную крутящий момент трения на вращающийся вал, что вносит некоторую ошибку в измерения, но обычно она несущественна.
- Содержат трущиеся детали, и поэтому требуют периодическое техническое обслуживание.
Иные датчики скорости вращения [ править | править код ]
С развитием электроники тахогенераторы все чаще заменяются на импульсные датчики, например, схемы с оптронами открытого типа, формирующие импульсы при отражении пучка света от контрастных меток на валу или на прерывания луча света обтюратором — крыльчаткой связанной с валом — датчики угла поворота (энкодеры), либо импульсные индукционные датчики, датчики Холла и прочие подобные импульсные электронные датчики.
Тахогенераторы постоянного тока — это маломощные электрические машины, работающие в генераторном режиме с возбуждением от независимой обмотки (электродинамические) или постоянных магнитов (магнитоэлектрические) и отличающиеся от других типов тахогенераторов, прежде всего, наличием щёточно-коллекторного узла. В своём классе, машин постоянного тока, мало чем отличаются от них по конструкции, но по сравнению с ними выделяется малыми габаритными размерами.
Выходным сигналом является аналоговое напряжение, величина и полярность которого зависят от частоты и направления вращения ротора, соответственно.
Где : Uout – выходное напряжение (Uвых – на рисунке 1); Frot – частота вращения ротора в Гц; St –крутизна выходной характеристики в mV/мин-¹, характеризующая чувствительность тахогенератора.
Зная величины Uout и St, можно легко вычислить частоту вращения ротора в Гц:
На практике, выходная характеристика тахогенератора не имеет точной линейной зависимости, что иногда является существенным недостатком. Основные причины: неточности при изготовлении — неравномерность воздушных зазоров, нелинейное сопротивления переходного контакта (щётка-коллектор), размагничивающее действие обусловленное реакцией якоря, непостоянное значение тока обмотки возбуждения, причиной которого является изменением её электрического сопротивления из-за температурных колебаний (нагревов и т.п.,). Если идеализировать, что магнитный поток тахогенератора и сопротивление нагрузки не меняют своих значений в процессе проведения измерений, то получим результат (сплошные линии на рисунке 2, а) в виде линейных характеристик различной крутизны, в зависимости от значений сопротивления нагрузки, из которого видно — чем больше значение сопротивления нагрузки тем больше крутизна выходной характеристики тахогенератора.
Следует также обратить внимание и на рисунок 2, б, где показано зону нечувствительности тахогенератора (отрезок 0-а), обусловленную наличием щёточно-коллекторного узла. Для того чтобы уменьшить зону нечувствительности надо прежде всего стараться применять щётки с минимальным сопротивлением, содержать их в чистоте, а также по возможности применять нагрузку, имеющую как можно большее сопротивление.
В подавляющего большинства тахогенераторов постоянного тока крутизна выходной характеристики находится в пределах St =3…1000 mV/мин-¹ ( с постоянными магнитами обычно имеют меньшие значения крутизны), номинальные частоты вращения в пределах Frot =1000…10000 мин-¹. Наибольшее распространение получили машины где Frot=1500…3000 мин-¹.
- значительная выходная мощность, при относительно малых габаритах и массе;
- удобная аналоговая форма представления выходного сигнала, полярность которого позволяет (без применения специальных схемных решений) получать информацию о направлении вращения ротора, а величина выходного напряжения позволяет вычислить измеряемую частоту вращения (чем больше, тем больше частота);
- при применении тахогенератор с магнитоэлектрическим возбуждением (от постоянных магнитов) не требуется дополнительный источник питания для возбуждения тахогенератора, что в свою очередь даёт возможность просто и довольно надёжно применять тахогенераторы постоянного тока для решений различных технических задач;
- достаточно широко распространены;
- наличие щёточно-коллекторного узла:
- при вращении ротора, из-за переключений (коммутаций) обмоток коллектора, неравенств их проводимостей, вибрации щёток, и т.д. появляются дополнительные пульсации, которые могут принимать значения достаточные для создания радиопомех и других электромагнитных наводок;
- уменьшает сроки эксплуатации по сравнению с другими типами тахогенераторов;
- в некоторых случаях может создавать дополнительную механическую нагрузку, поскольку содержит трущиеся детали (щётки, контактные кольца);
- при неправильном геометрическом расположении щёток появляется асимметрия выходного напряжения;
Несмотря на указанные выше недостатки, тахогенераторы постоянного тока широко применяются в системах автоматического регулирования, электроприводе, для измерений скорости вращения, а также в качестве датчиков обратной связи и так далее.
Пример конструкции тахогенераторов постоянного тока изображен на рисунке приведенном ниже. На рисунке 3, а) – с возбуждением от постоянных магнитов (магнитоэлектрический), на рисунке 3, б) — с возбуждением от независимой обмотки (электродинамический).
