Управляемые исполнительные электродвигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока широко применяются в системах управления для преобразования постоянного электрического тока в механический крутящий момент на валу двигателя. Конструк­тивно эти двигатели состоят из статора с обмоткой возбуждения и якоря или ротора с обмоткой. Как к обмотке возбуждения, так и к якорю через щетки подводится постоянное напряжение. Взаимо-действие магнитных полей обмотки возбуждения и якоря вызыва­ет вращение последнего, причем направление вращения зависит от полярности включения обмоток.

Управление скоростью вращения вала двигателя осуществля­ется изменением тока в обмотках возбуждения и якоря на основе обратной связи по скорости вращения и обратной связи по поло­жению рабочего органа с использованием соответствующих дат­чиков положения или перемещения.

Достоинствами электродвигателей постоянного тока являются:

• большой крутящий момент при сравнительно небольших га­баритах;

• значительный диапазон варьирования частоты вращения;

• большой крутящий момент при пуске, что обеспечивает вы­сокое быстродействие привода;

• высокий КПД (до 90 %).

К недостаткам этих двигателей следует отнести следующие:

• механический и электрический вследствие эрозии износ ще­ток и коллектора;

• как следствие, невысокие надежность и долговечность;

• необходимость постоянного ухода за коллектором и щетками;

• излучение электромагнитных помех вследствие искрового раз­ряда между коллектором и щетками, затрудняющих работу элект­ронных схем;

• большая масса и инерционность якоря, снижающие быстро­действие.

Двигатели переменного тока

Принцип действия двигателей переменного тока основан на вза­имодействии вращающегося магнитного поля, создаваемого пе­ременным током в обмотках статора (неподвижной части двигате­ля), с вихревыми токами, индуцируемыми в обмотках ротора (под­вижной части двигателя). Электродвигатели, частота вращения ко­торых определяется частотой вращения магнитного поля статора, равной частоте питающего напряжения, называются синхронны­ми, в другом случае — асинхронными.

В системах управления наибольшее применение нашли асин­хронные двигатели. В зависимости от числа фаз питающего напря­жения различают:

однофазные двигатели, имеющие небольшую мощность и ис­пользуемые главным образом в нерегулируемых электроприводах (например, в вентиляторах);

двухфазные, в которых сравнительно легко поддается регули­рованию частота вращения и крутящий момент, что обусловило их широкое применение в регулируемых электроприводах устройств автоматики;

трехфазные, применяемые в нерегулируемых электроприводах мощностью до нескольких киловатт (приводы станков, компрес­соров, насосов).

Синхронные электродвигатели мощностью от долей до несколь­ких сотен ватт используются в тех случаях, когда требуется под­держивать постоянную частоту вращения (в самописцах, механи­ческих задатчиках, лентопротяжных механизмах).

В целом электродвигатели переменного тока по сравнению с двигателями постоянного тока имеют следующие преимущества:

• более надежны и долговечны;

• широкий диапазон регулирования частоты вращения и кру­тящего момента;

• малые потери за счет трения;

• не создают помехи для работы электронной аппаратуры;

• менее инерционны.

Однако они (при прочих равных условиях) уступают двигате­лям постоянного тока по следующим параметрам:

• массе и габаритным размерам;

• КПД (обычно не более 10...25 %);

• величине пускового момента и быстродействию.

Вследствие низкого КПД эти двигатели в основном использу­ют в стационарных устройствах, питаемых от промышленной элек­тросети. Управление скоростью вращения двухфазных асинхрон­ных двигателей осуществляется путем изменения напряжения питания на основе обратной связи по скорости вращения и со­стоянию рабочего органа.

Электромагниты

Электромагниты являются наиболее простыми, быстродейству­ющими и надежными из силовых электрических исполнительных устройств. Они широко применяются для управления фиксирую­щими устройствами и перемещения регулирующих органов на фик­сированные небольшие расстояния (управление вентилями, зо­лотниками, схватами роботов).

Рис. 4.11. Варианты конструктивных схем электромагнитов

Различают электромагниты постоянного (нейтральные и поля­ризованные) и переменного тока. Электромагниты переменного тока развивают меньшее усилие и обладают меньшей чувствитель­ностью, чем электромагниты постоянного тока тех же габаритов, поэтому применяются реже.

По характеру движения якоря различают электромагниты с ли­нейным (поступательным) движением (рис. 4.11, б, в) и поворот­ным (рис. 4.11, а, г) движением.

Электромагниты могут снабжаться дополнительными парами контактов, используемыми для сигнализации и сохранения поло­жения якоря, а также для уменьшения тока в обмотке после сра­батывания для предохранения от перегрева обмотки магнита (удер­жание якоря в некотором положении требует, как правило, мень­шего усилия, чем изменение положения якоря).

Недостатками, присущими всем электромагнитам, являются:

• сравнительно небольшие развиваемые усилия и мощность (до сотен ватт);

• дискретный, двухуровневый характер работы (допустимы два положения якоря).

Основное применение электромагниты нашли в электрических реле.