Информационные электрические микромашины

Информационные электрические микромашины предназначены для выполнения функций первичных преобразователей, передачи информации, вычислительных операций в схемах автоматики, телемеханики и вычислительной техники.

В качестве первичных преобразователей они служат для преобразования различных механических величин (угла поворота, частоты вращения, скорости перемещения, ускорения, момента и т. п.) в электрические величины или обратного преобразования; в вычислительной технике выполняют решение тригонометрических задач, преобразование координат, дифференцирование, интегрирование; в телемеханических системах обеспечивают работу систем синхронной связи.

В настоящее время разработано и создано большое количество различных типов специальных электрических микромашин, предназначенных для выполнения указанных функций. В данном параграфе рассматриваются сельсины, используемые в системах синхронной связи и выполняющие функции первичных преобразователей.

В общем случае системой синхронной связи называют совокупность устройств, служащих для измерения и передачи на расстояние сигнала (непрерывно или дискретно), являющегося функцией paccoгласонания положения двух или нсскольких механизмов.

Под рассогласованным положением понимается наличие разных углов поворота валов этих механизмов (или частот вращения) от исходного положения или относительно друг друга. В основном система синхронной связи состоит из управляющего устройства (датчика Д), линии передачи и принимающего устройства (приемника П). Датчик, получая внешнее воздействие, перемещается (поворачивается), вырабатывая сигнал и передавая его приемнику. На выходе приемника появляется сигнал в функции угла рассогласования 6 (или частоты вращения). Если выходным сигналом является вращающий момент М, то такая система называется индикаторной (рис. 192, а). Этот момент действует в направлении устранения рассогласования.

В трансформаторной системе синхронной связи (рис. 192, б) выходным сигналом является эдс E_т, а устранение рассогласования между датчиком и приемником осуществляется исполнительным двигателем ИД, управляющая обмотка которого питается от приемника через усилитель мощности УМ.

В системах малой мощности в качестве датчика и приемника используются специальные электрические машины (сельсины), способные самосинхронизироваться.

Сельсины - это небольшие электрические машины переменного тока. предназначенные для синхронной передачи на расстояние угловых перемещений валов различных устройств, механически не связанных между собой.

По конструкции сельсины делятся на контактные и бесконтактные. Устройство контактных сельсинов подобно устройству синхронных или асинхронных машин. Контактные сельсины выполняются в двух вариантах. В одном варианте обмотка возбуждения / располагается на роторе, а трехфазная обмотка 2, называемая обмотка синхронизации, — в пазах статора (рис. 193,а).

В другом варианте обмотка возбуждения расположена на статоре, а трехфазная обмотка — в пазах ротора (рис. 193,а). Начала фаз этой обмотки выведены к трем контактным кольцам, по которым скользят три щетки. Пакеты статора и ротора (3, 4 на рис. 193, а) набраны из листов электротехнической стали. Контактные кольца для уменьшения переходного сопротивления скользящих контактов выполняются

из сплавов серебра. На рис. 193, б схематически показано положение осей обмоток сельсина. Обмотка синхронизации представлена тремя катушками, оси которых смещены на 120°.

При включении обмотки возбуждения сельсина на однофазное напряжение ток создает пульсирующее магнитное поле, которое индуцирует в каждой фазе обмотки синхронизации переменную эдс. Действующее значение эдс каждой фазы зависит от расположения осей этих фаз относительно оси потока возбуждения (рис. 193, б):

где Е — наибольшее действующее значение эдс фазы обмотки, когда ее ось совпадает с осью потока возбуждения, а_Д — угол поворота ротора.

В простейшем случае схема дистанционной передачи угловых перемещений состоит из двух одинаковых сельсинов, у которых одноименные зажимы обмоток синхронизации соединены проводами линии связи, а на обмотки возбуждения подается напряже ние сети (рис. 194, а). В такой схеме сельсины работают в индикаторном режиме. Один из сельсинов называют сельсином-датчиком СД, а другой — сельсином-приемником СП. Если оси одноименных обмоток синхронизации 1—3 сельсинов расположены одинаково относительно осей обмоток возбуждения, то в фазах обмоток синхронизации приемника и датчика индуцируются одинаковые эдс, уравновешивающие друг друга. Ток в обмотках и в линиях связи равен нулю. Такое положение сельсинов называют согласованным.

При рассогласовании роторов сельсинов, например, вследствие поворота ротора сельсина-датчика равновесие эдс обмоток синхронизации нарушится, между одноименными зажимами обмоток будут действовать эдс, равные разностям эдс соответствующих фаз сельсина-датчика и приемника: Е₁ =E_Д1—E_П1;E₂=E_Д2—Е_П2; Е₃=E_Д3—Е_П3, где индекс «Д» относится к сельсину-датчику, а индекс «П» — к сельсину-приемнику. Углом рассогласования 0 сельсинов называют разность

Если полные сопротивления каждой фазы сельсина-датчика и сельсина-приемника равны и сопротивление линии равно Z_л, то токи в фазах обмотки синхронизации определяются из выражений:

где Z = Z_Д = Z_П.

В результате взаимодействия проводников с током обмотки синхронизации с полем обмотки возбуждения в каждом сельсине возникает вращающий (синхронизирующий) момент, который стремится привести систему в согласованное положение, при котором токи фаз I₁=I₂=I₃=0. Синхронизирующий момент практически пропорционален синусу угла рассогласования:

Так как задаваемое положение ротора СД фиксировано, то синхронизирующий момент в сельсине-приемнике, преодолевая сопротивление трения на валу, поворачивает его ротор до согласования с ротором сельсина-датчика. Так осуществляется дистанционная передача угла в индикаторном режиме.

► Сельсины, работающие в индикаторном режиме, используются для передачи угла поворота какого-либо органа или механизма из труднодоступного или удаленного от наблюдения пункта. При работе в индикаторном режиме желательна максимальная точность показаний сельсинов-приемников. Она определяется видом характеристики M_c(θ), моментом сопротивления на валу сельсина-приемника и другими факторами. Если требуется повышенная точность, то применяется трансформаторный режим синхронной связи (рис. 194, б), при котором одноименные зажимы обмоток синхронизации сельсина-датчика и сельсина-приемника соединены проводами линии связи. Обмотка возбуждения сельсина-датчика подключена к источнику питания, а обмотка возбуждения сельсина-приемника является выходной и подключается к усилителю. При включении питания на обмотку возбуждения сельсина-датчика в обмотках синхронизации появятся токи, определяемые действием эдс E_Д1,E_Д2, E_Д3:

Каждый из этих токов создает в фазах обмотки сельсина-приемника мдс, которые, суммируясь, образуют пульсирующий магнитный поток сельсина-приемника, направленный в общем случае под углом θ=α_Д-α_П к оси выходной обмотки. Значение наводимой этим потоком эдс E_т в выходной обмотке зависит от угла рассогласования θ:

где E_тах — наибольшее действующее значение эдс выходной обмотки сельсина-приемника, когда θ=0.

Таким образом, сельсин-приемник выполняет в этой схеме роль трансформатора, напряжение на однофазной обмотке которого изменяется пропорционально косинусу угла 8. Для практического использования трансформаторного режима работы сельсинов удобнее, чтобы зависимость E_т=φ(θ) была синусоидальной, т. е. чтобы при согласовании сельсинов E_т= 0. Это достигается тем, что ротор сельсина-приемника смещают относительно ротора сельсина-датчика на угол 90° и такое положение роторов принимают за начальное.

С помощью сельсинов, работающих в трансформаторном режиме, осуществляется дистанционное непрерывное управление электроприводом. Для этого выходное напряжение однофазной обмотки сельсина-приемника усиливается усилителем (электронным, электромашинным или магнитным) и подается на двигатель, поворачивающий (вращающий) управляемый объект, которым может быть, например, платформа с укрепленной на ней направленной антенной и т. п. Ротор сельсина приемника жестко связывают механической передачей с поворачиваемым объектом. Поворот вала двигателя объекта вслед за поворотом ротора сельсина-датчика начинается уже при незначительном угле рассогласования (5—10°). С помощью двигателя, поворачивается как объект, так и ротор сельсина-приемника в таком направлении, чтобы рассогласование сельсинов уменьшилось до нуля (θ=0). При исчезновении рассогласования вся система, повернувшись на заданный угол, останавливается.

САМОЕ ВАЖНОЕ

1. Принцип действия электрических машин основан на физических законах электромагнитной индукции и электромагнитного взаимодействия.

2. Электрическая машина обратима, т. е. может работать как генератор и как двигатель. Преобразование энергии в электрической машине возможно лишь при наличии силового взаимодействия между магнитными полями статора и ротора; поля статора и ротора должны быть неподвижны друг относительно друга при любой частоте вращения ротора.

3. Вращающееся магнитное пол.е в электрических машинах переменного тока создается с помощью многофазной системы токов.

4. В синхронных генераторах используется в основном независимое возбуждение; вид внешней характеристики определяется характером нагрузки.

5. Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора называют скольжением. Мощность электрических потерь в роторе асинхронного двигателя пропорциональна скольжению.

6. Тахогенераторы, шаговые двигатели, электрические микромашины, электромашинные усилители широко используются в автоматических устройствах.

7. Сельсины — это небольшие электрические машины переменного тока, предназначенные для синхронной передачи на расстояние угловых перемещений валов различных устройств, механически не связанных между собой.

Темы докладов и рефератов

1. Асинхронный двигатель и трансформатор.

2. Электродвигатели малой мощности.

3. Электромашинные усилители, преобразователи, тахогенераторы в твоей профессии.

4. Генераторы постоянного и переменного тока.

5. Электрические двигатели.

6. Способы регулирования пускового момента и частоты вращения в электрических двигателях.

Вопросы

1. Какие существуют способы получения вращающегося магнитного поля при однофазном источнике? Поясните условия образования вращающегося магнитного поля.

2. С какой целью в конденсаторный двигатель последовательно с одной из обмоток включается: а) конденсатор, б) конденсатор и резистор? 3. Объясните принцип действия асинхронного двигателя, синхронного двигателя.

4. Поясните устройство электрической машины постоянного тока; асинхронной машины с короткозамкнутым ротором и фазным ротором; синхронной машины.

5. Изобразите условные графические обозначения электрических машин постоянного и переменного тока.

6. Составьте уравнение электрического состояния цепи якоря генератора постоянного тока.

7. Проанализируйте внешние характеристики генератора постоянного тока: какая из схем возбуждения генератора обеспечивает наименьшее изменение его выходного напряжения при изменении тока нагрузки? 8. Составьте уравнение электрического состояния одной фазы синхронного генератора.

От чего зависит частота напряжения синхронных генераторов? 10. Чем объясняется: а) возрастающая внешняя характеристика синхронного генератора при емкостном характере нагрузки; б) падающая при. индуктивном характере нагрузки?

11. Где применяют электромашинные усилители? преобразователи? тахогенераторы? Какие из перечисленных машин используются в вашей профессии?

12. Как сохраняется условие устойчивости в работе электродвигателей, имеющих механические характеристики, представленные на рис. 174?

13. Запишите уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока. Какая схема возбуждения применяется для: а) подъемного крана; б) транспортного средства (трамвая, электровоза и др.)?

14. Проведите аналогию между асинхронным двигателем и трансформатором. 15. Как изменить направление вращения ротора асинхронного двигателя?

16. Что называют скольжением асинхронного двигателя?

17. Зачем при пуске асинхронных двигателей с фазным ротором в цепь ротора вводится добавочное сопротивление R_д? Постройте механические характеристики для разных R_д.

18. Из энергетической диаграммы асинхронного двигателя запишите выражение электромагнитной мощности P_эм, передаваемой от статора к ротору.

19. Поясните принцип работы ротора однофазного асинхронного двигателя с малым и повышенным сопротивлением обмотки ротора.

20. Перечислите типы электродвигателей малой мощности. Что понимают под "универсальностью» двигателя?

21. Из какого материала выполняются роторы синхронного реактивного, гистерезисного, реактивно-гистерезисного микроэлектродвигателей? Нарисуйте петлю гистерезиса материала ротора для каждого типа синхронных электродвигателей малой мощности и особенности их конструкции.

22. Каково назначение информационных электрических машин?

23. Объясните особенности применения сельсинов. Сравните по рисункам в учебнике работу сельсинов в индикаторном и трансформаторном режимах. В каком случае достигается более высокая точность?