Литература / Фалк_Арменский_ЭлектромеханическиеУстройстваАвтоматики_2002

–2–

УДК 681.58 ББК 32.965 А83

Рецензенты: докт.техн.наук В.М.Рыбин (Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет)); канд.техн.наук Б.А.Протасевич (Московский государственный университет печати)

Электромеханические устройства – это класс технических средств автоматики, в основе работы которых лежит электромеханическое преобразование энергии и сигналов. Подавляющее большинство электромеханических устройств составляют электромашинные устройства.В учебном пособии рассмотрены конструкция, физические процессы и вопросы теории различных электромашинных устройств,особое внимание уделено их статическим и динамическим характеристикам.

Для студентов,обучающихся по специальностям: управление и информатика в технических системах,автоматизация производственных процессов.

УДК 681.58 ББК 32.965

Арменский Е.В. Фалк Г.Б.

–3–

ВВЕДЕНИЕ

Общие сведения об электромеханических устройствах автоматики

Электромеханические устройства – это класс технических средств автоматики, в основе работы которых лежит электромеханическое преобразование энергии и сигналов. В таких устройствах электромеханическое преобразование как правило сопровождается электромагнитным преобразованием энергии.

Электромагнитные устройства – это класс технических средств автоматики, в основе работы которых лежит электромагнитное преобразование энергии и сигналов.

Как и всякая классификация, эта классификация в определённой мере условная. Контактные реле имеют подвижные части, но рассматривают их обычно в теории электромагнитных устройств. Трансформаторы не имеют подвижных частей, но рассматривают их обычно в теории электромашинных устройств.

Подавляющее большинство электромеханических устройств составляют электромашинные устройства.

Электромашинные устройства – это класс технических средств, включающий в себя как классические электрические машины (двигатели, генераторы), так и специальные устройства, выполненные на базе электрической машины и предназначенные для различных функциональных преобразований в системах автоматического управления.

Электрическая машина – это электромеханический преобразователь энергии, состоящий из ряда взаимодействующих электромагнитных контуров, часть из которых неподвижна, а часть перемещается. Электрическая машина является обратимой, т.е. может работать в двух основных режимах: двигателя – преобразователя электрической энергии в механическую, и генератора – преобразователя механической энергии в электрическую. Кроме этого, возможны специальные тормозные режимы работы электрической машины.

В большинстве электрических машин, в том числе в двигателях, перемещение контуров вращательное. Вращающиеся двигатели просты по конструкции и надёжны в эксплуатации. Однако, если в технологическом оборудовании происходит поступательное движение, к двигателю подсоединяют механический преобразователь вращательного движения в поступательное. Это усложняет схему привода. Без механического преобразователя можно обойтись, если сам двигатель будет преобразовывать электрическую энергию в механическую поступательного движения. Такие двигатели называют линейными.

–4–

Классификация электрических машин.По выходной мощности

электрические машины можно разделить на следующие группы: микромашины – до 0,75 кВт, машины малой мощности – от 0,75 до 10 кВт, машины средней мощности – от 10 кВт до сотен киловатт, машины большой мощности – более сотен киловатт.

По частоте вращения машины подразделяются на тихоходные – с частотой вращения до 300 об/мин, средней быстроходности – 300-1500 об/мин, быстроходные – 1500-6000 об/мин и сверхбыстроходные – свыше 6000 об/мин. Частота вращения электрических машин (об/мин) является широко используемой на практике величиной. Однако при изложении теоретических разделов в учебнике используется другая величина – угловая скорость (рад/с), входящая в систему единиц СИ.

По степени защиты от внешних воздействий конструктивное выполнение электрических машин может быть защищённое, брызгозащищённое, каплезащищённое, водозащищёное, пылезащищённое, закрытое, герметичное и взрывозащищённое. Например, машины защищённого выполнения могут устанавливаться только в закрытых помещениях, т.к. не имеют защитных приспособлений от попадания дождя внутрь машины. В то же время герметичные машины выполняются с особо плотной изоляцией внутреннего пространства от окружающей среды и могут работать под водой, в газовых камерах.

По способу охлаждения различают машины с естественным и искусственным охлаждением. Охлаждение необходимо для предотвращения недопустимого нагрева, вызываемого потерями мощности в электрической машине. Электрические микромашины обычно охлаждаются за счёт естественного теплообмена с окружающей средой (естественное охлаждение). Машины большей мощности имеют искусственное охлаждение, в основном воздушное. Искусственное охлаждение бывает двух типов: а) самовентиляция, когда охлаждение осуществляется вентилятором, насаженным на вал самой машины; б) независимая вентиляция, когда охлаждающий воздух продувается через машину или на поверхность машины вспомогательным вентилятором. Жидкостное охлаждение применяется только в машинах большой мощности.

Классификация по функциональному признаку существенно связана с уровнем мощности машин. Среди электромашинных устройств автоматики значительную долю составляют электрические микромашины. Поэтому в качестве примера рассмотрим функциональную классификацию микромашин, определяющую их назначение и области применения.

Электрические микромашины можно подразделить на две группы: 1) общего назначения; 2) автоматических систем и приборов.

–5–

–6–

–7–

Электрические микромашины общего назначения – это в основном микродвигатели (рис. В.1), работающие от сети трёхфазного и однофазного переменного тока или от сети постоянного тока и предназначенные для привода, чаще всего нерегулируемого, различных узлов и механизмов.

Электрические микромашины автоматических систем и приборов (рис. В.2) делятся на четыре подгруппы: 1) силовые микромашины, преобразующие электрический сигнал в механический; 2) информационные микромашины, преобразующие механический сигнал (угол поворота, угловую скорость и угловое ускорение) в электрический сигнал; 3) гироскопические микромашины – элементы гироскопических устройств и приборов; 4) преобразователи значения и вида напряжения, частоты и усилители мощности. В настоящем учебном пособии наиболее подробно рассматриваются микромашины первой, второй и четвёртой подгрупп, составляющие основу класса технических средств, называемых электромеханическими устройствами автоматики.

Основные требования, предъявляемые к электрическим микромашинам, разделяются на две группы:

1.Общие требования, не связанные с конкретными условиями эксплуатации и областью применения. Для электрических микромашин общего применения основными требованиями являются высокие энергетические показатели – коэффициент полезного действия и коэффициент мощности; длительный срок службы; низкая стоимость; простота конструкции и технологии изготовления; ремонтопригодность. Для электрических микромашин автоматических систем и приборов эти требования не являются решающими. Основные требования к информационным микромашинам – высокая точность преобразования и стабильность характеристик. Силовые микромашины и преобразователи наряду с достаточной точностью и быстродействием должны иметь хорошие энергетические показатели. Практически ко всем микромашинам автоматических систем и приборов предъявляется требование высокой надёжности, т.е. способности безотказно работать в течение заданного времени и при определённых условиях эксплуатации.

2. Требования, предъявляемые в зависимости от области применения и условий эксплуатации: минимальные габаритные размеры и масса при заданных выходных параметрах – для микромашин бортовой аппаратуры, подвижных частей промышленных роботов; устойчивость к вибрации и ударным нагрузкам - для транспортных и сельскохозяйственных машин, бортовой аппаратуры; климатическая и радиационная устойчивость – для микромашин, работающих в ядерных реакторах, на космических аппаратах и в условиях тропического климата; взрывобезопасность – для микромашин шахтного и рудничного оборудования; низкий уровень создаваемых шумов

– для микромашин звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуры; низкий уровень излучаемых радиопомех – для микромашин,

–8–

работающих в комплекте с электронной аппаратурой; низкий уровень газовыделений – для микромашин, применяемых в вакуумном технологическом оборудовании.

–9–

ГЛАВА 1 . ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. В большинстве случаев их используют для повышения или понижения напряжения при неизменной частоте и числе фаз и лишь в некоторых случаях – для преобразования числа фаз или удвоения и утроения частоты.

§ 1.1. Конструкция и принцип действия трансформаторов

Трансформаторы различают:

по уровню мощности – малой мощности, с номинальной мощностью 5 кВ А и ниже у трехфазных и 4 кВ А и ниже у однофазных; силовые однофазные и трехфазные трансформаторы большей мощности;

по назначению – силовые трансформаторы систем энергоснабжения, предназначенные для преобразования электрической энергии с целью ее передачи и распределения с наилучшими технико-экономическими показателями; трансформаторы питания – трансформаторы малой мощности, предназначенные для преобразования напряжения электрических сетей в напряжение, необходимое для питания электронной аппаратуры, маломощного электрического оборудования и бытовых устройств, статических преобразователей энергии и т.д.; измерительные трансформаторы, расширяющие пределы измерения амперметров, вольтметров и ваттметров переменного тока; импульсные трансформаторы, предназначенные для формирования, передачи и преобразования импульсных сигналов;

по числу фаз – одно- и трехфазные; трансформаторы с числом фаз более трех встречаются только в некоторых специальных схемах;

по числу обмоток в фазе – двух- и многообмоточные. Трансформаторы выполняют либо с воздушным, либо с масляным

охлаждением; каждый из способов может быть либо с естественным теплообменом, либо с принудительной вентиляцией. В автоматических системах наиболее распространены однофазные и трехфазные трансформаторы питания малой мощности с воздушным охлаждением.

Конструкция однофазных трансформаторов питания. Основные части трансформаторов – обмотки, осуществляющие электромагнитное преобразование энергии, и магнитопровод (магнитная система), выполненный из ферромагнитного материала и предназначенный для локализации магнитного потока и усиления электромагнитной связи обмоток. Магнитопровод трансформаторов малой мощности изготавливают

–10–

из листовой или ленточной электротехнической стали толщиной 0,1 - 0,35 мм.

Рис. 1.1

В зависимости от конфигурации магнитопровода различают трансформаторы стержневого, броневого и кольцевого типов. Конструктивные схемы таких двухобмоточных трансформаторов с ленточным магнитопроводом представлены соответственно на рис. 1.1, а-в. Магнитопровод 1 навивают из узкой ленты на станках; при этом магнитопровод броневого типа (рис. 1.1, б) собирают из двух магнитопроводов стержневого типа. Слои ленты изолируют друг от друга тонким слоем окисла, пленкой лака или бумагой с целью уменьшения вихревых токов, наводимых в магнитопроводе переменным магнитным потоком. Навитые магнитопроводы трансформаторов стержневого и броневого типов разрезают на две половины по линии А-А для создания возможности монтажа на них заранее намотанных обмоток. После монтажа обмоток половины вновь соединяют и плотно стягивают специальными обжимами. Использование ленты, нарезанной вдоль направления наибольшей магнитной проницаемости материала, позволяет создавать магнитопроводы на всех участках которых магнитный поток идет по пути наименьшего магнитного сопротивления материала. Участки магнитопровода, на которых расположены обмотки, называют стержнями, остальные участки – ярмом. Для обеспечения постоянной магнитной индукции по всему магнитопроводу у трансформаторов броневого типа ширина центрального стержня в два раза больше, чем боковых участков ярма.

Обмотка трансформатора – это совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС витков. Обмотки 3, 4 трансформаторов стержневого и броневого типов представляют собой катушки, намотанные из изолированного провода, в большинстве случаев медного, на изолирующий каркас 2 или гильзу. Отдельные слои проводов изолируют друг от друга тонкой межслойной изоляцией из специальной бумаги или ткани, пропитанной лаками; между обмотками прокладывают более толстую межобмоточную изоляцию. Обмотки трансформатора, к