Шаговые двигатели

Шаговые (импульсные) двигатели (ШД) используют обычно в качестве исполнительных двигателей, преобразующих электрические сигналы (импульсы напряжения) в угловые или линейные дискретные (скачкообразные) перемещения (шаги). Наибольшее применение ШД получили в электроприводах с программным управлением.

Различают шаговые двигатели с активным (возбужденным) и реактивным ротором. Шаговые двигатели с активным рото­ром имеют обмотку возбуждения или выполнены с постоянными магнитами на роторе; шаговые двигатели с реактивным ротором не имеют обмотки возбуждения, а их ротор выполняют из магнитно-мягкого материала. Обмотку управления ШД обычно располагают на статоре и делают одно- или многофазной (чаще трех- или четырехфазной).

Рассмотрим принцип действия шагового двигателя на примере реактивного трехфазною ШД, статор которого имеет шесть явно выраженных полюсов (по два полюса на фазу), а ротор — два по­люса (рис. 23.9).

Рис 23.9. Принцип действия реактивного шагового двигателя

При прохождении импульса тока в фазе 1 обмотки управления ротор занимает положение, соответствующее действию электро­магнитных сил, т. е. по оси полюсов 1—1. В момент времени появится импульс тока в фазе 2. При этом на ротор будут действо­вать силы, обусловленные одновременным воздействием двух МДС (полюсов 1— 1 и 2—2). В результате ротор повернется по часовой стрелке и займет положение, промежуточное между по­люсами 1—1 к 2—2, т. е. повернется на шаг = 30°. В момент импульс тока в фазе 1 прекратится и ротор, сделав шаг = 30°, займет положение по оси полюсов 2—2. В момент появится им­пульс тока в фазе 3 и ротор, повернувшись еще на 30°, займет по­ложение между полюсами статора 2—2 и 3 — 3. В моменты време­ни и ротор также будет совершать шаги по 30° и в конце цикла (момент ) займет положение по оси полюсов статора 1—1, совершив за этот цикл поворот на 180°.

В последующие циклы процессы в ШД будут повторяться. Таким образом, рассматриваемый реактивный трехфазный ШД работает по шеститактной схеме коммутации с раздельно-совместным включением фазных обмоток управления: .

Работают реактивные ШД от однополярных импульсов напряже­ния, так как изменение полярности этих импульсов не изменяет на­правления реактивного момента. Для изменения направления враще­ния ротора рассматриваемого ШД необходимо изменить схему коммутации обмоток, например ...

Если в этом двигателе применить раздельное включение об­моток, т. е. принять схему коммутации 1 2 3 ..., то шаг двигателя = 60°.

Шаг двигателя (град)

, (23.7)

где — число полюсных выступов на роторе; т_у — число фаз­ных обмоток управления, пространственно смещенных относи­тельно друг друга; - коэффициент, определяемый способом включения фазных обмоток управления (при раздельном включе­нии = 1, при раздельно-совместном — = 2).

Уменьшение шага способствует повышению устойчивости и точности работы ШД Для уменьшения шага увеличивают число полюсных выступов на роторе . Так, если в рассматриваемом двигателе применить ротор крестообразного сечения ( =4), то при шеститактной коммутации шаг = 15°.

Шаговые двигатели с активным ротором (с обмоткой возбуждения или постоянными магнитами на роторе) позволяют получить, большие значения вращающего момента, а также обеспечивают фиксацию ротора при отсутствии управляющего сигнала.

Один из важных параметров ШД — частота приемистости - максимальная частота следования управляющих импульсов, при которой ротор втягивается в синхронизм с места без потери шага. У шаговых двигателей реактивного типа частота приемистости при номинальной нагрузке достигает 1000 — 1300 Гц. С увеличе­нием шага частота приемистости уменьшается. Шаговый двигатель работает в комплекте с коммутатором — устройством, преобразующим заданную последовательность управляющих импульсов в -фазную систему прямоугольных импульсов напряжения.

При рассматривании принципа работы шагового двигателя влияние нагрузочного момента на валу двигателя не учитывалось. Если же на вал шагового двигателя действует нагрузочный момент , то при переключении управляющего импульса с одной фазы на другую МДС статора повернется на угол , а ротор двигателя, поворачиваясь за вектором МДС, будет отставать от него на угол называемый углом статической ошибки шагового двигателя, эл. град:

где — максимальный статический момент, соответствующий углу смещения ротора относительно вектора МДС статора = 90 эл. град.

Быстродействие шаговых двигателей определяется скоростью протекания электромагнитных процессов при переключении управляющих импульсов напряжения с одной фазы статора на другую. Скорость протекания этих процессов оценивается элек­тромагнитной постоянной времени, с

,

где — индуктивность обмотки одной фазы статора, Гн; - активное сопротивление обмотки одной фазы статора, Ом.

Для повышения быстродействия шагового двигателя в обмот­ки фаз статора последовательно включают резисторы , тогда

Энергетическим показателем шагового двигателя является значение потребляемой мощности . Частота вращения шагового двигателя регулируется изменением частоты подачи управляющих импульсов напряжения на фазы обмотки статора.

26.Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока.

Принцип действия генератора. Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4, а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e₁ и e₂, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются, результирующая ЭДС е = е₁– е₂.

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 1.5), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под дей­ствием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Рис.1.5

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

27. Устройство коллекторной МПТ. Основные принципиальные и конструктивные части машины: статор, ротор, индуктор, якорь.

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.

К коллекторным машинам постоянного тока относятся двигатель постоянного тока ДПТ и генератор постоянного тока ГПТ которые имеют одинаковую конструкцию и могут заменять друг друга то есть ДПТ может работать как ГПТ и наоборот. Разберем устройство коллекторных машин на примере двигателя постоянного тока.

Коллекторная машина постоянного тока состоит из:

1. Якоря (подвижная часть) который состоит из вала,обмотки якоря, коллектора, двух подшипников и сердечника. Сердечник — это цилиндр из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм покрытых электроизоляционным лаком. Такая сборная конструкция служит для уменьшения вихревых токов. В сердечнике есть пазы в которые вложены пазовые стороны обмотки якоря.

2. Статора (4) (неподвижной части) — станина, главные полюса с полюсными катушками(2,3).

Статор конструктивно может быть выполнен двух видов:

§ сборный — состоит из цельной тянутой трубы и прикреплённым к ней внутри полюсов. Сердечник полюса выполнен в виде стального бруска либо из шихтованных пластин 0,5 — 1 мм. Обмотка полюса намотана вокруг сердечника. Обмотки полюсов соединены между собой последовательно и образуют обмотку возбуждения которая при подключении к источнику постоянного тока создаёт магнитное поле в магнитной системе двигателя.

§ цельный шихтованный - применяется в машинах мощностью 600 Вт и более. Он состоит из из пакета пластин электротехнической стали сложной конфигурации толщиной 0,35 — 0,5 мм.