|
СХЕМЫ---->
Полезная схемотехника. статьи № 1-50---->
Полезная схемотехника. статьи № 51-100
Заторможенные режимы электродвигателей в устройствах автоматики.
А.Симкин
По существующим в электротехнике представлениям, электродвигатель, имеющий обмотку ротора, после подачи на него питающих напряжений нельзя тормозить (останавливать) внешней силой.
Это справедливое положение имеет некоторые интересные исключения. При определенных условиях питаемый электрическим током двигатель может быть заторможен внешней силой; при этом заторможенный электродвигатель создает статический вращающий момент, равный по величине его номинальному динамическому вращающему моменту, а нагрев обмоток не превышает нормального рабочего нагрева, соответствующего режиму вращения с номинальной скоростью при номинальной механической нагрузке.
Как известно, сила тока I в обмотке ротора коллекторного электродвигателя, работающего в двигательном режиме, определяется по следующему уравнению:
I=(U-E)/R (1)
где U — напряжение, подаваемое на обмотку ротора, В;
Е — противо-ЭДС, образующаяся в обмотке ротора при его вращении, В;
R — омическое сопротивление обмотки ротора, Ом.
Поскольку в заторможенном режиме Е = 0, то, как вытекает из выражения (1), ток I будет максимальным и, следовательно, будет представлять собой ток короткого замыкания Iк, во много раз превышающей номинальное значение. Например, коллекторный электродвигатель постоянного тока П12 в обычном режиме работы потребляет ток, сила которого равна 11,8 А при номинальной скорости вращения 3000 об/мин и номинальном вращающем моменте 32 кгс•см. В заторможенном же режиме сила тока равна 109 А. При этом электродвигатель быстро перегревается и выходит из строя.
Чтобы обеспечить работу электродвигателя в заторможенном режиме, на ротор подается напряжение U' не номинальной величины, а меньшее, вычисленное в вольтах по формуле:
U'=R•Iн (2)
где Iн—номинальный ток в обмотке ротора, т. е. ток при номинальной механической нагрузке и номинальной скорости вращения, А.
Если напряжение U' подать на обмотку ротора электродвигателя, работающего в двигательном режиме, то в нем установится небольшой ток и, соответственно, малые скорость вращения и вращающий момент.
Однако если электродвигатель заторможен внешней силой, то в обмотке ротора устанавливается ток короткого замыкания. Так как напряжение U' вычислено по формуле (2), то ток короткого замыкания Iк будет равен номинальному току Iн. При этом, поскольку вращающий момент электродвигателя в конечном счете зависит от взаимодействия магнитных полей токов ротора и статора, вращающий момент электродвигателя в заторможенном режиме равен номинальному вращающему моменту двигательного режима. Так как в этом случае ток в обмотке ротора устанавливается равным номинальному, то, следовательно, температура нагрева коллекторного электродвигателя остается в пределах нормы.
В соответствии с изложенным, в заторможенном режиме принципиально могут работать электродвигатели любой мощности.
На базе заторможенных коллекторных электродвигателей могут быть построены различные устройства автоматики, например механизмы натяжения материала (проводи, ленты, полотна) при намоточных работах.
На рис. 1 и 2 показаны кинематическая и электрическая схемы механизма натяжения станка для намотки ленточных сердечников трансформаторов.
Рис. 1. Кинематическая схема механизма натяжения намоточного станка
Рис. 2. Электрическая схема механизма натяжения
В механизме натяжения бобина 3 со стальной лентой жестко связана с валом электродвигателя натяжения 5.
Питание якоря Я электродвигателя натяжения 5 осуществляется через эмиттерный повторитель на составном транзисторе (Т1, Т2). Регулирование тока якоря производится с помощью реостата R1, включенного в базовую цепь транзистора Т1 и связанного с бобиной 3. Напряжение питания якоря устанавливается значительно ниже номинального на основании выражения (2) и условия непревышения допустимого напряжения выходного транзистора Т2.
Начальный уровень силы натяжения обеспечивается подачей соответствующего уровня напряжения питания обмотки возбуждения ОВ с помощью автотрансформатора Тр по измерительному прибору ИП1, проградуированному в значениях силы натяжения.
В процессе намотки сердечника трансформатора 6 стальная лента сматывается с бобины 3, вращая ее вместе с валом электродвигателя 5. Направление вращающего момента электродвигателя 5 противоположно направлению рабочей подачи ленты в процессе намотки. Это создает натяжение ленты.
По мере намотки сердечника 6 диаметр бобины 3 уменьшается, и следящий рычаг 2 поворачивает рукоятку реостата 1 (резистор R1) так, что его сопротивление увеличивается, а ток базы входного транзистора Т1 уменьшается. В результате ток, протекающий через якорь электродвигателя 5, и тормозной момент двигателя уменьшаются. При одновременном уменьшении диаметра бобины 3 сила натяжения ленты, определяемая отношением тормозного момента к диаметру бобины, сохраняется практически постоянной.
Для увеличения силы натяжения в механизме может быть дополнительно применен редуктор усиления 4, малая шестерня которого надевается на вал электродвигателя натяжения 5, а большая — на ось бобины 3.
Следует отметить, что при работе заторможенного коллекторного электродвигателя в механизме натяжения ротор не остается неподвижным, а получает принудительное вращение от материала намотки (ленты, проволоки), что переводит электродвигатель в генераторный режим работы. В этом случае в роторе наводится некоторая ЭДС, обратная по знаку противо-ЭДС в двигательном режиме, ЭДС генераторного режима теоретически должна увеличить ток короткого замыкания в якоре. Однако вследствие относительно невысокой скорости принудительного вращения ротора величина наводимой ЭДС весьма незначительна и на практике не влияет на силу тока короткого замыкания в якоре.
Исполнительными электродвигателями натяжения могут быть любые коллекторные электродвигатели постоянного тока ПЛ, СЛ, П, МИ и др.
Датчик 1 диаметра бобины (резистор R1) — потенциометр любого типа (СП-1, ППБ-1 и др.).
Резистор R2 обеспечивает снижение до минимума начального (нулевого) тока через якорь Я электродвигателя. В зависимости от сопротивления якоря и типов примененных транзисторов Т1 и Т2 сопротивление резистора R2 может несколько варьироваться. Оптимальное сопротивление резистора R2 подбирается с помощью миллиамперметра, включенного в цепь якоря Я.
Измерительным прибором ИП1 может быть гальванометр (микроамперметр- и миллиамперметр) любого типа, например М24, М362 и др.
Резистор R3 служит для калибровки прибора ИП1 на верхнем пределе силы натяжения.
Регулирование тока возбуждения с помощью автотрансформатора целесообразно производить при использовании электродвигателей с силой тока возбуждения более 0,2—0,3 А. При меньших силах тока возбуждения регулирование можно производить реостатом.
Недостатком механизма натяжения на коллекторном электродвигателе является относительно высокая инерционность вследствие большой массы якоря. Поэтому такой механизм рекомендуется применять при скорости подачи наматываемого материала не выше 1—2 м/с.
Другой тип электродвигателей, которые могут быть использованы в заторможенном режиме,— двухфазные бесколлекторные асинхронные электродвигатели с полым ротором (АДП, ДИД, ЭМ и др.) Достоинством их является малая инерционность. Электродвигатели с полым ротором допускают работу в заторможенном режиме без снижения уровня питающих напряжений, т. е. при номинальных питающих напряжениях. Наиболее мощные электродвигатели этого типа рекомендуется снабдить радиаторами охлаждения.
В табл. 1 приведены важнейшие технические характеристики некоторых электродвигателей АДП.
Таблица 1
На рис. 3 и 4 показан пример использования заторможенного электродвигателя АДП в механизме натяжения тонкого провода при намотке катушек трансформаторов, дросселей и т. п.
В механизме натяжения шкив 1 жестко закреплен на валу электродвигателя 2. Провод намотки 3 одним витком охватывает шкив 1. Направление вращающего момента электродвигателя 2 противоположно направлению рабочей подачи провода 3 при намотке, что создает натяжение провода. Величина силы натяжения устанавливается реостатом R2 по амперметру ИП1, проградуированному в значениях силы натяжения. Такой механизм обеспечивает постоянство силы натяжения провода без автоматического регулирования.
Емкость фазосдвигающего конденсатора С1 (см. рис. 5) определяется из табл. 1 или из справочника — при использовании других типов двигателей. Тип конденсатора— МБГЧ, МБМ и др., рабочее напряжение — не менее 250 В.
Рис. 5. Налаживание механизма натяжения
Сопротивление потенциометра R2 уточняется в зависимости от типа примененного электродвигателя. Тип потенциометра — ППБ-25, РП-25 и др., мощность — не менее 25 Вт.
Резистор R1 служит для калибровки прибора ИП1 на верхнем пределе силы натяжения.
Налаживание механизма натяжения, приведенного на рис. 4 и 5, сводится к следующему.
Перед включением механизма под напряжение для защиты гальванометра ИП1 движок резистора R1 следует поставить в крайнее нижнее положение (максимальное сопротивление). Если монтаж электрической схемы выполнен правильно, исполнительный электродвигатель натяжения 2 сразу начинает вращаться (когда провода нет). Скорость вращения должна плавно регулироваться ручкой «Уровень силы натяжения». При этом направление вращения должно быть противоположным направлению подачи провода намотки — как показано круговыми стрелками на рис. 4. Если это условие не выполняется, следует поменять местами подводящие провода питания обмотки управления.
Далее следует произвести градуировку гальванометра ИП1.
На шкив 1 в специальном отверстии закрепить прочную нить или капроновую леску длиной 50—80 см, к свободному концу которой привязать лёгкий самодельный крючок, сделанный, например, из канцелярской скрепки, как показано на рис. 5. Затем в зависимости от максимальной силы натяжения, на которую рассчитан механизм натяжения, на крючок с помощью петли подвесить гирю подходящей массы. Ручку «Уровень силы натяжения» поставить в положение, соответствующее минимальному току в обмотке управления. Затем, медленно поворачивая ручку, плавно увеличивать ток в обмотке- управления до тех пор, пока гиря не начнет медленно подниматься вверх, т. е. механизм натяжения будет обеспечивать требуемую в данном случае силу. После этого необходимо реостатом R1 установить стрелку гальванометра на максимальную риску шкалы.
Затем ручку «Уровень силы натяжения» следует вновь установить в положение минимального тока в обмотке управления, а к крючку подвесить другую гирю (или набор гирь) — в зависимости от принятой цены деления шкалы. Вновь, плавно вращая ручку «Уровень силы натяжения», добиться легкого трогания гирь вверх.
Аналогично произвести градуировку всей шкалы гальванометра, записывая вес гирь и соответствующие ему положения стрелки гальванометра ИП1.
После этого нужно осторожно вскрыть гальванометр, с его шкалы смыть растворителем посторонние цифры и знаки и тушью нанести новую градуировку (для простоты можно новую градуировку не наносить, а составить пересчетную градуировочную таблицу или график).
Следует иметь в виду, что сила, создаваемая механизмом натяжения и, соответственно, его градуировка, прямо зависят от диаметра шкива 1.
В соответствии с этим для градуировки механизма натяжения (см. рис. 1 и 2) следует изготовить градуировочный шкив, диаметр которого должен соответствовать максимальному диаметру бобины 3. При градуировке этот шкив жестко закрепляется на валу электродвигателя 5 вместо бобины 3.
В настоящей статье описаны два примера использования заторможенных электродвигателей. Читатели, познакомившись с интересным свойством электродвигателей— принципиальной возможностью работать неограниченно долго в заторможенном режиме без перегрева и с сохранением номинального вращающего момента, могут предложить и другие применения заторможенных электродвигателей.
ЛИТЕРАТУРА
Акимов М. И. и др. Оборудование для намотки дросселей и трансформаторов медной фольгой и лентой.— Электронная техника. Сер. 5. Радиодетали и радиокомпоненты, 1977, вып. 5 (24), с. 98—102.
Еромолин Н.П. Электрические машины малой мощности.— М., Высшая школа, 1967, с. 603.
Лопухина Е. М., Соломихина Г. С. Асинхронные микромашины с полым ротором.— М., Энергия, 1967, с. 488.
Симкин А.М. Устройство натяжения на заторможенном коллекторном электродвигателе.— Электронная техника. Сер. 5. Радиодетали и радиокомпоненты, 1979, вып. 2 (33), с. 91—94.
|
