Самостоятельная работа №5 Тема: «Регулирование частоты

Самостоятельная работа №5
Тема: «Регулирование частоты вращения. ИМ з двигателем переменного тока. Лопастные,
поршневые, мембранные ИМ. Золотник, клапан, кран.»
Исполнительные двигатели переменного тока
Асинхронные двухфазные электродвигатели в настоящее время являются наиболее
распространёнными исполнительными двигателями переменного тока. Принципиальная схема двигателя
схематично представлена на рис.3. Электродвигатель имеет две общие обмотки, расположенные в пазах
статора. Обмотка 1 называется главной (обмоткой возбуждения) и постоянно находится под напряжением. На
другую обмотку 2 (обмотка управления) напряжение через
управляющий усилитель 3 подаётся лишь тогда, когда
требуется привести вал 4 двигателя во вращение. От
величины напряжения на обмотке управления зависит
скорость вращения и механическая мощность, развиваемая
электродвигателем.
Для создания вращающегося магнитного поля
главная и управляющая обмотки сдвинуты относительно
друг друга на 90°. Обе обмотки обычно выполняются с
одинаковым количеством витков. Но в тех случаях, когда
необходимо уменьшить потребляемую мощность на
управление двигателем, число витков управляющей обмотки
Рис. 3
по сравнению с обмоткой возбуждения увеличивается в 2–3
раза.
Различают два вида исполнения двухфазных асинхронных двигателей: с короткозамкнутым
ротором типа "беличья клетка" и полым немагнитным ротором.
Асинхронные двухфазные исполнительные двигатели с ротором типа "беличья клетка" имеют
такую же конструкцию и принцип действия, как и трёхфазные асинхронные двигатели с аналогичным
ротором. Современная технология позволяет изготовить такие двигатели с очень небольшим воздушным
зазором 0,03 – 0,05 мм и высокими энергетическими показателями. Однако у таких двигателей большой
момент инерции ротора. Технические характеристики некоторых асинхронных двигателей с ротором типа
"беличьей клетки" приведены в табл.2.1.
Если ротор разделить на магнитопроводящую и электропроводящую части и первую сделать
неподвижной, а вторую - в виде вращающегося полого цилиндра, получим асинхронный двухфазный
двигатель с полым немагнитным ротором (АДП).
Конструктивное устройство такого двигателя
схематично показано на рис.4. Магнитопровод внешнего
статора 1, закрепленный в корпусе 8, набирают из листов
электротехнической стали. В пазах статора располагаются две
обмотки (возбуждения и управления), сдвинутые на 90°.
Магнитопровод внутреннего статора 4 набирают из
листов электротехнической стали на цилиндрическом выступе
5 одного из подшипниковых щитов. Этот Магнитопровод
служит для уменьшения магнитного сопротивления при
прохождении основного магнитного потока через воздушный
зазор.
В воздушном зазоре между внешним и внутренним
статором находится полый ротор 3, выполненный в виде
тонкостенного стакана из немагнитного материала, чаще всего
из сплава алюминия и бронзы. Дно ротора жёстко укрепляют
Рис. 4
на валу 6, который вращается в подшипниках 7.
Принцип действия двигателя с полым немагнитным ротором состоит в следующем. Переменный
ток, протекая по обмоткам статора, создаёт вращающееся магнитное поле, которое, пересекая полый ротор,
наводит в нём вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем
возникает момент, который, действуя на ротор, увлекает его в сторону поля.
Однако ротор имеет очень малую массу и, следовательно, незначительный момент инерции, что
положительно сказывается на быстродействии двигателя.
к.п.д., а также менее надёжны при высоких температурах и вибрациях.
Т.о., двухфазный асинхронный двигатель в первом случае – апериодическое звено, во втором –
последовательное соединение апериодического и интегрирующего звеньев.
Асинхронные двигатели вращательного типа просты по конструкции, надёжны в эксплуатации,
имеют хорошие рабочие характеристики. 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 называются линейными.
В простейшем случае линейный асинхронный двигатель можно получить, если двигатель с полым
немагнитным ротором разрезать по диаметру и развернуть на плоскости. При этом магнитное поле получается
не вращающимся, а бегущим, и электрическая энергия преобразуется в механическую поступательного
движения.
Схема линейного асинхронного двигателя представлена на рис.5а.
Плоский магнитопровод статора 1 длиной lc собран из листовой электротехнической стали. В пазах
статора расположена трёхфазная обмотка 2 с числом пар полюсов Р. Плоский магнитопровод статора 4,
собранный из листовой электротехнической стали, играет роль ярма, по которому замыкается магнитный
поток. Подвижная часть линейного двигателя 3 называется ротором и представляет собой металлическую
полосу из меди или алюминия.
При подключении обмотки статора к трехфазной сети переменного тока с частотой f1 обмотка
Рис. 5
создает линейно - перемещающееся магнитное поле Ф (рис.5.б). За один период тока поле перемещается в
V1 
lc
f1
p .
пределах статора, занимаемого одной парой полюсов. Линейная скорость поля
Магнитное поле Ф наводит э.д.с. е2 в роторе. Э.д.с. е2 показана на двух условно выделенных из
полосы ротора проводников. Под действием е2 в роторе проходит ток i2 , взаимодействующий с полем Ф. На
каждый условный проводник действует электромагнитная сила F. Сумма всех сил F представляет собой
тяговую силу линейного двигателя Ртяг, заставляющую ротор перемещаться вслед за полем со скоростью V2.
Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей
Частота вращения асинхронного двигателя
n = n1 (1 – s) = (60f1/p) (1-s) (85)
Из этого выражения видно, что ее можно регулировать, изменяя частоту f1 питающего напряжения,
число пар полюсов р и скольжение s. Последнее при заданных значениях момента на валу М вн и частоты
f1 можно изменять путем включения в цепь обмотки ротора реостата.
Рис. 6. Схема переключения катушек обмотки статора (одной фазы) для изменения числа полюсов:
а — при четырех полюсах; б — при двух полюсах
Регулирование путем изменения частоты питающего напряжения. Этот способ требует
наличия преобразователя частоты, к которому должен быть подключен асинхронный двигатель. На основе
управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров) созданы статические преобразователи частоты и
построен ряд опытных электровозов и тепловозов с асинхронными двигателями, частота вращения которых
регулируется путем изменения частоты питающего напряжения. Такой способ регулирования частоты
вращения ротора асинхронного двигателя является весьма перспективным.
Регулирование путем изменения числа пар полюсов. Этот способ позволяет получить
ступенчатое изменение частоты вращения. Для этой цели отдельные катушки 1, 2 и 3, 4, составляющие одну
фазу (рис. 6), переключаются так, чтобы изменялось соответствующим образом направление тока в них
(например, с последовательного согласного соединения на встречное). При согласном включении катушек
(рис. 6, а) число полюсов равно четырем, при встречном включении (рис. 6, б) — двум. Катушки двух других
фаз, сдвинутые в пространстве на 120°, соединяются таким же образом. Такое же уменьшение числа полюсов
можно осуществить при переключении катушек с последовательного на параллельное соединение. При
изменении числа полюсов изменяется частота вращения n1 магнитного поля двигателя, а следовательно, и
частота вращения n его ротора. Если нужно иметь три или четыре частоты вращения n1, то на статоре
располагают еще одну обмотку, при переключении которой можно получить еще две частоты. Существуют
двигатели, которые обеспечивают изменение частоты вращения n1 при постоянном наибольшем моменте или
при приблизительно постоянной мощности (рис. 7).
В асинхронном двигателе число полюсов ротора должно быть равно числу полюсов статора. В
короткозамкнутом роторе это условие выполняется автоматически и при переключении обмотки статора
никаких изменений в обмотке ротора выполнять не требуется.
Рис. 7. Механические характеристики двухскоростных асинхронных двигателей с постоянным
наибольшим моментом (а) и постоянной мощностью (б)
Рис. 8. Механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании частоты
вращения путем включения реостата в цепь обмотки ротора
Рис. 9. Схемы подключения асинхронного двигателя к сети при изменении направления его вращения
В двигателе же с фазным ротором в этом случае надо было бы изменять число полюсов обмотки
ротора, что сильно усложнило бы его конструкцию, поэтому такой способ регулирования частоты вращения
используется только в двигателях с короткозамкнутым ротором. Такие двигатели имеют большие габаритные
размеры и массу по сравнению с двигателями общего применения, а следовательно, и большую стоимость.
Кроме того, регулирование осуществляется большими ступенями; при частоте f1 = 50 Гц частота вращения
поля n1 при переключениях изменяется в отношении 3000:1500:1000:750.
Регулирование путем включения в цепь ротора реостата. При включении в цепь обмотки ротора
реостата с различным сопротивлением (Rп4, RпЗ, Rп2 и т. д.) получаем ряд реостатных механических
характеристик 4, 3 и 2 двигателя. При этом некоторому нагрузочному моменту М ном (рис. 268) будут
соответствовать меньшие частоты вращения n4, n3, n2 и т. д., чем частота nе при работе двигателя на
естественной характеристике 1 (при Rп = 0). Это способ регулирования может быть использован только для
двигателей с фазным ротором. Он позволяет плавно изменять частоту вращения в широких пределах.
Недостатками его являются большие потери энергии в регулировочном реостате, поэтому его используют
только при кратковременных режимах работы двигателя (при пуске и пр.).
Изменение направления вращения. Для изменения направления вращения двигателя нужно
изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Это достигается
изменением порядка чередования тока в фазах обмотки статора. Например, если максимумы токов поступают
в фазы обмотки статора 1 (рис. 269, а) в следующем порядке: фаза А — фаза В — фаза С, то ротор 2 двигателя
будет вращаться по часовой стрелке. Если же подавать их в такой последовательности: фаза В — фаза А —
фаза С, то ротор начнет вращаться против часовой стрелки. Для этой цели необходимо изменить схему
соединения обмоток статора с сетью, переключив две любые фазы (провода). Например, зажим А обмотки
статора, который ранее был соединен с линейным проводом Л1, нужно переключить на провод Л2, а зажим В
этой обмотки, соединенный ранее с Л2, переключить на провод Л1 (рис.9, б). Такое переключение можно
осуществить обычным переключателем.
Поршневые и лопастные ИМ
Принцип действия поршневых исполнительных механизмов основан на перемещении поршня
потоком жидкости, поступающим от гидравлического усилителя. В зависимости от характера движения
выходного вала поршневые исполнительные механизмы могут быть с поступательным и вращательным
движением.
В гидравлических поршневых исполнительных механизмах скорость перемещения поршня
пропорциональна положению управляющего элемента. Поступательное движение поршня может быть
преобразовано во вращательное движение вала с помощью кривошипно-шатунного механизма. Принцип
работы такого поршневого двигателя заключается в следующем. При подаче жидкости, например в левую
полость силового цилиндра, поршень перемещается вправо. Это перемещение с помощью шатуна и
кривошипа приводит к повороту вала на соответствующий угол.
Гидравлический прямоходный исполнительный механизм состоит из цилиндра, крышек, поршня с
прокладками, жестко связанного со штоком 6. Для предотвращения утечек шток уплотняется сальником.
Полости исполнительного механизма соединяются с выходом гидравлического усилителя. Выходом
исполнительного механизма является перемещение штока, который соединен с регулирующим органом.
Направление перемещения поршня зависит от знака перепада давления в полостях.
Существуют также лопастные и шестеренчатые гидравлические механизмы, выходное звено
которых совершает поворот вокруг своей оси. Поворотная лопасть лопастного серводвигателя под действием
разности давлений вращается в корпусе вокруг оси. Угол поворота лопасти ограничен, поэтому
гидродвигатели поворотного действия применяются для управления объектами, движение которых также
ограничено.
Для питания гидравлических регуляторов используют специальный блок питания, состоящий из
шестеренчатого насоса и масляного бака. Гидравлические устройства связаны трубопроводами, по которым
движется рабочая жидкость.
Мощность гидравлических исполнительных механизмов в несколько раз больше, чем
электрических или пневматических, при тех же габарите и массе. Гидравлические исполнительные
механизмы имеют высокое быстродействие, определяемое малой инерцией подвижных частей, и
высоконадежны. Скорость перемещения выходного вала у них легко настраивается в широких пределах без
применения редукторов.
Перспективно использование электрогидравлических автоматических устройств, в которых в
качестве исполнительного механизма используется гидравлический механизм.
Мембранные
Пневматические мембранные исполнительные механизмы. Пневматические средства управления и
регулирования удовлетворяют самым жёстким требованиям пожаро- и взрывобезопасности, могут работать
при наличии агрессивных примесей в окружающей атмосфере и применяются для автоматизации
производственных процессов в химической,
нефтехимической, пищевой и других отраслях
промышленности. В энергетике пневматические
приборы находят применение в системах
управления водоподготовительными установками
ТЭС и АЭС.
На
рисунке
14.3
представлено
устройство
пневматического
клапана.
Исполнительный механизм такого типа имеет
следующий принцип действия. Под действием
давления воздуха Р, подаваемого на мембранный
механизм
сверху,
шток,
преодолевая
противодействие пружины, изменяет положение
затвора, тем самым изменяя проходное сечение
клапана. Степень открытия сечения клапана
пропорциональна
давлению
воздуха
Р,
подаваемого на мембранный механизм.
По своей конструкции подобные
клапаны выпускают двух типов: одно- и
двухседельчатые.
Односедельчатые клапаны (рис. 14.3 а)
имеют одностороннее действие давления среды;
оно выражается в "затягивании" или "отжатии" самого седла при изменении направления движения среды
через регулирующий орган. Такой эффект является нежелательным, так как нарушает процесс регулирования.
Для устранения этого используют двухседельчатый клапан (рис. 14.3 б). Два седла и затворы позволяют
потоку регулируемого газа или жидкости протекать одновременно в противоположных направлениях, в
результате чего регулирующий орган является разгруженным. Его не затягивает потоком, клапан имеет
равномерный ход.
На рисунке 14.4 электрическая схема и общий вид
реверсивного механизма ПР-1М.
Гидравлические
средства
регулирования
используются для построения систем автоматизации
паровых турбин. Широкого применения для автоматизации
производственных процессов в энергетике и теплотехнике
гидравлические приборы не находят. В автоматических
системах регулирования общепромышленного назначения
может оказаться эффективным комбинированный вариант
регулятора с управляющей частью электрической ветви и
гидравлической исполнительной частью. Гидравлические
исполнительные механизмы поршневого типа развивают
большие перестановочные усилия при высокой скорости
перемещения исполнительной части механизма. Для связи
управляющей
и
исполнительной частей
вводится
электрогидравлический преобразователь. Применяются
также комбинированные электропневматические системы.
Золотник
Золотник, золотниковый клапан — устройство, направляющее поток жидкости или газа путём
смещения подвижной части относительно окон в поверхности, по которой она скользит.
Рис. 1. Коробчатый золотник
Коробчатый золотник представляет собой перевёрнутую коробку 1, попеременно перемещаемую
золотниковой тягой 2 вправо и влево по золотниковому зеркалу 3 с прямоугольными окнами 4 и 5. В
зависимости от положения золотника,
окна сообщаются или с замкнутым
пространством
6,
окружающим
золотник и заполненным рабочим
телом, или с полостью 7, соединённой с
атмосферой или конденсатором.
Недостаток
коробчатого
золотника —
неуравновешенность,
вследствие которой рабочее тело сильно
прижимает его к зеркалу, что вызывает
износ трущихся поверхностей и требует
значительных усилий для передвижения
золотника.
Рис. 2. Цилиндрический золотник
Цилиндрический золотник по принципу действия аналогичен коробчатому, но полностью
уравновешен. Такой золотник обычно имеет два
поршня 1 и 2 на общем штоке 3, перемещающихся в
снабжённой окнами втулке 4. В системах
гидравлического регулирования высокой точности
цилиндрическому золотнику иногда сообщают
непрерывное вращательное движение вокруг оси
или колебательное вдоль оси с целью повысить
чувствительность системы путём замены трения
покоя трением скольжения.
На советских паровозах наибольшее
распространение
получил
раздвижной
цилиндрический золотник Трофимова. От обычного
золотника он отличается тем что поршни не
закреплены жёстко на штоке, а могут перемещаться
вдоль него. Максимальное (рабочее) расстояние
между поршнями ограничивается с помощью
упорных шайб.
Рис. 3. Крановый золотник
Такая конструкция позволяет отказаться от специальных устройств беспарного хода (устройств,
снижающих сопротивление перемещению паровоза на выбеге при закрытом регуляторе) — байпассов. При
закрытии регулятора оба поршня золотника смещаются к середине, обеспечивая соединение рабочих объёмов
цилиндра друг с другом через выхлопной коллектор. При открытии регулятора пар раздвигает поршни, и
золотник Трофимова начинает работать как обычный цилиндрический золотник.
Крановый золотник по существу представляет собой коробчатый золотник 1, согнутый вокруг
оси, перпендикулярной направлению его движения, и вставленный в цилиндрическую втулку 2 с двумя
окнами 3 и 4. Качаясь вокруг неподвижной оси 5, золотник сообщает или разобщает окна с камерами 6 и 7.
Клапан
Электромагнитный клапан — эффективное электромеханическое устройство, предназначенное для
регулирования потоков всех типов жидкостей и газов. Он состоит из корпуса, соленоида (электромагнита) с
сердечником, на котором установлен диск или поршень, регулирующий поток.
Принцип действия
На электромагнитную катушку клапана подается электрическое напряжение, после чего магнитный
сердечник втягивается в соленоид, что приводит к открытию либо закрытию клапана. Сердечник помещен
внутри закрытой трубки катушки соленоида — это необходимо для герметичности электромагнитного
клапана.
Устройство
Устройство электромагнитного клапана подобно устройству обычного запорного клапана, однако
открытие либо закрытие электромагнитного клапана осуществляется без механических усилий —
посредством электромагнитной катушки (соленоида) путем подачи на неё электрического напряжения.
Применение
Соленоидный клапан применяется как в сложных технологических процессах, так и в быту. С его
помощью можно дистанционно подать требуемый объём жидкости, пара или газа в нужный момент времени
(подача воды в поливочных системах, регулирование отопительных процессов, обеспечение работы
котельных объектов, в системах дозирования и смешения, а также для слива воды).
Кран
Кран— тип трубопроводной арматуры, у которого запирающий или регулирующий элемент,
имеющий форму тела вращения или его части, поворачивается вокруг собственной оси, произвольно
расположенной по отношению к направлению потока рабочей среды.
Краны могут представлять собой запорные, регулирующие или распределительные устройства и
предназначены для работы с газообразными и жидкими средами, в том числе вязкими и загрязнёнными,
суспензиями, пульпами, шламами. Они используются на магистральных газопроводах и нефтепроводах, в
системах городского газоснабжения, на резервуарах, котлах и в других областях.
Краны обладают рядом достоинств, среди которых:
1. простота конструкции;
2. небольшие габариты;
3. малое время, затрачиваемое на поворот;
4. применимость для вязких и загрязнённых сред.
У различных видов кранов есть и другие достоинства и недостатки, которые будут рассмотрены
ниже.
Управляются краны вручную или с помощью механического привода: электрического, пневмо- и
гидравлического. В шаровых кранах, установленных на магистральных газопроводах используются также
пневмогидравлические приводы, в которых на поршень в цилиндре воздействует жидкость (масло) под
давлением газа, отбираемого из трубопровода, что обеспечивает плавное и безударное срабатывание привода.
По направлению потока краны могут быть проходными, то есть направление потока не меняется,
угловыми, то есть направление потока меняется на 90° и трёхходовыми, то есть иметь один входной и два
выходных патрубка, что позволяет смешивать потоки сред с различными параметрами. Это свойство
трёхходовых кранов используется в сантехнике в устройстве под названием смеситель.
Главные различия в конструкции кранов заключаются в форме затвора, он может быть в виде шара,
конуса или цилиндра. Современным и прогрессивным представителем кранов является шаровой кран,
традиционным, и в силу этого всё еще часто использующимся несмотря на существенные недостатки
конструкции, — конусный кран. Цилиндрические краны имеют крайне ограниченное применение
Это разновидность крана, запирающий или регулирующий элемент которого имеет сферическую
форму. Подвижным элементом (затвором) таких кранов служит пробка сферической формы — шар, по оси
которой выполнено сквозное круглое отверстие для прохода среды. В проходных кранах для полного
закрытия или открытия прохода достаточно повернуть шар на 90°. Диаметр отверстия чаще всего
соответствует внутреннему диаметру трубопровода, на который устанавливается кран, называющийся в этом
случае полнопроходным. Гидравлические потери при проходе рабочей среды через полностью открытый кран
весьма малы, практически такие же как при проходе среды через трубу, равную по длине корпусу крана, что
в разы меньше, чем в задвижках и клапанах. Это ценное качество сделало шаровые краны основным запорным
устройством на линейной части магистральных газопроводов. Однако для уменьшения габаритов и крутящих
моментов, необходимых для управления арматурой, иногда применяются суженные краны. Кроме общих для
кранов, шаровые имеют ряд специфических достоинств, среди которых:
1. весьма малые гидравлические потери;
2. высокая и надёжная герметичность;
3. простая форма проточной части и отсутствие в ней застойных зон;
4. удобное управление.
Сёдла в корпусе выполняются в виде колец из различных видов пластмасс (в основном
фторопласта), что обеспечивает надёжную герметичность, лёгкость и плавность поворота шаровой пробки,
но ограничивают применения таких кранов для сред с температурой не более 200 °C.
Шаровые краны имеют большое разнообразие исполнений, но основные их различия — в
конструкциях запорных органов: с плавающим шаром (для небольших диаметров) и с шаром в опорах