Принцип работы и устройство электродвигателя: Устройство электромобиля

Содержание

Принцип действия и устройство электродвигателя

Любой электрический двигатель предназначен для совершения механической работы за счет расхода приложенной к нему электроэнергии, которая преобразуется, как правило, во вращательное движение. Хотя в технике встречаются модели, которые сразу создают поступательное движение рабочего органа. Их называют линейными двигателями.

В промышленных установках электромоторы приводят в действие различные станки и механические устройства, участвующие в технологическом производственном процессе.

Внутри бытовых приборов электродвигатели работают в стиральных машинах, пылесосах, компьютерах, фенах, детских игрушках, часах и многих других устройствах.

Основные физические процессы и принцип действия

На движущиеся внутри магнитного поля электрические заряды, которые называют электрическим током, всегда действует механическая сила, стремящаяся отклонить их направление в плоскости, расположенной перпендикулярно ориентации магнитных силовых линий. Когда электрический ток проходит по металлическому проводнику или выполненной из него катушке, то эта сила стремится подвинуть/повернуть каждый проводник с током и всю обмотку в целом.

На картинке ниже показана металлическая рамка, по которой течет ток. Приложенное к ней магнитное поле создает для каждой ветви рамки силу F, создающую вращательное движение.

Это свойство взаимодействия электрической и магнитной энергии на основе создания электродвижущей силы в замкнутом токопроводящем контуре положено в работу любого электродвигателя. В его конструкцию входят:

обмотка, по которой протекает электрический ток. Ее располагают на специальном сердечнике-якоре и закрепляют в подшипниках вращения для уменьшения противодействия сил трения. Эту конструкцию называют ротором;

статор, создающий магнитное поле, которое своими силовыми линиями пронизывает проходящие по виткам обмотки ротора электрические заряды;

корпус для размещения статора. Внутри корпуса сделаны специальные посадочные гнезда, внутри которых вмонтированы внешние обоймы подшипников ротора.

Упрощенно конструкцию наиболее простого электродвигателя можно представить картинкой следующего вида.

При вращении ротора создается крутящий момент, мощность которого зависит от общей конструкции устройства, величины приложенной электрической энергии, ее потерь при преобразованиях.

Величина максимально возможной мощности крутящего момента двигателя всегда меньше приложенной к нему электрической энергии. Она характеризуется величиной коэффициента полезного действия.

По виду протекающего по обмоткам тока их подразделяют на двигатели постоянного или переменного тока. Каждая из этих двух групп имеет большое количество модификаций, использующих различные технологические процессы.

Электродвигатели постоянного тока

У них магнитное поле статора создается стационарно закрепленными постоянными магнитами либо специальными электромагнитами с обмотками возбуждения. Обмотка якоря жестко вмонтирована в вал, который закреплен в подшипниках и может свободно вращаться вокруг собственной оси.

Принципиальное устройство такого двигателя показано на рисунке.

На сердечнике якоря из ферромагнитных материалов расположена обмотка, состоящая из двух последовательно соединенных частей, которые одним концом подключены к токопроводящим коллекторным пластинам, а другим скоммутированы между собой. Две щетки из графита расположены на диаметрально противоположных концах якоря и прижимаются к контактным площадкам коллекторных пластин.

На нижнюю щетку рисунка подводится положительный потенциал постоянного источника тока, а на верхнюю — отрицательный. Направление протекающего по обмотке тока показано пунктирной красной стрелкой.

Ток вызывает в нижней левой части якоря магнитное поле северного полюса, а в правой верхней — южного (правило буравчика). Это приводит к отталкиванию полюсов ротора от одноименных стационарных и притяжению к разноименным полюсам на статоре. В результате приложенной силы возникает вращательное движение, направление которого указывает коричневая стрелка.

При дальнейшем вращении якоря по инерции полюса переходят на другие коллекторные пластины. Направление тока в них изменяется на противоположное. Ротор продолжает дальнейшее вращение.

Простая конструкция подобного коллекторного устройства приводит к большим потерям электрической энергии. Подобные двигатели работают в приборах простой конструкции или игрушках для детей.

Электродвигатели постоянного тока, участвующие в производственном процессе, имеют более сложную конструкцию:

  • обмотка секционирована не на две, а на большее количество частей;
  • каждая секция обмотки смонтирована на своем полюсе;
  • коллекторное устройство выполнено определенным количеством контактных площадок по числу секций обмоток.

В результате этого создается плавное подключение каждого полюса через свои контактные пластины к щеткам и источнику тока, снижаются потери электроэнергии.

Устройство подобного якоря показано на картинке.

У электрических двигателей постоянного тока можно реверсировать направление вращения ротора. Для этого достаточно изменить движение тока в обмотке на противоположное сменой полярности на источнике.

Электродвигатели переменного тока

Они отличаются от предыдущих конструкций тем, что электрический ток, протекающий в их обмотке, описывается по синусоидальному гармоническому закону. периодически изменяющему свое направление (знак). Для их питания напряжение подается от генераторов со знакопеременной величиной.

Статор таких двигателей выполняется магнитопроводом. Его делают из ферромагнитных пластин с пазами, в которые помещают витки обмотки с конфигурацией рамки (катушки).

На картинке ниже показан принцип работы однофазного двигателя переменного тока с синхронным вращением электромагнитных полей ротора и статора.

В пазах статорного магнитопровода по диаметрально противоположным концам размещены проводники обмотки, схематично показанные в виде рамки, по которой протекает переменный ток.

Рассмотрим случай для момента времени, соответствующего прохождению положительной части его полуволны.

В обоймах подшипника свободно вращается ротор с вмонтированным постоянным магнитом, у которого ярко выражены северный «N рот» и южный «S рот» полюса. При протекании положительной полуволны тока по обмотке статора в ней создается магнитное поле с полюсами «S ст» и «N ст».

Между магнитными полями ротора и статора возникают силы взаимодействия (одноименные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются), которые стремятся повернуть якорь электродвигателя из произвольного положения в окончательное, когда осуществляется максимально близкое расположение противоположных полюсов относительно друг друга.

Если рассматривать этот же случай, но для момента времени, когда по рамочному проводнику протекает обратная — отрицательная полуволна тока, то вращение якоря будет происходить в противоположную сторону.

Для придания непрерывного движения ротору в статоре делают не одну обмотку-рамку, а определенное их количество с таким учетом, чтобы каждая их них питалась от отдельного источника тока.

Принцип работы трехфазного двигателя переменного тока с синхронным вращением электромагнитных полей ротора и статора показан на следующей картинке.

В этой конструкции внутри магнитопровода статора смонтированы три обмотки А, В и С, смещенные на углы 120 градусов между собой. Обмотка А выделена желтым цветом, В — зеленым, а С — красным. Каждая обмотка выполнена такими же рамками, как и в предыдущем случае.

На картинке для каждого случая ток проходит только по одной обмотке в прямом или обратном направлении, которое показано значками «+» и «·».

При прохождении положительной полуволны по фазе А в прямом направлении ось поля ротора занимает горизонтальное положение потому, что магнитные полюса статора формируются в этой плоскости и притягивают подвижный якорь. Разноименные полюса ротора стремятся приблизиться к полюсам статора.

Когда положительная полуволна пойдет по фазе С, то якорь повернется на 60 градусов по ходу часовой стрелки. После подачи тока в фазу В произойдет аналогичный поворот якоря. Каждое очередное протекание тока в очередной фазе следующей обмотки будет вращать ротор.

Если к каждой обмотке подвести сдвинутое по углу 120 градусов напряжение трехфазной сети, то в них будут циркулировать переменные токи, которые раскрутят якорь и создадут его синхронное вращение с подведенным электромагнитным полем.

Эта же механическая конструкция успешно применяется в трехфазном шаговом двигателе. Только в каждую обмотку с помощью управления специальным контроллером (драйвером шагового двигателя) подаются и снимаются импульсы постоянного тока по описанному выше алгоритму.

Их запуск начинает вращательное движение, а прекращение в определенный момент времени обеспечивает дозированный поворот вала и остановку на запрограммированный угол для выполнения определенных технологических операций.

В обеих описанных трехфазных системах возможно изменение направления вращения якоря. Для этого надо просто поменять чередование фаз «А»-«В»-«С» на другое, например, «А»-«С»-«В».

Скорость вращения ротора регулируется продолжительностью периода Т. Его сокращение приводит к ускорению вращения. Величина амплитуды тока в фазе зависит от внутреннего сопротивления обмотки и значения приложенного к ней напряжения. Она определяет величину крутящего момента и мощности электрического двигателя.

Эти конструкции двигателей имеют такой же статорный магнитопровод с обмотками, как и в ранее рассмотренных однофазных и трехфазных моделях. Они получили свое название из-за несинхронного вращения электромагнитных полей якоря и статора. Сделано это за счет усовершенствования конфигурации ротора.

Его сердечник набран из пластин электротехнических марок стали с пазами. В них вмонтированы алюминиевые либо медные тоководы, которые по концам якоря замкнуты токопроводящими кольцами.

Когда к обмоткам статора подводится напряжение, то в обмотке ротора электродвижущей силой наводится электрический ток и создается магнитное поле якоря. При взаимодействии этих электромагнитных полей начинается вращение вала двигателя.

У этой конструкции движение ротора возможно только после того, как возникло вращающееся электромагнитное поле в статоре и оно продолжается в несинхронном режиме работы с ним.

Асинхронные двигатели проще в конструктивном исполнении. Поэтому они дешевле и массово применяются в промышленных установках и бытовой домашней технике.

Взрывозащищенный электродвигатель ABB

Многие рабочие органы промышленных механизмов выполняют возвратно-поступательное или поступательное движение в одной плоскости, необходимое для работы металлообрабатывающих станков, транспортных средств, ударов молота при забивании свай …

Перемещение такого рабочего органа с помощью редукторов, шариковинтовых, ременных передач и подобных механических устройств от вращательного электродвигателя усложняет конструкцию. Современное техническое решение этой проблемы — работа линейного электрического двигателя.

У него статор и ротор вытянуты в виде полос, а не свернуты кольцами, как у вращательных электродвигателей.

Принцип работы заключается в придании возвратно-поступательного линейного перемещения бегуну-ротору за счет передачи электромагнитной энергии от неподвижного статора с незамкнутым магнитопроводом определенной длины. Внутри него поочередным включением тока создается бегущее магнитное поле.

Оно воздействует на обмотку якоря с коллектором. Возникающие в таком двигателе силы перемещают ротор только в линейном направлении по направляющим элементам.

Линейные двигатели конструируются для работы на постоянном или переменном токе, могут работать в синхронном либо асинхронном режиме.

Недостатками линейных двигателей являются:

низкие энергетические показатели.

Основные понятия

Наиболее характерное магнитное явление — притяжение магнитом кусков железа — известно со времен глубокой древности. Ещё одной очень важной особенностью магнитов является наличие у них полюсов: северного (отрицательного) и южного (положительного). Противоположные полюса притягиваются, а одинаковые — отталкиваются друг от друга.

Магнитное поле можно условно изобразить линиями в виде магнитного потока, движущегося от северного полюса к южному. В некоторых случаях определить, где северный, а где южный полюс, достаточно сложно.

Вокруг проводника, при пропускании по нему электрического тока, создаётся магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Физические законы одинаковы для магнетизма и электромагнетизма.

Магнитное поле вокруг проводников можно усилить, если намотать их на катушку со стальным сердечником. Когда проводник намотан на катушку, все линии магнитного потока, образуемого каждым витком, сливаются и создают единое магнитное поле вокруг катушки.

Чем больше витков на катушке, тем сильнее магнитное поле. Это поле имеет такие же характеристики, что и естественное магнитное поле, а, следовательно, у него тоже есть северный и южный полюса.

Вращение вала электродвигателя обусловлено действием магнитного поля. Основные части электродвигателя: статор и ротор.

Подвижная часть электродвигателя, которая вращается с валом электродвигателя, двигаясь вместе с магнитным полем статора.

Неподвижный компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Вращение под действием магнитного поля

Преимуществом магнитных полей, которые создаются токопроводящими катушками, является возможность менять местами полюса магнита посредством изменения направления тока. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую.

Одинаковые полюса магнитов отталкиваются друг от друга, противоположные полюса — притягиваются. Можно сказать, что это свойство используется для создания непрерывного движения ротора с помощью постоянной смены полярности статора. Ротором здесь, является магнит, который может вращаться.

Чередование полюсов с помощью переменного тока

Полярность постоянно меняется с помощью переменного тока (AC). Далее мы увидим, как ротор заменяется магнитом, который вращается под действием индукции. Здесь важную роль играет переменный ток, поэтому будет полезно привести здесь краткую информацию о нём:

Под переменным током понимается электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью трёхфазного питания. Это означает, что статор подсоединяется к источнику переменного тока с тремя фазами. Полный цикл определяется как цикл в 360 градусов. Это значит, что каждая фаза расположена по отношению к другой под углом в 120 градусов. Фазы изображаются в виде синусоидальных кривых, как представлено на рисунке.

Трёхфазный переменный ток

Трёхфазное питание — это непрерывный ряд перекрывающихся напряжений переменного тока (AC).

На следующих страницах объясняется, как взаимодействуют ротор и статор, заставляя электродвигатель вращаться.

Для наглядности мы заменили ротор вращающимся магнитом, а статор — катушками. В правой части страницы приведено изображение двухполюсного трёхфазного электродвигателя. Фазы соединены парами: 1-й фазе соответствуют катушки A1 и A2, 2-й фазе — B1 и B2. а 3-й соответствуют C1 и C2. При подаче тока на катушки статора одна из них становится северным полюсом, другая — южным. Таким образом, если A1 — северный полюс, то A2 — южный.

Питание в сети переменного тока

Обмотки фаз A, B и C расположены по отношению друг к другу под углом в 120 градусов.

Количество полюсов электродвигателя определяется количеством пересечений поля обмотки полем ротора. В данном случае каждая обмотка пересекается дважды, что означает, что перед нами двухполюсный статор. Таким образом, если бы каждая обмотка появлялась четыре раза, это был бы четырехполюсный статор и т. д.

Когда на обмотки фаз подаётся электрический ток, вал электродвигателя начинает вращаться со скоростью, обусловленной числом полюсов (чем меньше полюсов, тем ниже скорость)

Ниже рассказывается о физическом принципе работы электродвигателя (как ротор вращается внутри статора). Для наглядности, заменим ротор магнитом. Все изменения в магнитном поле происходят очень быстро, поэтому нам необходимо разбить весь процесс на этапы. При прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора в нем создается магнитное поле, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля.

Начав вращение, магнит будет следовать за меняющимся магнитным полем статора. Поле статора меняется таким образом, чтобы поддерживалось вращение в одном направлении.

Ранее мы установили, как обыкновенный магнит вращается в статоре. В электродвигателях переменного тока AC установлены роторы, а не магниты. Наша модель очень схожа с настоящим ротором, за исключением того, что под действием магнитного поля ротор поляризуется. Это вызвано магнитной индукцией, благодаря которой в проводниках ротора наводится электрический ток.

В основном ротор работает так же, как магнит. Когда электродвигатель включен, ток проходит по обмотке статора и создаёт электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Таким образом, в обмотках ротора индуцируется ток, который затем создаёт вокруг ротора электромагнитное поле и поляризацию ротора.

В предыдущем разделе, чтобы было проще объяснить принцип действия ротора, заменив его для наглядности магнитом. Теперь заменим магнитом статор. Индукция — это явление, которое наблюдается при перемещении проводника в магнитном поле. Относительное движение проводника в магнитном поле приводит к появлению в проводнике так называемого индуцированного электрического тока. Этот индуцированный ток создаёт магнитное поле вокруг каждой обмотки проводника ротора. Так как трёхфазное AC питание заставляет магнитное поле статора вращаться, индуцированное магнитное поле ротора будет следовать за этим вращением. Таким образом вал электродвигателя будет вращаться. Электродвигатели переменного тока часто называют индукционными электродвигателями переменного тока, или ИЭ (индукционными электродвигателями).

Принцип действия

Индукционные электродвигатели состоят из ротора и статора.

Токи в обмотках статора создаются фазовым напряжением, которое приводит в движение индукционный электродвигатель. Эти токи создают вращающееся магнитное поле, которое также называется полем статора. Вращающееся магнитное поле статора определяется токами в обмотках и количеством фазных обмоток.

Вращающееся магнитное поле формирует магнитный поток. Вращающееся магнитное поле пропорционально электрическому напряжению, а магнитный поток пропорционален электрическому току.

Вращающееся магнитное поле статора движется быстрее ротора, что способствует индукции токов в обмотках проводников роторов, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставляет ротор вращаться. Принципы действия индукционного электродвигателя представлены на иллюстрациях справа.

Таким образом, ротор и статор являются наиболее важными составляющими индукционного электродвигателя переменного тока. Они проектируются с помощью САПР (системы автоматизированного проектирования). Далее мы подробнее поговорим о конструкции ротора и статора.

Статор электродвигателя

Статор — это неподвижный электрический компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых всё время меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Все статоры устанавливаются в раму или корпус. Корпус статора электродвигателей Grundfos для электродвигателей мощностью до 22 кВт чаще всего изготавливается из алюминия, а для электродвигателей с большей мощностью — из чугуна. Сам статор устанавливается в кожухе статора. Он состоит из тонких пластин электротехнической стали, обмотанных изолированным проводом. Сердечник состоит из сотен таких пластин. При подаче питания переменный ток проходит по обмоткам, создавая электромагнитное поле, перпендикулярное проводникам ротора. Переменный ток (AC) вызывает вращение магнитного поля.

Изоляция статора должна соответствовать требованиям IEC 62114, где приведены различные классы защиты (по уровням температуры) и изменения температуры (AT). Электродвигатели Grundfos имеют класс защиты F, а при увеличении температуры — класс B. Grundfos производит 2-полюсные электродвигатели мощностью до 11 кВт и 4-полюсные электродвигатели мощностью до 5,5 кВт. Более мощные электродвигатели Grundfos закупает у других компаний, уровень качества продукции которых соответствует принятым в Grundfos стандартам. Для насосов, в основном, используются статоры с двумя, четырьмя и шестью полюсами, так как частота вращения вала электродвигателя определяет давление и расход насоса. Можно изготовить статор для работы с различными напряжениями, частотами и мощностями на выходе, а также для переменного количества полюсов.

Ротор электродвигателя

В электродвигателях используются так называемые «беличьи колеса» (короткозамкнутые роторы), конструкция которых напоминает барабаны для белок.

При вращении статора магнитное поле движется перпендикулярно обмоткам проводников ротора; появляется ток. Этот ток циркулирует по обмоткам проводников и создаёт магнитные поля вокруг каждого проводника ротора. Так как магнитное поле в статоре постоянно меняется, меняется и поле в роторе. Это взаимодействие и вызывает движение ротора. Как и статор, ротор изготовлен из пластин электротехнической стали. Но, в отличие от статора, с обмотками из медной проволоки, обмотки ротора выполнены из литого алюминия или силумина, которые выполняют роль проводников.

Асинхронные электродвигатели

В предыдущих разделах мы разобрали, почему электродвигатели переменного тока называют также индукционными электродвигателями, или электродвигателями типа «беличье колесо». Далее объясним, почему их ещё называют асинхронными электродвигателями. В данном случае во внимание принимается соотношение между количеством полюсов и числом оборотов, сделанных ротором электродвигателя.

Частоту вращения магнитного поля принято считать синхронной частотой вращения (Ns). Синхронную частоту вращения можно рассчитать следующим образом: частота сети (F), умноженная на 120 и разделенная на число полюсов (P).

Если, например, частота сети 50 Гц, то синхронная частота вращения для 2-полюсного электродвигателя равна 3000 мин-1.

Синхронная частота вращения уменьшается с увеличением числа полюсов. В таблице, приведенной ниже, показана синхронная частота вращения для различного количества полюсов.

Синхронная частота вращения для различного количества полюсов

Принцип действия электродвигателя

Электродвигателем называется устройство, принцип действия которого преобразование электрической энергии в механическую. Такое преобразование используется для запуска в работу всевозможных видов техники, начиная от самого простого рабочего оборудования и заканчивая автомобилями. Однако при всей полезности и продуктивности такого преобразования энергий, в данном свойстве есть небольшой побочный эффект, который проявляется в повышенном выделении тепла. Именно поэтому электрические двигатели оснащаются дополнительным оборудованием, которое способно охладить его и позволить работать в бесперебойном режиме.

Основные функциональные элементы

Любой электрический двигатель состоит из двух основных элементов, один из которых является неподвижным, такой элемент называется статором. Второй элемент является подвижным, эта часть двигателя называется ротором. Ротор электрического двигателя может быть выполнен в двух вариантах, а именно может быть короткозамкнутым и с обмоткой. Хотя последний тип на сегодняшний день является достаточно большой редкостью, поскольку сейчас повсеместно используются такие устройства, как частотные преобразователи .

Принцип действия электродвигателя основана на выполнении следующих этапов работы. Во время включения в сеть, в статоре начинает осуществлять вращение возникшее поле магнитного типа. Оно действует на обмотку статора, в которой при этом возникает ток индукционного типа. Согласно закону Ампера, ток начинает действовать на ротор, который под этим действием начинает свое вращение. Непосредственно частота вращения ротора напрямую зависит от того, какой силы действия возникает ток, а так же от того, какое количество полюсов при этом возникает.

Разновидности и типы

На сегодняшний день наиболее распространенными считаются двигатели, которые имеют магнитоэлектрический тип. Есть еще тип электродвигателей, которые называют гистерезисные, однако они не являются распространенными. Первый тип электродвигателей, магнитоэлектрического вида, могут подразделяться еще на два подтипа, а именно электродвигатели постоянного тока и двигатели переменного тока.

Первый вид двигателей осуществляет свою работу от постоянного тока, эти типы электродвигателей используются тогда, когда возникает необходимость регулировки скоростей. Данные регулировки осуществляются посредством изменений напряжения в якоре. Однако сейчас существует большой выбор всевозможных преобразователей частот, поэтому такие двигатели стали применяться все реже и реже.

Двигатели переменного тока соответственно работают посредством действия тока переменного типа. Здесь так же имеется своя классификация, и двигатели делятся на синхронные и асинхронные. Их основным различием становится разница во вращении необходимых элементов, в синхронном движущая гармоника магнитов движется с той же скоростью, что и ротор. В асинхронных двигателях наоборот, ток возникает за счет разницы в скоростях движения магнитных элементов и ротора.

Благодаря своим уникальным характеристикам и принципам действия электродвигатели на сегодняшний день распространенны гораздо больше, чем скажем двигатели внутреннего сгорания, поскольку они обладают рядом преимуществ перед ними. Так коэффициент полезного действия электродвигателей является очень высоким, и может достигать почти 98%. Так же электродвигатели отличаются высоким качеством и очень долгим рабочим ресурсом, они не издают много шума, и во время работы практически не вибрируют. Большим преимуществом такого типа двигателей является то, что они не нуждаются в топливе, и как результат не выделяют в атмосферу никаких загрязняющих веществ. К тому их использование является намного более экономичным, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.

Принцип действия двигателя постоянного тока: конструкция и особенности

Главной конструктивной и характерной принадлежностью машины постоянного тока, служит использование для присоединения к электрической сети коммутатора, предназначенного для преобразования величин постоянного тока в переменный ток. Коммутатор является непременным элементом любой машины этого типа ввиду того, что ее якорная обмотка двигателя подразумевает наличие переменного тока.

Особенности двигателя постоянного тока

Двигательные устройства постоянного тока отличаются широкими возможностями регулирования скорости вращения и обладают способностью сохранять во всем диапазоне регулирования высокий КПД, а также имеют в наличии механические характеристики, благодаря которым двигатели могут использоваться по специальному назначению, в соответствии с необходимыми требованиями.

Принцип работы

Функционально двигатель принадлежит к классу синхронных машин обращенного типа, это объясняется тем, что статор и ротор поменяли выполнение задач. Статор выполняет функции по возбуждению магнитного поля, ротор принял задачи направленные на преобразование энергии.

Во время вращения якоря в магнитном поле, производимым статором в витках обмотки, наводится ЭДС. Направление ее движения находится по правилу правой руки.

После того, как якорь и коллектор повернутся на 180 градусов виток меняет свои стороны, на противоположное направление меняется движение ЭДС.

Так происходит процесс индуцирования переменной электродвижущей силы, выпрямляемой посредством коллектора.

Коллектор, через щеточный механизм, соединен с обеими сторонами витка, в результате этого происходит снятие щетками текущего в неизменном направлении пульсирующего напряжения, это способствует наличию во внешней цепи, идущего в постоянном направлении, пульсирующего тока. Для того, чтобы снизить пульсацию в пазах якоря, прибавляют добавочное количество витков.

Конструкция двигателя

Двигатель, как и любая другая машина этого типа, содержит в своей конструкции статор, являющегося неподвижным элементом, и ротор (якорь) – вращающийся элемент машины, между ними находится воздушный зазор. В якоре двигателя происходит индуцирование ЭДС. Создание основного магнитного поля происходит при помощи главных полюсов, состоящих из сердечников и катушек возбуждения.

Равномерное распределение полученной магнитной индукции в области воздушного зазора обеспечивается полюсными наконечниками.

Чередование полярности полюсов во время движения электрического тока достигается за счет соединения катушек главных полюсов в обмотку возбуждения. Для улучшения коммутации предусмотрены добавочные полюса.

Уменьшение вихревых токов, которые появляются в результате перемагничивания якоря в процессе его вращения в созданном магнитном поле, происходит за счет конструкции сердечника, исполненного из пластин электротехнической стали, для большего эффекта он покрывается специальным лаком.

Контакт внешней цепи машины с коллектором осуществляется за счет щеток, основным материалом для них является графит.

Область применения

Несмотря на то, что себестоимость этого типа двигателя намного дороже асинхронных машин, их особенности могут сыграть решающую роль в узкоцелевом специальном назначении.

С помощью таких двигателей приводятся в работу прокатные станы, они используются для привода гребного винта на кораблях, а также для транспортных средств, имеющих систему питания на постоянном токе.

Поэтому их область использования характерна для нужд там, где необходима электрическая тяга, это: тепловозы, электровозы, электропоезда, городской транспорт, то есть там, где необходимо применить мягкие механические характеристики и широкие пределы регулировки количества оборотов вращения.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

Электрические двигатели: классификация, устройство, принцип работы

Электрический двигатель – специальная машина (ее еще называют электромеханическим преобразователем), с помощью которой электроэнергия преобразовывается в механическое движение.

Побочный эффект такой конвертации – выделение тепла.

При-этом современные двигатели обладают очень высоким КПД, который достигает 98%, в результате чего их использование экономически более выгодно по сравнению с двигателями внутренного сгорания. Электрические двигатели используются во всех сферах народного хозяйства, начиная от бытового применения, заканчивая военной техникой.

Электрические двигатели и их разновидности

Как известно с базового школьного курса физики, ток бывает переменным и постоянным. В бытовой электросети – переменный ток. Батарейки, аккумуляторы и другие мобильные источники питания предоставляют постоянный ток.

 

Электродвигатели постоянного тока характеризуются хорошими эксплуатационными и динамическими характеристиками.

 Такие изделия широко используются в подъемных машинах, буровых станках, полимерном оборудовании, в некоторых агрегатах экскаваторов.

По принципу работы электродвигатели переменного тока бывают

  • асинхронными;
  • синхронными.

Подробное сравнение этих видов машин можно почитать тут.

Синхронные двигатели – электрические машины, где скорость вращения ротора полностью идентична частоте магнитного поля. Учитывая эту особенность, такие устройства актуальны там, где необходима стабильная высокая скорость вращения: насосы, крупные вентиляторы, генераторы, компрессоры, стиральные машины, пылесосы, практически все электроинструменты.

Особое внимание среди синхронных устройств, заслуживают шаговые двигатели. Они обладают несколькими обмотками. Такой подход позволяет с высокой точностью изменять скорость вращения таких электродвигателей.

Асинхронными двигателями называют такие машины, в которых скорость ротора отличается от частоты движения магнитного поля.

Нашли свое применение в подавляющем большинстве отраслей народного хозяйства: в приводах дымососов, транспортерах, шаровых мельницах, наждачных, сверлильных станках, в холодильном оборудовании, вентиляторах, кондиционерах, микроприводах.

Максимальная скорость вращения асинхронных установок – 3000 об/мин.

Интересное видео о двигателях смотрите ниже:

Преимущества и недостатки асинхронных двигателей

Асинхронные электродвигатели могут обладать фазным и короткозамкнутым ротором.

Короткозамкнутый ротор более распространен.

Такие двигатели обладают следующими преимуществами:

  • относительно одинаковая скорость вращения при разных уровнях нагрузки;
  • не боятся непродолжительных механических перегрузок;
  • простая конструкция;
  • несложная автоматизация и пуск;
  • высокий КПД (коэффициент полезного действия).

Электродвигатели с короткозамкнутым контуром требуют большой пусковой ток.

Если невозможно реализовать выполнение этого условия, то используют устройства с фазным ротором. Они обладают такими достоинствами:

  • хороший начальный вращающий момент;
  • нечувствительны к кратковременным перегрузкам механической природы;
  • постоянная скорость работы при наличии нагрузок;
  • малый пусковой ток;
  • с такими двигателями применяют автоматические пусковые устройства;
  • могут в небольших пределах изменять скорость вращения.

К основным недостаткам асинхронных двигателей относят то, что изменять их скорость работы можно только посредством изменения частоты электрического тока.

Кроме того, частота вращения – относительна. Она колеблется в небольших пределах. Иногда это недопустимо.

Интересное видео об асинхронных электродвигателях смотрите ниже:

Особенности работы синхронных двигателей

Все синхронные двигатели обладают такими преимуществами:

  1. Они не отдают и не потребляют реактивную энергию в сеть. Это позволяет уменьшить их габариты при сохранении мощности. Типичный синхронный электродвигатель меньше асинхронного.
  2. В сравнении с асинхронными устройствами, менее чувствительны к скачкам напряжения.
  3. Хорошая сопротивляемость перегрузкам.
  4. Такие электрические машины способны поддерживать постоянную скорость вращения, если уровень нагрузок не превышает допустимые пределы.

В любой бочке, есть ложка с дегтем. Синхронным электродвигателям присущи такие недостатки:

  • сложная конструкция;
  • затрудненный пуск в ход;
  • довольно сложно изменять скорость вращения (посредством изменения значения частоты тока).

Сочетание всех этих особенностей делает синхронные двигатели невыгодными при мощностях до 100 Вт. А вот на более высоких уровнях производительности, синхронные машины показывают себя во всей красе.

Принцип работы электродвигателя — Знаешь как

По проводу, расположенному в однородном магнитном поле, проходит ток от постороннего источника питания (рис. ). На провод будет действовать электромагнитная сила, величина которой 

F = BIl

а направление, найденное по правилу левой руки, показано на рис..

Рис. Принцип работы электродвигателя.

Под действием электромагнитной силы провод будет перемещаться в магнитном поле, совершая механическую работу, и в течение всего времени движения в нем будет наводиться э. д. с. Е.

При перемещении провода на расстояние b в плоскости, перпендикулярной магнитным линиям, совершенная им механическая работа равна:

Ам Fb = BIlb

За то же время будет израсходована энергия на нагревание провода

Израсходованная источником питания за время t энергия

= U It = Ам + WT = BIlb + I2r0t

Разделив правую и левую части последнего уравнения на произведение It, получим выражение напряжения источника питания

= Bl (b : t) + Ir0 Blυ + Ir0 = E + Ir0 Из написанного следует, что — Е = Ir0откуда ток

= (U — E) : r0

Электродвижущая сила Е, индуктированная в проводе при его движении в магнитном поле, имеет направление, противоположное току, и называется противо-э. д. с.

Умножив выражение напряжения на ток I, получим выражение мощности источника питания

UI = ЕI + I2r0 или UI = РМ + Р0

Таким образом, в процессе движения проводника в магнитном поле полученная им от постороннего источника электрическая мощность при посредстве магнитного поля преобразуется в механическую, причем процесс превращения энергии связан с наведением противо-э. д. с. Следовательно, проводник в магнитном поле, питаемый током от постороннего источника, можно рассматривать, как простейший электродвигатель.

Электродвигатель это что

Это устройство которое преобразует электрическую энергию в механическую.

Электродвигатель может быть одновременно как электродвигатель, так и как генератор (Генератор электродвигатель).

Они делятся по подключению к сети на категории : постоянные и переменные.

Постоянные для своей работы используют только постоянный ток, включение в сеть с переменным током приведет к поломке устройства.

Аналогично электродвигатели которые работают на переменном токе не могут работать на постоянном, так как принцип работы таких двигателей основывается на других принципах.

Пример принципа работы электродвигателя

Провод длиной 0,6 м движется со скоростью 15 м/сек перпендикулярно направлению магнитного поля с индукцией 1,25 тл. Сопротивление провода 0,03 ом, к его зажимам приложено напряжение 12 в. Определить:

1) мощность цепи; 2) механическую мощность, развиваемую проводом; 3) тепловую мощность.

Противо-э. д. с, наводимая в проводе при его движении в магнитном поле:

Е = Blυ = 15 • 0,6 • 1,25 = 11,25 в.

Ток в проводе

I = (U — E) : r0 = (12 — 11,25) : 0,03 = 25a

Мощность цепи

P = 12• 25 = 300 вт,

Механическая мощность

Рм = EI = 11,25 • 25 = 281,25 вт.

Тепловая мощность

Рт = I2r0 = 252 • 0,03 = 18,75 вт

Статья на тему Принцип работы электродвигателя

Электродвигатель: понятие, типы

Электродвигатель — это электрическая машина, в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Существует несколько типов электродвигателей: синхронные, асинхронные и двигатели постоянного тока.

Синхронные двигатели

Синхронные двигатели имеют большую мощность (50-100кВт и более), по сравнению с другими двигателями, применяются на металлургических заводах, в шахтах и других предприятиях, служат для приведения в движения насосов, компрессоров, вентиляторов, двигательно-генераторных установок и др.

Особенностью синхронных электродвигателей определяющей их функциональные возможности и области применения, является постоянство средней частоты вращения при неизменной частоте, амплитуде напряжения питания и колебания момента нагрузки. Следовательно, при снижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, а возможность форсировки возбуждения увеличивает надежность работы при аварийных понижениях напряжения. Большой воздушный зазор и применение постоянных магнитов делает КПД синхронных двигателей выше.

Синхронный двигатель состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. В пазах статора размещена обмотка переменного тока, получающая питание от сети, а в роторе – обмотка постоянного тока. Электродвигатели вращают, ротор синхронно с магнитным полем питающего напряжения. Расположенная на роторе обмотка возбуждения получает питание от источника постоянного тока через контактные кольца. В основном применяются на приводах большой мощности. Мощность такого электродвигателя достигает несколько десятков мегаватт.

Имея столько достоинств, синхронные двигатели имеют ограничение в применении — сложностью конструкций, наличием возбудителя, высокой ценой и сложностью пуска.

Асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели подразделяются на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. Электродвигатели мощностью больше 0,5 кВт обычно выполняются трехфазными, а при меньшей мощности однофазными.

Асинхронные электродвигатели применяются в станкостроении, сельском хозяйстве, деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности, строительной технике и др. Такие электродвигатели давно известны отечественному рынку. Эти электродвигатели имеют не высокую стоимость, неприхотливы в обслуживании и просты в конструкции.

При выборе асинхронного электродвигателя необходимо учитывать два фактора: КПД преобразования энергии и тип исполнения агрегата. Существует множество аналогов электродвигателей марки АИР (АИР марка электродвигателей, которая не привязана к определенному заводу), например новые современные электродвигателе 5АИ. В работе этого оборудования используются менее шумные подшипники, повышенная степень защиты: исполнение IP55, резьбовое отверстие в торце вала и др.

Принцип действия двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам статора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля, при условии, что частота вращения ротора меньше частоты вращения поля. Асинхронные электродвигатели потребляют реактивную мощность из сети. Предел применения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором определяется мощностью системы электроснабжения конкретного предприятия, так как большие пусковые токи при малой мощности системы создают большие понижения напряжения.

Двигатели постоянного тока

Принцип работы основан на электромагнитном преобразовании энергии. Широко применяются в промышленности, транспортных и других установках, где требуется плавное регулирование скорости вращения (прокатные станы, мощные металлорежущие станки, электрическая тяга на транспорте и т. д.).

Различаются двигатели с параллельным, независимым, последовательным и смешанным возбуждением.

  • Двигатели постоянного тока с независимым или параллельным возбуждением, подключенные к сети с постоянным напряжением, может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме и переходить из одного режима работы в другой. Двигатели с параллельным возбуждением имеют параллельное подключение обмотки возбуждения с обмоткой якоря к сети. Если в двигателе обмотка якоря и обмотка возбуждения подключены к источникам питания с различными напряжениями, то его называют двигателем с независимым возбуждением. Такие двигатели применяют в электрических приводах, у которых питание обмотки якоря осуществляется от генератора или полупроводникового преобразователя.
  • Двигатели с последовательным возбуждением широко применяются в различных электрических приводах, особенно там, где имеется изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.).
  • Двигатель со смешанным возбуждением, благодаря магнитному потоку создает совместное действие двух обмоток возбуждения – параллельной и последовательной.

Принцип работы асинхронного электродвигателя | Русэлт

Асинхронные электродвигатели – это устройства, главным назначением которых является преобразование энергии переменного электротока в механическую. Своим названием двигатель обязан асинхронному типу вращения ротора относительно частоты вращения магнитного поля, индуцирующего электроток в обмотке статора.

Принцип работы на примере асинхронного электродвигателя трехфазного тока

Этот тип электрического двигателя наиболее часто применяется в различных сферах промышленности. Двигатель имеет 3-и обмотки на статоре, со смещением на 120 градусов. Обмотки запитаны переменным током и объединены по схеме «звезда» или «треугольник». При подаче напряжения на обмотку статора во всех трёх фазах появится магнитный поток.

Вместе с изменением частоты напряжения на обмотке статора, изменяется и магнитный поток. Фазы и магнитные потоки смещены относительно друг друга на сто двадцать градусов. Суммарный магнитный поток и будет вращающимся магнитным потоком, создающим электродвижущую силу (ЭДС). ЭДС, в замкнутой электроцепи обмотки ротора, индуцирует электроток. Во взаимодействии с магнитным потоком статора, ток создает пусковой момент электрического двигателя. Ротор начинает вращение в таком же направлении, что и магнитное поле статора при превышении пусковым моментом двигателя его тормозного момента.

Преимущества и недостатки асинхронных электродвигателей

Простота эксплуатации и хорошая ремонтопригодность – главные достоинства асинхронного двигателя, сделавшие его наиболее востребованным в очень разных сферах машиностроения и приборостроения. Привлекает и:

  • Сравнительно невысокая цена;
  • Надёжность
  • Несложность подсоединения в общую электроцепь устройств.

Асинхронные электродвигатели имеют и ряд недостатков:

  • Трудности с точным регулированием скорости;
  • Большой пусковой ток;
  • Относительно невысокий коэффициент мощности.

По типу обмотки ротора, короткозамкнутой или фазной, асинхронные двигатели, подразделяются на 2 типа:

  • Электродвигатели с короткозамкнутым ротором имеют обмотку, замыкающуюся на сам ротор;
  • Электродвигатели с фазным ротором – обмотку с концами, выведенными на щеточно-коллекторный узел.

Преимущество двигателя с фазным ротором в том, что скорость вращения можно регулировать путем подключения дополнительных сопротивлений (реостатного регулирования).

Двигатели постоянного тока

| Принцип работы | Ресурсы для инженеров

Электродвигатели, работающие на электромагнетизме. Однако существуют и другие типы двигателей, в которых используются электростатические силы или пьезоэлектрический эффект. В случае двигателя PMDC (постоянного магнита постоянного тока) движение создается электромагнитом (якорем), взаимодействующим с магнитом с фиксированным полем (корпус в сборе).

В щеточном двигателе электрический ток протекает через клеммы двигателя в узле торцевой крышки, который входит в контакт с коммутатором в узле якоря через угольные щетки или щеточные листы.Электрический ток питает катушки, создавая магнитное поле, заставляющее якорь вращаться, когда он взаимодействует с магнитами, заключенными в корпус в сборе. Правило левой руки Флемминга помогает определить направление силы, тока и магнитного потока.

В бесщеточном двигателе, когда электричество подается на вывод двигателя, ток проходит через фиксированное поле статора и взаимодействует с движущимся постоянным магнитом или движущимся индуцированным магнитным полем внутри ротора / якоря.После того, как движение и силовая нагрузка будут удовлетворены доступным источником тока, он возвращается обратно к источнику, выходящему из двигателя.

Ключевые элементы, взаимодействующие для создания движения

Магнитный поток - Двигатель может иметь катушку с фиксированной обмоткой или статор с постоянным магнитом и якорь с подвижной обмоткой или ротор с постоянными магнитами, которые будут иметь взаимодействующие поля магнитного потока для создания силы и движения.

Сила - величина тока, протекающего через электромагнитное поле, пропорциональна величине силы взаимодействующего электромагнитного поля, необходимой для достижения противоположной рабочей нагрузки.Помимо силы и движения, необходимых для устройства, необходимо учитывать любую потерю эффективности при преобразовании электроэнергии в механическую работу (ватты).


Обзор шагового двигателя

Что такое шаговый двигатель

Шаговые двигатели работают иначе, чем другие двигатели постоянного тока, которые просто вращаются при подаче напряжения. Вращательный шаговый двигатель - это электромеханическое устройство, которое может разделить один полный оборот (360 °) на большое количество шагов вращения. Шаговые двигатели управляются электронно и не требуют дорогостоящих устройств обратной связи.Линейный шаговый двигатель подобен вращающемуся двигателю, за исключением того, что вал движется линейно или продольно. Оба типа имеют две схемы обмотки электромагнитных катушек: униполярную и биполярную. Униполярный означает, что каждый конец катушки имеет одну полярность. Рекомендуемый стабилитрон используется для обеспечения быстрого спада тока в отключенной катушке. Это приведет к увеличению крутящего момента двигателя, особенно на более высоких частотах.

Биполярный означает, что каждый конец катушки имеет обе полярности.Катушка будет положительной и отрицательной во время каждого цикла движения. Поскольку каждая катушка используется полностью, двигатель имеет более высокий крутящий момент по сравнению с униполярной катушкой. Биполярный драйвер может включать в себя возможность управления постоянным током, называемую приводом прерывателя. Это обеспечит увеличенный выходной крутящий момент на более высоких частотах и ​​снизит влияние колебаний температуры и напряжения питания.

Основы шагового двигателя

Шаговый двигатель PM или «консервная банка» - недорогое решение для ваших приложений позиционирования с типичным углом шага 7.5 ° - 15 °. Меньшие углы шага могут быть получены с помощью Microstepping. Вал двигателя перемещается с определенным шагом при подаче электрических управляющих импульсов. Текущая полярность и частота подаваемых импульсов определяют направление и скорость движения вала.

Одним из наиболее значительных преимуществ шагового двигателя является его способность точно регулироваться в системе без обратной связи. Управление разомкнутым контуром означает, что обратная связь о положении вала не требуется.Этот тип управления устраняет необходимость в дорогостоящих устройствах обратной связи, просто отслеживая входные ступенчатые импульсы. Шаговый двигатель - хороший выбор, когда требуется контролируемое движение. Они рекомендуются в приложениях, где необходимо контролировать угол поворота, скорость, положение и синхронизм. Возможности фиксации, удержания, втягивания и извлечения крутящего момента, скорости (об / мин) и шагов на оборот (угол шага) характеризуют шаговый двигатель.

Момент фиксации - определяет максимальный крутящий момент, который может быть приложен к обесточенному двигателю, не вызывая вращения двигателя.

Удерживающий момент - определяет максимальный крутящий момент, с которым двигатель под напряжением может быть нагружен, не вызывая вращательного движения.

Pull-In - производительность определяет способность двигателя запускаться или останавливаться. Это максимальная частота, при которой двигатель может запускаться или останавливаться мгновенно с приложенной нагрузкой без потери синхронизации.

Pull-Out определяет максимальный крутящий момент при применении рампы ускорения / замедления без потери шагов.Он определяет максимальную частоту, на которой двигатель может работать без потери синхронизма.

Наш шаговый двигатель можно комбинировать с полной линейкой редукторов для увеличения крутящего момента и снижения скорости.

Двигатели переменного тока

| Принцип работы | Ресурсы для инженеров

Универсальные моторы

Универсальный двигатель - это однофазный последовательный двигатель, который может работать как от переменного (ac), так и от постоянного (dc) тока, а характеристики одинаковы как для переменного, так и для постоянного тока.Обмотки возбуждения последовательных двигателей соединены последовательно с обмотками якоря

.
Основные принципы Universal Motors

Области электрического проектирования универсального двигателя: магнитная цепь, обмотки возбуждения и якоря, коммутатор и щетки, изоляция и система охлаждения.


Процесс коммутации универсальных двигателей

Тактико-технические характеристики универсальных двигателей

Двигатели с экранированными полюсами

Двигатель с экранированными полюсами - это однофазный асинхронный двигатель переменного тока.Вспомогательная обмотка, состоящая из медного кольца, называется затеняющей катушкой. Ток в этой катушке задерживает фазу магнитного потока в этой части полюса, чтобы обеспечить вращающееся магнитное поле. Направление вращения - от незатененной стороны к закрашенному кольцу.


Основные принципы двигателя с экранированными полюсами
  • Это устройство затеняющих катушек (кольцо) смещает ось затененных полюсов от оси основных полюсов
  • Когда на статор подается питание, магнитный поток в основной части полюса индуцирует напряжение в затеняющей катушке, которая действует как вторичная обмотка трансформатора.
  • Так как ток во вторичной обмотке трансформатора не совпадает по фазе с током в первичной обмотке.
  • Ток в экранирующей катушке не в фазе с током в основной обмотке возбуждения.
  • Таким образом, поток затеняющего полюса не в фазе с потоком основного полюса.


Вращающееся поле двигателя с экранированными полюсами

Двигатели синхронные

Синхронные двигатели переменного тока - это электродвигатели с постоянной скоростью, которые работают синхронно с частотой сети.Скорость синхронного двигателя определяется количеством пар полюсов и всегда является соотношением частоты сети.

  • Статор снабжен двумя простыми катушками, которые можно напрямую подключать к сети.
  • Ротор состоит из цилиндрического постоянного двухполюсного магнита, диаметрально намагниченного.


Основные принципы синхронных двигателей

Что такое шаговый двигатель? Типы, конструкция, работа и применение

Типы шаговых двигателей - их конструкция, работа и применение

Изобретение специальных карт драйверов шаговых двигателей и других технологий цифрового управления для сопряжения шагового двигателя с системами на базе ПК являются причиной широкого распространения шаговых двигателей в последнее время.Шаговые двигатели становятся идеальным выбором для систем автоматизации, требующих точного управления скоростью или точного позиционирования, либо того и другого.

Поскольку мы знаем, что многие промышленные электродвигатели используются с управлением с обратной связью с обратной связью для достижения точного позиционирования или точного управления скоростью, с другой стороны, шаговый двигатель может работать с контроллером без обратной связи. Это, в свою очередь, снижает общую стоимость системы и упрощает конструкцию машины по сравнению с сервосистемой управления. Кратко остановимся на шаговом двигателе и его типах .

Что такое шаговый двигатель?

Шаговый двигатель - это бесщеточное электромеханическое устройство, которое преобразует последовательность электрических импульсов, приложенных к их обмоткам возбуждения, в точно определенное пошаговое механическое вращение вала. Вал двигателя вращается на фиксированный угол для каждого дискретного импульса. Это вращение может быть линейным или угловым, при вводе единичного импульса происходит одно шаговое движение.

Когда применяется последовательность импульсов, она поворачивается на определенный угол.Угол поворота вала шагового двигателя для каждого импульса называется углом шага, который обычно выражается в градусах.

Количество входных импульсов, подаваемых на двигатель, определяет угол шага, и, следовательно, положение вала двигателя регулируется путем управления количеством импульсов. Эта уникальная особенность делает шаговый двигатель подходящим для системы управления без обратной связи, в которой точное положение вала поддерживается с помощью точного количества импульсов без использования датчика обратной связи.

Если угол шага меньше, тем больше будет количество шагов на оборот и выше будет точность полученного положения. Углы шага могут составлять от 90 градусов до 0,72 градусов, однако обычно используемые углы шага составляют 1,8 градуса, 2,5 градуса, 7,5 градуса и 15 градусов.

Конструкция, работа, типы и их применение

Шаговый двигатель - это электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую.Кроме того, это бесщеточный синхронный электродвигатель, который может разделить полный оборот на большое количество шагов. Положение двигателя можно точно контролировать без какого-либо механизма обратной связи, если двигатель точно рассчитан для конкретного применения. Шаговые двигатели аналогичны вентильным реактивным двигателям. Шаговый двигатель использует теорию работы магнитов, чтобы вал двигателя вращался на точное расстояние при подаче электрического импульса. У статора восемь полюсов, а у ротора - шесть.Ротору потребуется 24 импульса электричества, чтобы переместить 24 ступени на один полный оборот. Другими словами, ротор будет перемещаться точно на 15 ° за каждый электрический импульс, который получает двигатель.

Конструкция и принцип работы

Конструкция шагового двигателя довольно похожа на двигатель постоянного тока. Он включает в себя постоянный магнит, такой как ротор, который находится посередине, и он будет вращаться, когда на него будет действовать сила. Этот ротор заключен в №статора, который намотан через магнитную катушку. Статор расположен рядом с ротором, так что магнитные поля внутри статоров могут управлять движением ротора.


Шаговый двигатель

Шаговым двигателем можно управлять, запитывая каждый статор по очереди. Таким образом, статор намагничивается и работает как электромагнитный полюс, который использует энергию отталкивания на роторе для движения вперед. Альтернативное намагничивание статора, а также размагничивание постепенно смещают ротор и позволяют ему вращаться с большим контролем.

Принцип работы шагового двигателя - Электромагнетизм. Он включает ротор с постоянным магнитом, а статор с электромагнитами. После подачи питания на обмотку статора внутри статора будет развиваться магнитное поле. Теперь ротор в двигателе начнет двигаться с вращающимся магнитным полем статора. Так что это основной принцип работы этого двигателя.

Конструкция шагового двигателя

В этом двигателе используется мягкое железо, защищенное электромагнитными статорами.Полюса статора и ротора не зависят от типа шагового двигателя. Как только статоры этого двигателя находятся под напряжением, ротор будет вращаться, чтобы выровняться со статором, в противном случае поворачивается, чтобы иметь наименьший зазор через статор. Таким образом, статоры последовательно активируются для вращения шагового двигателя.

Техника вождения

Техника вождения с шаговым двигателем сек может быть возможна с некоторыми специальными схемами из-за их сложной конструкции. Есть несколько способов управления этим двигателем, некоторые из них обсуждаются ниже на примере четырехфазного шагового двигателя.


Режим одиночного возбуждения

Основным методом управления шаговым двигателем является режим одиночного возбуждения. Это старый метод, который в настоящее время мало используется, но об этом методе нужно знать. В этом методе каждая фаза, иначе статор рядом друг с другом, будет запускаться одна за другой поочередно с помощью специальной цепи. Это намагнитит и размагнитит статор, чтобы ротор двигался вперед.

Full Step Drive

В этом методе два статора активируются одновременно, а не один за очень короткий период времени.Этот метод приводит к высокому крутящему моменту и позволяет двигателю управлять высокой нагрузкой.

Half Step Drive

Этот метод довольно близок к Full Step Drive, потому что два статора будут расположены рядом друг с другом, так что он будет активирован первым, тогда как третий будет активирован после этого. Этот вид цикла для переключения сначала двух статоров, а затем третьего статора приводит в движение двигатель. Этот метод приведет к улучшению разрешения шагового двигателя при уменьшении крутящего момента.

Микрошаговый

Этот метод используется чаще всего из-за его точности. Переменный ток шага будет подаваться схемой драйвера шагового двигателя к катушкам статора в форме синусоидального сигнала. Точность каждого шага может быть повышена за счет этого небольшого шагового тока. Этот метод широко используется, потому что он обеспечивает высокую точность, а также в значительной степени снижает рабочий шум.

Схема шагового двигателя и его работа

Шаговые двигатели работают иначе, чем щеточные двигатели постоянного тока, которые вращаются, когда на их клеммы подается напряжение.Шаговые двигатели, с другой стороны, фактически имеют несколько зубчатых электромагнитов, расположенных вокруг куска железа в форме центральной шестерни. Электромагниты получают питание от внешней цепи управления, например, микроконтроллера.

Схема шагового двигателя

Чтобы заставить вал двигателя вращаться, сначала на один электромагнит подается мощность, которая заставляет зубья шестерни магнитно притягиваться к зубцам электромагнита. В момент, когда зубья шестерни таким образом выровнены относительно первого электромагнита, они немного смещаются относительно следующего электромагнита.Поэтому, когда следующий электромагнит включается, а первый выключается, шестерня слегка поворачивается, чтобы выровняться со следующей, и оттуда процесс повторяется. Каждое из этих небольших поворотов называется шагом, при котором целое число шагов совершает полный оборот.

Таким образом, двигатель можно вращать с помощью точного. Шаговые двигатели не вращаются постоянно, они вращаются ступенчато. На статоре закреплены 4 катушки с углом между собой 90 o . Подключение шагового двигателя определяется способом соединения катушек.В шаговом двигателе катушки не соединены. Двигатель имеет шаг вращения на 90, или , при этом на катушки подается питание в циклическом порядке, определяющем направление вращения вала.

Работа этого двигателя отображается с помощью переключателя. Катушки активируются последовательно с интервалом в 1 секунду. Вал вращается на 90, o каждый раз, когда активируется следующая катушка. Его крутящий момент на низкой скорости будет напрямую зависеть от тока.

Типы шаговых двигателей

Существует три основных типа шаговых двигателей:

  • Шаговый двигатель с постоянным магнитом
  • Гибридный синхронный шаговый двигатель
  • Шаговый двигатель с переменным сопротивлением
Шаговый двигатель с постоянным магнитом

В двигателях с постоянным магнитом используется постоянный магнит (PM) в роторе и действует на притяжение или отталкивание между PM ротора и электромагнитами статора.

Это наиболее распространенный тип шагового двигателя по сравнению с различными типами шаговых двигателей, доступных на рынке. Этот двигатель включает в себя постоянные магниты в конструкции двигателя. Этот вид двигателя также известен как двигатель для жестяных банок. Основное преимущество этого шагового двигателя - меньшая стоимость производства. На каждый оборот приходится 48-24 шага.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением

Двигатели с регулируемым сопротивлением (VR) имеют ротор из гладкого железа и работают по принципу, согласно которому минимальное сопротивление достигается при минимальном зазоре, следовательно, точки ротора притягиваются к полюсам магнита статора.

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением является основным типом двигателя и используется в течение последних многих лет. Как следует из названия, угловое положение ротора в основном зависит от сопротивления магнитной цепи, которое может образовываться между зубьями статора и ротора.

Гибридный синхронный шаговый двигатель

Гибридные шаговые двигатели названы потому, что в них используется комбинация методов постоянного магнита (PM) и переменного магнитного сопротивления (VR) для достижения максимальной мощности в корпусах малых размеров.

Наиболее популярным типом двигателя является гибридный шаговый двигатель, поскольку он дает хорошие характеристики по сравнению с ротором с постоянными магнитами с точки зрения скорости, шагового разрешения и удерживающего момента. Но этот тип шагового двигателя дороже по сравнению с шаговыми двигателями с постоянными магнитами. Этот двигатель сочетает в себе характеристики шаговых двигателей с постоянным магнитом и переменного магнитного сопротивления. Эти двигатели используются там, где требуется меньший угол шага, например 1,5, 1,8 и 2,5 градуса.

Как выбрать шаговый двигатель?

Перед тем, как выбрать шаговый двигатель, отвечающий вашим требованиям, очень важно изучить кривую крутящего момента двигателя.Таким образом, эту информацию можно получить у разработчика двигателя, и это графический символ крутящего момента двигателя при заданной скорости. Кривая скорости вращения двигателя должна точно соответствовать потребностям применения; в противном случае невозможно получить ожидаемую производительность системы.

Типы подключения

Шаговые двигатели, как правило, являются двухфазными двигателями, такими как униполярные или биполярные. На каждую фазу в униполярном двигателе приходится по две обмотки. Здесь центральный вывод - это обычный вывод между двумя обмотками к полюсу.У униполярного двигателя от 5 до 8 выводов.

В конструкции, в которой два общих полюса разделены, но имеют центральную резьбу, этот шаговый двигатель имеет шесть выводов. Если двухполюсные центральные ответвители короткие внутри, то у этого двигателя пять выводов. Униполярный с 8 выводами облегчит как последовательное, так и параллельное соединение, в то время как двигатель с пятью или шестью выводами имеет последовательное соединение обмотки статора. Работа униполярного двигателя может быть упрощена, поскольку во время его работы нет необходимости реверсировать поток тока в цепи управления, который известен как бифилярные двигатели.

В биполярном шаговом двигателе для каждого полюса имеется одна обмотка. Направление подачи должно измениться через схему управления, чтобы она стала сложной, поэтому эти двигатели называются унифицированными двигателями.

Управление шаговым двигателем с помощью переменных тактовых импульсов

Схема управления шаговым двигателем - это простая и недорогая схема, в основном используемая в приложениях с низким энергопотреблением. Схема, представленная на рисунке, состоит из 555 таймеров IC как стабильного мультивибратора. Частота рассчитывается с использованием данного отношения.

Частота = 1 / T = 1,45 / (RA + 2RB) C, где RA = RB = R2 = R3 = 4,7 кОм и C = C2 = 100 мкФ.

Управление шаговым двигателем путем изменения тактовых импульсов

Выход таймера используется в качестве тактового сигнала для двух двойных триггеров 7474 «D» (U4 и U3), сконфигурированных как счетчик звонков. При первоначальном включении питания устанавливается только первый триггер (т. Е. Выход Q на выводе 5 U3 будет на логической «1»), а остальные три триггера сбрасываются (т. Е. Выход Q находится на логическом уровне. 0). При получении тактового импульса выход логической «1» первого триггера смещается на второй триггер (вывод 9 U3).

Таким образом, выход логической 1 продолжает циклически смещаться с каждым тактовым импульсом. Выходы Q всех четырех триггеров усиливаются решетками транзисторов Дарлингтона внутри ULN2003 (U2) и подключены к обмоткам шагового двигателя оранжевого, коричневого, желтого, черного цветов на 16, 15, 14, 13 ULN2003, а красный - на + ve поставка.

Общая точка обмотки подключена к источнику постоянного тока +12 В, который также подключен к выводу 9 ULN2003. Цветовой код, используемый для обмоток, может варьироваться от производителя к производителю.При включении питания управляющий сигнал, подключенный к контакту SET первого триггера и контактам CLR трех других триггеров, становится активным 'низким' (из-за схемы включения питания при сбросе, сформированной R1 -C1 комбинация), чтобы установить первый триггер и сбросить остальные три триггера.

При сбросе Q1 IC3 становится «высоким», а все остальные выходы Q становятся «низкими». Внешний сброс может быть активирован нажатием переключателя сброса. Нажав переключатель сброса, вы можете остановить шаговый двигатель.Двигатель снова начинает вращаться в том же направлении, если отпустить переключатель сброса.

Разница между шаговым двигателем и серводвигателем

Серводвигатели подходят для приложений с высоким крутящим моментом и скоростью, тогда как шаговый двигатель дешевле, поэтому они используются там, где высокий удерживающий момент, ускорение от низкого до среднего, открытый в противном случае закрыт - требуется гибкость работы петли. Разница между шаговым двигателем и серводвигателем заключается в следующем.

Шаговый двигатель

Серводвигатель

Двигатель, который движется дискретными шагами, известен как шаговый двигатель. Серводвигатель - это один из видов двигателей с обратной связью, который подключен к энкодеру для обеспечения обратной связи по скорости и положению.

Шаговый двигатель используется там, где управление, а также точность являются основными приоритетами Серводвигатель используется там, где скорость является основным приоритетом

Общее количество полюсов шагового двигателя колеблется от От 50 до 100 Общее количество полюсов серводвигателя колеблется от 4 до 12
В замкнутой системе эти двигатели движутся с постоянным импульсом Этим двигателям требуется энкодер для изменения импульсов для управления положением.

Крутящий момент высокий на низкой скорости Крутящий момент низкий на высокой скорости
Время позиционирования меньше при коротких ходах Время позиционирования меньше при длинных ходах
Движение по инерции с высоким допуском Перемещение по инерции с малым допуском
Этот двигатель подходит для механизмов с низкой жесткостью, таких как шкив и ремень Не подходит для механизма с меньшей жесткостью
Чувствительность высокая Чувствительность низкая
Эти используются для колеблющихся нагрузок Они не используются для колеблющихся нагрузок
Регулировка усиления / настройки не требуется Требуется регулировка усиления / настройки
Шаговый двигатель против двигателя постоянного тока

Оба Шаговые двигатели и двигатели постоянного тока используются в различных промышленных приложениях, но • Основные различия между этими двумя двигателями немного сбивают с толку.Здесь мы перечисляем некоторые общие характеристики этих двух дизайнов. Каждая характеристика обсуждается ниже.

Характеристики

Шаговый двигатель

Двигатель постоянного тока

Характеристики управления Простой и использует микроконтроллер Simple Диапазон скоростей Низкая от 200 до 2000 об / мин Умеренная
Надежность Высокая Умеренная
Эффективность Низкая Высокая Скорость вращения Наивысший крутящий момент при меньших скоростях Высокий крутящий момент при меньших скоростях
Стоимость Низкая Низкая
Параметры шагового двигателя

Шаговые параметры шагового двигателя, в основном, включают оборот, шаги за каждую секунду и об / мин.

Угол шага

Угол шага шагового двигателя можно определить как угол, под которым ротор двигателя поворачивается, когда на вход статора подается одиночный импульс. Разрешение двигателя можно определить как количество шагов двигателя и количество оборотов ротора.

Разрешение = количество шагов / количество оборотов ротора

Расположение двигателя можно определить через угол шага, и он выражается в градусах.Разрешение двигателя (номер шага) - нет. шагов, которые совершают за один оборот ротора. Когда угол шага двигателя небольшой, то разрешение для расположения этого двигателя высокое.

Точность расположения объектов с помощью этого двигателя в основном зависит от разрешения. Как только разрешение будет высоким, точность будет низкой.

Некоторые точные двигатели могут создавать 1000 шагов за один оборот, включая угол шага 0,36 градуса.Типичный двигатель имеет угол шага 1,8 градуса с 200 шагами на каждый оборот. Различные углы шага, такие как 15 градусов, 45 градусов и 90 градусов, очень распространены в обычных двигателях. Количество углов может изменяться от двух до шести, а небольшой угол шага может быть достигнут за счет частей полюса с прорезями.

Шагов для каждого оборота

Шаги для каждого разрешения могут быть определены как количество углов шага, необходимых для полного оборота. Формула для этого - 360 ° / угол шага.

Шагов за каждую секунду

Этот тип параметра в основном используется для измерения количества шагов, пройденных за каждую секунду.

Число оборотов в минуту

Число оборотов в минуту - это число оборотов в минуту. Он используется для измерения частоты вращения. Таким образом, используя этот параметр, мы можем рассчитать количество оборотов за одну минуту. Основная связь между параметрами шагового двигателя следующая.

шагов на каждую секунду = оборот в минуту x количество шагов на оборот / 60

Шаговый двигатель, взаимодействующий с микроконтроллером 8051

Шаговый двигатель, взаимодействующий с 8051, очень прост благодаря использованию трех режимов, таких как волновой привод, полный шаговый привод и полушаг привод, подавая 0 и 1 на четыре провода двигателя в зависимости от того, какой режим привода мы должны выбрать для работы этого двигателя.

Остальные два провода необходимо подключить к источнику напряжения. Здесь используется униполярный шаговый двигатель, где четыре конца катушек подключены к четырем основным контактам порта 2 микроконтроллера с помощью ULN2003A.

Этот микроконтроллер не обеспечивает достаточный ток для управления катушками, поэтому IC драйвера тока любит ULN2003A. Необходимо использовать ULN2003A, который представляет собой набор из 7 пар NPN транзисторов Дарлингтона. Проектирование пары Дарлингтона может быть выполнено с помощью двух биполярных транзисторов, которые соединены для достижения максимального усиления тока.

В ИС драйвера ULN2003A входные контакты - 7, выходные контакты - 7, где два контакта предназначены для клемм питания и заземления. Здесь используются 4 входа и 4 выхода. В качестве альтернативы ULN2003A, L293D IC также используется для усиления тока.

Вам необходимо очень внимательно следить за двумя общими проводами и четырьмя проводами катушки, иначе шаговый двигатель не будет вращаться. Это можно увидеть, измерив сопротивление с помощью мультиметра, но мультиметр не будет отображать никаких показаний между двумя фазами проводов.Как только общий провод и два других провода находятся в одинаковой фазе, он должен показывать одинаковое сопротивление, тогда как две конечные точки катушек в аналогичной фазе будут демонстрировать двойное сопротивление по сравнению с сопротивлением между общей точкой, а также одной конечной точкой.

Поиск и устранение неисправностей
  • Устранение неисправностей - это процесс проверки состояния двигателя, независимо от того, работает он или нет. Следующий контрольный список используется для устранения неисправностей шагового двигателя.
  • Сначала проверьте соединения, а также код цепи.
  • Если все в порядке, затем убедитесь, что двигатель получает надлежащее напряжение, иначе он просто вибрирует, но не вращается.
  • Если подача напряжения в норме, проверьте конечные точки четырех катушек, связанных с ULN2003A IC.
  • Сначала найдите две общие оконечные точки и подключите их к источнику питания 12 В, после этого подключите оставшиеся четыре провода к IC ULN2003A. Пока не запустится шаговый двигатель, попробуйте все возможные комбинации. Если подключение не выполнено надлежащим образом, двигатель будет вибрировать вместо вращения.
Могут ли шаговые двигатели работать непрерывно?

Как правило, все двигатели работают или вращаются непрерывно, но большинство двигателей не может остановиться, когда они находятся под напряжением. Когда вы пытаетесь ограничить вал двигателя, когда он находится под напряжением, он сгорит или сломается.

В качестве альтернативы, шаговые двигатели предназначены для дискретного шага, а затем ожидания там; снова шаг и оставайся там. Если мы хотим, чтобы двигатель оставался в одном месте на меньшее время, прежде чем снова сделать шаг, он будет выглядеть как непрерывно вращающийся.Энергопотребление этих двигателей велико, но рассеяние мощности в основном происходит, когда двигатель остановлен или неправильно спроектирован, тогда существует вероятность перегрева. По этой причине подача тока на двигатель часто снижается, когда двигатель находится в удерживаемом положении в течение более длительного времени.

Основная причина в том, что когда двигатель вращается, его входная электрическая часть может быть изменена на механическую. Когда двигатель останавливается во время вращения, вся входная мощность может быть преобразована в тепло внутри катушки.

Преимущества

К преимуществам шагового двигателя относятся следующие.

  • Надежность
  • Простая конструкция
  • Может работать в системе управления без обратной связи
  • Низкие затраты на обслуживание
  • Работает в любой ситуации
  • Надежность высокая
  • Угол поворота двигателя пропорционален входному импульсу .
  • Двигатель имеет полный крутящий момент в состоянии покоя.
  • Точное позиционирование и повторяемость движения, так как хорошие шаговые двигатели имеют точность 3–5% шага, и эта ошибка не накапливается от одного шага к другому.
  • Отличная реакция на пуск, остановку и движение задним ходом.
  • Очень надежен, так как в моторе нет контактных щеток. Следовательно, срок службы двигателя просто зависит от срока службы подшипника.
  • Реакция двигателя на цифровые входные импульсы обеспечивает управление без обратной связи, что упрощает управление двигателем и снижает его стоимость.
  • Можно добиться синхронного вращения на очень низкой скорости с нагрузкой, непосредственно связанной с валом.
  • Может быть реализован широкий диапазон скоростей вращения, поскольку скорость пропорциональна частоте входных импульсов.

Недостатки

К недостаткам шагового двигателя можно отнести следующее.

  • Низкий КПД
  • Крутящий момент двигателя будет быстро снижаться со скоростью
  • Низкая точность
  • Обратная связь не используется для определения возможных пропущенных шагов
  • Малый крутящий момент относительно отношения инерции
  • Чрезвычайно шумный
  • Если двигатель не контролируется должным образом, могут возникать резонансы.
  • Работа этого двигателя не из легких на очень высоких скоростях.
  • Требуется специальная схема управления.
  • По сравнению с двигателями постоянного тока, он использует больший ток.

Применения

Применения шагового двигателя включают следующее.

  1. Промышленные машины - Шаговые двигатели используются в автомобильных датчиках и станках, автоматизированном производственном оборудовании.
  2. Security - новые продукты видеонаблюдения для индустрии безопасности.
  3. Медицина - Шаговые двигатели используются в медицинских сканерах, пробоотборниках, а также в цифровой стоматологической фотографии, жидкостных насосах, респираторах и оборудовании для анализа крови.
  4. Бытовая электроника - Шаговые двигатели в камерах для автоматической фокусировки и масштабирования цифровых камер.

А также приложения для бизнес-машин, компьютерные периферийные устройства.

Таким образом, это все об обзоре шагового двигателя, такого как конструкция, принцип работы, различия, преимущества, недостатки и его применения. Теперь у вас есть представление о типах супермоторов и их применении, если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме или электрические и электронные проекты, оставьте комментарии ниже.

Фото:

Принципы блокировки - -,,,

Принципы блокировки

Введение

Переключатели и сигналы железной дороги географически распределены на значительной территории в непосредственной близости от станции. Когда они управлялись вручную и в их фактическом местоположении, стрелку или связисту приходилось много ходить, поэтому один человек мог справиться только с ограниченным их количеством. Для экономии рабочей силы рычаги переключения были собраны в одной точке, соединены стержнями с их переключателями и расположены на возвышении или в кабине для лучшего обзора.Сигналы на крыше кабины управлялись стременами, поэтому требовалось постоянное усилие, чтобы поддерживать их в чистоте. Эта концентрация, даже превосходная, принесла с собой опасные опасности.

Во-первых, выключатель или сигнал могли сработать ошибочно, так как не было очевидно, какой рычаг или скоба сработали с каким выключателем или сигналом. Во-вторых, сигнальщик не мог наблюдать за точками переключателей, которыми он управлял, чтобы убедиться, что они подходят правильно и установлены на правильный маршрут, поскольку теперь они были удалены от него.В-третьих, если для управления переключателями и сигналами требовалось более одного человека, они могли работать в противоположных целях. В-четвертых, если водитель правильно определил сигнал, подаваемый на него, он все еще мог сомневаться в правильном месте остановки, если бы сигнал велел. Из всех возможных способов управления рычагами большинство было бесполезным, а многие просто опасными. Целью блокировки является соединение переключателей и сигналов так, чтобы не могло возникнуть опасное состояние, и тем самым сделать работу более понятной и логичной.

Рычаги, управляющие переключатели и сигналы расположены рядом, на расстоянии от 3-1 / 2 до 6 дюймов (шаг) в блокирующей рамке, и пронумерованы слева направо. Каждый рычаг принимает два положения: нормальное при возвращении в раму и реверсивное при перемещении вперед. Рычаг фиксируется в каждом положении подпружиненным кулачком, вставленным в выемку в квадранте. Собаку вынимают из выемки, нажав на ручку захвата, после чего рычаг можно перемещать. Ось рычага 6-7 футов находится на 3-4 футах ниже уровня пола, а стержень или трос, приводящий в действие переключатель или сигнал, прикреплен к хвостовику рычага.На другой стороне может быть предусмотрен задний хвост для противовесов или электрических замков. Аппарат для соединения рычагов с тягами и проводами на земле называется выводом. Рычаги имеют цветовую маркировку в зависимости от их функции (некоторые британские и американские цвета: черный - точки; синий - FPL; красный - стоп-сигналы; желтый - дальние сигналы; белый - запасные). Сигналы в основном расположены на концах, переключатели посередине.

Переключатель может работать с газовой трубой с внутренним диаметром 1 дюйм (обычная штанга управления) на расстоянии до 400 ярдов.Предел в Великобритании был установлен в 1925 году на уровне 350 ярдов. Сигнал может передаваться по проводам на расстоянии до 1500 ярдов, но 900 ярдов - более практичный предел. Проволочная работа применима только к двухпозиционным сигналам. Переключатели и сигналы могут работать на расстоянии до 800 ярдов с двухпроводной передачей (описанной в другой статье на этом сайте). Он никогда не использовался ни в какой степени в Великобритании, Америке или Франции, но был очень популярен в Германии. Двухпроводная передача необходима, когда используются трехаспектные семафорные сигналы, как в Бельгии.В Америке трехаспектные сигналы всегда подключались по трубопроводу, если они не работали от электричества, что уже было доступно на момент их внедрения, после 1900 года. Световые сигналы, появившиеся после 1920 года, требуют только электрических соединений. Рычаги, которые управляли только электрическими контакторами, были специально обозначены (например, путем их уменьшения), чтобы к ним не применялась чрезмерная сила.

При подключении необходимо учитывать тепловое расширение. Длина 100 ярдов стали увеличивается на 1.7 дюймов с изменением температуры 72 ° F. Стержни разделены на равные части сжатия и растяжения с помощью реверсивных рычагов, называемых компенсирующими рычагами. В наиболее широко используемом компенсаторе, ленивом домкрате, используются два угловых кривошипа и соединительное звено, расположенное так, чтобы стержень не смещен. Расширение в этом случае не имеет никакого эффекта, поскольку сегменты сжатия и растяжения расширяются на одну и ту же величину. Проволока представляет собой гораздо большую проблему, хотя бы потому, что ее длина больше. изменения.Применялись автоматические проволочные компенсаторы, но ни одна из них не была полностью удовлетворительной. Общая идея состоит в том, чтобы установить стандартное натяжение с помощью груза, а затем схватить проволоку, когда ее тянут. Спроектировать хороший двухпроводной компенсатор проще, чем однопроводной.

Здесь мы будем иметь дело с механической блокировкой. Решение с помощью механизмов проблем взаимоблокировки по своей сути интересно и исторически важно. Однако общие принципы применимы к любому типу блокировки.Важно отметить, что во всех ранних силовых блокировках, будь то электропневматические или полностью электрические, использовались механические блокираторы. Электрические методы сначала были дополнением к механическим методам в таких устройствах, как электрические замки, рельсовые цепи и сигналы с приводом от двигателя. Затем, используя реле, а затем и цифровую логику, они в конечном итоге заменили механические устройства. Однако необходимо решить те же проблемы, и изучение механической блокировки является отличной подготовкой к этому.
Как работает блокировка

Простым и эффективным способом блокировки рычагов является блокировка толкателей, показанная на рисунке.Он был изобретен Джеймсом Дикином из Stevens & Sons в 1870 году. Зубчатые лезвия толкателя, или утюги, или плунжеры, или утюги приводятся в движение рычагами либо напрямую, либо с помощью какого-либо промежуточного механизма. Перпендикулярно им расположены уздечки или запорные планки, которые могут двигаться вбок. К уздечкам приклепаны толкатели, упоры, зазубрины или клинья, которые могут входить в пазы стопорных стержней и скользить в желобах или каналах. Когда лезвие перемещается, толкатель, зацепленный с ним, будет кулачком вправо или влево, перемещая прикрепленную узду.В качестве альтернативы, если толкатель находится в зацеплении с лезвием, и узда не может быть перемещена, лезвие не будет двигаться. Разные люди могут использовать разные названия частей взаимосвязанной кровати. «Толкатель» определяется в Кембриджском словаре науки и технологий как скользящий элемент, работающий в направляющей между кулачком и толкателем.

Расположение, показанное на рисунке, можно использовать для блокировки рычагов для домашнего сигнала и его удаленного сигнала. В то время как домашний сигнал нормальный, при остановке удаленный сигнал не должен быть удален.Когда домашний сигнал инвертирован, то при желании можно использовать рычаг дистанционного сигнала. Один говорит, что рычаг 2 (исходный сигнал) нормально блокирует рычаг 1 (дальний сигнал) нормально. Символично, 2N / 1N. Это французское обозначение. Легко видеть, что если рычаг 1 перевернут, то рычаг 2 блокируется в обратном направлении, или 1R / 2R. Такая взаимная связь всегда существует во взаимоотношениях заблокированных рычагов. Поэтому рычаги следует рассматривать только попарно. Обратите внимание, что пока рычаг дальнего сигнала перевернут, рычаг сигнала исходного положения не может быть возвращен в нормальное положение.Это называется обратной блокировкой. В этом случае это гарантирует, что за ясным дальним сигналом не может последовать стоп-сигнал.

Слева показано другое соотношение между двумя рычагами. Здесь можно представить, что рычаги 1 и 2 управляют сигналами конфликтующих маршрутов. Следовательно, они никогда не должны быть реверсированы, но в нормальном состоянии любой рычаг должен быть свободен для реверсирования и разрешать соответствующее движение. Мы видим, что рычаг 2 реверсивно блокирует рычаг 1 в нормальном режиме, и наоборот. Символически 2R / 1N и 1R / 2N, и опять же взаимное отношение.Правило нахождения обратной связи: поменяйте местами номера рычагов и пусть N ↔ R.

Третье соотношение показано справа. Здесь, рычаг 1 нормально блокирует рычаг 2 в обратном направлении, и наоборот, или 1N / 2R, 2N / 1R. Это отношение само по себе взаимно, поэтому блокировку можно назвать исключением. Если все рычаги могут быть одновременно нормальными, в обычном случае такой связи между рычагами не существует.

Блокировка толкателя делает возможной условную блокировку. На схеме слева, когда рычаг 2 переворачивается, как показано слева, рычаги 1 и 3 могут свободно перемещаться в любом направлении.Когда рычаг 2 в норме, подвижная деталь оказывается между двумя толкателями. Теперь рычаг 1 блокирует рычаг 3 в нормальном режиме, а рычаг 3 блокирует рычаг 1 в нормальном режиме. Соотношение между рычагами 1 и 3 обусловлено положением рычага 2. Мы говорим, что рычаг 1, когда рычаг 2 находится в нормальном положении, блокирует рычаг 3 нормально. Условная блокировка очень широко использовалась в более поздней практике блокировки, особенно когда существовало множество маршрутов.

Предположим, что у нас есть пересечение уровня, как показано на рисунке. Чтобы защитить его должным образом, нам нужен домашний сигнал для каждого направления и удаленный сигнал для каждого домашнего сигнала.Мы предполагаем, что домашний и дальний сигналы являются двухаспектными сигналами. Таким образом, обычно требуется восемь рычагов. Для простоты мы показываем только четыре рычага, которые можно комбинировать с домашними / дальними рычагами. Иногда использовались переключатели схода с рельсов, добавлялись еще четыре рычага, а также рельсовые цепи, поэтому сигналы не могли быть изменены после того, как поезд прошел домашний сигнал. Никакие два домашних сигнала не должны быть реверсированы одновременно, а удаленный сигнал не должен быть реверсирован, если соответствующий домашний сигнал не реверсирован.Если 1, 2, 3 и 4 являются сигналами исходного положения, то рычаг 1 реверсивно фиксирует рычаги 2, 3 и 4 в нормальном положении. Это отношение реализует нижняя уздечка. Так как это означает, что 2 перевернутый блокирует 1 нормально, нам нужно только потребовать, чтобы рычаг 2 перевернул стопорные рычаги 3 и 4 в нормальном положении. Средняя уздечка реализует эту связь. Наконец, рычаг 3 должен нормально заблокировать рычаг 4, как это реализовано верхней уздечкой. Рычаг 4 сейчас рассматривать не нужно, поскольку он уже рассматривался по отношению ко всем другим рычагам.Из рисунка легко проверить, что если какой-либо сигнальный рычаг переворачивается, все остальные блокируются нормально. Этот пример иллюстрирует общее правило. При рассмотрении сигналов необходимо учитывать блокировку только сигналами с более высокими номерами. Точно так же при рассмотрении переключателей необходимо учитывать только блокировку переключателями с более высокими номерами. Наконец, сигнальные рычаги должны заблокировать рычаги переключателя. Эти три правила гарантируют, что каждая пара рычагов учитывается только один раз, и избегают избыточной блокировки.

В качестве второго примера с переключателем рассмотрим переход, показанный слева. Дистанционные сигналы и блокировка точки поворота не показаны, но обычно они присутствуют. Дистанционный сигнал будет

Программируемый логический контроллер

: принцип и его применение

Программируемый логический контроллер

Программируемый логический контроллер (ПЛК)

- это специальное компьютерное устройство, используемое в промышленных системах управления. Благодаря своей прочной конструкции, исключительным функциональным характеристикам, таким как последовательное управление, счетчики и таймеры, простота программирования, надежные возможности управления и простота использования аппаратного обеспечения, этот ПЛК используется не только как цифровой компьютер специального назначения в различных отраслях промышленности. области системы управления.В большинстве отраслей эти устройства сокращаются до «ПК», но они также используются для персональных компьютеров; по этой причине многие производители называли эти устройства ПЛК.

Программируемый логический контроллер используется не только в промышленных целях, но и в гражданских приложениях, таких как стиральные машины, работа лифтов и управление светофорами. На сегодняшнем рынке доступны различные типы ПЛК от огромного числа производителей. Поэтому в следующих параграфах давайте изучим основы, принципы и приложения программируемого логического контроллера.

Принцип программируемого логического контроллера:

Программируемые логические контроллеры

используются для непрерывного мониторинга входных значений от датчиков и создания выходных данных для работы исполнительных механизмов на основе программы. Каждая система ПЛК состоит из следующих трех модулей:

  • Модуль ЦП
  • Модуль питания
  • Один или несколько модулей ввода / вывода

Архитектура ПЛК

Модуль ЦП:

Модуль ЦП состоит из центрального процессора и его объем памяти.Процессор отвечает за выполнение всех необходимых вычислений и обработку данных, принимая входные данные и создавая соответствующие выходные данные.

Модуль источника питания:

Этот модуль обеспечивает необходимую мощность для всей системы путем преобразования доступного переменного тока в постоянный ток, необходимый для ЦП и модулей ввода-вывода. Выход 5 В постоянного тока управляет компьютерной схемой.

Модули ввода / вывода:

Модули ввода и вывода программируемого логического контроллера используются для подключения датчиков и исполнительных механизмов к системе для измерения различных параметров, таких как температура, давление, расход и т. Д.Эти модули ввода-вывода бывают двух типов: цифровые и аналоговые.

Модули интерфейса связи:

Это интеллектуальные модули ввода-вывода, которые передают информацию между ЦП и сетью связи. Эти коммуникационные модули используются для связи с другими ПЛК и компьютерами, которые находятся в удаленном или удаленном месте.

Программа в CPU программируемого логического контроллера состоит из операционной системы и пользовательских программ. Операционная система с ЦП предназначена для выполнения задач и операций ПЛК, таких как запуск и остановка операций, область хранения и управление связью и т. Д.Пользовательская программа используется пользователем для завершения и управления задачами в автоматизации.

Принцип работы ПЛК можно понять с помощью циклического сканирования, также называемого циклом сканирования, которое показано на рисунке ниже.

Цикл сканирования ПЛК

Типичный цикл сканирования ПЛК включает следующие шаги:

  • Операционная система начинает цикл и отслеживание времени.
  • ЦП начинает считывать данные из модуля ввода и проверяет состояние всех входов.
  • ЦП начинает выполнение программы пользователя или приложения, написанной на релейно-релейной логике или на любом другом языке программирования ПЛК.
  • Затем ЦП выполняет все задачи внутренней диагностики и связи.
  • Согласно результатам программы, он записывает данные в модуль вывода, чтобы все выводы были обновлены.
  • Этот процесс продолжается, пока ПЛК находится в рабочем режиме.

Чтобы получить представление о работе ПЛК, рассмотрим простое управление процессом микшера, как показано на рисунке ниже.

Простое управление процессом миксера

На приведенном выше рисунке в установке есть двигатель миксера для автоматического перемешивания жидкости в контейнере всякий раз, когда температура и давление достигают заданных значений. Кроме того, для работы двигателя используется отдельная ручная кнопочная станция. Процесс контролируется переключателем датчика давления и переключателем датчика температуры. Эти переключатели замыкают соответствующие контакты, когда условия достигают заданных значений.

Полевые устройства ввода, такие как реле давления, реле температуры и ручные кнопки, жестко подключены к соответствующему модулю ввода, а устройство вывода, такое как катушка пускателя двигателя, жестко подключено к соответствующему модулю вывода ПЛК.На основе программы, выполненной в ПЛК, система непрерывно сканирует все заданные входные значения и, соответственно, обновляет выходы, т. Е. Когда срабатывают реле давления и температуры или нажимается кнопка, ПЛК автоматически подает питание на пускатель двигателя. змеевик так, чтобы происходило перемешивание.

Приложения программируемого логического контроллера (ПЛК)

ПЛК можно использовать в промышленных подразделениях всех развитых стран в таких отраслях, как химическая промышленность, автомобильная промышленность, сталелитейная промышленность и электроэнергетика.На основе развития всех этих технологий, функций и приложений область применения ПЛК резко возрастает.

1. Применение ПЛК в стекольной промышленности

С 1980 года контроллеры с программируемой логикой используются в стекольной промышленности и собираются постепенно. ПЛК используются в основном во всех процедурах и цехах для управления соотношением материалов, обработки плоских стекол и т. Д.

С развитием ПЛК и увеличением спроса в реальном мире режим управления программируемым логическим контроллером с помощью интеллектуального устройства применяется в стекольной промышленности.При изготовлении флоат-стекла сам ПЛК не может выполнить некоторые задачи управления из-за сложности системы управления и обработки огромных данных. Для производства стекла мы используем шинную технологию для создания режима управления ПЛК с распределенной системой управления. Эта система управления занимается аналоговым управлением и записью данных; ПЛК также используется для цифрового контроля качества и управления положением.

Этот тип режима управления является большим преимуществом для ПЛК и РСУ с точки зрения повышения надежности и гибкости системы управления.

2. Применение ПЛК в цементной промышленности

Наряду с высококачественным сырьем точные данные о переменных процесса, особенно во время процессов смешивания в печи, гарантируют, что получаемая продукция должна быть максимально возможного качества. В настоящее время DCS с шинной технологией используется в сфере производства и управления. Используя эту существующую систему управления DCS, ПЛК находится в пользовательском режиме SCADA. Этот режим включает ПЛК и конфигурационное ПО. Этот режим SCADA включает ПЛК и главный компьютер.Главный компьютер состоит из подчиненной и главной станции. ПЛК используется для управления шаровой мельницей, шахтной печью и печью для угля.

Чтобы узнать больше о функциях этих контроллеров с программируемой логикой, вы можете просмотреть следующий проект, который дается в качестве практического примера, используемого в основном для промышленной автоматизации.

Таким образом, в этой статье был рассмотрен принцип работы программируемых логических устройств или контроллера и их применения в различных отраслях промышленности, таких как стекольная, сталелитейная и цементная промышленность.Для получения любой помощи по этой теме, пожалуйста, свяжитесь с нами, оставив комментарий в разделе комментариев ниже.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *