Учебное пособие «Электромеханические устройства автоматики»
Введение
Общие сведения
об электромеханических устройствах автоматики
Электромеханические устройства – это класс технических средств автоматики,
в основе работы которых лежит электромеханическое преобразование
энергии и сигналов. В таких устройствах электромеханическое преобразование
как правило сопровождается электромагнитным преобразованием энергии.
Электромагнитные устройства – это класс технических средств
автоматики, в основе работы которых лежит электромагнитное преобразование энергии
и сигналов.
Как и всякая классификация, эта классификация в определённой
мере условная. Контактные реле имеют подвижные части, но рассматривают их обычно
в теории электромагнитных устройств. Трансформаторы не имеют подвижных частей,
но рассматривают их обычно в теории электромашинных устройств.Подавляющее большинство
электромеханических устройств составляют электромашинные устройства.
Электромашинные устройства – это класс технических средств,
включающий в себя как классические электрические машины (двигатели, генераторы),
так и специальные устройства, выполненные на базе электрической машины и предназначенные
для различных функциональных преобразований в системах автоматического управления.
Электрическая машина – это электромеханический преобразователь
энергии, состоящий из ряда взаимодействующих электромагнитных контуров, часть
из которых неподвижна, а часть перемещается. Электрическая машина является обратимой,
т.е. может работать в двух основных режимах: двигателя – преобразователя электрической
энергии в механическую, и генератора – преобразователя механической энергии в
электрическую. Кроме этого, возможны специальные тормозные режимы работы электрической
машины.
В большинстве электрических машин, в том числе в двигателях,
перемещение контуров вращательное. Вращающиеся двигатели просты по конструкции
и надёжны в эксплуатации. Однако, если в технологическом оборудовании происходит
поступательное движение, к двигателю подсоединяют механический преобразователь
вращательного движения в поступательное. Это усложняет схему привода. Без механического
преобразователя можно обойтись, если сам двигатель будет преобразовывать электрическую
энергию в механическую поступательного движения. Такие двигатели называют линейными.
Классификация электрических машин.
По выходной мощности электрические машины
можно разделить на следующие группы: микромашины – до 0,75 кВт, машины
малой мощности – от 0,75 до 10 кВт, машины средней мощности – от
10 кВт до сотен киловатт, машины большой мощности – более сотен киловатт.
По частоте вращения машины подразделяются на тихоходные
– с частотой вращения до 300 об/мин, средней быстроходности – 300-1500 об/мин,
быстроходные – 1500-6000 об/мин и сверхбыстроходные – свыше 6000 об/мин. Частота
вращения электрических машин (об/мин) является широко используемой на практике
величиной. Однако при изложении теоретических разделов в учебнике используется
другая величина – угловая скорость (рад/с), входящая в систему единиц СИ.
По степени защиты от внешних воздействий конструктивное
выполнение электрических машин может быть защищённое, брызгозащищённое, каплезащищённое,
водозащищёное, пылезащищённое, закрытое, герметичное и взрывозащищённое. Например,
машины защищённого выполнения могут устанавливаться только в закрытых помещениях,
т.к. не имеют защитных приспособлений от попадания дождя внутрь машины. В то
же время герметичные машины выполняются с особо плотной изоляцией внутреннего
пространства от окружающей среды и могут работать под водой, в газовых камерах.
По способу охлаждения различают машины с естественным
и искусственным охлаждением. Охлаждение необходимо для предотвращения недопустимого
нагрева, вызываемого потерями мощности в электрической машине. Электрические
микромашины обычно охлаждаются за счёт естественного теплообмена с окружающей
средой (естественное охлаждение). Машины большей мощности имеют искусственное
охлаждение, в основном воздушное. Искусственное охлаждение бывает двух типов:
а) самовентиляция, когда охлаждение осуществляется вентилятором, насаженным на
вал самой машины; б) независимая вентиляция, когда охлаждающий воздух продувается
через машину или на поверхность машины вспомогательным вентилятором. Жидкостное
охлаждение применяется только в машинах большой мощности.
Классификация по функциональному признаку существенно
связана с уровнем мощности машин. Среди электромашинных устройств автоматики
значительную долю составляют электрические микромашины. Поэтому в качестве примера
рассмотрим функциональную классификацию микромашин, определяющую их назначение
и области применения.
Электрические микромашины можно подразделить на две группы:
1) общего назначения;
2) автоматических систем и приборов.
Электрические микромашины общего назначения – это в основном микродвигатели
(рис. В.1), работающие от сети трёхфазного и однофазного переменного
тока или от сети постоянного тока и предназначенные для привода,
чаще всего нерегулируемого, различных узлов и механизмов.
Электрические микромашины автоматических систем и приборов
(рис. В.2) делятся на четыре подгруппы:
1) силовые микромашины, преобразующие электрический
сигнал в механический;
2) информационные микромашины, преобразующие механический
сигнал (угол поворота, угловую скорость и угловое ускорение) в электрический
сигнал;
3) гироскопические микромашины – элементы гироскопических
устройств и приборов;
4) преобразователи значения и вида напряжения,
частоты и усилители мощности.
В настоящем учебном пособии наиболее подробно рассматриваются
микромашины первой, второй и четвёртой подгрупп, составляющие основу класса технических
средств, называемых электромеханическими устройствами автоматики.
Основные требования, предъявляемые к электрическим микромашинам,
разделяются на две группы:
1.Общие требования, не связанные с конкретными условиями эксплуатации
и областью применения. Для электрических микромашин общего применения основными
требованиями являются высокие энергетические показатели – коэффициент полезного
действия и коэффициент мощности; длительный срок службы; низкая стоимость; простота
конструкции и технологии изготовления; ремонтопригодность. Для электрических
микромашин автоматических систем и приборов эти требования не являются решающими.
Основные требования к информационным микромашинам – высокая точность преобразования
и стабильность характеристик. Силовые микромашины и преобразователи наряду с
достаточной точностью и быстродействием должны иметь хорошие энергетические показатели.
Практически ко всем микромашинам автоматических систем и приборов предъявляется
требование высокой надёжности, т.е. способности безотказно работать в течение
заданного времени и при определённых условиях эксплуатации.
2. Требования, предъявляемые в зависимости от области применения
и условий эксплуатации: минимальные габаритные размеры и масса при заданных выходных
параметрах – для микромашин бортовой аппаратуры, подвижных частей промышленных
роботов; устойчивость к вибрации и ударным нагрузкам - для транспортных и сельскохозяйственных
машин, бортовой аппаратуры; климатическая и радиационная устойчивость – для микромашин,
работающих в ядерных реакторах, на космических аппаратах и в условиях тропического
климата; взрывобезопасность – для микромашин шахтного и рудничного оборудования;
низкий уровень создаваемых шумов – для микромашин звукозаписывающей и звуковоспроизводящей
аппаратуры; низкий уровень излучаемых радиопомех – для микромашин, работающих
в комплекте с электронной аппаратурой; низкий уровень газовыделений – для микромашин,
применяемых в вакуумном технологическом оборудовании.
Рис. В.1.
Рис. В.2.
| 
