ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЗАСЛОНКИ СИСТЕМЫ КЛИМАТ-КОНТРОЛЯ
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ)
Кафедра теоретической механики и мехатроники
УТВЕРЖДАЮ Первый проректор- проректор по учебной работе ________________ Е.А. Кудряшов «____» ________________ 2011 г.
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЗАСЛОНКИ СИСТЕМЫ КЛИМАТ-КОНТРОЛЯ Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Приводы бытовых мехатронных устройств» для студентов специальности 220401.65 Мехатроника; по дисциплине «Проектирование автоматизированных приводов мехатронных и робототехнических систем» для студентов направлений 220200.68 Автоматизация и управление и 221000.68 Мехатроника и робототехника Курск 2011
Рецензент Кандидат технических наук, доцент В.Я.Мищенко
Исследование работы электропривода заслонки системы климат-контроля: методические указания к выполнению лабораторной работы / Юго-Зап. гос. ун-т; сост.: Б.В. Лушников, А.В. Мальчиков; Курск, 2011. 21 с., ил. 21.
Содержат сведения по вопросам работы электропривода заслонки климат-контроля. Приводится пример выполнения лабораторной работы, краткие теоретические положения и контрольные вопросы для защиты работы. Методические указания соответствуют требованиям программы, утверждённой учебно-методическим советом по направлениям Мехатроника, Автоматизация и управление; Мехатроника и робототехника. Предназначены для студентов направлений 220200.68 Автоматизация и управление, 221000.68 Мехатроника и робототехника и для студентов специальности 220401.65 Мехатроника всех форм обучения.
Текст печатается в авторской редакции Подписано в печать. Формат 60х84 1/16 Усл.печ.л. Уч.-изд.л. Тираж 20 экз. Заказ.Бесплатно. Юго-Западный государственный университет. 305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94
Содержание: Введение.......................................................................................................... 3 Разработка основных узлов системы............................................................ 4 Электродвигатель........................................................................................... 4 Принцип действия асинхронного двигателя.................................................5 Рабочие характеристики асинхронного двигателя.......................................7 Пуск, регулирование частоты вращения и торможения АД........................7 Однофазные асинхронного двигателя……………………………....10 Механическая часть...................................................................................... 16 Внешний вид устройства.............................................................................. 17 Заключение................................................................................................... 21
Введение. Мощные электрические приводы находят широкое применение в разнообразных областях техники, роботостроении, бытовой техники, строительстве, системах климат-контроля и т.д. С их помощью можно получить большой крутящий момент при относительно небольших размерах. Темой данной работы является разработка управляемого привода заслонки. Используемый в работе электропривод может быть использован для автоматического регулирования больших жалюзей для систем климат-контроля. Данные системы смогут обеспечивать несколько режимов работы. Ручной режим: предназначен для полного открытия и полного закрытия штор, например, полное проветривание и охлаждение помещения в химических лабораториях и зданиях работающих с вредными и едкими химическими веществами. Автоматический режим может поддерживать заданную температуру и климат в помещении в течении всего рабочего времени. Это очень важно для поддержания комфортных условий на рабочем месте. Целью данной работы является разработать управляемый привод заслонки, для этого необходимо решить следующие задачи: > выбрать электродвигатель; > разработать механическую часть привода (редуктор); > разработать систему управления приводом, обеспечивающую работу в двух режимах; > выполнить стенд, наглядно поясняющий работа данного устройства.
Общие сведения об асинхронных двигателях. Понятие асинхронной машины связано с тем, что ротор ее имеет частоту вращения, отличающуюся от частоты вращения магнитного поля статора. Буква "а" здесь играет как бы роль отрицания или нестрогого следования ротора за синхронно вращающимся магнитным полем статора. Создателем этой простой по конструкции, но удобной и надежной в работе машины является русский инженер М.О. Доливо-Добровольский. Асинхронный двигатель, впервые разработанный в 1889 году, практически не подвергся серьезным изменениям до наших дней. В основу конструкции асинхронного двигателя положено создание системы трехфазного переменного тока, принадлежащее этому же автору. Переменный ток, подаваемый в трехфазную обмотку статора двигателя, формирует в нем вращающееся магнитное поле. Основными конструктивными элементами асинхронного двигателя являются неподвижный статор и подвижный ротор (рис. 1). Статор и ротор разделены воздушным зазором от 0,1 мм до 1,5 мм. Пакет статора с целью уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных листов электротехнической стали. На внутренней полости статора имеются пазы, в которые укладываются провода обмотки. Листы статора перед сборкой в пакет изолируют слоем лака или окалины, полученной при их отжиге.
Рис.1. Общий вид асинхронного двигателя В пазы статора укладывают обмотку, которая в простейшем случае состоит из трех катушек - фаз, сдвинутых в пространстве на 120 эл. градусов. Ротор асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали. На поверхности ротора имеются продольные пазы для обмотки. Листы сердечника ротора специально не изолируют, т.к. в большинстве случаев достаточно изоляции от окалины. В зависимости от типа обмотки роторы двигателей обычного исполнения делятся на короткозамкнутые и фазные. Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой медные стержни, забитые в пазы. С двух сторон эти стержни замыкаются кольцами. Соединения стержней с кольцами осуществляется пайкой или сваркой. Чаще всего короткозамкнутую обмотку выполняют расплавленным, алюминием и литьем под давлением. При этом вместе со стержнями и кольцами отливаются и лопатки вентилятора. Принцип действия асинхронного двигателя. Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Так как роторная обмотка замкнута, то в проводниках ее возникают токи. Ток каждого проводника, взаимодействуя с полем статора, создает электромагнитную силу - F3M. Совокупность сил всех проводников обмотки создает электромагнитный момент М, который приводит ротор во вращение в направлении вращающего поля. Частота вращения ротора n2 будет всегда меньше синхронной частоты n1 т.е. ротор всегда отстает от поля статора.
Обмотка ротора асинхронного двигателя электрически не связана с обмоткой статора. В этом отношении двигатель подобен трансформатору, в котором обмотка статора является первичной обмоткой, а обмотка ротора -вторичной. Разница состоит в том, что ЭДС в обмотках трансформатора наводится неизменяющимся во времени магнитным потоком, а ЭДС в обмотках двигателя - потоком постоянным по величине, но вращающимся в пространстве. Эффект в том и в другом случаях будет одинаковым. В отличие от вторичной обмотки трансформатора, неподвижной, обмотка ротора двигателя вместе с ним вращается. ЭДС роторной обмотки, в свою очередь, зависит от частоты вращения ротора. В этом нетрудно убедиться, анализируя процессы, протекающие в асинхронном двигателе.
Рис. 4. Механическая характеристика асинхронного двигателя. Рабочие характеристики асинхронного двигателя. Эти характеристики снимаются экспериментально и представляю собой зависимость I1, М2, n2, coscp, h от нагрузки на валу двигателя Р2. Примерный вид характеристик приведен на рис. 5.
Рис. 5. Рабочие характеристики асинхронного двигателя. Пуск, регулирование частоты вращения и торможение асинхронного двигателя. На практике замечено, что ток, потребляемый обмоткой статора в первый момент пуска двигателя, очень большой. В ряде случаев он превышает номинальный ток в 6 - 10 раз. Такой нагрузки может не выдержать не только питающая сеть, но и сама обмотка статора. Поэтому для пуска крупных асинхронных двигателей применяют специальные устройства, снижающие пусковой ток. На рис. 6. показаны схемы пуска мощных двигателей с помощью реакторов и автотрансформатора.
Рис. 6. Схемы пуска асинхронного двигателей. Принцип ограничения тока заключается в том, что к статорной обмотке двигателя на период пуска подводится пониженное напряжение. После разгона его дополнительные устройства от двигателя отключаются. Иногда для снижения напряжения, подаваемого в обмотки статора, изменяют схему переключения обмоток. Например, асинхронный двигатель нормально работает по схеме "треугольник". Если на период пуска его обмотки включить "звездой", то на каждую фазу придется напряжение в ^ раз меньшее. Двигатели с фазным ротором пускаются в работу с помощью дополнительных сопротивлений. Вводя дополнительные сопротивления в цепь ротора, добиваются ограничения пускового тока. Здесь возможны три различных способа реализации: Первый заключается в изменении частоты тока f, подаваемого в обмотки двигателя. Этот способ позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения двигателя. Регуляторы частоты тока пока еще очень дороги, поэтому они мало применяются. Второй способ связан с изменением пар полюсов р на статоре. Укладывая на статоре несколько обмоток, рассчитанных на различные числа пар полюсов (р=1,2,3,4), можно обеспечить различные частоты вращения магнитного поля (соответственно: 3000, 1500, 1000, 750 об/мин). Подключение к сети необходимой обмотки производится специальным переключателем. Этот способ регулирования ступенчатый, но в ряде металлообрабатывающих станков он нашел самое широкое применение (например, для привода продольно-строгального станка при рабочем и обратном ходе). Третий способ регулирования частоты вращения возможен лишь для двигателей с фазным ротором. Здесь изменение скольжения S достигается введением в цепь ротора регулировочных сопротивлений. Такие схемы широко используются на грузоподъемных кранах. К категории регулирования вращения вала двигателя относится так называемое реверсирование, т.е. изменение направления вращения на обратное. Осуществляется оно путем изменения порядка чередования фаз обмотки статора. На рис. 7. показана схема изменения направления вращения вала двигателя.
Рис. 7. Реверсирование двигателя Торможение асинхронного двигателя может быть механическим и электрическим. К механическим относятся торможения муфтами, электромагнитными лентами, колодками и т.д. Иногда применяют электродинамическое торможение, когда после отключения двигателя от сети переменного тока в его обмотки подается постоянный ток. В этом случае постоянное магнитное поле заметно сокращает выбег ротора. Чаще используется торможение "противовыключением". После отключения двигателя от сети его кратковременно включают на вращение в обратную сторону. Как только оставшаяся частота вращения ротора n2 станет равной нулю, двигатель отключается от сети. Однофазные асинхронные двигатели. Статор однофазного двигателя имеет однофазную обмотку, которая занимает 2/3 общего числа пазов статора. Ротор - коротко-замкнутый. При подключении к сети однофазная статорная обмотка создает не вращающийся, а пульсирующий магнитный поток с амплитудой Ф. Этот поток может быть искусственно разложен на два вращающихся потока Ф1 и ФII, каждый из которых равен Ф/2. Обозначим Ф1 прямым потоком, а ФII -обратным. Частота вращения каждого потока - nii=4im=ni.
Вращающие моменты двигателя пропорциональны магнитным потокам статора и токам в обмотке ротора. (М~ФI2). Исходя из значений токов I21 и I2II и учитывая, что ФI=ФII можно записать: Следовательно, если ротор двигателя уже вращается в сторону прямого потока, то он будет продолжать вращаться в этом направлении. Тормозящее воздействие МII не будет оказывать заметного влияния на работу двигателя. Вспомним, что мы условно предполагали вращение ротора в сторону прямого потока ФI А если бы он вращался вначале в сторону обратного потока ФII? Тогда, проведя аналогичные рассуждения, можно заключить, что ротор будет устойчиво вращаться в сторону обратного потока. Рассмотрим механическую характеристику однофазного двигателя (рис. 9).
Рис. 9. Механическая характеристика однофазного двигателя Из характеристики M=f(S) видно, что при пуске, когда S=l, пусковой момент МП=0. Двигатель при включении его в сеть сам не начнет вращаться. Необходим его сдвиг в ту или иную сторону. Если сдвинуть точку Мп влево от S = l, то момент будет положительным, если вправо - отрицательным. Другими словами, направление устойчивого вращения ротора двигателя будет зависеть от направления первоначального импульса. Проведенный анализ показал, что однофазный двигатель нуждается в принудительном пуске. Пусковые устройства могут быть механическими (пуск от руки) и электрическими. Первый способ пуска практически выжил себя, и на его смену пришел второй - электрический. Для создания необходимого пускового момента однофазный двигатель снабжается дополнительной пусковой обмоткой. Эта обмотка размещается в оставшейся незаполненной 1/3 пазов. Однофазный двигатель, таким образом, превратился в двухфазный. Двухфазный двигатель обладает вращающимся магнитным полем, если выполнены два обязательных условия. Первое условие состоит в пространственном сдвиге рабочей и пусковой обмоток на 90 эл. градусов. Такое условие, легко реализуется на заводе-изготовителе. Второе обязательное условие диктуется сдвигом по фазе тока в пусковой обмотке на 90° относительно тока в рабочей обмотке. Выполнение этого условия связано с включением в пусковую обмотку фазосдвигающего элемента, например, конденсатора (рис. 10).
Рис. 10. Схема включения однофазного двигателя После того как ротор двигателя придет во вращение, пусковую обмотку П0 отключают. Делается это с помощью выключателя В. Иногда в бытовой технике отключение пусковой обмотки производится автоматически по ходу разгона двигателя. В данной работе использовался асинхронный серводвигатель КЛИМАКТ. КР 5/40. Ниже приведено описание двигателя и методика его установки. Описание двигателя. Рычажный серводвигатель КЛИМАКТ состоит из плоской основной плиты, в отверстиях которой насажены валы с зубчатыми колесами. Быстроходные валы помещены в шариковых подшипниках, тихоходные колесные пары поворачиваются в бронзовых заливках. Выходной вал помещен в шариковых подшипниках, которые вставлены в два фланца, которые с обеих сторон сжимают основную плиту. У всех колесных механизмов передние прямые зубчатые зацепления. Для обеспечения самоторможения выходного вала на вале электродвигателя находится механический тормоз, который тормозит вал электродвигателя для его остановки. Этот тормоз частично нагружает электродвигатель при работе серводвигателя вхолостую, но уже при половинной нагрузке серводвигателя он не работает. Основное оснащение серводвигателя содержит: · Электродвигатель с конденсатором; · 2 концевых выключателя; · > 2 сигнальных выключателя. У каждого выключателя самостоятельно регулируемый кулачок. Технические данные серводвигателя КЛИМАКТ КР 5/40 Крутящий момент 5 кп Максимальный угол поворота кулачка 90° Электродвигатель 8 Вт, 220 В, 0,1 А Относительная продолжительность включения 30 % Смазка МОЛЫКА Установка серводвигателя. При установке рычажного серводвигателя КЛИМАКТ поступают следующим образом: · Ослабляются винты 4 и 5, которые предохраняют кулачки 6, 7, 8, 9. · Серводвигатель устанавливается ручным управлением в положение · «закрыто» (кулачки поворачиваются против часовой стрелки). После подтяжки окончательного положения «закрыто» поворачивается кулачок 7 против часовой стрелки до времени, когда кулачок наедет на выключающую пружину выключателя KPZ. Если вмонтированы сигнальные выключатели, возможно в тоже время установить кулачок 8 для выключателя SZ таким же образом как кулачок 7. Легко подвинчиваются винты 4 и 5, чтобы при дальнейшей установке не повредить установленное положение кулачков 7 и 8. Серводвигатель устанавливается в положение «открыто» (кулачки поворачиваются по часовой стрелке). Ослабляются винты 4 и 5, и поворачивается кулачок 6 по часовой стрелке до времени, когда кулачок наедет на выключающую пружину выключателя КРО. Аналогично установить кулачок 9 для выключателя SO. Внимание! При установке кулачков 6 и 9 постараться не повредить уже ранее установленные положения кулачков 7 и 8. Подтянуть винты 4 и 5. Обслуживание и уход. Обслуживающему персоналу необходимо проводить правильный уход и предохранять серводвигатель от вредных влияний окружающей среды. Уход за серводвигателем заключается в смазывании его смазочным жиром МОЛЫКА после полугода работы. Необходимо смазывать зубчатое зацепление главного колесного механизма и подшипники выходного вала. Кулачки и циркулирующие пути раз в полгода смазываются жиром SP3. В серводвигателе могут возникнуть неточности в установке отдельных элементов, а именно освобождение винтов и сдвиг от установленного положения. В таком случае необходимо элемент установить по вышеуказанной инструкции для установки.
Рис. 11. Электрическая схема серводвигателя По схеме видно, что реверс двигателя осуществляется при помощи переключения контактов 18-15. Двигатель отрабатывает поворот на 90°, при достижении крайних положений отключается концевыми выключателями.
Рис. 12. Кинематическая схема механизма
После проведенных исследований и разработки основных узлов системы был собран лабораторный стенд, внешний виды установки представлены на нижеприведенных рисунках.
Рис. 14. Вид сзади Цифрами на рисунке обозначены: 1 - электродвигатель; 2 - концевые выключатели; 3 - потенциометрический датчик положения выходного вала; 4 - фазосдвигающий конденсатор 5 - выходной вал редуктора
Рис. 15. Вид спереди Цифрами на рисунке обозначены: 1 - измерительная шкала угла поворота заслонки; 2 - заслонка; 3 – редуктор.
Рис. 16. Вид сбоку
Рис. 17. Основные узлы системы:
Рис. 18. Внешний вид электронной микросхемы Цифрами на рисунке обозначены: 1 - Задающий резистор; 2 - Земля; 3 - Напряжение питания (+12 Вольт); 4 - Потенциометрический датчик положения выходного вала; 5 - Напряжение питания (+5 Вольт).
Рис. 19. Разводка печатной платы.
Рис. 20. Концевые датчики
Рис. 21. Потенциометрический датчик положения выходного вала. Заключение В данной работе была разработана система, осуществляющая поворот заслонки. Система может работать в двух направлениях (прямое направление вращения и реверсивное), а также в двух режимах(ручном и автоматическом). Автоматический режим предполагает отработку заданного угла поворота автоматически, в этом случае отключение двигателя при достижении заданного угла производится электронной схемой системы управления. Ручной режим состоит в отработке поворота на 90° в обоих направлениях, при этом отключение двигателя осуществляется при помощи концевых выключателей. Был изготовлен лабораторный стенд, наглядно поясняющий работу данного устройства.
|
