Использование дискретных систем управления и ядерной энергетики на судах повлекло за собой применение дискретного привода, в состав которого входят управляющее устройство — полупроводниковый или электромеханический коммутатор и шаговый электродвигатель.
Шаговыми, или импульсными, электродвигателями называют синхронные двигатели, преобразующие команду в виде электрических прямоугольных импульсов напряжения в дискретные угловые или линейные перемещения — «шаги». Величина шага строго фиксирована, определяется конструкцией двигателя и схемой коммутации его обмоток. Частота вращения (для линейных двигателей — скорость перемещения) регулируется изменением частоты следования управляющих импульсов. Результирующий угол поворота ротора двигателя строго соответствует числу поданных импульсов и, следовательно, числу переключений обмоток управления, а направление поворота — порядку переключений.
Рис. 76. Схема судовой синхронной четырехпроводной передачи угла
Известно много разновидностей шаговых двигателей, но все они по устройству магнитной системы ротора могут быть разделены на две основные конструктивные группы: с реактивным (пассивным) ротором, т. е. не имеющим возбуждения; с активным ротором, имеющим обмотку возбуждения или постоянные магниты.
Шаговые двигатели могут иметь различное число фаз, но в судовых системах автоматики наиболее распространены двух-, трех- и четырехфазные двигатели. Питание обмоток управления осуществляется последовательностью одно- или разнополярных прямоугольных импульсов.
Электродвигатели с реактивным (пассивным) ротором.
Для судовой синхронной системы передачи угла четырехпроводной (ССПЧ) давно уже применяется двигатель, принцип действия которого положен в основу многих современных шаговых двигателей. ССПЧ (рис. 76) состоит из электромеханического коммутатора ЭМК и синхронного двигателя СД с вращающимся полем. Коммутатор ЭМК имеет одно неподвижное контактное кольцо, девять изолированных между собой контактных пластин 1—9 и два подвижных контакта с роликами, расположенными под углом 140°. Контактные пластины соединены между собой по три в три группы: 1—4—7; 2—5—8; 3—6—9. Каждая группа соединена с обмоткой соответствующей фазы шагового двигателя.
Шаговый двигатель представляет собой синхронную машину с тремя парами явно выраженных полюсов на статоре и реактивным ротором, выполненным из магнитомягкой электротехнической стали и имеющим два выступа (зубца). На полюсах статора закреплены катушки обмоток управления. Обмотки, расположенные на двух противоположных полюсах, соединены последовательно и образуют фазу. Обмотки всех трех фаз соединены звездой, общий провод присоединяется к минусу сети. Плюс сети подается на неподвижное контактное кольцо.
Управление двигателем производится последовательно-попарным подключением обмоток фаз к источнику постоянного тока. При повороте вала с подвижными контактами через каждые 20° ток подается в обмотки то одной, то двух пар полюсов. Намагничивание полюсов при этом происходит с чередующейся полярностью. При каждом переключении питания обмоток полюсов происходит дискретное перемещение магнитного поля на шаг, равный 30°. В соответствии с этим и ротор с помощью электромагнитного момента стремится занять положение, при котором магнитный поток будет проходить наименьший путь по воздуху, т.е. ротор скачкообразно будет поворачиваться по отношению к статору на шаг αш, равный 30°.
Рис. 77. Магнитная система шагового двигателя при трех последовательных переключениях обмоток полюсов
На рис. 77 показана магнитная система шагового двигателя при трех последовательных переключениях обмоток полюсов. Положение ротора на рис., 77, а соответствует положению коммутатора, при котором роликовые контакты находятся на пластинах 1 и 4 (см. рис. 76). При этом питание подается только в обмотки первой фазы. При повороте вала коммутатора на 20° роликовые контакты будут на пластинах 1 и 5 и питание будет подаваться и в первую, и во вторую фазу одновременно (рис. 77, б). При повороте вала коммутатора еще на 20° ролики окажутся на пластинах 2 и 5 и питание будет получать только вторая фаза (рис. 77, в) и т. д.
Нетрудно убедиться в том, что если вал коммутатора повернуть на 20° против часовой стрелки, то и ротор повернется на один шаг αш=30о против часовой стрелки. Таким образом рассмотренная система обладает свойством реверсивности.
В рассмотренном примере шагового двигателя угловой шаг ротора велик — 30°. Уменьшение углового шага может быть достигнуто увеличением либо числа тактов коммутации (т. е. в конечном счете увеличением числа обмоток управления) либо числа выступов (зубцов) ротора. Однако увеличение числа обмоток усложняет схему коммутации, поэтому проблема уменьшения шага у современных шаговых двигателей решается путем увеличения числа зубцов ротора.
На рис. 78 представлена магнитная система трехфазного шагового двигателя, имеющего на роторе 16 зубцов. Каждый полюс статора имеет по два зубца. Если у первой фазы зубцы полюсов статора и зубцы ротора совпадают, то у второй и третьей фаз они оказываются рассогласованными на одну треть зубцового деления. При подаче импульса на обмотку первой фазы ротор своего положения не изменит, при подаче же очередного импульса на обмотку второй фазы ротор повернется так, чтобы зубцы его совпали с зубцами полюсов этой фазы. Если импульс подать на обмотку третьей фазы, то ротор повернется в противоположную сторону. При последовательном включении обмоток по схеме 1—2—3—1 шаг ротора αш составит 7,5°, а при последовательно-попарном подключении по схеме 1—1,2—2—2,3—3 шаг αш=3,75°. Рассмотренные в этом примере соотношения чисел зубцов статора и ротора приняты в двигателях РЭШД-38-5 и РЭШД-38-6.
Рис. 78. Магнитная система трехфазного шагового двигателя с зубцами на роторе и статоре
В шаговых двигателях ШД-4, РЭШД-38-7 и в некоторых других число зубцов ротора zρ=40, а на полюсах статора имеется по 3 зубца. Эти двигатели могут иметь угловой шаг 3 или 1,5°. Еще большее уменьшение шага достигается путем размещения на общем валу нескольких пар статоров и роторов, повернутых относительно друг друга на соответствующий угол.
Электромеханический коммутатор, применяемый в ССПЧ, имеет низкую эксплуатационную надежность и ограничивает величину тока, коммутируемого роликовыми контактами. В современных дискретных приводах с шаговыми двигателями применяют бесконтактные полупроводниковые коммутаторы.
Электродвигатели с активным ротором.
Статор двигателей имеет явно выраженные полюса, на которых расположены обмотки управления — чаще всего две. Число пар полюсов каждой обмотки управления равно числу пар полюсов ротора. Ротор может иметь электромагнитное или магнитоэлектрическое возбуждение.
При электромагнитном возбуждении ротор поляризуется с помощью специальной обмотки возбуждения, ток в которую подается через контактные кольца. При магнитоэлектрическом возбуждении ротор выполняется в виде «звездочки» постоянных магнитов литой или составной конструкции. Шаговые двигатели с таким ротором получили большое распространение.
Положительные свойства шаговых двигателей: свойство дискретности, возможность получения малого шага перемещения, возможность регулирования частоты вращения, относительная тихоходность при обеспечении регулирования частоты вращения до нуля.
Возможность герметического (водонепроницаемого или погружного) исполнения определила область их применения в судовом оборудовании:
в приводах систем управления и защиты ядерных реакторов (например, приводы управляющих стержней);
в приводах трубопроводной аппаратуры (дроссельной и запорной), где скорость срабатывания задвижек ограничена в связи с возможностью гидравлических ударов в трубопроводах;
в устройствах дискретной передачи угла (рулевом устройстве, машинном телеграфе);
в телефонии в качестве привода шагового искателя; в счетнорешающих устройствах и др.
