Текст книги "Современные системы автоматического управления электротехническими и урбанизированными установками"

3.4. Двигатели электропылесосов

В пылесосах применяются коллекторные двигатели мощностью от 40 до 800 Вт и частотой вращения 14000 – 25000 об/мин.

В коллекторных электродвигателях переменного тока независимого возбуждения обмотка возбуждения ОВ и обмотка якоря Я подключены параллельно источнику питания. Если пренебречь потерями на гистерезис и вихревые токи, можно считать, что магнитный поток возбуждения совпадает по фазе (во времени) с током возбуждения I_в (рис. 3.12 а). Обмотка якоря имеет значительно меньшее индуктивное сопротивление, чем обмотка возбуждения. Вследствие этого ток I_я, протекающий в ней, опережает по фазе ток возбуждения I_в, а следовательно, и магнитный поток Ф. Вращающий момент М, развиваемый электродвигателем, зависит от произведения магнитного потока на ток обмотки якоря.

Произведя графическое умножение тока обмотки якоря и магнитного потока Ф, получим график зависимости электромагнитного момента М, развиваемого электродвигателем от времени. В моменты времени t₁ и t₂, когда магнитный поток возбуждения и ток якоря совпадают по фазе (имеют одинаковое направление), электродвигатель развивает положительный вращающий момент. В моменты времени, когда магнитный поток возбуждения и ток якоря не совпадают по фазе (имеют противоположное направление), двигатель развивает отрицательный вращающий момент, который является тормозным. Результирующий вращающий момент будет равен некоторой средней величине M_ср.

В коллекторных электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения ОВ и обмотка якоря включены последовательно. Если пренебречь потерями на гистерезис и вихревые токи, то магнитный поток возбуждения совпадает по фазе с током возбуждения I_в (рис. 3.12 б).

Рисунок 3.12 – Графики зависимости потока, вращающего момента и тока якоря двигателей независимого (а) и последовательного (б) возбуждения от t.

Вследствие того, что обмотка якоря включена последовательно с обмоткой возбуждения, ток, протекающий в ней, совпадает по фазе с током, протекающим в обмотке возбуждения, а, следовательно, и с магнитным потоком Ф. Вращающий момент, развиваемый электродвигателем, в любой момент времени будет положительным. Поэтому средний вращающий момент М_ср, развиваемый электродвигателем при последовательном возбуждении, будет выше, чем при независимом возбуждении. Вследствие этого электродвигатели переменного тока с последовательным возбуждением наиболее распространены. Электрическая схема пылесоса показана на рис. 3.13.

Рисунок 3.13 – Электрическая схема электропылесоса «Чайка-10»: L1, L2 – обмотки возбуждения, М – электродвигатель, C1, C2 – конденсаторы емкостью 0,0047 мкФ, С3 – конденсатор емкостью 0,47 мкФ, S – выключатель, K1, K2 – скользящие контакты, ХР – вилка штепсельная.

3.5. Фильтры радиопомех

Уровень радиопомех, создаваемых коллекторными электродвигателями бытовых приборов, обычно превышает допустимый.

Источник радиопомех может быть представлен в виде генератора высокой частоты с электродвижущей силой Е, имеющего внутреннее сопротивление Z_i и нагруженного эквивалентным высокочастотным сопротивлением питающей сети Z_H (рис. 3.14 а).

Рисунок 3.14 – Схема включения источника радиопомех: а – без помехоподавляющих устройств; б – с параллельно включенным конденсатором; в – с последовательно включенным дросселем.

Для снижения напряжения радиопомех применяют специальные помехоподавляющие устройства (фильтры), которые могут быть подразделены на следующие группы:

1. Емкостные фильтры, представляющие собой один конденсатор или комбинацию нескольких конденсаторов (рис. 3.15 а).

2. Индуктивные фильтры, представляющие собой один дроссель или комбинацию нескольких дросселей (рис. 3.15 б).

3. Индуктивно-емкостные фильтры, представляющие собой комбинацию из дросселей и конденсаторов (рис. 3.15 в, г).

4. Комбинированные фильтры, представляющие собой комбинацию из первых трех групп фильтров (рис. 3.15 д, е).

Рисунок 3.15 – Типовая схема помехоподавляющего фильтра: а – емкостного; б – индуктивного; в – Г-образного с индуктивным входом; г – Г-образного с емкостным входом; д – П-образного с емкостным входом; е – Т-образного с индуктивным входом.

3.6. Регулирование частоты вращения коллекторного электродвигателя

Для регулирования частоты вращения и обеспечения оптимальных режимов работы коллекторного электродвигателя используется симисторный регулятор (рис. 3.16).

Питающее напряжение переменного тока подается через симистор V1. Одновременно это же напряжение выпрямляется диодным мостом V и стабилизируется резистором R1 и стабилитроном V2. От этого стабилизированного напряжения через резистор R2 заряжается конденсатор С. Когда напряжение на конденсаторе достигнет V4, по управляющему электроду тиристора V3 потечет ток, и он, открывшись, создаст цепь разряда конденсатора С на первичную обмотку трансформатора Т. Этот импульс со вторичной обмотки трансформатора поступает на управляющий электрод симистора V1 и открывает его в том направлении, в каком приложено к нему питающее напряжение.

Рисунок 3.16 – Схема регулирования частоты вращения коллекторного двигателя

Схема управления представлена на рис. 3.17

Рисунок 3.17 – Механические характеристики коллекторного электродвигателя

Схема управления работает и формирует управляющий сигнал в течение каждого полупериода питающего напряжения. Фаза управляющего импульса зависит от времени заряда конденсатора, напряжения пробоя стабилитрона V4, от сопротивления регулировочного резистора R2. С помощью сопротивления резистора R2 можно изменять время заряда конденсатора и соответственно угол отпирания симистора, а, следовательно, в широких пределах регулировать напряжение электродвигателя исполнительного механизма, т. е. частоту вращения электродвигателя в соответствии с механическими характеристиками, показанными на рис. 3.17.

3.7. Принципы выбора пылесоса

Приведем ключевые моменты, на которые имеет смысл обратить внимание при выборе пылесоса.

Тип уборки: сухая или влажная, комбинированная (многофункциональный моющий пылесос).

Тип пылесоса: обычные (баллонные), вертикальные, встроенные и пылесосы – роботы.

Количество и тип фильтров: бумажные, тканевые, угольные, водяные, синтетические.

Мощность, Вт: максимальное количество потребляемой энергии. Можно считать, что чем мощнее пылесос, тем лучше он собирает пыль. Почти у всех пылесосов имеется переключатель мощности, который позволяет выбрать оптимальный режим работы пылесоса в зависимости от степени загрязнения поверхности и от материала покрытия.

Труба всасывания: стальная, пластиковая и т. д.

Пылесборник: Сменный бумажный, постоянный матерчатый, постоянный пластиковый.

Насадки: Обратить внимание на количество дополнительных насадок, входящих в комплект пылесоса.

Кроме того, следует обратить внимание на габариты и вес пылесоса.

4. Микроволновые печи

Немаловажным фактором облегчения труда не только при уборке помещения, но и при приготовлении пищи, является создание электропечей быстрого действия – микроволновых печей.

В современном мире широко используются различные бытовые приборы, и без них мы уже не можем представить себе жизнь: утюги, духовки, холодильники, телевизоры, магнитофоны, различные проигрыватели, и т. д.

В настоящее время широкое распространение в быту получили микроволновые печи.

Теория микроволновой техники была известна уже в 1930 году, но экономически не целесообразно было изготовление микроволновой техники для использования в быту, они изучались и использовались только в лабораториях. Однако уже в 70-х годах XX века на прилавках магазинов появились первые микроволновые печи для бытового использования, и покупатели быстро оценили их плюсы: экономичность, уменьшение времени на приготовление пищи или её разогрев, при этом по современным данным в приготовленных в микроволновой печи продуктах остается больше витаминов, чем при использовании электроплиты.

Первые микроволновки в основном предназначались для разогрева и размораживания продуктов. Приготовление продуктов питания носило отдаленный характер, так как пища, приготовленная в микроволновке, несколько отличается от традиционной. Но современные микроволновые печи имеют различные грили – верхний, и нижний, конвекторы, что позволяет приготовить продукты ничем не отличающиеся от тех, к котором мы привыкли, т. е. теперь есть и хрустящая корочка, и вкусовой запах и т. д.

4.1. Структура микроволновой печи

В настоящее время количество моделей микроволновых печей измеряется сотнями, и постоянно появляются новые.

Перед рассмотрением типовой конструкции микроволновой печи предварительно заметим, что, несмотря на кажущееся многообразие микроволновых печей, их внутреннее строение практически одинаково. В некоторые печи введены дополнительные элементы (гриль, конвектор и т. д.), однако это никак не отражается на тех элементах, которые обеспечивают микроволновый нагрев. Напрашивается сравнение из области физиологии. Страус внешне мало похож на воробья, однако оба состоят из органов, которые одинаковы и по названию, и по функциональному назначению, и по принципу действия.

4.2. Конструкция микроволновой печи

Типовая конструкция микроволновой печи состоит из:

1) Блока приготовления пищи.

Приготовление пищи происходит в металлической камере 1 снабженной дверцей 2 для защиты от излучения (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Внешний вид микроволновки (а), соединение камеры микроволновой печи с волноводом и магнетроном (б).

Для обеспечения равномерного нагрева пищи служит вращающийся столик 3, который приводится в движение микродвигателем, находящимся под камерой. Иногда вместо вращающегося столика с той же целью используется диссектор 4 – металлическая деталь, по внешнему виду напоминающая пропеллер, который располагается в верхней части камеры и прикрывается диэлектрическим окном из радиопрозрачного материала. Микроволновая энергия поступает в камеру от магнетрона, как правило, через отрезок 5 прямоугольного волновода. Для охлаждения магнетрона в процессе работы предназначен вентилятор. Теплый воздух от магнетрона через воздуховод направляется в камеру, обеспечивая дополнительный подогрев пищи, и затем вместе с образующимся паром выводится наружу через специальные неизлучающие отверстия.

2) Высоковольтный блок питания магнетрона М (рис. 4.2) состоит из трансформатора ТР, конденсатора С и высоковольтных диодов V1, V2.

Часто имеется также фьюз-диод, назначение которого – обеспечить защиту микроволновки от перепадов напряжения в сети. Чтобы не допустить работу микроволновой печи с неплотно закрытой дверцей, используются блокировочные микропереключатели. В зависимости от типа микроволновой печи их насчитывается от 2 до 5 штук. Освещение в камере осуществляется лампой накаливания, обычно располагаемой внутри воздуховода. Режим работы печи задается с помощью блока управления – блока регулировки мощности. Последний может быть выполнен либо в виде электромеханического таймера, либо в виде электронного блока, как правило, на основе микроконтроллера. Для предотвращения наводок от работающей микроволновой печи во внешнюю сеть используется сетевой фильтр, на котором размещены также один или два предохранителя. Чтобы исключить выход печи из строя из-за перегрева, многие из них имеют термореле, которые обычно располагаются на магнетроне и на камере с внешней стороны.

Рисунок 4.2 – Принципиальная электрическая схема высоковольтного блока питания магнетрона

3) Камера микроволновой печи.

Основная проблема, возникающая в камере микроволновой печи, – это неравномерность нагрева продукта. Причина заключается в том, что камера, по сути, представляет собой резонатор, колебания в котором происходят в виде стоячих волн. Особенностью стоячих волн является наличие пространственных максимумов и минимумов электрического поля. Для равномерного нагрева желательно иметь как можно больше видов частот вблизи рабочей частоты. Достичь этого при фиксированной частоте излучения генератора можно несколькими путями. Один из них – увеличение размеров камеры. В этом случае основная волна и все последующие смещаются в периферийную область, там низкие частоты, а в рабочей зоне, вследствие отражения от стен, наложения друг на друга в смешанном виде окажутся более плотно расположенные высокочастотные волны. Загрузка камеры приводит примерно к такому же результату, что и увеличение ее размеров. Это объясняется тем, что продукты питания, примерно на 80 % состоящие из воды, имеют большую диэлектрическую проницаемость. А при заполнении резонатора диэлектриком с ε>1 его резонансные частоты смещаются в область более низких значений. При загрузке камеры снижается также и ее добротность, что в свою очередь приводит к расширению полосы рабочих частот и, как следствие, к увеличению количества рабочих видов колебаний. Это обеспечивает более равномерное распределение энергии.

Как правило, большое количество разных значений частотных колебаний еще не свидетельствует о равномерном нагреве, некоторые частоты либо плохо возбуждаются, либо не возбуждаются совсем. Суммарное электрическое поле, образованное суперпозицией всех частот колебаний, может быть очень сложным, но в любом случае из-за чередования направленности, оно будет содержать максимумы и нулевые точки. Хотя некоторое выравнивание температуры и происходит за счет конвекции и теплопроводности, однако этого явно недостаточно для нормального приготовления продуктов.

Исправить положение можно, если имеющиеся виды колебаний или хотя бы часть из них включать поочередно. Добавление или, наоборот, изъятие любого вида колебаний приводит к изменению общей структуры электрического поля. То же самое происходит, когда меняется соотношение амплитуд различных частот. Участки с максимальной и минимальной амплитудой смещаются в пространстве камеры и могут меняться местами. В результате каждый участок продукта в процессе приготовления пищи поочередно подвержен влиянию полей различной конфигурации и интенсивности. При большом количестве комбинаций частот нагрев в рабочей области камеры может быть достаточно равномерным. Исключение составляют участки вблизи ребер и в углах камеры, где поле даже теоретически не может быть велико. Таким образом, даже относительно небольшое число видов колебаний при их правильном возбуждении могут обеспечить требуемую равномерность нагрева продукта. Существует много различных устройств, реализующих селекцию видов колебаний во времени. Наибольшее распространение получили диссектор и вращающийся столик.

4.3. Диссектор

Ниже изображен диссектор, предназначением которого является «смешивание» различных частот в камере микроволновой печи. Он представляет собой несколько металлических лопастей (рис. 4.3.) различной конфигурации, закрепленных на общей оси, которые расположены в непосредственной близости от ввода СВЧ энергии.

Рисунок 4.3 – Внешний вид диссектора

Принцип действия диссектора состоит в следующем: во время вращения он своими лопастями возмущает электромагнитное поле в том месте, где СВЧ энергия поступает в камеру. В результате некоторые из существующих видов колебаний могут подавляться. При вращении диссектора условия прохождения для различных частот меняются, в зависимости от взаимного расположения ввода энергии и ближайших к нему лопастей. Поэтому спектр электромагнитных колебаний, а соответственно и структура поля в камере постоянно видоизменяется. Для большей эффективности лопасти диссектора делают неодинаковыми так, чтобы каждая лопасть по-своему влияла на условия возбуждения. Дополнительный результат достигается за счет того, что вращение диссектора периодически изменяет форму камеры, что влияет на резонансные частоты. Однако этот эффект не стоит переоценивать. Если лопасти находятся на заметном расстоянии от ввода энергии, добиться высокой равномерности нагрева практически невозможно. Достоинством диссектора является простота его конструкции и, как следствие, низкая стоимость и высокая надежность.

Недостатки диссектора напрямую связаны с принципом его действия. Чем лучше условия для перемешивания поля, тем хуже условия согласования, т. е. подавления одних частот и выделения других. В настоящее время не существует способа, позволяющего рассчитать диссектор так, чтобы при любом угле поворота он влиял только на те виды колебаний, которые мы хотим подавить, не затрагивая остальные. Практически всегда подавляются все частоты, только в разной степени. Поэтому при вращении диссектора постоянно меняются условия согласования камеры с СВЧ трактом. И, естественно, не в лучшую сторону. Ухудшение согласования приводит к более напряженному режиму работы магнетрона и к снижению его к.п.д. Таким образом, настройка диссектора – это всегда компромисс между получением хорошего смешивания и равномерностью нагрева, которая, как правило, не очень высока.

Вращение диссектора в микроволновых печах обеспечивается двумя способами: воздушным потоком от вентилятора, охлаждающего магнетрон, или с помощью ременной передачи. Последний вариант характерен для печей российского производства. В этом случае наиболее вероятная неисправность – это обрыв одного из пассиков между шкивами вентилятора и диссектора. При использовании первого способа отсутствие вращения может быть вызвано несколькими причинами. Большинство из них выявляется сразу после разборки камеры. Менее очевидные причины связаны с плохой работой вентилятора. Иногда его лопасти прокручиваются на оси, а иногда он не достигает нужных оборотов. В результате мощность воздушного потока оказывается недостаточной для раскрутки диссектора. Кроме того, это негативно сказывается на охлаждении магнетрона.

Другим устройством, обеспечивающим равномерный нагрев продукта, является вращающий поддон.

4.4. Вращающийся диск (поддон)

Конструктивно вращающийся диск обычно состоит из микродвигателя со встроенным редуктором, неметаллического (например, стеклянного) поддона и муфты, снабженной роликами.

На первый взгляд, принцип действия рассматриваемой конструкции очевиден и не требует комментариев. Вращаясь в неравномерно распределенном электрическом поле, каждая точка продукта (за исключением центра вращения) поочередно попадает в места с разной интенсивностью поля. В течение полного оборота поглощаемая мощность усредняется, что дает выравнивание температуры. Не отрицая существования описанного эффекта, добавим к нему еще один, не менее значимый. Если продукт физически неоднороден или расположен несимметрично относительно центра вращения (обычно так и бывает), то при его вращении распределение полей различных частот колебаний будет заметно меняться. В этом случае сам продукт выступает в роли диссектора, причем более эффективного, чем металлический. Поэтому даже в центре вращения напряженность электрического поля будет постоянно изменяться, обеспечивая дополнительную равномерность нагрева. При такой конструкции теоретически возможен равномерный нагрев, даже если имеется всего одна частота колебаний. Таким образом, достоинством вращающегося поддона является более высокая по сравнению с диссектором равномерность нагрева и лучшее согласование камеры с СВЧ трактом, поскольку в этом случае равномерность нагрева обеспечивается за счет подавления отдельных частот.

4.5. Ввод волновода

Место ввода СВЧ энергии в камеру прикрывается специальной крышкой из непоглощающих изоляционных материалов. Это сделано для того, чтобы предотвратить попадание влаги и грязи в волновод и на антенну магнетрона. Загрязнение изолятора антенны может привести к поверхностному и электрическому пробою и, как следствие, к выходу магнетрона из строя. При нормальной работе крышка практически не поглощает энергии и не влияет на нагрев микроволновой печи. Тем не менее, не редки случаи, когда упомянутая деталь начинает интенсивно гореть с искрением и едким дымом. В подавляющем большинстве случаев причины такого буйного поведения мирной детали кроются в неправильной эксплуатации печи. Основная причина – это включение при недостаточной загрузке или вовсе без нее. Какими бы малыми ни были поглощающие свойства крышки, если в камере печи больше нет объектов, где бы микроволновая энергия могла продемонстрировать свою мощь, она начинает перегреваться, а из-за повышенной напряженности электрического поля, существующей при недостаточном объеме загрузки, на ее поверхности возникают пробои. Результатом таких пробоев будет обугливание некоторой части крышки, поэтому в дальнейшем процесс может лавинообразно нарастать, даже если последующие включения печи производить в соответствии с правилами. Еще одной причиной, приводящей к аналогичным последствиям, может служить чрезмерная загрязненность крышки. Диэлектрические свойства грязи далеки от идеальных, поэтому она будет поглощать энергию и перегреваться. При определенных условиях температура загрязнений может дойти до такого значения, при котором они начнут обугливаться. Дальнейший ход событий полностью повторяет предыдущий сценарий.

Одна из наиболее важных и технически сложных деталей микроволновой печи – это дверца камеры. С одной стороны, она должна обеспечить быстрый доступ к камере и возможность визуального наблюдения за процессом приготовления пищи, а с другой – обеспечить надежную защиту от микроволнового излучения. Рассмотрим устройство типичной дверцы микроволновой печи.