Электроприводы со специальными свойствами и характеристиками

Отметим, что вращающееся магнитное поле двигателя выполняет по существу роль электромагнитного генератора механических волн деформации, необходимого для работы обычной волновой передачи.

Широкое применение волновых двигателей ограничивается сложностью конструкции и технологии изготовления эластичного ротора. Из за сравнительно невысоких энергетических показателей нецелесообразно изготовление и применение волновых двигателей на средние и большие мощности.

б) Двигатели с катящимся ротором

Принцип действия двигателей с катящимся ротором (ДКР) можно пояснить с помощью рис. 6.11. На рисунке внешнее заштрихованное кольцо 1 представляет собой статор ДКР, выполняемый по аналогии со статором машины переменного тока. Внутри статора располагается гладкий ферромагнитный ротор 2, ось которого 0₂ не совпадает с осью статора 0₁. Это несовпадение осей статора и ротора - эксцентриситет - является важным отличительным признаком ДКР, на котором основывается принцип его действия.

Предположим, что в воздушном зазоре создано вращающееся магнитное поле, имеющее резко выраженный максимум магнитной индукции, что обычно достигается за счет подмагничивания ДКР постоянным магнитным потоком. Если в рассматриваемый момент времени (рис. 6.11, а) этот максимум совпадает с точкой А, то ферромагнитный ротор под действием силы магнитного притяжения F_м,п займет положение, показанное на рис. 6.11, а. Это положение ротора будет равновесным, так как направление силы F_м,п проходит через точку А касания статора и ротора.

Рассмотрим теперь другой момент времени, когда вращающееся магнитное поле повернулось против часовой стрелки на некоторый угол. Сила магнитного притяжения, совпадающая по направлению с максимумом индукции магнитного поля, также изменит свое направление и займет положение, показанное на рис. 6.11, б. Так как направление силы F_м,п уже не проходит через точку касания статора и ротора, то на последний начнет действовать вращательный момент относительно точки А. Под действием этого момента ротор начнет перекатываться по поверхности статора, стремясь вновь занять равновесное положение.

При непрерывном вращении магнитного поля ротор будет непрерывно перекатываться по поверхности статора вслед за максимумом индукции этого поля. При таком обкатывании ось ротора 0₂ будет вращаться вокруг оси статора 0₁ со скоростью вращения магнитного поля, а сам ротор будет вращаться вокруг собственной оси в противоположную сторону со скоростью, во много раз меньше скорости вращения магнитного поля.

Из рис. 6.11, в видно, что за полный оборот магнитного поля ротор из-за разности длин окружности качения статора L_c и ротора L_p повернется в противоположном направлении на угол _р, который как центральный угол может быть рассчитан по формуле

(6.7)

где D_c, D_p _ диаметры статора и ротора.

Переходя в (6.7) от углов к скоростям, получаем

(6.8)

где _р - угловая скорость вала ДКР.

Выполняя ротор с диаметром, близким к диаметру статора, можно получить весьма малые отношения (D_c-D_p)/D_p и тем самым малые скорости вала ДКР. Коэффициент редукции скорости, определяемый обратным соотношением D_p/(D_с-D_p), для ДКР может достигать 1500, что является наиболее ценным свойством ДКР.

Кроме того, ДКР обладает высоким быстродействием - время его разбега и реверса составляет сотые доли секунды. При торможении ДКР отключением переменного напряжения статора он за счет постоянного подмагничивания развивает тормозной момент, вследствие чего время и путь его торможения малы, а ротор фиксируется силой магнитного притяжения в конечном положении.

Достоинствами ДКР являются также большой пусковой момент и относительно небольшой пусковой ток, а также отсутствие в большинстве конструкций скользящих электрических контактов и высокоскоростных подшипников. Сравнительно высокими являются и энергетические показатели работы ДКР, которые улучшаются по мере роста их мощности.

Вместе с тем ДКР имеют и заметные недостатки. К ним в первую очередь относятся сложность конструкции самого ДКР и необходимость применения специальных механических устройств для передачи несоосного вращения ротора. К ним относятся, например, передачи Кардана, Сешерона и Ольстома. Кроме того, работа ДКР сопровождается шумом и вибрациями, возникающими за счет действия центробежных сил при вращении ротора.

Для примера рассмотрим конструкцию индукторного синхронного ДКР, показанную на рис. 6.12. В корпусе 1 закреплены сердечник статора 2 с обмоткой 3 и постоянные магниты 4. Обмотка статора 3 создает симметричное вращающееся магнитное поле Ф_с, а постоянные магниты 4 - радиально направленное и неподвижное в пространстве магнитное поле Ф_п. В результате сложения этих полей образуется вращающееся магнитное поле с резко выраженным максимумом магнитной индукции, которое перемещается вдоль окружности статора (вращается) со скоростью ₀.

Сердечник 5 ротора набирается из листов электротехнической стали и не имеет обмоток. Он монтируется на полой ферромагнитной втулке 6, которая служит одновременно магнитопроводом для потока Ф_п постоянного подмагничивания. На этой же втулке крепятся и кольцевые сердечники 7, являющиеся частью магнитопровода для потока Ф_п.

Особенность конструкции рассматриваемого ДКР заключается в наличии на роторе специальных катков 8, которые при вращении ротора обкатываются по специальным направляющим статора 9. Их наружный диаметр несколько больше диаметра ротора, что устраняет его непосредственное соприкосновение со статором и тем самым их износ.

Внутри полой втулки 6 располагается механизм передачи несоосного вращения ротора - карданная передача.

Эта передача включает в себя карданный шарнир 10, который с помощью карданного вала 11 соединяется с другим карданным шарниром 12. Выходной вал 13 двигателя вращается в подшипнике 14, размещенном во фланце 15. Этот фланец в совокупности с упругими стержнями 16 образует так называемую эластичную подвеску, которая позволяет снизить вибрацию приводимого в движение исполнительного органа.

На основе рассмотренной конструкции могут быть реализованы также ДКР с электромагнитным возбуждением и с зубчатыми поверхностями качения. В первом случае постоянные магниты 4 заменяются электромагнитами, обмотка возбуждения которых включается на напряжение постоянного тока. Для реализации зубчатого зацепления статора и ротора гладкие обкатываемые поверхности заменяются зубчатой передачей.

Двигатели с катящимся ротором в настоящее время нашли применение в электроприводах дозаторов, часовых механизмов, манипуляторов, станков, электродов дуговых электрических печей, системах телеметрического управления. Они изготовляются на мощности от нескольких ватт до нескольких киловатт.

7. Следящий электропривод

Следящим называется электропривод, который обеспечивает с заданной точностью движение исполнительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно изменяющимся сигналом управления. Этот сигнал управления может изменяться в широких пределах по произвольному временному закону и иметь как механическую, так и электрическую природу. Чаще всего входной сигнал представляет собой скорость или угол поворота оси или вала. Следящий электропривод применяется для антенн радиотелескопов и систем спутниковой связи, в копировальных станках, для привода исполнительных органов роботов и манипуляторов, в автоматических измерительных устройствах и во многих других случаях.

Структурная схема следящего электропривода представлена на рис. 6.13. Он состоит из датчиков 1 и 2 входного и выходного сигналов, измерителя рассогласования 3, системы управления 4 и электродвигателя с механической передачей 5, который приводит в движение исполнительный орган 6 в рабочей машине.

Датчики входной и выходной величин преобразуют механические величины (скорость или угол поворота вала) в электрические - входной сигнал U_вх и сигнал обратной связи U_о,с. Измеритель рассогласования 3, алгебраически суммируя эти сигналы, вырабатывает сигнал рассогласования U, поступающий в систему управления электродвигателем 4. Следящий электропривод по своей структуре представляет собой замкнутую автоматическую систему.

Система управления 4 состоит из усилителя (регулятора) и силового преобразователя, которые обеспечивают необходимое преобразование сигнала рассогласования U в напряжение U, поступающее на двигатель. За счет выбора схем усилителя (регулятора) и преобразователя или введения корректирующих устройств обеспечивается необходимый закон изменения этого напряжения во времени u(t).

Электродвигатель и механическая передача 5 в соответствии с законом изменения u(t) обеспечивают перемещение исполнительного органа 6. Иногда двигатель с механической передачей называют исполнительным механизмом (сервомеханизмом).

Классификация следящего электропривода может быть выполнена по нескольким признакам. Если следящий электропривод предназначен для воспроизведения с заданной точностью скорости движения исполнительного органа, то он называется скоростным, а если положения - то позиционным.

По виду характеристики системы управления 5 различают следящие электроприводы с непрерывным или прерывным управлением; последние, в свою очередь, делятся на релейные и импульсные.

Отличительной особенностью следящих электроприводов непрерывного действия является непрерывное управление электродвигателем, пропорциональное сигналу рассогласования.

Следящий электропривод релейного действия характеризуется тем, что напряжение на двигатель подается только в том случае, когда сигнал рассогласования достигает определенного значения. До этого значения сигнала рассогласования напряжение на двигатель не подается и он неподвижен. Поэтому релейный следящий электродвигатель имеет определенную зону нечувствительности.

Импульсный следящий электропривод отличается тем, что управляющее воздействие на электропривод подается в виде импульсов напряжения, амплитуда, частота или скважность которых изменяется в зависимости от сигнала рассогласования. В этих случаях говорят соответственно об амплитудно-, частотно- и широтно-импульсной модуляции сигнала управления.

В следящем электроприводе используются двигатели переменного и постоянного тока, различные виды усилителей (электромашинные, магнитные, полупроводниковые, пневматические, гидравлические), датчики скорости и положения.

а) Следящий электропривод постоянного тока непрерывного действия с ЭМУ

Схема следящего электропривода этого вида приведена на рис. 6.14. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения М приводит в движение рабочую машину РМ через механическую передачу Р. Якорь двигателя М получает питание от электромашинного усилителя поперечного поля (ЭМУ), который в этой схеме выполняет функции силового преобразователя и одного из усилителей системы.

В качестве датчиков входной _вх и выходной _вых величин в данной схеме используются сельсины, работающие в трансформаторном режиме. Один из них, называемый сельсином-приемником СП, является датчиком выходной величины _вых и устанавливается на валу редуктора Р. Другой сельсин, называемый сельсином-датчиком СД, преобразует входной сигнал _вх в электрический.

При показанном на схеме соединении обмоток статоров СД и СП и питании обмотки ротора СД однофазным напряжением переменного тока U_в напряжение на обмотке ротора СП будет пропорционально разности углов _вх и _вых, т. е.

(6.9)

а фаза этого напряжения будет определяться знаком угла рассогласования .

Следовательно, в рассматриваемой схеме включения сельсины СД и СП позволяют выделить сигнал рассогласования т. е. выполняют одновременно функции измерителя рассогласования (элемент 3 на рис. 6.13) и датчиков входной и выходной величин.

Сигнал рассогласования переменного тока поступает на вход фазочувствительного усилителя У1, который усиливает его и преобразует в сигнал постоянного тока, полярность которого определяется фазой сигнала , т. е. знаком разности углов _вх и _вых. Далее этот сигнал, пройдя через корректирующее звено (резисторы R1, R2 и конденсатор С1), поступает на вход усилителя У2, который осуществляет дополнительное усиление сигнала рассогласования.

Выходное напряжение усилителя У2, представляющее собой результирующий сигнал управления следящего электропривода U, подается на обмотки управления ЭМУ ОУ-I и ОУ-II, включенные по дифференциальной схеме с нулевой точкой. В результате такого включения магнитный поток ЭМУ определяется разностью МДС обмоток ОУ-I и ОУ-II, т. е. разностью токов, протекающих по этим обмоткам. Полярность напряжения U на выходе ЭМУ, подаваемого на якорь двигателя М определяется знаком (полярностью) сигнала U.

Помимо корректирующего звена, состоящего из элементов R1, R2 и С1, в схеме используется дополнительное корректирующее звено, в состав которого входят резисторы R3, R4 и конденсатор С2. Эти корректирующие звенья обеспечивают требуемое качество регулирования выходных координат электропривода _вых и в динамических режимах его работы.

Работа следящего электропривода происходит следующим образом.

В исходном, согласованном положении

_вх=_вых, и двигатель М неподвижен.

При изменении _вх возникает угол рассогласования между положениями роторов сельсинов СП и СД и в соответствии с (6.9) на обмотке ротора СП появляется сигнал . В зависимости от фазы этого сигнала, которая определяется знаком разности , на двигатель М будет подано напряжение U такой полярности, при которой вращение двигателя и исполнительного органа рабочей машины РМ будет происходить в направлении, уменьшающем угол рассогласования . При достижении углом рассогласования нулевого значения и постоянстве _вх двигатель М отключается и вновь будет находиться в неподвижном состоянии. Таким образом, следящий электропривод работает только при возникновении угла рассогласования между осями датчика и приводного двигателя (исполнительного органа рабочей машины). Процесс работы следящего электропривода сводится к непрерывному автоматическому устранению возникающего рассогласования.

Рассматриваемый следящий электропривод с ЭМУ применяется на мощности от нескольких ватт до десятков киловатт. Он отличается высокой перегрузочной способностью, не вносит искажения в форму питающего напряжения, а при торможении двигателя обеспечивает рекуперацию энергии в сеть. Переход из режима двигателя в режим генератора обеспечивается естественными характеристиками электрических машин и происходит без резких изменений момента двигателя, что имеет большое значение для получения требуемых точности и плавности работы следящего электропривода.

Вместе с тем следящий электропривод, в котором используются электромашинные преобразователи и усилители, характеризуется существенными недостатками. Это относительно невысокое быстродействие, значительные массы и габариты силовой части электропривода, невысокий КПД (0,5-0,6), значительный уровень шума за счет вращающихся частей электромашинного агрегата.

В связи со сказанным в современных системах следящего электропривода обычно используются статические полупроводниковые усилители и преобразователи, применение которых позволяет устранить большинство из отмеченных недостатков, свойственных электромашинным преобразователям.

б) Следящий электропривод постоянного тока с тиристорным преобразователем

Схема следящего электропривода с ДПТ, якорь которого питается от реверсивного ТП, приведена на рис. 6.15.

Особенностью данного электропривода является применение измерительной схемы на основе двух синусно-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ). Один из них - СKВТ-Д является датчиком входного сигнала _вх, а другой - СКВТ-П - датчиком выходной величины _вых. СКВТ имеет на статоре и роторе по две взаимно перпендикулярно расположенные в пространстве обмотки, схема соединения которых видна из рисунка. При повороте ротора СKВТ-Д в обмотках ротора наводится переменная ЭДС, амплитуда которой пропорциональна одной обмотке и - в другой. В остальном принцип измерения угла рассогласования 6=6вх-6вых и выделения сигнала рассогласования Уд е=о такой же, что и в случае применения сельсинов, однако СКВТ обеспечивают большую точность.

Размещено на Allbest.ru