Методичка. Методические указания по изучению разделов и тем курса Исполнительные механизмы систем управления

• Название: Методические указания по изучению разделов и тем курса Исполнительные механизмы систем управления
• Дата: 15.01.2023
• Размер: 1.73 Mb.
• Имя файла: Методичка.doc
• Тип: Методические указания; #887961
• страница: 7 из 9

33



3.3 Выбор исполнительного электродвигателя

В большинстве автоматических систем управление потоками сырья и энергии осуществляется с помощью регулирующих органов, приводимых в движение электродвигателями постоянного и переменного тока. Выбор электродвигателя определяется мощностью, необходимой для перемеще­ния регулирующего органа или объекта управления, а также перечнем раз­решенных источников питания.

В общем случае механическая нагрузка на оси регулирующего органа (оси нагрузки) характеризуется моментом трения М_н, моментом инерции J_н , частотой вращения , угловым ускорением е_н. Обычно вал двигателя со­единяется с нагрузкой через понижающий редуктор с передаточным чис­лом , тогда требуемую мощность двигателя определяют как

(3.16)

а необходимый вращающий момент вычисляют по формуле

(3.17)

где - момент инерции двигателя совместно с редуктором: n- КПД ре­дуктора, который принимают равным 0,7...0,9.

Минимально необходимый вращающий момент М_{вр mm} имеет место при оптимальном передаточном числе редуктора

34

максимального значения; электромагниты направленного действия сра­батывают при изменении знака или фазы управляющего сигнала.

6.2 Конструкции нейтральных электромагнитов

Основные типы нейтральных электромагнитов. Электромагниты П-образного типа с плоским (рис. 6.1,а) и цилиндрическим (рис. 6.1,6) яко­рями применяют в различных автоматических приборных устройствах для приведения в действие исполнительных механизмов и завода силовых пружин.



Рис. 6.1 Конструктивные разновидности нейтральных электромагнитов

Плоский якорь во избежание перекосов соединяют со штоком шар-нирно. Цилиндрический якорь и П-образный сердечник выполняют набор-

59

6 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

6.1 Классификация и область применения

Электромагниты, применяемые в системах управления и автоматиче­ских устройствах, делят: по назначению (силовые, релейные и специаль­ные); по току (переменный или постоянный); по потребляемой мощности (маломощные, т.е. средней мощности, т.е. мощные, т.е.

по времени срабатывания (быстродействующие, т.е. нормальные, т.е. мс, замедленные, т.е. с выдержкой

времени, т.е. ), по характеру движения якоря (втяжные и поворот-

ные); по числу рабочих положений (позиций) якоря (двух- и трехпози-ционные); по габаритному объему (нормальные (50-60 см³), малогабарит­ные (20-30 см³), миниатюрные (5-10 см³), сверхминиатюрные (1-2 см³)); по типу магнитной системы (нейтральные и поляризованные).

В автоматических устройствах электромагниты применяют главным образом в виде реле, вибропреобразователей и различных быстродейст­вующих удерживающих устройств. Электромагниты силового исполнения - в фрикционных муфтах, гидро- и пневмоклапанах, пускателях и других исполнительных механизмах. Силовые электромагниты характеризуют от­носительно большой потребляемой ю (Р = 10... 100 Вт) и нор­мальной скоростью срабатывания (t = 10...100 мс), релейные электромаг­ниты - малой потребляемой мощностью (Р = 0,001 ...0,1 Вт) и высоким бы­стродействием (t = 0,1-5 мс), а по габаритам относят к миниатюрным и сверхминиатюрным устройствам.

По роду управляющего сигнала все электромагниты можно разделить на нормальные, минимальные, максимальные, дифференциальные, баланс­ные и направленного действия. Нормальные электромагниты срабаты­вают при токе, значение которого может изменяться в пределах допуска на значение напряжения источника; минимальные электромагниты отпус­кают якорь при достижении током заранее установленного минимального значения; максимальные электромагниты притягивают якорь при дос­тижении током заранее установленного максимального значения: диффе­ренциальные электромагниты срабатывают при наличии разности на­магничивающих сил (ампервитков) обмоток, поля которых направлены встречно; балансные электромагниты срабатывают при достижении суммой витков всех обмоток заранее установленного минимального или

58

(3.18)

с учетом которого находят

(3.19)

Таким образом, выбор электродвигателя и передаточного числа ре­дуктора сводится к следующему:

а) по формуле (3.16) находят необходимую мощность двигателя;

б) в справочных данных выбирают двигатель с номинатьной мощно­
стью, равной или несколько больше подсчитанной;

в) по формуле (3.18) определ яют ;

г) находят по формуле (3.19) и проверяют выполнение условия



д) проверяют двигатель по частоте вращения



Многие следящие системы рассчитывают применительно к эквива­лентному синусоидальному режиму

где амплитуда А и эквивалентная частота w_э определяются но найденным экспериментально максимальной частоте вращения и максимальному угловому ускорению входной оси

(3.20)



В этом случае требуемая мощность электродвигателя с некоторым запасом подсчитывается по формуле

(3.21)

Оптимальное передаточное число редуктора и минимальный вра­щающий момент соответственно равны:

35

(3.22)

(3.23)

Выбор электродвигателя и передаточного числа редуктора произво­дят в той же последовательности, что и в предыдущем случае. Далее вы­полняют расчет кинематики редуктора, т.е. определяют число пар зацепле­ний и и передаточное число каждой пары.

Из инженерной практики известно, что

• 
  если ,то ;
  
• 
  если , то ;
  
• 
  если , то ;
  
• 
  если , то
  

3. 
   Определяют момент сопротивления, приведенный к валу двигате­ля: и по нему выбирают двигатель, номинальный момент которого близок к
   
4. 
   Не менее важным, чем момент сопротивления, является момент инерции нагрузки, приведенный к валу двигателя . Вы­бранный двигатель обеспечит работу без пропуска импульсов, если суммар­ный момент инерции нагрузки и редуктора, приведенный к валу двигателя, не превышает номинальной допустимой величины, указанной в каталоге.
   
5. 
   Если суммарный момент превышает номинальный и мо­мент сопротивления отличается от номинального значения, то следует проверить, не превысит ли частота подачи импульсов, необходимая для обеспечения максимальной скорости вращения, допустимую при этой на­грузке частоту по динамическим характеристикам двигателя.
   

Проверку на нагрев шаговых двигателей не производят, т.к. они рас­считаны на длительный режим отработки импульсов, следующих с часто­той приемистости.

В простейших случаях преобразователи реализуются аппаратным способом на дискретных или интегральных элементах для каждого кон­кретного режима. На рисунке 5.7,а показана схема преобразователя, позво­ляющего реализовать закон нарастания частоты импульсов при разгоне, приведенный на рисунке 5.7,6. Преобразователь реализован на линиях за­держки Л31-Л34, причем времена задержки а значение соответствует частоте приемистости. Генератор импульсов ГИ форми­рует импульсы заданной предельной частоты.

В современных электроприводах с различными сочетаниями режи­мов работы на отдельных участках технологического процесса многоре­жимные аппаратные преобразователи получаются очень сложными. По­этому все чаще задачу преобразователей выполняют микроконтроллеры с заложенными в них программами реализации требуемых режимов. В целом ряде случаев контроллеры берут на себя и часть функций распределителя импульсов.

5.4 Выбор шагового двигателя

Принцип действия и вытекающие из него особенности работы шаго­вых двигателей определяют и особенности выбора этих двигателей для систем автоматики. Особенно жесткие условия согласования двигателя и нагрузки предъявляются в разомкнутых системах автоматического приво­да, когда пропуск двигателем одного импульса приводит к ошибке в сле­жении, которую система исправить не в состоянии.

Выбор шагового двигателя проводят так же, как и выбор двигателей с непрерывным управлением методом последовательных приближений.

1. По известным из каталога шагу а и номинальной частоте приеми-
Iстости двигателя определяют необходимое передаточное отношение ре­
дуктора



где - максимальная необходимая скорость вращения выходного вала.

Проверяют, обеспечит ли это передаточное отношение заданную точность отработки углов поворота выходного вала системы , т. е. удовлетворяет­ся ли условие

2. Производят выбор типа редуктора, распределяют общее i_редмежду
ступенями и оценивают КПД n_ред, а также момент инерции редуктора, при­
веденный к валу двигателя

56

4 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Асинхронной машиной называется машина переменного тока, у ко­торой угловая скорость ротора не равна угловой скорости магнитного поля статора. Угловая скорость ротора зависит от нагрузки, в режиме двигателя нагрузкой является механический момент сопротивления на валу машины.

Классификация основных типов асинхронных двигателей приведена на рисунке 4.1.



У асинхронных машин большой, средней и малой мощности на ста­торе практически всегда расположена трехфазная обмотка, т.е. обмотка, со­стоящая из трех отдельных электрических цепей, сдвинутых в пространст­ве на 120°, асинхронные микромашины выпускаются в основном с двух­фазной обмоткой статора со сдвигом обмоток фаз на 90°.

4.1 Конструкция, принцип работы и характеристики трехфазного асинхронного двигателя

Конструкция. Магнитопроводы статора и ротора трехфазной маши­ны обычно неявнополюсные (см. рисунок 1.5). Трехфазная обмотка статора обычно выполняется распределенной. На внешнюю панель выводов либо выходят все 6 выводов, либо обмотки фаз соединяются внутри машины пс

37

схеме «звезда» или «треугольник» и на панель выходят 3 вывода. Обмотка статора предназначена для создания вращающегося магнитного поля ма­шины. Обмотка ротора типа «беличьей клетки» состоит из неизолирован­ных алюминиевых или медных стержней, расположенных в пазах и замк­нутых накоротко с торцов двумя кольцами.

Принцип действия. Принцип работы асинхронных машин связан с понятием вращающегося магнитного поля. Обмотка, создающая вращаю­щееся поле, представляет собой N-фазную систему, т.е. состоит из N обмо­ток, которые сдвинуты друг относительно друга в пространстве и по кото­рым протекают токи, сдвинутые во времени. Каждая из обмоток фаз созда­ет пульсирующий поток (неподвижный в пространстве и изменяющийся во времени), сдвинутый относительно других в пространстве и во времени. Если все обмотки фаз имеют одинаковое число витков и сдвинуты в про­странстве на одинаковый пространственный угол у, токи имеют одинако­вую амплитуду и частоту и сдвинуты во времени на одинаковый угол , то результирующее магнитное поле будет круговым. Это означает, что по­ток представляет собой вектор постоянной длины, вращающийся в про­странстве с постоянной угловой скоростью.

Условия образования кругового магнитного поля в общем случае можно записать следующим образом:

(4.1)

и в трехфазной машине они примут вид



Угловая скорость магнитного поля, называемая синхронной скоро­стью машины переменного тока, будет равна

\ (4.2)

где - число пар полюсов обмотки. Синхронная скорость вращения (об/мин)



Если изменить порядок чередования любых двух обмоток фаз, то вектор магнитного поля будет вращаться в противоположную сторону.

Асинхронная машина, как и электрические машины других типов, является обратимой. Принцип действия асинхронной машины основан на электромагнитном взаимодействии вращающегося магнитного поля стато­ра с токами, наведенными этим полем в роторе. Поскольку наведение ЭДС

38

1. 
   
   
   
   
   55
   
   искусственное дробление (уменьшение) шага, достигаемое за счет ступенчатой модуляции тока в обмотках управления ШД в пределах основ­ного шага;
   
2. 
   программный разгон и торможение, обеспечивающие работу при­вода в переходных режимах без потери шагов; достигается за счет измене­ния частоты управляющих импульсов по требуемым законам;
   
3. 
   старт-стопный режим, обеспечивающий минимальную динамиче­скую ошибку в процессе отработки шага; достигается за счет перевода привода в режим торможения противовключением на отдельных отрезках времени отработки шага (одного, двух, трех).
   

Реверсивные распределители при управлении однополярными им­пульсами имеют два входных канала: «Вперед» и «Назад». В первый канат командные импульсы поступают при повороте ротора вперед, во второй канал - при повороте назад.

Логику работы нереверсивного распределителя импульсов проанали­зируем на примере четырехтактной однополярной схемы управления четы-рехфазным ШД. На рисунке 5.6,а показана временная диаграмма однока-нальных командных импульсов периоды их следования обозначены

римскими цифрами I, II, III и т.д. При поступлении каждого командного импульса РИ изменяет напряжения управления на входах усилите-

лей мощности УМ1-УМ4 таким образом, чтобы на обмотки управления ШД через УМ1-УМ4 поступали соответствующие силовые импульсы.



Распределители импульсов бывают аппаратные (исторически появи­лись раньше) и программные. Аппаратные распределители обычно реализу­ются на базе дискретных полупроводниковых элементов или интегральных микросхем в виде сдвигающих регистров или счетчиков с дешифратором. На рисунке 5.6,6 показана схема распределителя импульсов, выполненного в виде сдвигающего регистра на двух -триггерах и позволяющего реализо­вать временную диаграмму импульсов, представленную на рисунке 5.6,а.

Усилители мощности УМ, питающие обмотки управления ШД сило­выми импульсами напряжения (тока), реализуются на транзисторах или за­пираемых тиристорах.

Преобразователь. Преобразователь служит для реализации требуе­мого закона управления приводом. Примерами таких характерных режимов являются следующие: