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: 8 из 9

54

в роторе возможно только при неравенстве угловых скоростей ротора и магнитного поля статора , то условие является обязательным для

создания электромагнитного момента в любом режиме работы асинхрон­ной машины. В качестве характеристики этого неравенства вводится поня­тие скольжения

(4.3)

Работу асинхронной машины рассмотрим на примере машины с ко-роткозамкнутым ротором (рис. 4.2).



Пусть магнитное поле статора и ротор вращаются в одну сторону и . Направление ЭДС , наводимой в роторе, определяется по мне-

моническому правилу правой руки. Токи ротора во взаимодействии с по­лем статора создают электромагнитные силы направление которых определяется по мнемоническому правилу левой руки.

Электромагнитный момент создаваемый этими силами, направ-

лен в сторону вращения ротора и разгоняет его в сторону поля, электриче­ская энергия сети преобразуется в механическую энергию на валу ротора, т.е. машина работает в режиме двигателя. Электромагнитный момент, раз­виваемый двигателем при неподвижном роторе, является пусковым момен­39

том. Угловая скорость, до которой разгоняется ротор, тем больше, чем меньше момент нагрузки на валу двигателя. При отсутствии нагрузки угло­вая скорость стремится к , но в реальных машинах никогда не дости­гает ее, т.к. при проводники ротора не пересекают поле и , а момент сопротивления нулю не равен - его создают силы трения в двигате­ле. Следовательно, теоретический диапазон работы асинхронной машины в режиме двигателя Режим двигателя является на прак­тике основным режимом работы асинхронной машины.

Если магнитное поле статора и ротор вращаются в одну сторону и за счет подведения внешней механической энергии , то машина пере-

ходит в режим генератора; теоретический диапазон режима генератора



Если ротор вращается в сторону, противоположную магнитному по­лю статора, то электромагнитный момент направлен против направле­ния вращения ротора и машина работает в режиме торможения противовк-лючением; теоретический диапазон работы в режиме торможения проти-вовключением

Линейный асинхронный двигатель в простейшем случае можно полу­чить, если вращающийся двигатель разрезать по диаметру и развернуть на плоскости. При этом магнитное поле получается не вращающимся, а бегу­щим, и электрическая энергия преобразуется в механическую поступатель­ного движения.

Электромагнитный момент. Электромагнитный момент, возни­кающий в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля ста­тора с токами, наведенными этим полем в роторе, может быть определен из выражения

(4.4)

где - конструктивный коэффициент, зависящий от числа фаз, числа по­люсов и числа витков в фазе обмотки статора.

Как видно из (4.4), электромагнитный момент прямо пропорционатен основному магнитному потоку и активной составляющей тока ротора При этом основной поток определяется напряжением питания и не зависит от нагрузки, а ток ротора и его фаза относительно ЭДС за­висят от скольжения и соответственно от нагрузки:

40

двух функциональных узлов: импульсного усилителя мощности УМ и рас­пределителя импульсов РИ, управляющего работой УМ. Число каналов е усилителе мощности равно числу обмоток управления ШД (в рассматри­ваемом случае УМ1-УМ4).

Коммутатор шагового двигателя. Коммутатор служит для преобра­зования одноканальной последовательности командных импульсов многофазную систему напряжений (потенциальных сигналов) и усиления этих напряжений перед их подачей на обмотки управления ШД.

Первую часть этой задачи решает распределитель импульсов РИ. Распре­делители импульсов бывают:

53

• 
  нереверсивные, обеспечивающие одно направление вращения;
  
• 
  реверсивные, обеспечивающие оба направления вращения.
  

Принцип работы такого ЛШД не отличается от принципа работы ин­дукторного ШД вращательного типа. В зависимости от напичия и знака им­пульса в обмотках управления максимум магнитного поля перемещается от полюса к полюсу ротора, например, по схеме . Синхронизирую-

щая сила перемещает ротор в такое положение, чтобы против зубцов дан­ного полюса ротора находились зубцы статора, т.е. на 1/4 зубцового деления.

В общем случае линейный механический шаг

(5.5)

В многокоординатном ЛШД осуществлено механическое объедине­ние электромагнитных систем, обеспечивающих перемещение по несколь­ким координатам. При этом рассмотренные выше однокоординатные ЛШД являются электромагнитными модулями, обеспечивающими перемещение по каждой из координат.

В линейных ЛШД применяют магнитно-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, между ротором и статором возникает воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивает­ся близкое к нулю сопротивление движению ротора и высокая точность по­зиционирования.

На базе ШД и ЛШД могут быть созданы многокоординатные испол­нительные механизмы, осуществляющие сложные перемещения в декарто­вой, цилиндрической и сферической системах координат.

5.3 Система разомкнутого дискретного привода с шаговым двигателем

Разомкнутые дискретные приводы с шаговыми двигателями в на­стоящее время получили весьма широкое распространение благодаря двум свойствам: простоте конструкции и возможности фиксации конечных ко­ординат перемещений без датчиков обратной связи, т.е. работе в режиме слежения. На рисунке 5.5 показана функциональная схема разомкнутого дискретного привода с четырехфазным ШД.

Управляющим устройством является преобразователь сигналов П, который преобразует заданную команду поступающую от задающего

устройства в цифровом или. в отдельных случаях, в аналоговом виде, в од-ноканальную последовательность импульсов, соответствующую целям и требованиям процесса регулирования. Полупроводниковый коммутатор К является силовым преобразователем дискретного привода и состоит из

52

(4.5)

(4.6)

В этих выражениях и - активное и индуктивное сопротивления фазы ротора.

Формула момента (4.4) получена для режима двигателя, но она спра­ведлива и для других режимов с учетом знака и диапазона значений сколь­жения 5.

Механические характеристики. Уравнением естественной механи­ческой характеристики асинхронного двигателя является выражение (4.4) с заменой скольжения на угловую скорость по (4.3) при Гра-

фик характеристики изображен на рисунке 4.3.



Такой вид характеристики легко поясняется с помощью формул (4.4)-(4.6). При увеличении скольжения ток ротора I₂ непрерывно растет, но ста­новится все более индуктивным - уменьшается cos ф₂, т.к. увеличивается частота токов в роторе и, соответственно, его индуктивное сопротивление. В результате активная составляющая тока ротора и. соответственно, электро­магнитный момент вначале растут, а затем начинают убывать.

41

Скольжение, при котором момент достигает максимального значения М_шах, называется критическим и обозначается. ; на основании (4.3) соот­ветствующая критическая скорость . Для определения

необходимо, воспользовавшись выражением (4.4), взять производную и приравнять ее к нулю. Решение получающегося уравнения име­ет вид

В большинстве асинхронных двигателей необходимо обеспечить вы­сокий КПД. Поэтому активное сопротивление обмоток, в частности , оп­ределяющее уровень электрических потерь в роторе, стремятся получить малым. При этом критическое скольжение лежит в диапазоне 0,1...0,25.

Максимальный момент пропорционален квадрату напряжения пита­ния, не зависит от активного сопротивления роторной цепи R₂и наступает при скольжении тем большем, чем больше активное сопротивление ротор­ной цепи (рис. 4.3, штрих-пунктирная линия).

Пусковой момент двигателя М_н определяется выражением (4.4) при S= 1. Значение М_нпропорционально квадрату напряжения питания и возрастает при увеличении R₂(см. рис. 4.3), достигая максимума при

Оценим механическую характеристику по показателям устойчивости, жесткости и линейности. Если воспользоваться формальным признаком ус­тойчивости , то легко показать, что при устойчи­вая работа двигателя обеспечивается только на участке от до Уча­сток от является неустойчивым. Рабочий диапазон моментов и скоро­стей электроприводов с асинхронными двигателями выбирается в пределах устойчивой части механической характеристики двигателя. Точка номи­нальной нагрузки располагается на рабочем участке таким образом, чтобы перегрузочная способность При малом сопротивлении ротора R₂ критическая скорость , и рабо­чий участок жесткий. Механическая характеристика в целом нелинейная, но ее рабочий участок близок к линейному.

Пуск. Условием пуска двигателя является неравенство , если

это условие выполняется, то при включении двигателя в сеть ротор прихо­дит в движение и разгоняется до установившегося режима. При пуске ток в роторе достигает наибольшего значения (см. 4.5). Соот­ветственно велики пусковые токи и в обмотке статора.

У асинхронных двигателей малой мощности и специальных двигате­лей с повышенным критическим скольжением обычно кратность пускового

42

тельно упрощать кинематическую схему ряда электроприводов, устраняя механические преобразователи вращательного движения в поступательное. Однокоординатный ЛШД можно представить как развернутый на плоскости ШД вращательного типа.



На рисунке 5.4 показана схема магнитной системы двухфазного од-нокоординатного ЛШД индукторного типа. Ротор ЛШД (подвижная часть), называемый иногда позиционером, выполнен в виде двух П-образных маг-нитопроводов 2 из электротехнической стали, которые подмагничиваются постоянным магнитом 3. На каждом из магнитопроводов ротора располо­жено по обмотке управления 1. Статор 4 представляет собой плиту из маг-нитомягкого материала, поверхность плиты, обращенная к рото]ру, зубчатая.

Поверхность полюсов ротора также зубчатая. Зубцовые деления

т₂ ротора и статора равны. Зубцы двух полюсов в пределах одного магнито-провода ротора сдвинуты по отношению к зубцам статора на 1 /2 зубцовогс деления, одного магнитопровода по отношению к другому - на 1/4 зубцо-вого деления. В результате зубцы всех полюсов ротора по-разному ориен­тированы относительно зубцов статора, но магнитное сопротивление пото­ку подмагничивания не зависит от перемещения якоря.

51

Важным показателем переходных режимов ( - пуск, реверси-

рование, торможение) является приемистость ШД. Приемистость пуска -это наибольшая частота управляющих импульсов, отрабатываемых шаго­вым электродвигателем без потери шагов при пуске из состояния фиксиро­ванной стоянки под током.

Скачкообразное увеличение частоты управляющих импульсов при пуске от нуля до рабочей частоты приводит к тому, что в начале ротор от­стает от МДС статора под действием момента инерции вращающихся час­тей. По мере ускорения он достигает угловой скорости МДС статора и за счет запасенной кинетической энергии может опередить МДС. Постепенно колебания затухают, и двигатель переходит в установившийся режим. Та­ким образом, в процессе пуска может возникнуть расхождение между чис­лом шагов ротора и МДС статора. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага и момента инерции вращающихся частей; момент трения отрицательно влияет на приемистость.

По аналогии могут быть введены понятия приемистости торможения и реверсирования, их значения несколько отличаются от приемистости пуска.

Если пренебречь моментом трения М_Ти рассматривать уравнение рав­новесия моментов на валу ШД при малых углах рассогласования осей ротора и МДС статора, то получим дифференциальное уравнение движения ротора:

(5.4)

В выражении (5.4) - максимальный синхронизирующий мо-

мент; J-момент инерции ротора; - угол поворота МДС статора; -угол поворота ротора. Коэффициент при есть квадрат угловой частоты собственных колебаний ротора (рад/с): . Частота управ-

ляющих импульсов, соответствующая главному резонансу, Ко-

эффициент демпфирования колебаний Dзависит от магнитного потока ро­тора. Наибольший коэффициент демпфирования у ШД активного типа, у реактивных двигателей он близок к нулю.