Системы управления исполнительными механизмами

управлением аппроксимируют линейным звеном второго порядка. При этом предполагается, что привод работает в зоне малых отклонений координат от некоторого рабочего режима. На рис. 4.11 приведена линеаризованная структурная схема АДКР, управляемого только частотой [17].

Эта модель, по сути, не отличается от модели ДПТ, регулируемого по цепи якоря (4.10).

Рис. 4.11. Структурная схема АДКР, управляемого частотой напряжения статора: Δω*, Δω – заданное и действительное приращение угловой частоты вращения ротора; γ – относительное напряжение статора, γ = U1/U1н; U1 – напряжение статора; ν – относительная частота напряжения статора, ν = ω1/ω1н; Тэ, Тм – соответственно электромагнитная и механическая

постоянные времени электродвигателя

Передаточная функция электродвигателя в этом случае представлена колебательным звеном второго порядка и имеет вид

Однофазные асинхронные электродвигатели работают при наличии электрической сети с напряжением 220 В и частотой переменного тока 50–60 Гц.

Применяются, как правило, в маломощных ЭИМ постоянной скорости, причем преимущественно в релейно-импульсных СУИМ, работающих на запорно-регулирующей арматуре (ЗРА).

111

Математические модели таких двигателей представляют в виде формулы (4.15) или (4.16). В последнем случае предполагается, что инерция двигателя существенна для реализации необходимого быстродействия СУИМ.

В отечественной промышленности выпускаются, в частности, однофазные электродвигатели серии АИРЕ, которые применяются для привода станков, промышленных подъемных механизмов и механических агрегатов, для регулирования ЗРА котельных установок.

Двигатель АИРЕ соответствует классу безопасности IP54 и работает врежиме S1 (ГОСТ 183–74), имеет мощность 0,55–1,5 кВт, скорость вращения 1500–3000 об/мин.

Асинхронные реверсивные однофазные электродвигатели с редуктором серии YN имеют мощность 6–140 Вт, напряжение 220 В, частоту 50 Гц, скорость 1500 об/мин, коэффициент редукции 3–150 (с применением электромеханического модуля «двигатель – редуктор»).

АДФР в СУИМ нашли крайне незначительное применение, преимущественно в крановых механизмах подъема-опускания грузов, лифтах и др. Относятся к приводам ЭИМ переменной скорости, но небольшим диапазоном ее изменения. С позиций ММ в структурах СУИМ их можно приравнять к АДКР с искусственными мягкими механическими характеристиками при включении добавочных резисторов в обмотки ротора.

Синхронные двигатели. Синхронные двигатели относятся

кдвигателям переменного тока. Различают следующие виды:

–синхронные двигатели с электромагнитным возбуждением (СД), питающиеся от трехфазной сети переменного тока;

–синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ), питающиеся от трехили однофазной сети переменного тока.

Принцип действия СД основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. В СД частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля, создаваемого током статора. Обычно якорь распо-

112

ложен на статоре, а индуктор – на роторе. В мощных двигателях

вкачестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подается через скользящий контакт щетка – кольцо), в маломощных – постоянные магниты. Существует обращенная конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор – на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники).

Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается

впазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб).

СД требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора.

СДПМ прост по конструкции, не имеет потерь на возбуждение и обладает высокой стабильностью скорости ротора. Эти качества выделяют его из ряда всех остальных машин и обеспечивают ему применение в системах автоматики, приводах подачи станков, прецизионных системах слежения, а также в системах, где стабильность скорости является первостепенным требованием, предъявляемым к технологическому процессу.

Постоянное удешевление магнитных материалов, в частности внедрение сплавов редкоземельных металлов, совершенствование аппаратной базы управления делают возможным использование этого типа двигателей в тех областях, где традиционно применялись двигатели постоянного тока (ДПТ) или асинхронные двигатели (АД).

113

Большинство СДПМ отличается от машин нормального исполнения только конструкцией ротора, который, как правило, не имеет обмотки возбуждения, контактных колец и прижимающихся к ним щеток. Для возникновения вращающего момента ротор выполняют из магнитно-твердого сплава с последующим однократным намагничиванием его в сильном импульсном магнитном поле,

врезультате чего в дальнейшем полюсы сохраняют остаточную намагниченность. При этом ротор содержит короткозамкнутую пусковую обмотку.

Вмомент пуска СДПМ работает как асинхронный и его начальный вращающий момент создается за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с наведенными им токами

вкороткозамкнутой обмотке ротора. Поскольку двигатель пускается в ход в возбужденном состоянии, магнитное поле постоянных магнитов вращающегося ротора наводит в обмотке статора ЭДС переменной частоты, а это вызывает токи, из-за которых возникает тормозной момент.

Результирующий момент на валу двигателя определяется

суммой моментов, обусловленных короткозамкнутой обмоткой и тормозным эффектом, тем, который зависит от скольжения. В процессе разгона ротора этот момент достигает минимального значения, которое при правильном выборе пусковой обмотки должно быть больше номинального момента. Когда скорость приблизится к синхронной, ротор в результате взаимодействия поля постоянных магнитов с вращающимся магнитным полем статора втягивается в синхронизм и далее вращается с синхронной скоростью. Схема и механические характеристики пуска однофазного СДПМ приведены на рис. 4.12.

Рабочие характеристики синхронного двигателя с постоянными магнитами мало отличаются от аналогичных характеристик синхронного двигателя с обмоткой возбуждения ротора. Недостатками СДПМ являются сравнительно низкий коэффициент мощности и сложность изготовления ротора.

114

Рис. 4.12. Схема и механические характеристики пуска однофазного СДПМ

Модификациями маломощных СДПМ, применяемых в СУ-

ИМ, являются синхронные реактивные и синхронные гистерезис-

ные двигатели. Первые нашли крайне малое применение в силу низкого коэффициента мощности (не более 0,5) и низкого КПД (не более 0,7). Различие между синхронными двигателями с постоянными магнитами и синхронными гистерезисными двигателями состоит в том, что у первых ротор при изготовлении машин подвергается предварительному намагничиванию в сильном импульсном магнитном поле, а у вторых он намагничивается вращающимся магнитным полем статора. Синхронные гистерезисные двигатели отличаются большим начальным пусковым моментом, плавностью входа в синхронизм, незначительным изменением тока в пределах 20–30 % при переходе от холостого хода к режиму короткого замыкания.

Ниже приведены некоторые технические характеристики двух СДПМ из достаточно широкой линейки двигателей, выпускаемых корпорацией Siemens.

Тип 1FU8073-4TA2:

Габарит – 71. Число полюсов – 4. Класс нагрева – F.

Класс защиты – IP 55. Число фаз статора – 3.

115

Напряжение и частота питания – 100 В, 50 Гц. Ток статора – 2,7 А.

Вращающий момент – 2 Н·м. Мощность – 0,31 кВт.

Тип 1FU8167-6TD8:

Габарит – 160. Число полюсов – 6. Класс нагрева – F. Класс защиты – IP 55. Число фаз статора – 3.

Напряжение и частота питания – 400 В, 50 Гц. Ток статора – 13,5 А.

Вращающий момент – 59,6 Н·м. Мощность – 6,24 кВт.

СД большой мощности с электромагнитным возбуждением работают с постоянной скоростью вращения в продолжительном по нагреву режиме работы. В СУИМ нашли крайне малое применение.

СДПМ малой и средней мощности, напротив, нашли широкое применение в качестве приводов ЭИМ. При этом маломощные од-

но- и трехфазные СДПМ могут работать как в режиме постоянной, так и в режиме переменной скорости. Трехфазные СДПМ средней мощности функционируют, как правило, в режиме переменной скорости.

Для реализации пуско-тормозных режимов СУИМ постоянной скорости применяют реверсивные бесконтактные пускатели. ММ СДПМ в координатах «частота питающей сети – скорость вращения ротора» в этом случае представляют в виде

где f1н(р) – номинальная частота напряжения питания обмотки статора; ω(р), ωн – текущее (при пуске до номинальной скорости) и номинальное значения скорости вращения двигателя; KСДПМ – коэффициент передачи СДПМ; ТСД – постоянная времени двигателя, определяемая по кривой разгона.

Для регулирования скорости вращения СДПМ в СУИМ переменной скорости применяют реверсивные частотные преобразователи. В этом случае модель двигателя представляют передаточной функцией вида

где f1 – регулируемая частота питания обмотки статора.

Шаговые двигатели. Шаговые двигатели (ШД) – это электро-

механические устройства, преобразующие сигнал управления вугловое или линейное перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. Современные шаговые двигатели являются, по сути, синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется не асинхронным, а частотным пуском шагового двигателя. Роторы могут быть возбужденными (активными) и невозбужденными (пассивными).

В СУИМ применяются реверсивные ШД. Для осуществления реверса зубцы статора и ротора шагового двигателя должны быть симметричными (без клювообразных выступов, свойственных нереверсивным ШД).

Рассмотрим работу двухфазного двухполюсного шагового двигателя с активным ротором в виде постоянного магнита. Будем счи-

тать, что намагничивающие силы фаз NS распределены по синусоидальному закону. При включении фазы под постоянное напря-

жение (условно положительной полярности) вектор NS статора

совпадет с осью фазы А. В результате NS статора с полем постоянного магнита ротора возникнет синхронизирующий момент Мс =

= Mmaxsinq, где q – угол между осью ротора и вектором NS.

117

При отсутствии тормозного момента ротор займет положение, при котором его ось совпадет с осью фазы А (рис. 4.13, первый

такт). Если теперь отключить фазу А и включить фазу В, вектор

NS и ротор повернутся на 90° (второй такт). При включении фазы А

на напряжение обратной полярности (третий такт) NS и ротор повернутся еще на 90° и т.д. Если к ротору ШД приложен момент

нагрузки, то при переключении фаз ротор будет отставать от век-

тора NS на некоторый угол qн = arcsin(Mн/Mmax).

Рис. 4.13. Реверсивный шаговый двигатель (первый–четвертый такты работы)

В зависимости от типа электронного коммутатора управление шаговым двигателем может быть однополярным или разнополярным, симметричным или несимметричным, потенциальным или импульсным [17, 18, 23].

Характер движения ротора шагового двигателя определяется частотой и характером изменения управляющих импульсов. Реверс шагового двигателя производится путем изменения последовательности коммутации токов в обмотках, приводящего к изме-

118

нению направления вращения магнитного поля на обратное направление.

Применительно к СУИМ ШД может в большинстве случаев рассматриваться как безынерционное или апериодическое звено, схожее (формулы (4.17), (4.18)) с постоянной времени пуска, не превышающей нескольких миллисекунд.

4.3. Силовые преобразователи энергии

Силовые преобразователи энергии (СПЭ) служат для преоб-

разования электрической энергии промышленной питающей сети в электрическую энергию с параметрами, отличающимися от параметров питающей сети. Преобразованная энергия отличается видом напряжения, уровнем, частотой и др. В результате СПЭ выполняет функции своеобразного силового адаптера, обеспечивающего в общем случае возможность регулирования этих величин для управления ЭИМ.

Применительно к ПИМ и ГИМ силовые преобразователи энергии в сочетании с ЭИМ обеспечивают необходимое давление и расход сжатого газа (жидкости) с помощью компрессоров и насосов.

В СУИМ применяют следующие типы СПЭ:

–электромагнитные усилители (в настоящее время не выпускаются вследствие низких энергетических и регулировочных показателей);

–электромашинные усилители-преобразователи (электромашинные усилители, электромашинные генераторы и др.) для питания ЭИМ передвижных, подъемно-транспортных установок, мощных ЭИМ в бумагоделательной, металлургической промышленности и т.п.;

–полупроводниковые (тиристорные, транзисторные, симисторные) для питания ЭИМ самого широкого назначения;

–электрические, пневматические, гидравлические СПЭ и их сочетания для питания ПИМ и ГИМ.

119

Электромашинные преобразователи. Системы регулирова-

ния ряда электроприводов ИМ могут содержать в качестве силового регулируемого преобразователя электромашинный агрегат, содержащий гонный двигатель и генератор постоянного тока, выходная ЭДС которого регулируется изменением тока возбуждения. Функциональная схема такого электромашинного агрегата приведена на рис. 4.14.

Рис. 4.14. Функциональная схема силового электромашинного преобразователя

Якорь генератора приводится во вращение с постоянной скоростью с помощью гонного асинхронного двигателя (АД). Обмотка возбуждения (ОВГ) генератора питается от регулируемого тиристорного возбудителя (ТВ). При определении ММ преобразователя будем полагать, что г = const, а также примем следующие допущения:

120