книги из ГПНТБ / Карпухин А.В. Приборы систем управления ракет учебное пособие

220

которого пропорциональна входному сигналу с ДУ( , а полярность соответствует фазе входного сигнала, т .е . направлению прецес­ сии гироскопа.

С выхода КК сигнал поступает на модулятор М, где он пре­ образуется в напряжение переменного тока, промодулированного входным сигналом. Так как после прохождения ФЧВ, КК и модуля­ тора сигнал ослабляется, он перед поступлением на усилитель мощности УМ предварительно усиливается по напряжению с помощью усилителя напряжения УН. Выход усилителя мощности, который яв­ ляется оконечным каскадом усилителя стабилизации, соединен с управляющими обмотками двигателя СД. Напряжение, прикладываемое к обмоткам управления двигателя, сдвинуто по фазе по отношению к напряжению на обмотке возбуждения на 90°. Обычно в у:илителе происходит сдвиг только на 30°. Остальной сдвиг по фазе полу­ чается за счет подключения обмоток возбуждения двигателя и датчика угла к разным фазам источника трехфазного тока. Ста­ тический коэффициент усиления КуСусилителя стабилизации на по­ лупроводниковых элементах обычно бывает в пределах 40-300 и редко превышает этот предел.

Так как ГСП является не только чувствительным элементом автомата угловой стабилизации, но и используется для стабили­ зации ряда других чувствительных элементов системы управления, например акселерометров, то к надежности ее работы предъявля­ ются самые высокие требования. Надежность работы ГСП обеспе­ чивается дублированием наиболее ответственных ее цепей и от­ дельных элементов, постановкой элементов усилителя в ненагруженный режим, использованием двухтактных каскадов усиления. Например, двигатели стабилизации и датчики углов имеют двойные обмотки, на платформе устанавливаются парные акселерометры, сдвоенные программные механизмы, гиродвигатели имеют симметрич­

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

§ 5 .1 . ГИРОДВИГАТЕЛИ

Качественную оценку свойств гироскопа любого назначения можно дать по величине его кинетического момента //«=/ Q . Точ­ ность и чувствительность прибора тем выше, чем больше величи­

221

на Н. Поэтому при конструировании гироприборов стремятся полу­ чить максимально возможное значение кинетического момента при заданных размерах и весе прибора и при условии обеспечения до­ статочной механической прочности ротора и опор его оси.

Кинетический момент можно повысить за счет увеличения осе­ вого момента инерции I , а также за счет повышения числа обо­ ротов ротора. Но при большом моменте инерции увеличиваются раз­

его использовании на летательном аппарате, то выгоднее увели­ чивать величину Н повышением угловой скорости вращения ротора. Однако при увеличении оборотов резко возрастают разрывные уси­ лия в теле ротора вследствие центробежных инерционных сил. По­ этому при выборе угловой скорости собственного вращения Q. сле­ дует производить прочностный расчет ротора на разрыв, допуская для

ние позволяет иметь наибольший главный момент инерции гироско­ па I при заданных размерах и весе прибора. Свободный объем внутри ротора используется для размещения статорных обмоток двигателя, служащего для приведения во вращение ротора.

ромоторами. При выборе гиродвигателя является обязательным со­ блюдение следующих требований:

-надежность работы в условиях резких изменений давления

итемпературы, вибраций, повышенной влажности, колебаний на­ пряжения;

222

- незначительное время разгона ротора до рабочих оборотов;

-длительная работа без значительных перегревов различных частей двигателя;

-минимально возможные габариты и вес для данного кинети­

ческого момента; - невысокая кратность пускового токаи малая потребляем ая

модн ость;

-стабильность балансировки и отсутствие смещения центра тяжести.

По роду тока гиродвигатели делятся на двигатели постоянно­

го и переменного тока. Гиродвигатели постоянного тока сложнее, так как у них имеется специальное токоподводящее устройство, состоящее из коллектора и щеток. Наличие коллектора и щеток вызывает искрение, загрязнение, а износ трущихся деталей при­ водит к разрегулировке прибора и снижению его надежности. При большой скорости вращения ротора происходит смещение роторных обмоток под действием центробежных сил инерции, что также вы­ зывает разбалансировку прибора. Поэтому скорость гиродвигате­ лей постоянного тока не превышает 10000 - 15000 об/ыин.

Однако гиродвигатели постоянного тока имеют те преимуще­ ства, что они не требуют специальных преобразователей тока и могут питаться непосредственно от источников постоянного тока (бортовая сеть на самолете, аккумуляторы на танках, машинах,

ракетах).

Более широкое применение получили гиродвигатели перемен­ ного тока, преимущественно трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором в виде «беличьего колеса". Статор­ ные обмотки питаются напряжением 36 - 40 в с частотой 500 - 1000 гц. Для повышения надежности гиродвигатели имеют по две

статорные обмотки, которые соединены параллельно, причем каж­

ток создает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения по­

223

в результате чего в. обмотке ротора появляется вихревой ток. Взаимодействие,вращающегося магнитного поля статора с магнит­ ным полем тока ротора создает вращающий момент, раскручивающий

ку ротора (взаимного перемещения ротора и поля статора не бы­ ло бы), в роторе вихревые токи не наводились и вращающий мо­ мент был бы равен нулю.

Характерной особенностью асинхронного трехфазного двига­ теля является то, что его вращающий момент Мд пропорционален квадрату приложенного напряжения, т .е . Mg^U2 . Поэтому коле­ бания напряжения вызывают значительные изменения величины вра­

трехфазного токе, вращающих один общий ротор. Ротор гироскопа заключен в корпус I , являющийся одновременно внутренней рамой карданова подвеса. Массу ротора составляет стальной симметрии-

224

ный обод 5 и роторные обмотки 4, запрессованные в обод. Ротор­ ные обмотки изготавливаются путем заливки алюминиевого сплава в отверстия тела, составленного из листов электротехнической стали, при этом сплав образует внутри тела ротора замкнутую токопроводящую систему в виде пбеличьего колеса".

Чтобы исключить влияние температуры на положение центра тяжести гироузла, ротор гироскопа и его корпус выполняются из однородного материала.

Рис.5.3

Статорные обмотки 3 вместе с сердечниками неподвижно кре­ пятся при помощи втулок к внутренней стороне крышек корпуса гироузла. Ротор запрессовывается на ось 2 и крепится гайками. Ось устанавливается в гнездах двух шарикоподшипников, установ­ ленных на крышках корпуса.

225

К корпусу гироузла крепятся две цапфы 6, с помощью которых гироузел устанавливается в подшипниках наружной рамы в случае трехстепенного гироскопа или в корпусе прибора у двухстепенно­ го гироскопа.

Взависимости от конструкции гироскопа и требований к его точности корпус гироузла (кожух) выполняется герметически за­ крытым или открытого типа. Герметичное исполнение препятствует попаданию пыли, грязи, влаги в подшипники и тем самым предохра­ няет их от загрязнения и коррозии. Закрытые корпуса могут быть вакуумного типа или заполнены легким инертным газом. Вакуум создается для уменьшения сопротивления воздушной среды враще­ нию ротора.

Вустановившемся режиме при постоянной скорости вращения ротора Q развиваемый двигателем момент Mg преодолевает момен­ ты сил Мтв опорах главной оси и сил трения сопротивления воз­ душной среды М ( , которые в сумме составляют статический мо­ мент двигателя:

мс = мт + V

в фазе обмотки не уменьшается и остается постоянным. Характер изменения тока в фазе обмотки статора при раз­ гоне ротора показан на ри с.5 .4 .

Статический момент Мс определяют специаль­ ными способами по кри­ вой выбега, снимаемой в лабораторных условиях при конструировании ги­ родвигателя. Приравни­ вая статический момент крутящему моменту дви­ гателя в установившемся

ле запуска вследствие малых оборотов ротора токи в обмотках статора большие и мощность двигателя выше номинальной. Преоб­ ладание развиваемой двигателем мощности над статическим момен­ том обеспечивает разгон ротора с необходимым ускорением. По мере раскрутки ротора токи в обмотках, а также мощность дви­ гателя и его крутящий момент уменьшаются. При достижении рабо­

рактеристикой гиродвигателя и определяет в основном время го­

квадрату питающего напряжения U и, с другой стороны, он имеет пропорциональную зависимость от общего магнитного потока дви­ гателя Ф. Следовательно, регулируя величину U (илиФ ), можно значительно сократить время разгона гироскопа до рабочих оборо­ тов.

Принципиально возможны несколько способов уменьшения вре­

нитного потока Ф .

Рассмотрим два возможных способа ускоренного разгона рото­ ра гироскопа, а именно: использование явления резонанса тока в статорной обмотке и повышение (на время разгона) напряжения питания двигателя.

227

Явление резонанса тока имеет место при параллельном соеди­ нении емкостного и индуктивного сопротивлений и характеризует­ ся большими значениями токов, протекающих по этим сопротивле­ ниям при соблюдении условия их равенства, т .е . при

2jrfL = 2TFc ’

где f - частота питающего напряжения;

L- величина индуктивности цепи;

С- емкость цепи.

Принципиальная схема для получения резонанса тока при раз­ гоне ротора показана на ри с .5 .5 . Величина С выбирается по фор­ муле

С = 4 jr4 2L 1

где L - индуктивность двух фаз статорной обмотки двигателя.

При использовании резонанса тока важно определить момент подключения емкостей к фазным обмоткам. Примерный график изме­ нения тока в обмотке статора при использовании резонанса тока показан на ри с.5 .б, где время t nep соответствует моменту подклю­ чения емкостей. После разгона ротора емкости отключаются. Вре­ мя разгона t'p при таком способе ускоренного разгона ротора су­ щественно уменьшается.

Повышение напряжения питания обмоток статора можно осущест­ вить плавно (при помощи трансформаторной схемы) или же ступен­

228

чато. При повышении напряжения увеличивается ток в обмотке статора, чУо, в свою очередь, приводит к увеличению вращающе­ го момента двигателя Мд . Иногда в целях упрощения пусковой электрической схемы на гиродвигатель сразу подают напряжение, превышающее номинальное напряжение питания гироскопа на 25-50%. После разгона производится переключение питания гироскопа на номинальное напряжение.

Указанные способы ускоренного разгона гироскопа отличают­ ся тем, что гиродвигатель нагружается большими токами, которые вызывают более интенсивный его нагрев. Вследствие этого подоб­ ные запуски прибора осуществляются при несколько неблагоприят­ ных температурных условиях работы гироскопа.

В некоторых системах специального назначения применение электрических гиродвигателей недопустимо из-за создаваемого ими магнитного поля. Поэтому в случаях, когда применение элек­ трических гироприборов нежелательно или по каким-либо причинам невозможно, используются пневматические приборы, в которых вращение ротора осуществляется при помощи воздуха.

Время готовности электрических и пневматических гиропри­ боров исчисляется минутами и находится в диапазоне 0,5-20 мин в зависимости от назначения и конструкции прибора. В приборах, готовность которых должна измеряться в секундах и долях секун­ ды, практически невозможно применять электрические и пневмати­ ческие гиродвигатели. В таких случаях используются пороховые (реактивные) гиродвигатели и гиродвигатели с пружиной.

Для вращения порохового гиродвигателя используется реак­ тивная сила выходящего из сопел газа . Пороховая шайба, заклю­ ченная внутри гиродвигателя, состоящего из двух половин, под­ жигается электрическим запалом. Образующиеся при сгорании по­ роха газы устремляются по имеющимся в теле гиродвигателя кана­ лам и с большой скоростью выбрасываются в атмосферу. Возникает реактивный момент, приводящий ротор во вращение. Так как порох сгорает мгновенно, пороховой гиродвигатель почти мгновенно при­ обретает требуемую скорость вращения. Время разгона пороховых гиродвигателей, по данным зарубежной печати, 0,1 - 0,4 сек.

постоянных оборотов ротора (например, в двухстепенных интегри­

229

Синхронными двигателями переменного тока называют такие двигатели, у которых скорость вращения ротора находится в стро­ го постоянном отношении к частоте питающего напряжения f ,т .е .

об/мин,

Р*

где р - число пар полюсов.

Скорость вращения ротора п называется синхронной скоро­ стью.

Гистерезисный синхронный двигатель

Г и с т е р е з и с н ы м двигателем называют синхронный двигатель, в котором пусковой момент создается за счет гисте­ резиса магнитного материала ротора при перемагничивании его магнитным полем статора. Вращающий момент такого двигателя в рабочем синхронном режиме возникает в результате взаимодей­ ствия магнитного потока статора с намагниченным ротором.

Установим природу гистерезисного момента. Для этого пред­ ставим, что ротор из магнитотвердого материала помещен в маг­ нитное поле постоянного магнита. Как известно из курса физики, любое ферромагнитное тело можно рассматривать состоящим из большого числа элементарных магнитиков, которые находятся в хаотическом состоянии. При помещении этого тела в магнитное поле элементарные магнитики ориентируются в нем вдоль магнит­ ных силовых линий (ри с.5 .7 , где во избежание затемнения рисун­ ка показаны только два магнитика). Силы взаимодействия между элементарными магнитиками и полюсами A/,S направлены вдоль оси магнитного поля и никакого вращающего момента относительно оси

магнита, поворачивая свои оси вслед за магнитным полем с той же скоростью п . Силы взаимодействия F между магнитиками и вращающимся полем будут направлены по оси поля, вращающий момент создаваться не будет и ротор будет неподвижен (если пренебречь моментом, возникающим за счет взаимодействия поля магнитов с наведенными в теле ротора вихревыми токами).