У современных ЭМУ с поперечным полем коэффициент усиления достигает величины порядка 104 и может быть значительно выше, тогда как у обычных генераторов он составляет 20–30. Используя ЭМУ с поперечным полем в системе генератор-двигатель (Г–Д) в качестве возбудителя генератора, можно, регулируя незначительный ток I1 в обмотке управления ОУ, изменять во много раз больший ток I3, который будет протекать через обмотку возбуждения мощного генератора. Это, в конечном счете, будет приводить к изменению скорости мощного исполнительного электродвигателя.
Данный способ регулирования скорости электродвигателя в системе Г–Д удобен тем, что процесс изменения скорости протекает здесь значительно быстрее, чем в системе Г–Д без ЭМУ, так как обмотки последнего обладают меньшей индуктивностью по сравнению с обычным возбудителем генератора, и, следовательно, электромагнитная инерционность системы с ЭМУ значительно меньше. В системе Г–Д с ЭМУ нетрудно осуществить также дистанционное управление, так как управляющие сигналы, подаваемые на вход ЭМУ, весьма малы, и источник постоянного тока с малогабаритным регулировочным реостатом можно вывести в любое место, при этом потери энергии на регулирование весьма незначительны.
Номинальная выходная мощность современных ЭМУ достигает 100 кВт, а мощность цепи управления колеблется от долей ватта до нескольких ватт.
Обычно при мощности машины до нескольких киловатт ЭМУ и приводной асинхронный двигатель располагают в общем корпусе (рисунок 3.12). Они имеют общий вал, на котором устанавливают пакет ротора приводного двигателя, якорь усилителя и его коллектор. При больших мощностях усилитель выполняют как самостоятельную машину и соединяют муфтой с приводным двигателем. Для получения большого коэффициента усиления необходимо увеличивать частоту вращения ЭМУ; при использовании приводного асинхронного двигателя она составляет ~ 3000 об/мин. Чтобы уменьшить магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям, воздушный зазор между статором и ротором выполняют небольшим. При увеличении числа витков wa обмотки якоря коэффициент усиления возрастает; однако чем больше число витков в обмотке якоря, тем больше ее индуктивность, следовательно, ниже быстродействие усилителя. Чтобы получить высокое быстродействие, магнитопровод машины выполняют целиком шихтованным. Это уменьшает вихревые токи, возникающие при резких изменениях тока управления, и способствует быстрому изменению магнитного потока в соответствии с изменением сигнала управления.
181
Рисунок 3.12 – Устройство ЭМУ с поперечным полем:
1, 8 – подшипниковые щиты; 2– коллектор усилителя; 3 – якорь усилителя; 4 – статор усилителя; 5 – обмотка статора усилителя; 6 – ротор двигателя; 7– статор двигателя
Наличие двойного комплекта щеток (по продольной и поперечной осям) заставляет принимать специальные меры для обеспечения безыскровой коммутации в ЭМУ. Чтобы обеспечить хорошую коммутацию под продольными щетками, главные полюсы делают «расщепленными», т. е. каждый полюс разделяют на две части. Между ними располагают добавочные полюсы с соответствующими обмотками, которые и создают необходимое магнитное поле в зоне коммутации.
По поперечной оси машины добавочные полюсы не устанавливают, поэтому для обеспечения безыскровой коммутации под поперечными щетками в ЭМУ предусматривают специальную поперечную подмагничивающую обмотку, как показано рисунке 3.13. Обмотки управления размещают в больших пазах статора, расположенных по поперечной оси машины, и выполняют в виде нескольких катушек, имеющих отдельные выводы. Компенсационную обмотку обычно выполняют распределенной и располагают в нескольких пазах. В пазах, расположенных по продольной оси машины, размещают обмотку дополнительных полюсов и поперечную подмагничивающую обмотку. Для уменьшения влияния явления намагничивания на работу ЭМУ вокруг спинки статора наматывают размагничивающую обмотку, питаемую переменным током. Поток этой обмотки замыкается в сердечнике статора, не проходя в якорь, и способствует уменьшению н. с. остаточного магнетизма, которая создает погрешности в характеристиках ЭМУ.
182
Рисунок 3.13 – Схема расположения обмоток на статоре ЭМУ с поперечным полем:
1 – обмотка управления; 2 – части расщепленного главного полюса; 3 – компенсационная обмотка; 4 – коллекторная подмагничивающая обмотка;
5 – добавочный полюс; 6 – обмотка добавочного полюса
Электромашинный усилитель с поперечным полем выполняется с ненасыщенной магнитной системой, поэтому выходное напряжение UВых этой машины пропорционально току управления Iу. Зависимость UВых=f(Iу) при п=const и RH=const называется регулировочной характеристикой (рисунок 3.14, а). Внешние характеристики машины UВых=f(Id) при Iу=const и п=const представляют собой прямые (рисунок 3.14, б), угол наклона которых к оси абсцисс зависит от степени компенсации компенсационной обмотки МДС Fad. При недокомпенсации напряжение UВых уменьшается с ростом тока нагрузки Id (прямая 1) из-за размагничивающего действия потока якоря Φαd. При перекомпенсации напряжение UВых растет с увеличением тока Id (прямая 3); при такой характеристике работа ЭМУ неустойчива. При точной компенсации МДС Fad напряжение UВых с ростом тока Id падает незначительно лишь за счет падения напряжения в цепи якоря (прямая 2). Обычно ЭМУ выпускают с небольшой перекомпенсацией, при которой Fк/Fad=1.05; в этом случае внешняя характеристика располагается почти горизонтально.
UВых |
UВых |
3 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
1 |
Iу |
|
Id |
а) |
|
б) |
Kр |
2 |
1 |
Id |
в) |
Рисунок 3.14 – Регулировочная (а) и внешняя (б) характеристики ЭМУ с поперечным полем, зависимости коэффициента усиления от тока нагрузки (в)
183
Коэффициент усиления по мощности обратно пропорционален сопротивлению нагрузки Rн, т. е. прямо пропорционален току Id. На рисунке 3.14 в показаны зависимости kр = f(ld) при п = const и Iу = const при различной степени компенсации МДС Fad. Очевидно, чем больше ток нагрузки, тем больше и коэффициент усиления по мощности. При недокомпенсации (прямая 1) коэффициент усиления меньше, чем при полной компенсации (прямая 2).
ЭМУ применяется в системах автоматики, приводов постоянного тока, следящих системах; в качестве возбудителей генераторов. Наличие нескольких, не связанных друг с другом управляющих обмоток позволяет включать их в различные цепи управления и тем самым широко вводить автоматику в схему управления электроприводами.
К настоящему времени разработано большое количество схем с ЭМУ. В электроприводах подъемно-транспортных машин особенно широко используются схемы, позволяющие получить весьма жесткие механические характеристики. Также схемы, позволяющие получить так называемую экскаваторную механическую характеристику, при работе на которой скорость электропривода по мере увеличения нагрузки до определенного предела уменьшается мало, а затем резко снижается до нуля, т. е. экскаваторная характеристика обеспечивает ограничение тока и момента исполнительного электродвигателя определенными значениями.
Достоинства:
большой коэффициент усиления по мощности;
малая входная мощность;
достаточное быстродействие, т. е. малые постоянные времени цепей усилителя (время нарастания напряжения от нуля до номинального значения для промышленных ЭМУ мощностью 1– 5 кВт составляет 0,05– 0,1 сек);
широкие пределы изменения мощности;
возможность изменения характеристик за счет изменения степени компенсации, позволяющая получать необходимые внешние характеристики.
Недостатки:
малая надежность;
большие масса и габарит по сравнению с генераторами постоянного тока той же мощности, так как для получения больших коэффициентов усиления применяется ненасыщенная магнитная цепь;
сложность в эксплуатации;
наличие остаточного напряжения за счет гистерезиса (ЭДС, наводимая в якоре потоком остаточного магнетизма, искажает линейную зависимость выходного напряжения от входного сигнала в зоне малых сигналов и нарушает однозначность зависимости выходных параметров электромашинных усилителей от входных при изменении полярности входного сигнала, ибо поток остаточного магнетизма при постоянной полярности сигнала будет увеличивать поток управления, а при изменении полярности сигнала – уменьшать поток управления);
под действием остаточной ЭДС электромашинного усилителя, работающего в режиме перекомпенсации, при малом сопротивлении нагрузки и
184
нулевом входном сигнале может самовозбуждаться и терять управляемость (это явление объясняется неуправляемым увеличением продольного магнитного потока машины, первоначально равного потоку остаточного магнетизма, за счет подмагничивающего действия компенсационной обмотки).
Для нейтрализации вредного действия потока остаточного магнетизма в электромашинном усилителе осуществляют размагничивание переменным током, а сами электромашинные усилители ставят в автоматические системы несколько недокомпенсированными.
С внедрением полупроводниковых преобразователей применение электромашинных усилителей значительно сокращается.
185
РАЗДЕЛ 4. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВАХ
4.1Общие сведения об исполнительных устройствах
4.1.1Основные понятия
Исполнительное устройство (актуатор) – устройство системы автоматического управления или регулирования, воздействующее на процесс в соответствии с получаемой командной информацией. Выходным параметром ИМ является расход вещества или энергии, поступающих на объект регулирования, а входным – сигнал управляющего устройства.
Исполнительное устройство состоит из двух функциональных блоков: исполнительного устройства (если исполнительное устройство механическое, то его часто называют исполнительный механизм) и регулирующего органа, например, регулирующего клапана, и может оснащаться дополнительными блоками.
За счет подвода энергии извне исполнительный механизм развивает усилие и мощность, достаточные для перемещения регулирующего органа в положение, соответствующее командному сигналу. Например, исполнительное устройство может использоваться, чтобы изменить степень открытия клапана для увеличения или уменьшения загрузки, или изменить положение заслонки или жалюзи.
Исполнительное устройство можно разделить на две большие группы: электромоторного типа и электромагнитного типа.
По виду потребляемой энергии исполнительные механизмы делятся на электрические, гидравлические и пневматические. Для указанных видов исполнительных механизмов имеются наборы вспомогательных устройств, усилителей мощности и пускорегулирующей аппаратуры.
Электрические исполнительные механизмы получили наибольшее распространение, поскольку для них не требуется промежуточных преобразователей энергии – компрессоров и насосов. Они позволяют получить довольно большие перестановочные усилия при ограниченном быстродействии и высокой точности позиционирования.
Существуют разные виды исполнительных механизмов, которые, в свою очередь, имеют подвиды. Их конструкция и принцип действия отличаются друг от друга. В зависимости от вида энергии, используемой для создания перестановочного усилия, исполнительные механизмы разделяют на пневматические, гидравлические и электрические.
Тип исполнительного механизма, который используется на конкретном производстве, зависит от многих факторов, включая особенности технологического процесса, действие, которое должно быть выполнено и требуемую скорость реагирования.
Пневматические исполнительные механизмы просты, надежны и удобны в эксплуатации, пожаробезопасны. Поэтому они широко применяются в пожаро- и взрывоопасных производствах (окрасочные и промывочные отделения,
186
производство легковоспламеняющихся веществ). Пневматические механизмы имеют высокое быстродействие и точность позиционирования при умеренных перестановочных усилиях.
Гидравлические и пневматические приводы обычно представляют собой либо роторные двигатели, либо линейные поршневые/цилиндрические или регулирующие клапаны. Они идеально подходят для создания больших сил и мощностей. Пневматические приводы используются там, где требуется небольшая мощность, короткий ход и высокая скорость, в качестве рабочего тела используется сжатый воздух. В гидравлических приводах используется сжатое масло, которое, в отличие от воздуха не сжимается под давлением. Они могут производить очень большое усилие и имеют большую передаваемую мощность на единицу массы привода. Недостатком гидравлических приводов является то, что они сложнее и требуют специальных источников рабочей жидкости – масляных насосов высокого давления и дополнительного обслуживания.
Вособую группу выделяются комплектные исполнительные устройства. Они представляют целостную конструкцию из исполнительного механизма и регулирующего органа. В состав этих изделий входят электрогидроклапаны и электропневмоклапаны, предназначенные для коммутации небольших расходов жидких и газообразных веществ. По функциональному назначению ИУ этой группы делятся на регулирующие и запорнорегулирующие.
Микроприводы, также называемые микромашинами, микроэлектромеханическая система (MEMS) и микросистемы – это крошечные мобильные устройства, которые разрабатываются с использованием стандартных микроэлектронных процессов с интеграцией полупроводников и механических микромеханических элементов. Другое определение гласит, что любое устройство, созданное путем сборки чрезвычайно малых функциональных частей около 1–15 мм, называется микромашиной.
Вмикроприводах могут преобладать электростатическое усилие, в отличие от обычных двигателей, основанных на действии магнитных сил. Для небольших микромеханических систем электростатические силы хорошо подходят в качестве исполнительной силы.
Электрические машины и системы управления к ним изучаются на дисциплинах «Судовые электрические машины» и «Судовые электроприводы», поэтому в данном пособии они не рассматриваться.
4.1.2 Критерии выбора
Выбор подходящего исполнительного устройства сложнее, чем выбор датчиков, в первую очередь из–за их влияния на динамическое поведение всей системы. Например, выбор линейного двигателя вместо вращающегося двигателя может устранить необходимость в механизме соединения для преобразования вращательного движения в линейное движение.
Перед выбором исполнительного механизма для конкретной потребности необходимо определится со следующие параметрами:
187
1.Выходная мощность – мощность, создаваемая устройством при максимальном усилии/крутящем моментом, без превышения температурных пределов.
2.Диапазон движения – диапазон линейного/вращательного движения.
3.Разрешающая способность – минимальное изменение силы/крутящего момента.
4.Точность – разница между заданным и реальным положением РО.
4. Пиковая сила/крутящий момент – сила/момент, при котором привод останавливается.
6.Теплоотдача – максимальная эффективная мощность рассеивания тепла при непрерывной работе.
7.Характеристики скорости – отношение силы/крутящего момента к
скорости.
8.Скорость холостого хода – скорость без внешней нагрузки.
9.Тип питания (переменный или постоянный ток).
10.Количество фаз.
11.Напряжение.
12.Перегрузочная способность.
В дополнение к вышеизложенным критериям, многие другие факторы становятся важными в зависимости от типа мощности и требуемого механизма сцепления. Например, если выбран механизм сцепления с зубчатой рейкой, зазор
итрение повлияют на разрешение исполнительного блока.
4.2Шаговые двигатели
4.2.1 Общие положения
Шаговый электродвигатель – это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.
По конструкции шаговые двигатели мало чем отличаются от синхронных двигателей. В принципе любой синхронный двигатель может работать в шаговом режиме, но изделия, выпускаемые как шаговые двигатели, оптимизированы под определённые условия эксплуатации и характеристики. Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнитомягкого или из магнитотвёрдого материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.
Ротор шагового двигателя может быть возбуждённым (активным) или невозбуждённым (пассивным). Двигатель с активным ротором, возбуждаемым постоянными магнитами, позволяет фиксировать и сохранить положение вала в отключённом состоянии. Двигатель с активным возбуждением (возбуждение от электромагнита) требует применения какого-либо внешнего тормозного устройства в случае необходимости фиксации при отключении питания.
188
Пассивные шаговые двигатели делятся на реактивные и индукторные. Реактивные: статор и ротор набираются из листов магнитной мягкой
электротехнической стали на статоре, имеют явно выражение полюса. На роторе размеры зубцы одинаковы. В пазах статора обмотка управления переменного тока, а на роторе только метал. Для реверса необходимо поменять порядок следования фаз.
Индукторные: на роторе и статоре источник магнитного поля постоянного магнита. Количество зубцов статора и ротора одинаковы, но они смещены относительно друг другу. Скорость зависит от частоты управляющих импульсов. Существуют бесколекторные двигатели, имеющие обмотки на статоре и постоянные магниты на роторе.
Преимущества
точность (при подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол);
невысокая стоимость шаговых приводов (в среднем в 1,5–2 раза дешевле сервоприводов);
угол поворота двигателя пропорционален входному импульсу;
двигатель имеет полный крутящий момент даже в неподвижном состоянии (если обмотки находятся под напряжением);
точное позиционирование и повторяемость движения, так как хорошие шаговые двигатели имеют точность 3 - 5 % от шага, и эта ошибка не суммируется с одного шага на другой;
легкий запуск/останов/реверс;
очень надежный, так как в двигателе нет контактных щеток. Поэтому срок службы двигателя просто зависит от срока службы подшипника;
реакция двигателей на цифровые входные импульсы обеспечивает управление с разомкнутым контуром, что делает двигатель более простым и менее дорогостоящим для управления;
можно добиться очень низкоскоростного синхронного вращения с нагрузкой, которая напрямую связана с валом.
Недостатки:
необходима схема управления двигателем;
сложность работы на высоких скоростях;
возможность «проскальзывания» ротора.
«проскальзывание» ротора может произойти при превышении нагрузки на валу, при неверной настройке управляющей программы (например, ускорение старта или торможения не адекватно перемещаемой массе), при приближении скорости вращения к резонансной. Для ответственных применений устанавливают датчики обратной связи (контроль вращения или перемещения), но такие датчики достаточно дороги. Наличие датчика позволяет обнаружить проблему, но автоматически скомпенсировать её без остановки производственной программы возможно только в очень редких случаях. Чтобы избежать проскальзывания ротора, как один из способов, можно увеличить мощность двигателя.
189
Существуют три основных типа шаговых двигателей:
–реактивный (ротор из магнитомягкого материала);
–с постоянными магнитами (ротор из магнитотвёрдого материала);
–гибридный.
4.2.2 Реактивный двигатель
Принцип работы реактивного двигателя проще всего понять со структурной точки зрения. На рисунке 4.1 показано поперечное сечение типичного реактивного шаговый двигатель. Этот тип двигателя состоит из мягкого железного многополюсного ротора и статора. Когда обмотки статора активируются постоянным током, полюса становятся намагниченными. Вращение происходит, когда зубцы ротора притягиваются к полюсам возбужденного статора.
Рисунок 4.1 – Сечение реактивного шагового двигателя
4.2.3 Двигатель с постоянными магнитами
Двигатель с постоянными магнитами, представленный на рисунке 4.2, является двигателем с низкой стоимостью и низкой точностью с типичными ступенчатыми углами от 7,5 до 15° (48 – 24 шага/оборот). Ротор больше не имеет зубьев, как у реактивного двигателя. Вместо этого ротор намагничен чередующимися северными и южными полюсами, расположенными по прямой, параллельной валу ротора. Эти намагниченные полюсы ротора обеспечивают повышенную интенсивность магнитного потока, и благодаря этому двигатель с постоянными магнитами обладает улучшенными характеристиками крутящего момента по сравнению с реактивным двигателем.
190