Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Шаговые реактивные двигатели. Учебное пособие
.pdf
В бифилярных обмотках катушки противоположных полюсов соединены таким образом, чтобы потоки этих полюсов в любой момент
времени были направлены либо внутрь статора, либо наружу.
При этом противоположные магнитные полюсы создаются противоположными полюсами фазы.
На рис. 52 показано распределение магнитного поля в трехфазном ШД с бифилярными обмотками.
Рис. 52
51
Видно, что в отличие от схем возбуждения двигателей с монофилярными обмотками, в которых как при однофазной так и при двухфазной схемах возбуждения существуют магнитные силовые линии в
виде двух замкнутых петель, при применении бифилярных обмоток в
сердечнике одновременно существуют магнитные силовые линии в
виде четырех замкнутых петель.
В эксплуатации трехфазный реактивный ШД с бифилярными обмотками предпочтительнее, чем с монофилярными, так как имеет
большее отношение момента к объему.
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
ШАГОВЫХ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
3.1. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Статические характеристики – это характеристики двигателя в
заторможенном состоянии. Рассмотрим основную статическую характеристику ШД, называемую М-θ-характеристикой.
При определении этой характеристики шаговый двигатель неподвижен (фиксируется в положении равновесия). Возбуждающий ток
подается по одно- или двухфазной схеме возбуждения. Приложение к
ротору внешнего момента М вызывает угловое смещение θ. Зависимость внешнего момента от углового смещения, приведенная на рис.
53, представляет собой статическую моментную характеристику М- θ.
Максимальный статический момент, обозначенный на рис. 53 как 1
и соответствующий углу смещения θ, равному θµ, называют моментом
удерживающим. При увеличении углового смещения (θ больше θµ)
статический момент начинает действовать не как ранее – в обратном
направлении, а по направлению к следующему положению равновесия.
Строго говоря, удерживающий момент определяют как максимальный статический момент, который необходимо приложить к валу
возбужденного двигателя, чтобы при этом двигатель оставался неподвижным. Угол θµ, соответствующий удерживающему моменту, отличается от положения равновесия всегда на один угол шага.
52
Рис. 53
Рассмотрим, как измеряются удерживающий момент и статические М-θ-характеристики.
Исследуемый двигатель помещают в стационарные условия. Подают на него по одно- или двухфазной схеме возбуждения нормированный ток. При этом в однофазной схеме возбуждения ток подается
на одну из трех или четырех фаз двигателя. При отсутствии нагрузки
ротора находится в конечном положении или положении равновесия.
Для определения зависимости необходимо измерить момент, приложенный к валу, и отклонение от положения равновесия.
Для этих измерений может быть использовано устройство, изображенное на рис. 54.
Рис. 54
53
Устройство, создающее внешние моменты, состоит из шкива,
гирьки и струны. На рис. 54 обозначены: r – радиус шкива в м, m –
масса груза в кГ, W = 9,8 т – вес груза в Н.
Ротор находится в положении равновесия при массе гирьки, равной нулю. При увеличении массы и, соответственно, веса до значений W1, W2, W3... ротор будет поворачиваться по часовой стрелке и
занимать угловые положения θ1, θ2, θ3...
На рис. 55 изображен график зависимости моментов Мn, равных
произведению r на Wn, от углов θn. C постепенным увеличением углов
смещения момент достигает максимума в точке θµ. Участок характеристики М – θ для углов смещения, больших, чем θµ, изображенный на
рис. 55 пунктиром, нельзя измерить прибором, приведенным на рис. 54.
Рис. 55
В идеальном случае статические характеристики М – θ идентичны для любой фазы при однофазном возбуждении или любой пары
фаз при двухфазном возбуждении.
Рассмотрим на примере трехфазного двигателя, как определяется
удерживающий момент. На рис. 56 статический момент в фазах 1, 2, 3
имеет разный по величине максимум. Минимальный из них, соответствующий фазе 2, и является удерживающим моментом, при приложении которого к валу возбужденного двигателя нет последующего
движения.
54
Положение ротора можно определять другими методами, например, с помощью оптического преобразователя или точного бесконтактного потенциометра.
Рис. 56
Другой статической характеристикой ШД является зависимость
удерживающего (максимального статического) момента от тока,
называемая М – I характеристикой.
Момент с увеличением тока, как правило, возрастает. Графическое изображение М – I характеристик приводится на рис. 57.
Рис. 57
На рисунке сравниваются характеристика 1 четырехфазного реактивного ШД и характеристика 2 четырехфазного гибридного ШД с
углом шага у каждого из них, равным 1,8°.
55
Из рисунка видно, что момент реактивного двигателя при низких
значениях тока возрастает по параболе, а при отсутствии возбуждения равен нулю. С увеличением значения тока скорость роста момента существенно замедляется, что объясняется магнитным насыщением сердечника.
3.2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Кроме статических характеристик, шаговый двигатель описывается динамическими характеристиками. Эти характеристики определяются в начале движения двигателя либо во время этого движения.
Динамические характеристики представлены на рис. 58.
Рис. 58
К ним можно отнести:
• момент удерживающий 1;
• пусковой максимальный момент 2;
• зависимость выходного момента от шаговой частоты вра-
щения 3;
• максимальную шаговую частоту вращения 4;
• максимальную шаговую частоту при пуске 5;
• область запуска 6;
• область нестабильной работы 7;
• область неподвижного ротора 8.
56
Пусковой максимальный момент 2 соответствует максимальному
моменту сопротивления нагрузки, при которой двигатель может запуститься с сохранением синхронности при наборе импульсов.
При расчете либо измерении пускового момента необходимо
точно определить схему управления двигателем, методику измерения, а также момент инерции, отнесенный к валу ШД. Следует учитывать, что с ростом момента инерции уменьшается диапазон значений пускового момента.
Зависимость 3 выходного момента (момента сопротивления
нагрузки) от шаговой частоты вращения также называют характеристикой в движении, или выходной характеристикой. Она отображает
процесс в выбранным шаговом двигателе с определенным управлением от момента пуска до момента выпадения из синхронизма. Видно, что в пусковом диапазоне при заданном способе возбуждения частота импульсов постепенно растет до максимальной шаговой частоты вращения 4, при которой в ненагруженном двигателе движение
происходит без пропуска шага. Так же, как и для пускового момента,
выходная характеристика зависит от схемы управления, способа измерения и других условий.
Пусковой момент ШД описывается областью запуска 6, определяющей диапазон значений момента нагрузки, в котором двигатель
запускается и останавливается при различных частотах импульсов
(их число может достигать 100) без потери шага.
В некоторых диапазонах частот при малых нагрузках сопротивления двигатель не способен запускаться (область нестабильной работы 7) или нормально вращаться (область неподвижного ротора 8).
Еще одним важным параметром реактивных шаговых двигателей
является частота приемистости fпp, определяемая как частота следования управляющих импульсов, позволяющая ротору синхронно втягиваться с места без нарушения шага. Этот параметр зависит от
нагрузки на валу, снижаясь с ее ростом. При номинальной нагрузке
частота приемистости fпp находится в пределах от 1000 до 1200 Гц.
57
Максимальная частота приемистости f
соответствует макси-
пpmах
мальной управляющей частоте, при которой двигатель на холостом
ходу запускается и останавливается без пропуска шагов.
3.3. РЕЗОНАНСЫ И НЕСТАБИЛЬНОСТИ
При некоторых шаговых частотах вращения в ШД возникают колебательные явления, вносящие возмущения в нормальную работу
двигателя и называемые явлениями резонанса и нестабильности.
Если со временем значение (амплитуда) колебаний возрастает, то
ШД в конечном случае выпадет из синхронизма. Реальные зависимости выходных моментов ШД, изображенные на рис. 59, имеют провалы 1 и всплески.
Рис. 59
Поэтому для расширения области применения ШД необходимо
разрешить проблему уменьшения колебаний.
Различают три группы резонансов и нестабильностей, проявляющихся провалами и всплесками в кривой пускового момента:
• низкочастотный резонанс;
• среднечастотная нестабильность;
• высокочастотные колебания.
Кроме того, при пуске ШД может возникнуть еще один вид нестабильности, когда для определенных шаговых частот вращения при
некоторых нагрузках двигатель не может быть нормально запущен.
Рассмотрим эти области резонансов и нестабильностей подробней.
58
Если при пуске ШД частота импульсов возрастает медленно и
двигатель вращается с очень малой частотой, наблюдается резонанс
первого типа. Он проявляется в районе собственной частоты как
главный резонанс, а также в субгармониках собственной частоты 100
Гц. Так как колебания лежат ниже 200 Гц, резонанс называют низкочастотным.
На рис. 60 приведен пример нерегулярного движения при низкочастотном резонансе трехфазного реактивного ШД. Собственная частота колебаний при угле шага 7,5° приблизительно равна 100 Гц.
Рис. 60
Если частота импульсов становится выше собственной частоты,
то колебания затухают, как показано на рис. 61, и движение стабилизируется.
Низкочастотные резонансы для большинства практических ситуаций не представляют собой критических ограничений при использовании систем с ШД. Это вызвано тем, что большинство систем «ШД
– нагрузка» пускаются с шаговыми частотами вращения выше собственной частоты.
59
Если шаговые частоты возрастают до 500–1500 Гц, в ШД нельзя
говорить об описанным выше низкочастотном резонансе. Однако и в
этом случае из-за внутренней нестабильности двигателя или схемы
управления возникают колебания. Эти колебания называются
среднечастотной нестабильностью, или среднечастотным резонансом.
Частота этих колебаний находится в диапазоне 0,2–0,25 от шаговой
частоты вращения и отличается от собственной частоты.
Рис. 61
Эта нестабильность более критична для работы системы с ШД, и
поэтому часто решается задача по преодолению или полному исключению этого вида нестабильности.
Для того чтобы охарактеризовать среднечастотную нестабильность, рассмотрим ее особенности.
Колебания при среднечастотном резонансе не связаны с шаговой
частотой вращения простым соотношением и могут иметь от одной
или нескольких частотных компонент в диапазонах от 5 до 200 Гц.
При постоянстве условий работы колебания обычно медленно
растут, что может привести через несколько секунд или даже минут к
сбою. Возможна также внезапная потеря синхронизма.
С увеличением момента инерции нестабильность также увеличивается.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]