1 Электромеханические системы и устройства
Предмет изучения курса "Электромеханические системы и устройства"
Электромеханические системы занимают центральное место в подавляющем большинстве технических систем. Основная определяющая их функция - преобразование электрической энергии в управляемую механическую. Т.е. они обеспечивают возможность регулирования параметров механического движения объектов управления (скорость, ускорение, угловое или линейное перемещение, сила, момент и др.). Как правило, данная функция должна выполняться автоматически.
В промышленности, науке, в быту используются разнообразные машины, механизмы и устройства, которые облегчают деятельность человека, повышают производительность и качество, уровень безопасности и комфортности и т.д. Приведем несколько примеров:
в промышленности - приводы станков, бумагоделательных машин, подъемно-транспортного оборудования и др.
в научных исследованиях - приводы и следящие системы телескопов, системы пространственного управления лазерным излучением, прецизионные микроподвижки и т.д.
в быту - кондиционеры, пылесосы, стиральные и посудомоечные машины.
В данном курсе студенты должны познакомиться с основными типами электромеханических систем и устройств и входящими в их состав элементами, изучить принцип действия и их основные характеристики, получить необходимые знания и практические навыки по расчету и выбору исполнительных устройств, по способам управления ими и их математическому моделированию.
Все технические средства автоматики можно представить в виде иерархической структуры, состоящей из трех уровней:
1. Системы управления и автоматического регулирования (высший уровень).
2. Автоматические регуляторы, следящие приводы и подсистемы (средний уровень).
3. Элементы и устройства подсистем, регуляторов, приводов и систем автоматического управления (нижний уровень).
Предметом изучения данного курса является нижний - базовый
уровень элементной базы систем автоматического управления.
В настоящее время разрабатывается и выпускается огромное разнообразие электромеханических устройств и элементов, выполняющих одни и те же функции, но отличающихся по принципу действия, конструктивному исполнению, способам управления и т.д.
Будущим специалистам по разработке и эксплуатации систем автоматического управления необходимо не только хорошо знать элементную базу, но и уметь выбирать из нее самые рациональные варианты решений с учетом условий работы и предъявляемым техническим требованиям.
Рассмотрим два классических примера автоматических электромеханических систем.
Следящая система "угол-угол". Обеспечивает автоматическую отработку угла поворота объекта управления (антенна радиолокационной станции, видеокамера) по заданию оператора. Функциональная схема такой системы приведена на Рисунок1.
Система работает следующим образом. Оператор с помощью
задающего устройства (ЗУ) вводит угол , на который нужно повернуть объект управления (ОУ). ЗУ поворачивает на заданный угол входную ось датчика угла рассогласования (ДУ), который может быть реализован, например, на сельсинах или поворотных трансформаторах (один механически связан с задающим устройством, а второй с осью вращения объекта управления, а между собой они связаны электрически). В первый момент угол поворота ОУ отличается от угла задания . На выходе ДУ возникает напряжение U-, пропорциональное разности этих двух углов, которое подается на вход уcилительно-преобразовательного устройства (УПУ). УПУ выполняется обычно на полупроводниковых и интегральных элементах, его состав и структура определяются выбором типа исполнительного двигателя (Д). В конечном итоге УПУ должно обеспечить усиление сигнала рассогласования по мощности, достаточной для управления двигателем.
Под действием сигнала рассогласования двигатель начинает вращаться.
Начинает вращаться и объект управления, который механически связан через понижающий редуктор (Р) с валом двигателя. При этом разность углов и уменьшается, а в момент, когда она будет равна нулю, происходит остановка двигателя, так как U- тоже будет равно нулю. Таким образом, ОУ повернется на заданный угол .
Следящая система "угол-угол" по своему функциональному назначению и составу элементов является характерным примером электромеханических систем автоматического управления.
Другим примером может быть система автоматической стабилизации скорости вращения электродвигателя, широко используемая в том или ином исполнении во многих сложных технических устройствах. Функциональная схема системы стабилизации скорости приведена на рисунке 1.2.
Система стабилизации предназначена для поддержания заданной скорости вращения двигателя вне зависимости от изменений нагрузки (момента нагрузки на валу двигателя) и других внешних возмущающих факторов. В отличие от первого примера, в данной системе реализуется отрицательная обратная связь по скорости вращения двигателя. Для этой цели служит тахогенератор (ТГ), представляющий собой электромашинный преобразователь скорости вращения в пропорциональное ей электрическое напряжение. ТГ располагается на одной оси с двигателем (целый ряд современных двигателей содержат встроенный тахогенератор), а двигатель через редуктор связан с исполнительным органом (ИО), который необходимо вращать с постоянной заданной скоростью. Как и в первом примере здесь реализован принцип регулирования по отклонению. При отклонении скорости вращения ИО от заданной, в силу указанных выше причин, УПУ формирует сигнал рассогласования и подает его на управление двигателем, который изменяет скорость вращения, сводя это рассогласование к минимальному значению.
Анализируя состав и структуру рассмотренных систем можно увидеть в них много общего и сделать вывод о наличии некоторого базового комплекса элементов и устройств присущего электромеханическим системам. Этот комплекс называется - электроприводом. В его состав могут входить электромашинные устройства различного назначения (двигатели, преобразователи, генераторы и т.д.), электронные устройства (усилители, широтно-импульсные преобразователи, модуляторы и демодуляторы и т.д.) и
механические преобразовательные устройства (редукторы, винтовые и червячные передачи и др.).
Современный электропривод является индивидуальным автоматизированным электроприводом. Он включает в себя систему автоматического управления (САУ), которая в простейшем случае осуществляет пуск и останов электродвигателя, а в более сложных случаях управляет технологическим процессом приводимого в движение исполнительного механизма.
Мощность автоматизированного электропривода охватывает диапазон от нескольких долей ватта до десятков тысяч киловатт.
Автоматизированный электропривод делится на управляемый и неуправляемый, постоянного, переменного тока, транзисторный и тиристорный. До недавнего времени в качестве регулируемого электропривода применялся электропривод постоянного тока. В последние годы значительные успехи в силовой преобразовательной технике привели к созданию надежных регулируемых транзисторных и тиристорных электроприводов переменного тока. Так как двигатели переменного тока имеют неоспоримые преимущества перед двигателями постоянного тока (они значительно дешевле, надежнее, имеют лучшие массогабаритные показатели и относительно простую конструкцию) в ближайшие годы ожидается бурное развитие управляемого электропривода переменного тока. Этому способствует широкое внедрение в управляемый электропривод микропроцессорной техники.
Стремление к упрощению кинематических цепей машин и механизмов привело к созданию безредукторных электроприводов, которые по сравнению с редукторными обладают большей надежностью и быстродействием, технологичнее в изготовлении. Предельно упрощает кинематику машин применение управляемого электропривода на базе линейных электрических машин постоянного и переменного тока. При этом создаются максимальные удобства для оптимального конструирования машин с поступательным движением рабочих органов.
Приведем обобщенную функциональную схему электропривода, которая содержит все возможные устройства и поясняет их взаимодействие и взаимовлияние. Обобщенная функциональная схема электропривода приведена на рисунке 2.1, где ИЭ - источник энергии (промышленная электросеть, электромашинный генератор, аккумулятор), ЭПУ - электрическое преобразовательное устройство (управляемый выпрямитель, широтно-импульсный преобразователь, электронный или электромашинный усилитель), ДУ - двигательное устройство (электродвигатель, пьезоэлектрический или магнитострикционный двигатель, электромагнитный двигатель),
МПУ-механическое преобразовательное устройство (редуктор, шарико-винтовая или червячная передача, кинематическая передача), ИО- исполнительный орган рабочей машины (турбина, вентилятор, оптические элементы приборов), УУ- устройство управления
(микропроцессор, управляющая ЭВМ), ЗУ - задающее устройство (ЭВМ, аналоговое устройство), ДПИ - датчики преобразователи информации (тахогенератор, термопара, индуктивные и емкостные датчики), сплошными одинарными стрелками обозначены аналоговые электрические сигналы постоянного иди переменного тока, пунктирные стрелки обозначают сигналы, наличие которых или отсутствие, а также форма определяются условиями конкретной технической системы, двойные стрелки обозначают механические связи.
Функции, выполняемые устройствами, входящими в состав электропривода:
ИЭ -обеспечение электропитанием всех элементов и устройств электропривода;
ЭПУ- преобразует сигнал управления в форму требуемую данным двигательным устройством;
ДУ - преобразует электрическую энергию в механическую;
МПУ - обеспечивает изменение параметров вырабатываемой ДУ механической энергии;
ИО - выполняет заданные функции;
УУ-вырабатывает сигнал управления в функции задающего сигнала и различных дополнительных электрических сигналов, содержащих информацию о процессе преобразования энергии, реальных параметрах механического движения ДУ и ИО, кроме того, обеспечивает защиту и блокировку всех электромеханических устройств, входящих в составу электропривода.
ЗУ - формирует сигнал задания на УУ.
ДПИ - датчики-преобразователи информации служат для измерения различных координат электропривода (скорость вращения, ток, угол поворота и др.) и преобразования их в электрические сигналы одинакового вида.
Основными элементами электропривода являются электрические машины, которые могут выполнять функции двигательных устройств, источников энергии, датчиков преобразователей информации.