- •Введение
- •3.2Измерители механических величин
- •В позиционных и следящих системах
- •3.3 Измерители рассогласования
- •Позиционных и следящих систем.
- •1.4. Диодная схема переключения каналов грубого и точного отсчетов
- •1.2. Измерители скорости вращения
- •2.1. Выбор рода тока и типа двигателя
- •2.2. Выбор номинальной скорости и мощности двигателя
- •2.3. Выбор передаточного отношения редуктора
- •2.4. Безредукторный позиционный и следящий приводы
- •3.1. Эволюция преобразователей в системах электропривода
- •3.2.2. Системы шип - двигатель
- •3.3.2. Преобразователи
2.4. Безредукторный позиционный и следящий приводы
Большинство современных рабочих машин и механизмов имеют частоту вращения рабочего вала 100-200 об/мин. Между тем минимальная номинальная частота вращения электродвигателей как общепромышленных, так и предназначенных для следящих систем составляет 1000 об/мин. Лишь высокомоментные двигатели, изготавливаемые для металлорежущих станков, выпускаются с частотой вращения 500 об/мин. Поэтому, как правило, между двигателем и рабочим валом механизма приходится встраивать механический редуктор с передаточным отношением 3-6. Однако использование его приводит к отрицательным результатам - снижению надежности работы установки из-за износа механических деталей, увеличению погрешности, обусловленной зазорами в передаче и упругими деформациями и т. д.
В связи с изложенным для ряда прецизионных механизмов предпочтительней использовать безредукторный привод с непосредственным соединением двигателя и рабочей машины [14]. Естественно, реализация такого варианта привода возможна лишь в том случае, если двигатель заведомо недогружен по статическому моменту. Механический редуктор является не только трансформатором скорости, но и моментов. Поскольку в безредукторном приводе двигатель недоиспользуется по скорости, то, казалось бы, неизбежен существенный проигрыш в энергетических показателях привода, значительное снижение располагаемого момента и соответственно проигрыш в производительности. Однако при небольшой нагрузке иногда, напротив, возможно даже улучшение динамики привода: возрастание ускорений при разгоне и торможении, соответствующее сокращение длительности отработки заданного перемещения.
Будем полагать, что в исходном редукторном приводе использовалось оптимальное по быстродействию передаточное отношение редуктора и соответственно как двигатель, так и механизм работали по треугольному графику скорости (рис. 2.17). Площадь треугольника АВС пропорциональна отрабатываемому пути. Длительность перемещения t определяется основанием треугольника АС. В режиме холостого хода
Здесь Jд- момент инерции двигателя; δ = 1,1 ÷ 1,15 - коэффициент, учитывающий инерционные массы на валу двигателя: соединительной муфты, тормозного диска и т. п.; ωм - максимальная скорость механизма; ν - соотношение скоростей двигателя в редукторном и безредукторном приводах, равное передаточному отношению редуктора j; Mд = Мд.номλм - максимальный момент двигателя, используемый в переходных режимах и определяемый его перегрузочной способностью.
На основании изложенного отрабатываемый путь, определяемый площадью треугольника, составит
Рис. 2.17. Характеристики отработки пути редукторным приводом
В случае безредукторного привода за время разгона и торможения
механизм будет проходить путь
Большая часть пути будет отрабатываться в установившемся режиме (рис.2.18) при постоянной скорости ωм:
Из (2.46) может быть определена длительность вращения оси механизма с неизменной скоростью
Соответственно полное время движения безредукторного привода
Рис. 2.18. Характеристики отработки пути безредукторным приводом
Выигрыш во времени при переходе к безредукторному при
воду может быть оценен по соотношению
Характеристика, иллюстрирующая эту зависимость, представлена на рис. 2.19 штриховой линией. В предельном случае, при v -> оо, можно иметь двукратный выигрыш во времени. Однако он обусловлен здесь не высокими качественными свойствами безредукторного привода, а в большей степени неудовлетворительными условиями работы редукторного привода с большим передаточным отношением редуктора.
Аналогично может быть определено и соотношение времени отработки пути безредукторным и редукторным приводами при наличии статической и динамической нагрузки. При этом получим
Рис. 2.19. Характеристики соотношений длительности отработки пути безредукторным и редукторным приводами
Положив ξ = 0 и μ = 0, придем к полученной выше формуле для режима холостого хода.
На основе формулы (2.50) можно построить области, ограниченные значениями ξ и μ, внутри которых быстродействие безредукторного привода выше, чем редукторного. Такая область при соотношении расчетных (номинальных) скоростей двигателя и рабочей машины ν = 3 представлена на рис. 2.20.
Следует иметь в виду, что иногда для повышения надежности работы привода и уменьшения погрешности может быть целесообразно и проиграть в быстродействии, т. е. иметь τ ≤ 1, но исключить редуктор.
Характеристики τ = ƒ(ν), для некоторых соотношений ξ и μ представлены на рис. 2.19.
Совершенно естественно, что использование безредукторного привода при ν > 3, как правило, нецелесообразно, так как обычно связано с существенным увеличением габаритных размеров двигателя и ухудшением энергетических показателей привода.
Следует, однако, отметить, что иногда для возможности применения безредукторного привода вынужденно приходится переходить к двигателям большего габарита. При этом значения
Рис. 2.20. Область повышенного быстродействия безредукторного привода (ν = 3)
ξ и μ снижаются, и τ стремится к 1. Переходя последовательно ко все большим габаритным номерам двигателя, можно прийти к режиму квазихолостого хода, когда динамические и статические нагрузки двигателя окажутся существенно меньше номинального момента двигателя. Однако качественные показатели привода при этом будут низкие. Система будет весьма инерционной, так как в соответствии с рис. 2.4 с увеличением габаритного номера двигателя ускорение, которое он может развивать; существенно снижается. Момент инерции двигателя с увеличением его габаритов возрастает значительно быстрее, чем номинальный момент. Поэтому этот путь перехода к безредукторному приводу практически исключен.
Следует отметить, что в безредукторном приводе двигатель всегда работает при частотах вращения существенно ниже номинальной и поэтому он должен обеспечиваться независимой вентиляцией.
Отказ от редуктора в электромеханических системах, как следует из рассмотренного выше, наряду с уменьшением возможности возникновения колебаний, обусловленных упругими деформациями, и исключением нелинейного звена, обусловленного зазорами в зубчатых зацеплениях, приводит к существенному недоиспользованию двигателя по мощности. Лучшие результаты могут быть получены применением специальных двигателей с пониженной скоростью вращения. К таким двигателям могут быть отнесены синхронные реактивные двигатели с электрической редукцией и двигатели двойного питания.
Двигатели с электрической редукцией имеют пониженную скорость вращения за счет зубчатой структуры статора и ротора и неравного числа полюсов статора и ротора. При этом скорость ротора двигателя определяется соотношением числа полюсов. Управление скоростью двигателя достигается за счет регулирования частоты в цепи статора. Недостатком этих двигателей является пониженное значение коэффициента мощности по сравнению с асинхронными двигателями. Разработанные в НЭТУ двигатели серии ДЭР, предназначенные для использования в системах автоматического управления и позиционных системах, охватывают мощности от десятых долей киловатта до нескольких киловатт. Однако широкого применения пока они не нашли.
Весьма малые скорости вращения при жестких механических характеристиках можно получить при использовании машин двойного питания. Конструктивно эти машины представляют собой асинхронные машины с фазным ротором, цепи статора и ротора которых питаются напряжениями несколько отличной частоты. При равенстве частот скорость равна нулю. Для позиционных систем эти двигатели пока не нашли широкого применения, так как частотное управление ими достаточно сложно. Необходим второй источник напряжения со стабильной частотой, регулируемой в широких пределах и обеспечивающий стабильность этой частоты на каждом заданном уровне.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В ПОЗИЦИОННЫХ И СЛЕДЯЩИХ СИСТЕМАХ