Общие характеристики исполнительных двигателей систем автоматического управления

ИД – это электродвигатели малой мощности, которые применяются в качестве электрического исполнительного элемента систем автоматического управления.

В ИМ пропорционального действия имеет место аналоговый способ управления ИД, т.е. регулировочная характеристика ИД «напряжение управления – частота вращения» является непрерывной. Такие ИД часто называются серводвигателями (СД), а электромеханический комплекс управления положением выходного вала такого ИМ называется сервоприводом. Остановимся на необходимых характеристиках таких ИД и требованиях, предъявляемых к ним.

Частота вращения ИД должна регулироваться в широком диапазоне в соответствии с входным аналоговым сигналом управления, который может быть представлен напряжением постоянного или переменного тока. В современной судовой автоматике имеют практическое применение следующие три типа электрических машин малой мощности, соответствующие указанному требованию:

– ИД постоянного тока - коллекторная электрическая машина постоянного тока малой мощности с независимым возбуждением или возбуждением от встроенных постоянных магнитов;

– двухфазный асинхронный ИД с полым немагнитным короткозамкнутым ротором (двигатель Феррариса);

– трехфазный асинхронный ИД с ферромагнитным короткозамкнутым ротором в совокупности с управляемым тиристорным преобразователем частоты и напряжения статора, используемые при необходимости повышенной мощности ИМ.

ИД постоянного тока и трехфазный асинхронный ИД не имеют существенных отличий в физической реализации от соответствующих силовых электрических машин. Двигатель Феррариса является специфической электрической машиной автоматики, не имеющей аналогов среди силовых электрических машин.

Особенностью, работы ИД в САУ является практическое отсутствие установившегося режима двигателя с постоянной частотой вращения в процессе функционирования системы. Всегда имеет место динамический режим изменения частоты вращения с частыми пусками, остановами, реверсами ИД.

Энергетические показатели ИД, важные для двигателей силовых электроприводов: максимум полезной мощности на валу, высокие значения КПД и коэффициента мощности, не являются определяющими при оценке качества их работы.

Основные требования, которым должны удовлетворять исполнительные двигатели САУ и средства управления ими, заключаются в следующем:

– отсутствие самохода, т.е. самопроизвольного вращения при нулевом сигнале управления, в том числе отсутствие самозапуска, а также быстрое прекращение вращения после снятия сигнала управления;

– широкий диапазон регулирования частоты вращения в функции входного сигнала управления;

– линейность механических ω(М) и регулировочных ω(U _y) характеристик, где ω – частота вращения, М –вращающий момент двигателя, он же момент сопротивления в установившемся режиме, U _y – напряжение управления двигателя;

– малая инерционность, т.е. небольшое значение электромеханической постоянной времени, характеризующей динамические процессы изменения частоты вращения двигателя при изменении управляющего и возмущающего воздействий;

– достаточно большой пусковой момент, развиваемый двигателем, что необходимо для его ускоренного пуска и разгона;

– малое напряжение трогания по сигналу управления (порог зоны нечувствительности по величине напряжения управления);

– малая мощность управления;

– надежность работы в практически непрерывном динамическом режиме;

– устойчивость режима работы в заданном диапазоне изменения частоты вращения и момента сопротивления (нагрузки на валу двигателя).

Устойчивость работы ИД определяется взаимным расположением его механической характеристики и механической характеристики механизма (нагрузки).

Механическая характеристика двигателя (предстоит изучать в курсе «Судовые электроприводы») – это зависимость частоты вращения от момента нагрузки на валу ω(М). Чаще всего это либо «жесткая» линейно спадающая характеристика (ДПТ независимого возбуждения, АД), либо «мягкая», напоминающая гиперболу (ДПТ последовательного возбуждения).

Механическая характеристика механизма – это зависимость момента сопротивления от частоты вращения М _с(ω). Причина и следствие здесь меняются местами, но при совместной работе М и ω для двигателя и механизма одни и те же, поэтому их принято изображать в одной системе координат: М по оси абсцисс.

Производственные механизмы обладают большим разнообразием характеристик. Наиболее типичные характеристики:

1. М _с не зависит от частоты вращения ω; механическая характеристика представляет собой прямую линию, параллельную оси ω скорости. Это характерно для грузоподъемных механизмов и конвейеров.

2. М _с при увеличении частоты вращения линейно возрастает.

3. М _с пропорционален квадрату частоты вращения. Это так называемые нагнетатели: вентиляторы, центробежные насосы, компрессоры. А также сепараторы, центрифуги, гребные винты.

4. Момент сопротивления примерно обратно пропорционален частоте вращения; при этом мощность постоянна. Приводы шпинделей, дозаторов.

Изобразим совместно механические характеристики двигателя и нагрузки (рис. 5.1). Рабочая точка системы – это точка А пересечения характеристик. Двигатель устойчиво работает в этой точке, если при отклонении частоты вращения разбаланс моментов имеет такой знак, что стремится вернуть систему в точку равновесия. Например, если при увеличении частоты вращения (Dw > 0) момент нагрузки М _н уменьшается медленнее, чем момент двигателя М _д (рис. 5.1, а) или даже растет (рис. 5.1, б), то результирующий момент будет тормозить систему, т. е. возвращать ее к точке равновесия.

Таким образом, условие устойчивости рабочего режима имеет вид:

                                                 (5.38)

Для системы с характеристиками рис. 5.1, в условие устойчивости не выполняется.