Часть 5. Исполнительные устройства

Часть 5. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Судовой АВТОМАТИКИ

 

Электромагнитные устройства

5. 2.1. Основные определения и характеристики

Электромагниты (ЭМ) представляют собой устройства, создающие в некоторой части пространства магнитное поле при протекании по обмоткам электрического тока. Используя свойства магнитного поля, можно при помощи ЭМ произвести преобразование электрической мощности в механическую. В основе такого преобразования лежит эффект возникновения сил взаимодействия ферромагнитных тел с магнитным полем.

Электромагнитная система представляет совокупность ЭМ и перемещаемой им механической нагрузки. Такой нагрузкой могут быть контакты (в электромагнитных реле), золотниковое устройство, клапаны и задвижки вместе с соответствующими возвратными пружинами и т.п. Широкое распространение получили электромагнитные устройства, снабженные контактной системой – электромагнитные реле и контакторы.

Электромагнитные элементы могут быть аналогового (непрерывного) и дискретного действия. В аналоговых ЭМ величина перемещения зависит от тока ЭМ;. например, меняя ток, можно плавно перемещать золотник гидронасоса и тем самым управлять скоростью перемещения гидроцилиндров. Однако в основном используются двухпозиционные ЭМ дискретного действия: «Вкл. – выкл.». Это в первую очередь электромагнитные реле и контакторы.

Классификация ЭМ

В зависимости от способа создания магнитного потока ЭМ разделяются на три группы:

– нейтральные ЭМ постоянного тока (направление перемещения не зависит от полярности тока);

– поляризованные ЭМ постоянного тока (направление определяется полярностью);

– ЭМ переменного тока.

По характеру движения подвижной части магнитной системы – якоря – различают системы с угловым перемещением якоря (поворотные) и с линейным перемещением якоря (втяжные).

ЭМ различаются также по форме магнитной цепи, по числу обмоток, по расположению обмоток (обмотки неподвижны или расположены на якоре).

Электромагнитные реле

В судовых системах контроля и регулирования широко применя­ются электромагнитные реле, состоящие из ЭМ и контактной системы. Электромагнитные реле предназначены для замыкания и размыкания контактов в электрической исполнительной цепи при подаче на обмотку реле сигнала управления.

Реле, коммутирующие электрические цепи большой мощности, называются контакторами.

Реле характеризуются следующими основными параметрами:

– мощность срабатывания, равная минимальной мощности, необходимой для надежного срабатывания реле (часто указывается напряжение или ток срабатывания);

– напряжение или ток отпускания;

– мощность управления, равная максимальной мощности в коммутируемой цепи, при которой контакты реле работают надежно (часто указывается предельный ток и напряжение коммутируемой цепи);

– допустимая разрывная мощность, равная мощности в электрической цепи, разрываемой контактами при определенном токе или напряжении без образования устойчивой электрической дуги;

– время срабатывания и отпускания.

Как и ЭМ, реле делятся на нейтральные электромагнитные реле постоянного тока, поляризованные реле и нейтральные реле переменного тока.

Контакты реле по характеру работы делятся на замыкающие (при отсутствии тока в обмотке реле контакт разомкнут, а при наличии тока замкнут), размыкающие (при отсутствии тока контакт замкнут, а при наличии тока — разомкнут) и переключающие (при отсутствии тока контакт замыкает одну электрическую цепь, а при наличии тока другую).

Мощность срабатывания типичных нейтральных реле – 10–100 мВт, время срабатывания 2–20 мс.

Реле переменного тока обычно имеют расщепленный полюс с экраном.

Поляризованные электромагнитные реле характеризуются малой мощностью срабатывания: обычно составляет менее 10 мВт, т.е. может быть порядок меньше мощности срабатывания нейтральных электромагнитных реле. Время срабатывания поляризованного реле обычно составляет 1–10 мс, т.е. также меньше, чем у реле нейтрального типа.

Недостатком поляризованных реле является их довольно большая масса на единицу выходной мощности, непропорционально возрастающая с ростом последней. В связи с этим поляризованные реле используются для коммутации цепей, мощность которых ограничена единицами ватт.

Общие характеристики

В качестве ИД в судовых САУ применяются маломощные электро­двигатели постоянного тока с независимым возбуждением (рис. 5.20, а) и с возбуждением от встроенных постоянных магнитов (рис. 5.20, б).

Исполнительные двигатели постоянного тока (ИДПТ) с независимым возбуждением использу­ются в диапазоне мощностей от 5 до 250 Вт при напряжении якоря = 24 B (может быть также и = 110 В). Номинальная частота вращения указанных ИД составляет 2500–6000 об/мин. Конструктивно двигатели этой группы мало отличаются от силовых коллекторных машин постоянного тока небольшой мощности.

ИДПТ с возбуждением от постоянных магнитов предназначены для использования в диапазоне малых мощностей до 10–20 Вт при напряжении якоря 12 В или 24 В. Диапазон мощностей до 10 Вт, частота вращения 1800–12000 об/мин.

Обе группы ИД постоянного тока с точки зрения их статических характеристик можно отнести к двигателям с независимым возбуждением, которые наиболее полно удовлетворяют рассмотренным в разделе 1.2 требованиям и обеспечивают:

– жесткость механических характеристик и, вследствие этого, возможность получения устойчивого вращения под нагрузкой, в том числе на малых частотах вращения;

– линейность механических и регулировочных характеристик;

– отсутствие самохода, а также быстрое торможение при снятии напряжения управления;

– широкий диапазон регулирования частоты вращения;

– большой пусковой момент.

ИДПТ имеют меньшие габариты и массу по сравнению с асинхронными двухфазными двигателями (раздел 5.3.3), однако характеризуются недостатком, общим для машин постоянного тока – наличием коллектора, требующего ухода и снижающего надежность работы.

В исполнительных устройствах пропорционального действия для регулирования частоты вращения ИДПТ в соответствии с напряжением управления, которое поступает на двигатель от выходного усилителя системы, применяются три способа управления:

1) якорное управление, при котором напряжение возбуждения, а следовательно и магнитный поток постоянны, а напряжение управления подается на якорь;

2) полюсное управление, т.е. управление по цепи возбуждения (для ИД с независимым возбуждением) при котором напряжение якоря – константа, а напряжение управления подается на обмотку возбуждения;

3) якорное управление с широтно-импульсным регулированием напряжения, при котором в цепь якоря подаются импульсы (рис. 5.21), постоянные по амплитуде U_m и периоду Т, а длитель­ность импульсов изменяется пропорцио­нально аналоговому напряжению управления. В результате изменяется среднее значения напряжения якоря:

                                                 (5.39)

Такое преобразование напряжения в импульсный сигнал осуществляется в выходном устройстве САУ – широтно-импульсном модуляторе (ШИМ).

Рассмотрим механические и регулировочные характеристики ИД и особенности их работы при указанных способах управления.

Способ якорного управления

Якорное управление возможно для обеих схем рис. 5.20. Уравнения цепи якоря и вращающего момента двигателя имеют вид:

                                       (5.40)

где e = c Ф w – ЭДС якоря;

       L _я – индуктивность якорной цепи;

       R _я – сопротивление якорной цепи;

       J – суммарный момент инерции ИД и нагрузки, приведенный к валу двигателя;

       w – частота вращения ИД;

       M = c Ф i _у – вращающий момент двигателя;

       M _с – момент сопротивления;

       Ф – магнитный поток;

       с – конструктивный коэффициент.

Статические характеристики ИД получают из (5.3) для установившегося режима, когда все производные равны нулю, и М = М _с. Статические ток и напряжение будем обозначать U и I. Выразим w = f (M):

                                                (5.41)

Для того чтобы отразить общие свойства таких двигателей независимо от конкретных параметров, общепринято вводить относительные единицы. Все переменные представляются в долях от базисных величин. Здесь за базисные величины принимаем: для напряжения – номинальное напряжение двигателя U _ун; для момента – номинальный пусковой момент М _пн; для частоты вращения – частоту вращения идеального холостого хода в номинальном режиме w₀.

Из (5.41), приняв w = 0, получаем

                                                       (5.42)

Из (5.41), приняв М = 0, получаем

                                                                 (5.43)

Обозначим относительные величины:

Тогда выражение статических характеристик (5.41) примет вид

                                                           (5.44)

Уравнение (5.44) определяет семейство механических и регулировочных харак­теристик ИД с якорным управлением. Механические характеристики (рис. 5.22, а) – это зависимости ν(m) при фиксированных значениях a. Регулировочные характеристики (рис. 5.22, б) – это зависимости ν(a) при фиксированных значениях m. Величину a называют коэффициентом сигнала, она представляет собой относительное значение управляющей величины и меняется от 0 до 1.

Из рис. 5.22, а и выражения (5.44) вытекают следующие особенности механических характеристик:

– механические характеристики устойчивы и линейны;

– наклон (жесткость) механических характеристик постоянен и не зависит от входного сигнала;

– частота вращения холостого хода и пусковой момент в относительных единицах равны значению сигнала.

Особенности регулировочных характеристик (рис. 5.22, б):

– регулировочные характеристики линейны, их наклон не зависит от величины момента;

– порог трогания ИД под нагрузкой равен относительному значению момента сопротивления на валу;

– явление самохода двигателя отсутствуют, так как при U _y = 0 вращающий момент равен нулю.

Способ якорного управления обладает наилучшими характеристиками и чаще всего используется для ИД с независимым возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов. Для управления ИД малой мощности (до 10–20 Вт) применяются аналоговые электронные регуляторы напряжения якоря (рис. 5.23).

Регулятор выполнен на мощных транзисторах VT3-VT6 по мостовой схеме эмиттерных повторителей, так как необходимо малое выходное сопротивление для согласования с низкоомной нагрузкой цепи якоря. При Uy>0 (направление вращения "Вперед" – В) цепью якоря управляют силовые транзисторы VT3, VT6, при Uy<0 (направление вращения "Назад" – Н) – VT4, VT5. В мостовой схеме используются комплементарные пары силовых транзисторов VT3, VT4, и VT5, VT6. Силовые транзисторы должны обладать необходимым нагрузочным резервом по току для работы при токовых перегрузках пуска и реверса ИД. Допустимый ток коллектора силовых транзисторов должен составлять (12–15) I _ян, где I _ян – номинальный ток якоря двигателя. Регулятор обеспечивает (10–15) кратный диапазон регулирования частоты
вращения. Недостатком схемы является низкий КПД из-за больших значений мощности, рассеиваемой на силовых транзисторах.

Широкое распространение имеют тиристорные регуляторы напряжения якоря. На рис. 5.24 представлен сервопривод регулирования подачи топлива главного двигателя (ГД), который является оконечным исполнительным устройством контура регулирования частоты вращения ГД ТР "Кристалл 2". В сервоприводе установлены: серводвигатель СД 24 В, 700 об/мин, 1,5А и тахогенератор ТГ. Схема управления СД реализована в виде замкнутой САУ частотой вращения СД. Сигнал обратной связи n _д в диапазоне ±10 В формируется согласующим усилителем, который контролирует напряжение, снимаемое с ТГ. На вход САУ СД поступает сигнал заданной частоты вращения СД n _з в диапазоне ±10 В с выхода электронного регулятора частоты вращения ГД. На основе сигнала рассогласования Δ n пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-Р), выполненный на операционном усилителе, вырабатывает напряжение управления U _y для системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами. Логическое переключающее устройство (ЛПУ), которое контролирует полярность сигналов n _з, n _д, Δ n, U _y, управляет в СИФУ выдачей импульсов управления на тиристоры VS1, VS4 при направлении вращения "Вперед" или на тиристоры VS2,
VS3 при направлении вращения "Назад".

Серводвигатель получает питание от управляемого тиристорного моста VS1-VS4 в цепи вторичной обмотки со средней точкой трансформатора Т1. Другая вторичная обмотка Т1 предназначена для подачи напряжения 8 В (опорного напряжения фазы анодного напряжения тиристоров) в СИФУ. Для защиты тиристоров установлены быстродействующие предохранители FU1, FU2 и RC-цепочки. Для сглаживания пульсаций напряжения якоря и ограничения скорости нарастания тока тиристоров в цепи якоря СД установлены дроссели L1, L2.

СИФУ содержит генератор импульсов частотой 7 кГц и схему управления фазовым углом φ подачи пачки управляющих импульсов в функции выходного напряжения ПИ-регулятора U _y.

При возрастании напряжения управления U _y угол φ уменьшается, вследствие чего среднее значение напряжения якоря и частота вращения СД возрастают. Тиристоры закрываются при переходе анодного тока через ноль. Наличие замкнутой САУ частотой вращения с ПИ-регулятором обеспечивает широкий диапазон регулирования частоты вращения, плавность динамических режимов разгона, торможение, реверса.

По сравнению со схемой транзисторного регулятора рис. 5.23 КПДтиристорного регулятора значительно выше. Недостатком тиристорного регулятора является необходимость в достаточно сложном ЛПУ, которое, кроме переключений управления тиристорами, реализует ряд блокировок.

Способ полюсного управления

Полюсное управление (управление по цепи возбуждения) возможно для ИД с обмоткой независимого возбуждения (рис. 5.20 а).

Для ограничения тока якоря I _Я в цепь якоря подается пониженное значение напряжения U _Я = const.

Получим выражение для статических характеристик ИД.

Магнитный поток Ф пропорционален напряжению управления U _y, поэтому запишем:

Ф = kU _y = k α U _yн.                                                         (5.49)

Связь между w и М уже установлена в (5.41). Для случая полюсного управления надо заменить U _у на U _я и подставить Ф из (5.49). Получаем:

                            (5.50)

Частота вращения идеального холостого хода при a = 1, М = 0

                                                            (5.51)

Номинальный пусковой момент при a = 1, w = 0

J

                                                   (5.52)

Вновь вводим относительные единицы ν и m. Из (5.13) получаем

                                                                 (5.53)

Уравнение (5.16) определяет семейство механических и регулировочных характеристик ИД с полюсным управлением (рис. 5.25). Вспомним: механические характеристики – это зависимости ν(m) при фиксированных значениях a = const. Регулировочные характеристики – это зависимости ν(a) при фиксированных
значениях момента m = m _c = const.

Из рис. 5.25 и выражения (5.53) вытекают следующие особенности механических характеристик:

– механические характеристики устойчивы и линейны, но их жесткость (наклон) зависит от коэффициента сигнала, при снижении коэффициента сигнала характеристики становятся более мягкими;

– частота вращения холостого хода обратно пропорциональна коэффициенту сигнала и при малых его значениях резко возрастает, т.е. существует опасность разноса;

– пусковой момент в относительных единицах равен коэффициенту сигнала.

Особенности регулировочных характеристик (см. рис. 5.25, б) заключаются в следующем:

– регулировочные характеристики нелинейны и при m < 0,5 неоднозначны, т.е. имеют экстремум и участки положительной и отрицательной крутизны, поэтому полюсное управление применяется при работе ИД под нагрузкой при m > 0,5;

– в режиме холостого хода (m = 0) регулировочная характеристика представляет собой гиперболу, т.е. существует опасность разноса ИД при малых значениях коэффициента сигнала;

– порог трогания ИД под нагрузкой равен относительному значению момента сопротивления на валу.

Обычно в чистом виде полюсное управление ИД не используется, а в сочетании с якорным управлением обеспечивает расширение диапазона регулирования частоты вращения w_max/w_min с 7–10 до 20–50.

Пример схемы комбинированного управления ИД приведен на рис. 5.26

Рис. 5.26. Схема комбинированного управления исполнительным двигателем

 

Схема нереверсивна и работает следующим образом. Перемещение х по схеме влево движка потенциометрического задатчика R1 приводит к увеличению напряжения якоря U (x), которое передается на якорь эмиттерным повторителем на спаренных транзисторах VT1, VT2, т.е. реализуется якорное управление. Одновременно изменяется напряжение на базе транзистора VT3, в результате чего уменьшается ток возбуждения ИД (полюсное управление). В результате быстро нарастает частота вращения.

Ток возбуждения никогда не снижается до нуля, т.е. транзистор VT3 полностью не закрывается. Минимальный ток возбуждения устанавливается подстроечным резистором R7.

Общие понятия

В качестве ИД переменного тока основное применение нашел двухфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

В зависимости от конструкции короткозамкнутого ротора ИД бывают с полым немагнитным ротором, с обычным короткозамкнутым ротором, с полым ферромагнитным ротором и с массивным ферромагнитным ротором.

На судах в основном применяют двухфазные асинхронные двигатели с полым немагнитным ротором (двигатели Феррариса). Выпускаются мощностью от десятых долей ватта до нескольких сотен ватт. Двигатели применяются при промышленной частоте (50 Гц) и повышенных частотах (200, 400, 500 и 1000 Гц).

Конструктивное устройство двигателя Феррариса представлено на рис. 5.29. Двигатель имеет два статора (внешнийи внутренний), ротор в виде полого немагнитного цилиндра, корпус и подшипниковые щиты.

Двигатель имеет две статорные обмотки, расположенные в пространстве под углом 90° относительно друг друга. Одна обмотка (1–1¢) постоянно питается от сети с напряжением и_в и называется обмоткой возбуждения. К другой обмотке (2–2¢) – обмотке управления – подается управляющее напряжение и_у.

Внешний статор набирается из листов электротехнической стали и не отличается от статора обычной асинхронной машины. В его пазах располагаются обмотки управления и возбуждения. Внутренний статор также набирается из электротехнической стали и служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути магнитного потока, проходящего через воздушный зазор. Полый ротор выполняется из сплавов алюминия. Своим дном ротор жестко крепится к валу. Толщина стенок ротора в зависимости от мощности двигателя колеблется в пределах от 0,2 до 1,0 мм. Вследствие малой массы ротор обладает незначительным моментом инерции, что является ценным свойством любого ИД.

С учетом толщины немагнитного ротора общая величина воздушного зазора между статорами составляет 0,5—1,5 мм. Большая величина воздушного зазора приводит к росту намагничивающего тока, низкому коэффициенту мощности и малому КПД. Из-за большого намагничивающего тока приходится увеличивать раз­меры машины. По габаритам и массе двигатель с полым немагнитным ротором больше исполнительных двигателей постоянного тока той же мощности в 2—4 раза.

Принцип действия, как и у любого асинхронного двигателя, состоит в создании обмотками статора вращающегося магнитного поля, которое взаимодействует с токами, наведенными в роторе, вследствие чего возникает вращающий момент. Схематически обмотки представлены на рис. 5.30. Они могут быть изолированы, как на рисунке, но могут быть разделены и включены по мостовой схеме (см. у Жадобина).

При наличии напряжений на статорных обмотках по ним протекают токи i _в и i _у, в общем случае не равные по значению и сдвинутые во времени на некоторый угол φ:

                      (5.54)

Каждый из токов создает пульсирующее магнитное поле, направленное по оси соответствующей обмотки. МДС обмоток:

                  (5.55)

Пульсирующую МДС однофазной обмотки можно представить в виде суммы двух МДС, вращающиеся в пространстве в противоположные стороны с одинаковой угловой скоростью w и равных по абсолютному значению половине амплитуды пульсирующей МДС (рис. 5.31). МДС, вращающуюся в напра­влении вращения ротора, считаем прямой (F _пр), а МДС, вращающуюся в противоположном направлении – обратной (F _обр),

Взаимодействие двух пульсирующих магнитных полей, сдвинутых во времени и пространстве, приводит к возникновению вращающегося магнитного поля.

Найдем результирующую МДС в произвольной точке А, смещенной относительно обмотки управления на угол α, при сдвиге во времени токов обмоток на угол j. Учитывая сдвиг статорных обмоток в пространстве на 90° и считая, что магнитное поле в воздушном зазоре распределено по гармоническому закону, напишем выражения для МДС в некоторой произвольной точке А:

Разложим каждое пульсирующее поле F _ви F _yна два равных круговых, вра­щающихся в противоположные стороны. Это можно сделать при помощи известных формул тригонометрии.

Первые слагаемые МДС F _ви F _yвращаются в одну сторону, а вторые – в противоположную.

Запишем выражения для прямой и обратной результирующих МДС:

Как видно, при условиях  обратное поле равно нулю, и в машине возникает круговое магнитное вращающееся поле.

Таким образом, в двухфазном двигателе с обмотками, смещенными в пространстве на 90°, круговое поле наблюдается при соблюдении двух условий: равенство амплитуд МДС и фазовый сдвиг 90 эл. град. Невыполнение хотя бы одного из этих условий приводит к тому, что круговое поле преобразуется в эллиптическое.

Эллиптическое поле состоит из двух неравных круговых полей, вращающихся с одинаковой угловой скоростью в противоположные стороны (рис. 5.32). Конец вектора F результирующей МДС при вращении описывает эллипс, форма которого зависит от соотношения между амплитудами F _{в т} и F _{у т} . Эллиптическое поле вращается с угловой скоростью ω в сторону наибольшего кругового поля. Можно сказать, что МДС F _пр создает вращающий момент, а F _обр – тормозящий момент.

При равенстве нулю одной из МДС или при j = 0 в двигателе создается пульсирующее магнитное поле.

Непосредственное измерение магнитных потоков и МДС в реальных машинах затруднительно, поэтому о характере вращающегося магнитного поля обычно судят по напряжениям, приложенным к статорным обмоткам.

Для режимов работы, близких к номинальным, можно написать приближенные равенства

где w _в и w _y – количество витков обмоток.

Для создания кругового магнитного вращающегося поля необходимо иметь равенство магнитных потоков Ф_{в т} = Ф_{у т} . Из равенства потоков следует, что

                                               (5.56)

Таким образом, принцип действия исполнительного двигателя состоит в том, что под действием вращающегося магнитного поля (эллиптического или кругового) в роторе создаются вихревые токи. Взаимодействие этих токов с вращающимся магнитным полем приводит к возникновению вращающего момента, который увлекает ротор в сторону вращения магнитного поля. Изменение направления вращения происходит при изменении фазы напряжения обмотки управления на 180°.

Способы управления. Регулирование частоты вращения исполнительного двигателя осуществляют путем изменения напряжения управления по модулю или фазе. На практике нашли применение три способа управления:

– амплитудное, при котором изменяется амплитуда напряжения управления при неизменной его фазе;

– фазовое, при котором изменяется фаза напряжения управления при неизменной его амплитуде;

– амплитудно-фазовое, при котором одновременно изменяются амплитуда напряжения управления и сдвиг по фазе между напряжениями управления и возбуждения.

При всех способах управления изменение угловой скорости исполнительного двигателя происходит за счет деформации вращающегося магнитного поля. Максимальной угловая скорость исполнительного двигателя будет при круговом вращающемся магнитном поле, когда отсутствует обратное (тормозное) магнитное поле. Уменьшение угловой скорости достигается за счет увеличения эллиптичности магнитного поля, в результате чего возрастает обратное (тормозное) круговое поле. После преобразования эллиптического поля в пульсирующее исполнительный двигатель должен остановиться.

Каждому способу управления соответствует определенная схема включения исполнительного двигателя (рис. 5.33).

При амплитудном управлении (рис. 5.33, а) постоянный фазовый сдвиг 90° осуществляется фазосдвигающим устройством ФСУ. Регулируется напряжение управления. В соответствии с (5.56)

                                           (5.57)

где a – коэффициент сигнала.

При фазовом управлении (рис. 5.33, б) коэффициентом сигнала является величина sinφ. При sinφ = 0 пульсирующее поле, при sinφ =1 – круговое вращающееся поле, при sinφ < 0 – реверс.

Амплитудно-фазовое управление (рис. 5.33, в) практически осуществляется последовательным включением фазосдвигающего конденсатора. Реализация проще, так как не требуется ФСУ. При регулировании U _у изменяется частота вращения ротора Þ меняется ток возбуждения Þ меняется напряжение на конденсаторе,что приводит к изменению напряжения U _в как по амплитуде, так и по фазе. Схема управления рассчитывается таким образом, чтобы при номинальном напряжении управления U _у.ном в двигателе имелось круговое вращающееся поле в режиме пуска, т.е. чтобы обеспечивался максимальный пусковой момент.

На рис. 5.34 показаны механические характеристики при различных способах управления. Механические характери­стики устойчивы. Максимальный момент имеет место во время пуска (ν = 0), с ростом угловой скорости вращающий момент уменьшается и при угловой скорости холостого хода равен нулю. При всех способах управления механические характеристики нелинейны. Наиболее близки к линейным характеристики при фазовом управлении, а наименее — при амплитудно-фазовом.

 

Рис. 5.34. Механические характеристики исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором при. амплитудном (а), фазовом (б) и амплитудно-фазовом (в) управлении

 

На рис. 5.35 показаны регулировочные характеристики исполнительного двигателя, которые также нелинейны при всех способах управления. Наиболее близки к линейным характеристики при фазовом управлении, а наименее — при амплитудно-фазовом. Начальные уча­стки регулировочных характеристик практически линейны. Поэтому обычно стараются работать в зоне малых относительных частот вращения, для чего используют двигатели, рассчитанные на повышенную частоту переменного тока. Минимальное напряжение управления, при котором ротор начинает вращаться, преодолевая момент сопротивления, называется напряжением трогания. Напряжение трогания пропорционально моменту сопро
тивления и в относительных единицах равно ему.

Рис. 5.35 Регулировочные характеристики исполнительного двигателя

с полым немагнитным ротором при амплитудном (а), фазовом (б)

и амплитудно-фазовом (в) управлении

 

Самоход исполнительных двигателей. Снятие сигнала управления приводит к появлению в двигателе пульсирующего магнитного поля. Чтобы понять, как реагирует вращающийся двигатель на пульсирующее магнитное поле, необходимо рассмотреть механическую характеристику ИД (рис. 5.36).

Ось частоты вращения может быть представлена в двух вариантах: как ось w или как ось скольжения s. Механические харак­те­ри­стики асинхронных двигателей показаны при двух значениях критического скольжения s _к. Зоной устойчивой работы двигателя является диапазон от s _к до 0, так как на участке механической характеристики в этом диапазоне соблюдается условие dM / d w < 0. Исполнительный двигатель должен устойчиво работать от режима работы на упор (s = 1, w= 0) до режима холостого хода (s = 0, w = w_с – синхронная угловая скорость). Поэтому критическое скольжение асинхронных ИД в отличие от обычных асинхронных всегда больше единицы. Для увеличения критического скольжения ротор ИД выполняют с большим активным сопротивлением.

Теперь пусть в двигателе имеет место пульсирующее поле (от обмотки возбуждения). Привычно разлагаем его на два вращающихся в противоположные стороны круговых поля. Каждая составляющая поля формирует свой вращающий момент (рис. 5.37), а фактический момент М равен разности составляющих М _пр и М _обр.

 

Если s _к < 1 (рис. 5.37, а), то после снятия управляющего напряжения частота вращения и вращающий момент – одного знака, поэтому двигатель продолжит вращение. При s _к > 1 (рис. 5.37, б) на всем протяжении результирующей характеристики знаки частоты вращения и момента противоположны, возникает тормозной момент, и двигатель останавливается. В этом случае время остановки двигателя благодаря действию отрицательного момента будет меньше, чем при одновременном отключении обмоток двигателя от источников питания.

Таким образом, для устранения явления самохода активное сопротивление ротора должно иметь такое значение, при котором критическое скольжение не меньше единицы. Для надежного устранения самохода и увеличения линейности меха­нических характеристик в асинхронных исполнительных двигателях ротор выполняют с повышенным активным сопротивлением, при кото­ром s_к = 2–5.

Динамические характеристики исполнительных двигателей. Динамические характеристики исполнительного двигателя определяются электромагнитными и электромеханическими переходными процессами. Скорость протекания электромагнитных процессов значительно выше, чем электромеханических, поэтому при рассмотрении динамических характеристик учитывают только электромеханические процессы, которые характеризуются электромеханической постоянной времени Т_м.

Механическая характеристика ИД нелинейная. Если скорость меняется в широких пределах, рекомендуется линеаризовать ее прямой, проходящей через точки (М _н, w_н) и (М _пн, 0), т. е. через точки номинального режима и пускового режима. Тогда уравнение механической характеристики

М = М _п – k _ww                                                      (5.58)

Пусковой момент изменяется в зависимости от напряжения управления по закону, близкому к линейному, поэтому

М _п = k_UU _y.                                                             (5.59)

Подставив (5.58) и (5.59) в уравнение вращательного движения

                                                  (5.60)

получаем уравнение динамики ИД:

                               (5.61)

Введя обозначения

                                  

получаем дифференциальное уравнение, из которого находим передаточную функцию двигателя:

                                                       

Если в качестве выходной величины рассматривать угол поворота, то исполнительный двигатель соответствует реальному интегрирующему звену с передаточной функцией

                                                     

Значение Т _м зависит от частоты питания и конструкции ротора. Для асинхронного ИД с полым немагнитным ротором типично Т _м = 0,005–0,1 с.

Часть 5. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Судовой АВТОМАТИКИ