Конструкции двигателей постоянного тока

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

 

по дисциплине

«Электропривод летательных аппаратов»

 

Направление подготовки: 161100 «Системы управления движением и навигация»

Профиль подготовки: «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации»

 

Форма обучения: очная

 

Тула 2014 г.

 

 

Рассмотрено на заседании кафедры «Приборы управления»

Протокол № __ от «____» __________________ 20 ___ г.

Зав. кафедрой ПУ _________________________ В.Я. Распопов

 

 

«Электропривод летательных аппаратов»

 

Лекция №1

План

1. Функциональная схема электропривода

2. Типы электроприводов.

 

Введение

1.1. Состав, классификация и требования к электроприводам

 

Электропривод – это электромеханическая система, состоящая из электродвигателя, передаточного и управляющего устройств, предназначенная для перемещения объекта управления. Функциональная схема электропривода приведена на рис. 1.1.

 

Рис. 1.1. Функциональная схема электропривода

 

Задающим воздействием является угол поворота выходного вала привода, оно формируется в задающем устройстве (ЗУ). В измерительном устройстве (ИУ) происходит сравнение требуемого значения выходной координаты с ее текущим значением, поступающим по каналу обратной связи, и формируется сигнал ошибки. В преобразующем устройстве (ПУ) происходит преобразование физической природы сигнала, либо к осуществляется преобразование к виду, необходимому для дальнейшего использования. Например, ток преобразуется в напряжение. В усилителе (У) сигнал усиливается до необходимого уровня, а также суммируются сигналы местных обратных связей. Также в усилителе происходит фильтрация помех и в него включаются корректирующие устройства. Кроме этого, в усилителе может происходить изменение формы сигнала.

Силовая часть состоит из усилителя мощности, исполнительного двигателя и механической передачи. Усилитель мощности (УМ) управляет потоком энергии, поступающим от источника энергии (ИЭ), здесь используются полупроводниковые усилители мощности различного типа. В приводах большой мощности используются электромашинные усилители. Усиленный по мощности сигнал поступает на исполнительный двигатель (ИД), который через механическую передачу (МП) осуществляет перемещение объекта управления (ОУ). Иногда механическая передача может отсутствовать.

Перемещение объекта происходит в направлении уменьшения ошибки. Изменение координат электропривода осуществляется с помощью датчиков (Д). Они формируют сигналы главной и местных обратных связей. Задающее устройство, измерительное устройство, преобразующее устройство, усилитель и датчики образуют блок управления электропривода, иногда к ней относят и усилитель мощности.

Отклонение выходной регулируемой величины от заданного значения вызывается внешними и внутренними возмущениями. Внешние возмущения действуют на выходном валу привода, к внутренним относятся возмущения в виде случайных помех, погрешности датчиков, погрешности кинематической цепи.

В качестве исполнительных двигателей в электроприводах используются двигатели постоянного тока, двух- и трехфазные двигатели переменного тока, синхронные двигатели, бесконтактные и вентильные двигатели, а также шаговые двигатели и электромагнитные муфты. В системах с малым перемещением регулируемого объекта применяются электромагниты (системы оптической стабилизации изображения).

В качестве измерительных устройств в электроприводах наиболее часто используются потенциометры, синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы, сельсины, датчики Холла и оптические энкодеры. Для улучшения характеристик приводов в них могут использоваться датчики температуры.

Для реализации усилителей и корректирующих устройств используются операционные усилители, для усиления сигнала также могут использоваться трансформаторы. В качестве усилителей мощности используются транзисторы.

С точки зрения способов распределения механической энергии электроприводы можно разделить на три основных типа: групповой, индивидуальный и взаимосвязанный.

Групповой электропривод обеспечивает движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или нескольких исполнительных органов одной рабочей машины.

В индивидуальном приводе каждый рабочий орган машины приводится в движение самостоятельным электродвигателем, что значительно упрощает механические передачи, а в некоторых случаях полностью их исключить, что существенно повышает точность работы машины. Такой привод обеспечивает более высокие энергетические характеристики, облегчает управление, создает благоприятные условия для автоматизации процессов, снижает травматизм обслуживающего персонала.

Взаимосвязанный электропривод содержит два или более электрически или механически связанных между собой электродвигателей, при работе которых поддерживается заданное соотношение или равенство скоростей или нагрузок или положение исполнительных органов рабочих ма­шин. Необходимость в таком приводе часто возникает по конструктивным или технологическим соображениям. Одной из разновидностей взаимосвязанного электропривода является многодвигательный электропривод – это электропривод, двигательные устройства которого работают на общий вал.

По виду движения электроприводы обеспечивают: вращательное однонаправленное движение, вращательное реверсивное и поступательное реверсивное движения. Вращательное однонаправленное и реверсивное движения осуществляется электродвигателями обычного исполнения. Поступательное движение может быть получено путем использования электродвигателя вращательного движения с преобразовательным механизмом (кулисным, винтовым, реечным и т. п.) либо применения линейного электродвигателя.

По уровню автоматизации различают:

1) неавтоматизированный электропривод, в котором управление ручное; в настоящее время такой привод встречается редко, преимущественно в установках малой мощности бытовой и медицинской техники и т. п.;

2) автоматизированный электропривод, управляемый автоматическим регулированием параметров;

3) автоматический электропривод, в котором управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора.

По степени управляемости электропривод может быть:

1) нерегулируемый — для приведения в действие исполнительного органа рабочей машины с одной рабочей скоростью, параметры привода изменяются только в результате возмущающих воздействий;

2) регулируемый — для сообщения изменяемой или неизменяемой скорости исполнительному органу машины, параметры привода могут изменяться под воздействием управляющего устройства;

3) программно-управляемый — управляемый в соответствии с заданной программой;

4) следящий — автоматически отрабатывающий перемещение исполнительного органа с определенной точностью в соответствии с произвольно меняющимся задающим сигналом;

5) адаптивный — автоматически избирающий структуру или параметры системы управления при изменении условий работы с целью выработки оптимального режима.

По роду тока применяются электроприводы:

1) постоянного тока;

2) переменного тока.

По роду передаточного устройства электроприводы бывают:

1) редукторными, в которых электродвигатель передает движение через передаточный механизм;

2) безредукторными, в которых передача движения от электродвигателя осуществляется либо непосредственно рабочему органу, либо через передаточное устройство, не содержащее редуктор.

Основными требованиями, предъявляемыми к электроприводам, являются:

– широкий диапазон частот вращения;

– линейность регулировочных характеристик;

– отсутствие самохода электродвигателя;

– высокое быстродействие;

– минимальные масса и габариты;

– максимальный КПД;

– высокая механическая прочность;

– технологичность конструкции;

– минимальная стоимость, куда входят не только стоимость изготовления, но и стоимость эксплуатации.

Двигатели постоянного тока обладают тем преимуществом, что имеют линейные механическую и регулировочную характеристики, а также обладают меньшей механической постоянной времени. Для них не нужны дополнительные устройства в виде регуляторов частоты, как для асинхронных двигателей. Недостатком является искрение в щетках, которое является источником помех в большом диапазоне частот.

Однако асинхронные двигатели имеют меньшие массу и габариты, по сравнению с двигателями постоянного тока. И их главное преимущество в том, что они имеют меньшую стоимость. Основной недостаток асинхронных двигателей заключается в необходимости использования блока управления частотой и напряжением.

Двухфазные асинхронные двигатели уступают по характеристикам трехфазным, но имеют более простые схемы управления.

Основным достоинством синхронных и вентильных двигателей является то, что они обеспечивают высокий момент в большем диапазоне частот вращения. В них, как и в асинхронных двигателях отсутствуют механические коммутаторы, а, следовательно, нет искрения в контактах. Недостатком вентильных и синхронных двигателей является высокая сложность изготовления, плохие пусковые свойства, наличие встроенного датчика положения и обеспечение его надежной работы, как следствие, высокая стоимость таких двигателей. Для них также нужно разрабатывать блоки управления.

Достоинством шаговых двигателей является более высокий момент в рабочем диапазоне частот вращения и высокая точность позиционирования. Недостатком является то, что из-за большого шага по углу они требуют применения редукторов.

 

Лекция №2

План

1. Конструкции двигателей постоянного тока

2. Уравнения движения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

 

Двигатели постоянного тока

 

Статические характеристики

 

В следящим электроприводах наибольшее распространение получили двигатели постоянного тока независимого возбуждения.

Общая схема включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением приведена на рис. 2.8.

 

Рис. 2.8. Схема включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

 

Уравнения движения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением имеют вид:

 

                                                                                         (2.1)

где

, , ,  – напряжение, подводимое к обмотке возбуждения, ток в цепи возбуждения, сопротивление и индуктивность обмотки возбуждения;

, , ,  – напряжение, подводимое к якорной обмотке, ток в цепи якоря, сопротивление и индуктивность цепи якоря;

,  – угловая скорость вала двигателя и момент инерции ротора двигателя;

,  – момент, создаваемой двигателем, и момент нагрузки на валу двигателя;

,  – коэффициент момента и коэффициент противо-ЭДС;

 – поток возбуждения;

 – число пар полюсов;

,  – число активных проводников якорной обмотки и число параллельных ветвей якорной обмотки;

 – коэффициент, зависящий от параметров обмотки возбуждения и геометрических размеров магнитопровода.

 

Лекция №3

План

1. Механические характеристики двигателей постоянного тока

2. Режимы работы

3. Динамические характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

 

Управление частотой вращения может осуществляться изменением либо напряжения, подводимого к якорю, либо обмотке возбуждения. В большинстве случаев применяется якорный метод управления из-за линейности характеристик и лучших показателей. Для двигателей с постоянными магнитами этот способ управления единственный.

Якорный способ управления применяется из-за следующих достоинств:

1) линейность статических характеристик;

2) однозначность регулировочных характеристик при всех значениях

развиваемого момента;

3) большая крутизна механических характеристик;

4)параллельность механических характеристик;

5) меньшие потери энергии при неподвижном якоре;

6) меньшая индуктивность цепи управления, способствует большему быстродействию двигателя.

При якорном способе управления поток возбуждения поддерживается постоянным, следовательно, система уравнений (2.1) принимает вид:

                                                                                         (2.2)

 

К статическим характеристикам двигателей относятся механическая и регулировочная характеристики. Механической характеристикой называется зависимость угловой скорости вращения вала двигателя от развиваемого момента при постоянном напряжении на обмотке якоря:

.

Регулировочной характеристикой называется зависимость угловой скорости от напряжения на обмотке якоря при постоянном вращающем моменте:

.

Для установившегося режима из (2.2) имеем:

 

Пренебрегая падением напряжения на щетках, выражение для механической характеристики имеет вид:

,                                                                                               (2.3)

где

 – угловая скорость идеального холостого хода,

 – жесткость механической характеристики.

Иногда механическую характеристику представляют в виде:

,

где

 – пусковой момент двигателя.

Параметры  и  можно определить по паспортным характеристикам:

,

где ,  – номинальные напряжение и ток якоря,  – номинальная угловая скорость в об/мин.

Механическая характеристика двигателя постоянного тока с независимым возбуждением имеет вид, приведенный на рис. 2.9.

 

 

Рис. 2.9. Механическая характеристика ДПТ с независимым возбуждением

 

На механической характеристике можно выделить 4-е области, соответствующие возможным режимам работы:

1. Двигательный режим. В этом режиме напряжение, приложенное к обмотке, по модулю больше противо-ЭДС; направление противо-ЭДС противоположно напряжению на якоре, направление тока якоря совпадает с направлением напряжения. Двигатель развивает вращающий момент.

2. Генераторный режим (рекуперативное торможение). В этом режиме противо-ЭДС по модулю больше напряжения, приложенного к якорной обмотке. Режим возникает, если под действием нагрузки угловая скорость становится больше скорости холостого хода, а также при резком уменьшении подводимого напряжения. Двигатель отдает часть энергии усилителю мощности и тормозится.

3. Режим торможения противовключением. Режим возникает, когда подводимое напряжение резко меняет знак. Направление противо-ЭДС совпадает по знаку с подаваемым напряжением. Ток якоря определяется суммой этих напряжений, следовательно, развиваемый двигателем момент становится почти в два раза больше пускового.

4. Электродинамическое торможение. Режим возникает, когда обмотка замыкается накоротко, либо на добавочное сопротивление. Если в момент замыкания двигатель вращался, то противо-ЭДС будет тормозить двигатель.

 

 

Рис. 2.10. Режимы работы двигателя

 

Приведенные на рис. 2.9 механические характеристики называются естественными, они построены для случая, когда сопротивление якорной цепи равно сопротивлению обмотки двигателя. Если в якорную цепь последовательно включено добавочное сопротивление, то получают искусственные механические характеристики.

 

Рис. 2.11. Механические характеристики ДПТ с независимым возбуждением

 

Выражение для регулировочной характеристики имеет вид:

.                                                                                                  (2.4)

Таким образом, регулировочная характеристика представляет собой семейство прямых линий, смещенных пропорционально моменту нагрузки.

 

Рис. 2.12. Регулировочные характеристики ДПТ с независимым возбуждением

 

Динамические характеристики

 

Применяя к системе уравнений (2.2) преобразование Лапласа, получим:

                                                                        (2.5)

где  – электромагнитная постоянная времени.

Этой системе уравнений соответствует структурная схема, приведенная на рис. 2.13.

 

Рис. 2.13. Структурная схема ДПТ с независимым возбуждением

 

Полагая  и подставляя второе уравнение системы (2.5) в первое, получаем уравнение:

,

где  – механическая постоянная времени двигателя.

Отсюда передаточная функция двигателя по напряжению имеет вид:

.                                                        (2.6)

Передаточная функция двигателя по моменту равна:

,                                                       (2.7)

где  – коэффициент передачи по моменту.

Переходные процессы при приложении напряжения к якорной обмотке будут иметь вид, приведенный на рис. 2.14.

 

а)

б)

Рис. 2.14. Переходные процессы:

 

Установившиеся значения угловой скорости и тока равны:

, .                                                           (2.8)

В двигателях малой мощности электромагнитная постоянная времени много меньше механической постоянной. Тогда можно считать, что передаточные функции соответствуют апериодическому звену:

 

, .                                                    (2.9)

 

а)

б)

Рис. 2.15. Переходные процессы

 

 

Лекция №4

План

1. Принцип импульсного управления двигателем постоянного тока

 

Лекция №5

План

1. Механические и динамические характеристики при импульсном управлении

 

Поскольку подаваемое на якорь напряжение имеет импульсный характер, то, следовательно, также будут иметь место пульсации тока и угловой скорости. Поэтому под механической и регулировочной характеристиками понимается зависимость среднего за период значения угловой скорости.

При выводе соотношений будем считать, что на якорь подается последовательность разнополярных напряжений.

Рис. 2.13. Последовательность импульсов

 

В течение интервала времени  действует напряжение , в течение интервала  – напряжение . Для симметричного закона , для несимметричного . Среднее напряжение на якоре двигателя равно:

,

где  для симметричной коммутации, и  – для несимметричной.

Уравнения движения для первого и второго интервалов времени имеют вид:

– для

;

;

;

– для интервала

;

;

.

Среднее значение момента за период равно . На основании уравнений для моментов получаем:

;

.

Для установившегося режима , отсюда получаем, что:

;

.

Из уравнений для токов следует:

.

Учитывая, что в установившемся режиме , , получаем:

;

.

Таким образом, выражения для механической и регулировочной характеристики имеют вид:

;                                                                                         (2.12)

,                                                                         (2.13)

где

, .

Из (2.12) и (2.13) следует, что характеристики имеет такой же вид, что и при непрерывном управлении.

Рис. 2.14. Механические характеристики

 

Рис. 2.15. Регулировочные характеристики

 

 

Данные характеристики были получены в предположении, что в мостовой схеме имеет мест режим непрерывных токов. Если период импульсов и параметры электрических компонентов таковы, что ток якоря успевает спадать до нуля, то наступает режим прерывистых токов.

 

Рис. 2.16. Режим прерывистых токов

 

Этот режим возникает в зависимости от угловой скорости двигателя и момента на валу. Механическая характеристика в этом случае имеет вид, приведенный на рис. 2.17.

 

Рис. 2.17. Механическая характеристика

 

Ширина области прерывистых токов зависит от частоты импульсов. При стремлении частоты к бесконечности ширина области стремится к нулю, а характеристика будет полностью линейной.

 

Переходный процесс по угловой скорости при приложении к якорной цепи постоянного напряжения имеют вид, приведенный на рис. 2.18.

 

Рис. 2.18. Переходный процесс

 

Так как частота коммутации выбирается такой, что период импульсов меньше электромагнитной постоянной времени двигателя, то считают, что зависимость среднего значения угла поворота двигателя от подаваемого напряжения описывается передаточной функцией (2.6):

.

Приведенные выше зависимости получены в предположении, что ключи идеальны. На практике необходимо учитывать время переключения, сопротивление и ток насыщения транзисторов.

Если на двигатель подается такое напряжение, что транзисторы входят в режим насыщения, то ток якоря будет ограничен:

,

следовательно, момент, создаваемый двигателем, также будет ограничен:

.

Тогда переходный процесс будет состоять из двух отрезков:

– движение, под действием ограниченного момента;

– движение в линейной зоне.

 

Рис. 2.19. Переходный процесс при насыщении

 

 

Лекция №6

План

1. Энергетические потери при импульсном управлении

 

Лекция №7

План

1. Уравнения движения асинхронного трехфазного двигателя

2. Механические и динамические характеристики

 

Двигатели переменного тока

 

Лекция №8

План

1. Способы управления асинхронным трехфазным двигателем

2. Векторное управление асинхронным трехфазным двигателем

 

Существуют следующие способы управления асинхронным трехфазным двигателем:

1. По напряжению;

2. По частоте;

3. По частоте с одновременным изменением напряжения;

4. Частотно-токовое управление;

5. Векторное управление.

В связи с нелинейной зависимостью критического момента двигателя от напряжения и частоты первые два способа подходят только для узких диапазонов скоростей вращения и поэтому применяются редко.

Если пренебречь активным сопротивлением статора, то зависимость для критического момента принимает вид:

.                                                                                                                 (3.9)

Индуктивное сопротивление  пропорционально частоте:

,

следовательно, критический момент пропорционален квадрату напряжения и обратно пропорционален квадрату частоты, поэтому

;

.

При постоянном максимально допустимом моменте отсюда следует, что для сохранения постоянной перегрузочной способности необходимо поддерживать отношение

.                                                                                                           (3.10)

Если управление производится с постоянной допустимой мощностью, то поддерживается отношение

.                                                                                                        (3.11)

Механические характеристики асинхронного двигателя при таких способах управления имеют вид, приведенный на рис. 3.5.

 

Рис. 3.5. Механические характеристики двигателя

 

При малых частотах и напряжениях доля падения напряжения на активном сопротивлении статора увеличивается, что ведет к уменьшению магнитного потока. Поэтому применяют систему IR-компенсацией, и закон управления (3.10) заменяется соотношением:

.                                                                                                 (3.12)

 

Рис. 3.6. Система IR-компенсации: УВ – управляемый выпрямитель, РН – регулятор напржения, АИН – автономный инвертор напряжения, ДТ – датчик тока, ФП – функциональный преобразователь

 

При частотно-токовом управлении изменяются амплитуда и частота тока статора, при этом систему проектируют так, чтобы потокосцепление ротора оставалось постоянным.

Оптимальное управление асинхронным трехфазным двигателем связано с изменением амплитуды, фазы и частоты векторов тока и потокосцепления, оно достигается в системе векторного управления.

Запишем векторную систему (3.4) в проекциях на оси  и  системы координат, вращающейся с синхронной скоростью, при этом ось  направлена по потокосцеплению ротора. Тогда , , в результате получаем:

                                                                                    (3.13)

Из системы (3.13) следует, что асинхронный двигатель описывается уравнениями аналогичными двигателю постоянного тока. Роль тока возбуждения играет составляющая статора , а составляющая  создает вращающий момент.

Структурная схема системы приведена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Структурная схема системы векторного управления:

РП – регулятор потока, РС – регулятор скорости, РТ1, РТ2 – регуляторы тока, БК – блок коррекции, ДП – датчик потока, ТА – тригонометрический анализатор, ДТ – датчик тока, ПК1, ПК2 – преобразователи координат, ПФ – преобразователь фаз, ПЧ – преобразователь частоты.

 

Наиболее важной операцией является определение потокосцепления ротора. Один из способов заключается в установке двух датчиков Холла, измеряющие проекции:

; ,

откуда находится угол .

Потокосцепление ротора определяется зависимостью:

,

откуда

,

.

В результате получают:

.

В датчике тока получают проекции в неподвижной системе координат:

, .

где , ,  – фазные токи.

Их преобразуют во вращающуюся систему координат:

;

.

Далее на основании (3.13) получают компоненты напряжения , которые переводят в неподвижную систему координат:

;

;

Полученные проекции преобразуют в фазовые напряжения статора:

;

;

.

Данная система векторного управления отличается большой сложностью, вследствие использования датчиков магнитной индукции. В настоящее время используется косвенное измерение потокосцепления с восстановлением на основе точных математических моделей с применением высокопроизводительных микропроцессоров.

 

Лекция №9

План

1. Преобразователи частоты

2. Принципы управления асинхронным двухфазным двигателем

 

Преобразователи частоты

 

Для регулирования частоты токов статора используются транзисторные и тиристорные преобразователи частоты. Они делятся на две группы:

– со звеном постоянного тока:

– с непосредственной связью.

В системах со звеном постоянного тока переменное напряжение выпрямляется, сглаживается и подается на автономный инвертор, преобразующий постоянное напряжение в переменное напряжение необходимой частоты. Функциональная схема преобразователя приведена на рис. 3.8.

 

 

Рис. 3.8. Функциональная схема преобразователя частоты: УВ – управляемый выпрямитель, Ф – фильтр, АИН – автономный инвертор напряжения, СУУВ, СУАИН – системы управления, БУ – блок управления привода

 

Благодаря наличию звена постоянного тока выходные напряжение и частота могут регулироваться в широком диапазоне, что является достоинством такого вида преобразователей.

Наиболее универсальным является АИН с широтно-импульсной модуляцией. Он позволяет одновременно изменять амплитуду и частоту выходного напряжения. Схема простейшего трехфазного ШИМ-инвертора приведена на рис. 3.9.

 

Рис. 3.9. АИН с ШИМ-модуляцией

 

При симметричной схеме коммутации среднее за период напряжение равно:

.

Если при постоянном интервале  разность длительностей включенного  и выключенного  состояния менять по синусоидальному закону

,

то среднее напряжение на нагрузке также будет изменяться по синусоидальному закону с заданной частотой :

,

где  – коэффициент модуляции.

Коммутация ключей осуществляется таким образом, что средние значения фазных напряжений образуют трехфазную систему:

                                                                      (3.14)

 

Рис. 3.10. Диаграмма фазных токов и напряжений

 

Коммутация осуществляется только одним ключом. Если включены ключи 1, 2, 3, при угле коммутации 180 градусов, то достаточно коммутировать с высокой частотой ключ 2. Если в открытом состоянии находятся ключи 4, 5, 6, то достаточно коммутировать ключ 5.