Основы теории элетроприводов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уфимский государственный авиационный технический университет

 

Н.Г. Уразбахтина

 

Основы теории элетроприводов

Летательных аппаратов

 

 

Уфа 2011

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уфимский государственный авиационный технический университет

 

 

Н.Г. Уразбахтина

 

 

Основы теории элетроприводов

Летательных аппаратов

 

Уфа 2011

 

 

УДК [629. 73.064](07)

ББК [39.52] (Я73)

Э455

Рецензенты: Директор – Гл. конструктор НКТБ «Вихрь»,

канд. техн. наук, доцент А. А. Шуляк

Вед. конструктор ОКБ ФГУП УАП, канд. техн. наук,

доцент В. Н. Рынгач

Уразбахтина Н. Г.

  ISBN  

Введение

 

На современных летательных аппаратах имеется большое количество исполнительных механизмов и агрегатов, работа которых связана с затратами механической энергии. Приведение их в действие и управление их движением по заданному закону обеспечивается приводом, который, в общем случае, представляет собой механическую систему, состоящую из двигателя, преобразующего исходную энергию в механическую, аппаратуру защиты и управления этим двигателем и передаточного устройства, осуществляющего передачу механической энергии от двигателя к исполнительному элементу (ИЭ) – рабочему органу [1].

Приводы исполнительных механизмов ЛА и, прежде всего, самолетов всегда имели важное значение на всех этапах становления и развития авиационной техники. При зарождении авиации, когда самолеты оснащались незначительным количеством механизмов, требовавших сравнительно небольших усилий для приведения их в действие, применялся ручной механический привод. В процессе совершенствования ЛА, увеличения их размеров и скорости полета на смену ручному механическому приводу пришел энергетический привод – пневматический, гидравлический, электрический, различаемый видом энергии, используемой для работы двигателя. В дальнейшем выбор типов приводов определялся сравнениями их масс, быстродействия и надежности, удобствами получения необходимого вида энергии и условиями эксплуатации.

Пневматический привод проще и легче других типов приводов, в частности гидравлического, так как не требует запаса жидкости и наличия обратного трубопровода, его работа не зависит от окружающей температуры [1]. Однако пневматический привод, для создания больших усилий, требует наличия компрессора больших размеров, что снижает КПД установки и увеличивает ее удельную массу. Серьезным недостатком этого привода является его инерционность, проявляющаяся в запаздывании отработки поступившей команды из-за сжимаемости используемых в качестве рабо­чего тела газов. В настоящее время пневматический привод находит ограниченное применение: на ряде самолетов – в системах управления реверсом тяги газотурбинного двигателя, торможения колес шасси, выпуска и сброса тормозного парашюта, управления откидной частью фонаря и т.п.; и на некоторых типах беспилотных ЛА – в системах управления рулевыми поверхностями, для быстрого разгона маховика с электрическим генератором на валу и т.п. Энергетическим источником для пневматического привода являются компрес­сор авиационного двигателя, баллонные или пиротехнические газовые системы.

Гидравлический привод хорошо воспринимает пере­грузки, отличается высокой степенью устойчивости к внешним нагрузкам, потребляет относительно небольшую мощность при большом создаваемом моменте, проще по конструкции при передаче больших мощностей с выходными скоростями, необходимыми для привода рулевых поверхностей. При использовании в мощных и высокодинамичных системах быстродействие и массогабаритные характеристики гидропривода выше, чем у других видов приводов. Это обусловило его широкое применение в качестве силового в системах ручного (директорного) и автоматического управления аэродинамическими поверхностями, в механизмах изменения стреловидности крыла многорежимных самолетов, управления положением створок воздухозаборников, уборки и выпуска взлетно-посадочной механизации и шасси, управления дверьми и т.п. Тем не менее, опыт эксплуатации гидроприводов выявил и ряд существенных недостатков среди которых – большая уязвимость, трудности при эксплуатации, связанные с агрессивностью и пожароопасностью используемых гидрожидкостей, а также обеспечением герметичности в условиях вибрации и изменения температуры по длине трубопровода. Энергетические потери в системах гидропривода, которые достигают нескольких киловатт и имеют место даже при нулевой скорости управляемого агрегата, требуют создания постоянного давления с помощью насоса и поддержания соответствующего температурного режима. Расширение функций управления элементами ЛА с помощью гидропривода связано с увеличением разветвленности гидравлических линий и их массы, для снижения которой требуется повышение давления рабочей жидкости в гидросистем, что приводит к уменьшению надежности и сниже­нию эксплуатационных качеств.

По сравнению с рассмотренными выше электрический привод имеет ряд преимуществ, вытекающих из общих достоинств электрической энергии. В частности электропривод отличается универсальностью применения, легко может быть автоматизирован, не требует сложной и громоздкой системы трубопроводов и ее герметизации, менее подвержен влияниям температуры и давления окружающей среды, обладает меньшей уязвимостью. На борту ЛА электропривод может использоваться как в качестве основного, силового элемента для приведения в действие различных агрегатов и механизмов, так и в качестве вспомогательного устройства, например в системах гидравлического (пневматического) привода для управления клапанами или задвижками, регулирующими поступление жидкости (газа) в систему.

Данное учебное пособие является первой книгой по электроприводам ЛА и включает в себя сведения о назначении и составе электропривода ЛА, классификацию его и основные теоретические сведения об электроприводах, в частности механику приводов и основы теории для исследования электроприводов ЛА.

ЭЛЕКТРОПРИВОД ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

В общем случае электрический привод (ЭП) представляет собой электромеханическую систему (рис. 1.1), в состав которой входят устройства,… • электромеханическое; • электрическое;

Классификация электроприводов летательных аппаратов

В настоящее время на ЛА насчитывается от нескольких десятков до нескольких сотен электроприводов, различающихся функциональным назначением, структурой, конструктивным и схемным исполнениями. Многообразие ЭП позволяет провести их классификацию, в основу которой могут быть заложены характерные признаки, наиболее важные при сравнении этих технических устройств [1]. Применяемые на борту электроприводы, как правило, классифицируют по следующим признакам:

1) типу электромеханического преобразования;

2) решаемым задачам;

3) типу основных функций;

4) назначению;

5) роду тока;

6) типу электромеханического преобразователя;

7) кинематике и скорости движения исполнительного механизма;

8) направлению вращения;

9) принципу (характеру) движения;

10) типу передаточных устройств;

11) характеру нагрузки;

12) количеству исполнительных механизмов, приходящихся на один электромеханический преобразователь;

13) характеру изменения параметров; способу управления; задачам регулирования; наличию обратной связи; режиму работы.

Как отмечалось выше, в качестве электромеханического преобразователяв электроприводах ЛА используют электродвигатели и электромагниты. В соответствии с этим различают привод электродвигательный и электромагнитный.

Электромагнитный привод используют в тех случаях, когда исполнительный механизм имеет прямолинейный ход с малым перемещением или требуется обеспечить поворот на небольшой угол без преодоления больших усилий. Кроме того, подобный привод применяется в исполнительных устройствах, требующих мгновенного срабатывания и работающих по принципу «включено-выключено» (механизмы полного открытия или закрытия – замки, защелки, краны, тормоза и т.п.).

Электродвигательный привод выбирают, когда приводимый агрегат имеет вращательное движение, относительно большой ход, требует реверсирования или значительных тяговых усилий. По сравнению с электромагнитным использование электродвигательного привода на борту Л А гораздо шире.

По решаемым задачамразличают электропривод, обеспечивающий функционирование ЛА (запуск авиационного двигателя, перекачку топлива, управление полетом, ориентацию солнечных батарей и т.п.) и привод, применяемый в составе научно-исследовательской и служебной аппаратуры (телескопах, гиростабилизированных платформах, сканирующих механизмах и т.п.), а также в различных сервисных устройствах (вентиляторах, транспортерах, лебедках, системах телеметрии, записи и воспроизведения информации и т.п.).

По типу основных функцийЭП его определяют как привод для обеспечения:

• пуска, торможения и реверсирования механизма;

• регулирования частоты вращения в требуемом диапазоне;

• постоянства заданных частоты вращения, момента и мощности в статических и динамических режимах;

• заданного угла поворота в функции входного сигнала;

• функционирования с заданной точностью механизма, выступающего в роли датчика первичной информации в системе более сложной иерархии, например гироскопический привод в навигационных системах.

В зависимости от назначенияразличают основной (силовой) ЭП, выполняющий основную функцию данного электрифицированного исполнительного агрегата, и меньший по мощности вспомогательный ЭП, осуществляющий вспомогательную функцию в электрифицированном исполнительном агрегате. При этом если питание электромеханического преобразователя осуществляется постоянным или переменным током, привод соответственно считается электроприводом постоянного или переменного тока.

Важную роль в решении тех или иных приводческих задач играет тип электромеханического преобразователя.В качестве такого преобразователя в электромагнитных приводах используют электромагниты постоянного тока (значительно реже переменного тока) и поляризованные электромагниты. В электродвигательных приводах постоянного тока широкое распространение получили коллекторные электродвигатели параллельного, последовательного и смешанного возбуждения, а также коллекторные и вентильные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов и вентилъно-индукторные электродвигатели.

В электродвигательных приводах переменного тока широко используют двухфазные и трехфазные асинхронные электродвигатели, а также синхронные (гистерезисные и шаговые) электромеханические преобразователи.

Исполнительные устройства электроприводов в зависимости от кинематикиих движения делят на механизмы поступательного, углового (поворотного) и вращательного движения. В перечисленных устройствах основное звено механизма совершает соответственно:

1) ограниченное прямолинейное или криволи­нейное движение;

2) поворот на определенный угол;

3) вращательное движение с постоянной или переменной частотой вращения.

По частоте вращения (скорости движения)различают ЭП с тихоходными и быстроходными исполнительными механизмами, при этом к первой категории обычно относят устройства с ограниченными линейными или поворотными движениями основных звеньев (механизмы триммеров, рулевых поверхностей и т.п.), а ко второй – вращательного движения (вентиляторы, гироскопы и т.п.).

По направлению и характерувращательного движения выходного вала электропривод может быть соответственно реверсивным и нереверсивным, непрерывного или дискретного действия. В первом случае выходной вал находится в непрерывном движении, а во втором – совершает дискретное (шаговое) перемещение. При этом в зависимости от того, есть или нет между двигателем и исполнительным механизмом промежуточное передаточное устройство – в общем случае трансмиссия (редуктор, ременная или цепная передача, вариатор, рейка и т.п.) или часть ее (чаще всего редуктор) различают привод редукторный или безредукторный. К преимуществам последнего относят:

1) большое значение отношения пускового момента к моменту инерции на выходном валу

2) жесткость соединения и компактность, высокое быстродействие и разрешающую способность из-за отсутствия неизбежных в редукторе люфтов и трения;

3) возможность установки электромеханического преобразовате-ля на одном валу и в общем корпусе с исполнительным механизмом.

Свойства электроприводов в значительной мере определяются характером нагрузок,имеющих разную физическую природу и действующих на вал исполнительного механизма. Основными из них являются:

1) аэродинамические силы и моменты, действующие на управляющие поверхности, находящиеся в воздушном потоке;

2) силы инерции;

3) гидродинамические силы, возникающие при работе гидронасосов, нагнетателей;

4) силы тяжести;

5) моменты сил, возникающие при вращении электромеханических генераторов, электромашинных преобразователей и т.п.;

6) силы сжатия газов;

7) силы и моменты различных видов сопротивления.

Отдельным механизмам могут быть присущи одновременно несколько из этих сил, однако всегда можно выделить одну или две основные силы, определяющие нагрузку механизма. Так, в механизме убирающегося шасси основными силами являются силы тяжести и аэродинамические силы; при раскрутке компрессора и ротора турбины реактивного двигателя во время запуска приходится преодолевать главным образом вентиляторный и инерционный моменты и т.д.

Перечисленные выше силы и их моменты создают два вида нагрузок на валу электродвигателя: динамические и статические.

Динамические нагрузки определяются силами инерции и возникают при ускорениях или замедлениях движения механизма, а также при изменении моментов инерции. Такие нагрузки могут быть определяющими в приводе гироскопов, инерционном приводе маховиков, используемых в механических аккумуляторах энергии или в качестве элементов стабилизации и регулирования пространственного положения космических аппаратов.

В отличие от них статические нагрузки не зависят от ускорения механизма и вызываются силами сопротивления, действующими на исполнительный механизм (аэродинамические силы, силы упругости, силы трения и т.п.).

По характеру действия на привод моменты разделяют на реактивные и потенциальные (активные). Реактивные моменты возникают в результате противодействия окружающей среды движению исполнительного механизма и всегда направлены против движения. К ним относят моменты трения и моменты сопротивления вентиляторов, насосов. Реактивные силы и моменты вызвать движение не могут и при неподвижном исполнительном механизме равны нулю.

Потенциальные моменты обусловлены запасом потенциальной энергии исполнительного механизма и зависят от положения исполнительного органа. Они могут вызвать движение, но не зависят от направления этого движения и значения угловой частоты вращения или линейной скорости перемещения. К ним относят моменты, создаваемые грузом лебедки, сжатыми (закрученными) пружинами, аэродинамические моменты, действующие на отклоняемые рулевые поверхности.

По характеру изменения статических нагрузок, зависящих от типа механизма, его кинематики и тех основных функций, которые они должны выполнять, авиационные исполнительные механизмы условно разделяют на следующие группы:

1. Механизмы с постоянным статическим моментом М_с = соnst, практически не зависящим от частоты вращения.

К числу таких механизмов могут быть отнесены лебедки, служащие для подъема грузов неизменной массы, подвески бомб, шестеренчатые гидронасосы. Типовая зависимость угловой скорости вала механизма Ω от момента показана на рис. 1.2, а.

2. Механизмы с постоянным статическим моментом М_с = соnst, зависящим от направления вращения (движения). Так, например, изменяется (рис. 1.2, б) момент сухого трения исполнительного механизма, который всегда направлен против движения.

3. Механизмы, статический момент которых зависит от угловой скорости М_с =f (Ω) . Линейно от угловой частоты вращения зависит момент вязкого трения (кривая 1, рис. 1.2, в). Часто момент М_с нелинейно возрастает при увеличении Ω, в общем случае имея постоянную составляющую М_со –момент сухого трения, который в ряде механизмов, например гироскопах с аэродинамическими опорами, может быть значительным на низкой частоте вращения, а затем по мере «всплытия» опоры резко уменьшаться:

М_с = М_со + сΩⁿ,

где с – коэффициент пропорциональности.

 

 

Для ряда исполнительных механизмов показатель п близок к 2, а М_со = 0. Такие характеристики получили наименование «вентиляторных», так как характерны для вентиляторов, компрессоров авиационных двигателей и центробежных насосов (кривая 2, рис. 1.2, в).

Уменьшение момента М_с при увеличении ω характерно для исполнительных механизмов, потребляемая мощность которых постоянна при изменении ω (кривая 3, рис. 1.2, в). Такая зависимость характерна, например, для генераторов электромашинных преобразователей, работающих с регулятором напряжения.

 

а б в г

Рис. 1.2. Характеристики типовых статических нагрузок авиационных электродвигательных агрегатов и электромеханизмов

 

4. Механизмы, статические моменты или силы сопротивления которых зависят от перемещения l, т.е. от пути или угла поворота α, характеризующих положение подвижных частей механизма:

М_с=f(l), М_с=f(α).

Этот вид нагрузки характерен, например, для авиационных механизмов, используемых для подъема и выпуска шасси, перезарядки пушек, перемещения рулей, элеронов, триммеров, стабилизаторов. Типовая зависимость М_с = f(α) для механизма выпуска и подъема шасси показана на рис. 1.2, г.

5. Механизмы, статические моменты сопротивления которых зависят одновременно от угла поворота α и угловой скорости Ω или от перемещения l и линейной скорости v: М_с=f(α, Ω); М_с=f(l, v).

К этой группе механизмов относят, например, поршневые компрессоры и гироскопы с аэродинамическими опорами.

6. Исполнительные механизмы и рабочие машины, моменты сопротивления которых находятся в определенной зависимости от времени и других факторов: М_с=f(t, a, b, …n).

Сочетание переменного момента сопротивления, зависящего от скорости, положения агрегата и переменного приведенного момента инерции, представляет собой наиболее сложный случай. Оно характерно для манипуляторов и механизмов управления. Обеспечение при этом заданных динамических качеств регулирования представляет сложную техническую задачу.

Зависимости моментов или сил статического сопротивления от угла поворота, угловой скорости перемещения, времени и пр. называются статическими характеристиками исполнительных механизмов.

Статические характеристики исполнительных механизмов могут существенно изменяться в зависимости от высоты полета и температуры окружающей среды. Так, при больших понижениях температуры увеличивается вязкость смазочных материалов, что вызывает изменение сил сопротивления.

Плотность воздуха зависит как от температуры, так и от давления, поэтому с подъемом на высоту изменяются аэродинамические силы, действующие на исполнительные механизмы. Эти факторы зависят от условий полета, изменяющихся с течением времени выполнения полетного задания.

По количеству исполнительных механизмов,приходящихся на один электромеханический преобразователь (электродвигатель) различают приводы одиночный (индивидуальный) и групповой. В индивидуальном электроприводе механизм приводится в движение с помощью отдельного электродвигателя, а в групповом – электродвигатель обеспечивает движение нескольких исполнительных органов определенного механизма или нескольких механизмов, например левую и правую части рулей высоты или элеронов, все лопасти винта, секции закрылков или предкрылков. Разновидностью группового электропривода является взаимосвязанный ЭП, содержащий два или несколько электрически или механически связанных между собой ЭП, работа которого должна быть реализована при заданном соотношении (в частности равенстве) частот вращения, нагрузок или положений исполнительных механизмов. Другой разновидностью группового электропровода является взаимосвязанный многодвигательный ЭП, содержащий несколько электродвигателей, работающих на общий вал. В тех случаях, когда возникает необходимость поддержания постоянного (или равного) соотношения частот вращения механизмов, не имеющих механических связей, используют структуру ЭП, называемую схемой электрического вала.

По характеру изменения параметровэлектропривод может быть нерегулируемым и регулируемым. В нерегулируемом ЭП его параметры [момент, частота вращения, (скорость перемещения), углов положение ротора, КПД, ток, мощность и т.п.] изменяются в результате возмущающих воздействий со стороны нагрузки или источника питания. В регулируемом ЭП параметры могут изменяться под действием управляющего воздействия. При этом достигается регулирование частоты вращения, требуемое качество переходных процессов, реализуется достижение предельных энергетических показателей, обеспечивается работа в условиях заданных ограничений и т.п.

Одна из задач регулируемого электропривода поддержание какого-либо параметра на заданном уровне. В зависимости от назначения агрегата число таких параметров может быть разным. Так, в лентопротяжных механизмах требуется стабилизация одного параметра – частоты вращения, а для механизмов гироскопа необходима стабилизация целого ряда параметров: момента, частоты вращения, положения ротора, тока и тепловых параметров двигателя.

В зависимости от способа управленияэлектроприводы подразделяют на ЭП с ручным, полуавтоматическим или автоматическим управлением.

Ручное и полуавтоматическое управление, как правило, применяется к нерегулируемому ЭП, предполагая наличие оператора (одного из членов экипажа) и используется, главным образом, в тех случаях, когда вся аппаратура управления может быть компактно сосредоточена на пульте, и когда само управление ограничено небольшим количеством простых операций (пуск, останов, реверсирование). Эта группа авиационного ЭП по конструктивному исполнению может быть разделена на электродвигательные агрегаты и электромеханизмы. Автоматическое управление обеспечивает более точное выполнение отдельных операций и высокое быстродействие, освобождая при этом членов экипажа от управления, контроля и наблюдения за ходом всех процессов. При этом способе управления функции оператора выполняют задатчики управления или задающие устройства.

В зависимости от режима работы, который определяется задачами регулирования,автоматический ЭП может быть параметрическим, программно-управляемым, следящим, позиционным и адаптивным.

Параметрический привод включается и отключается под действием управляющего сигнала, подаваемого при достижении на контролируемом объекте заданного предельного значения параметра. Примерами такого привода могут служить привод вентилятора, начинающего работать при повышении температуры агрегата сверх допустимой или привод открытия электромагнитного крана нейтрального газа в системе пожаротушения при достижении предельного значения температуры в мотогондоле двигателя.

В программном электроприводе работа электромеханического преобразователя происходит по заданной заранее программе. В таком режиме работает привод аэрофотоаппарата, позволяющий автоматически фотографировать местность через заданные интервалы времени, привод топливных насосов в системе программной выработки топлива или привод в системе электрического запуска авиадвигателя – программа его работы подчиняется требуемому закону запуска: последовательности наращивания усилий и включения агрегатов запуска.

Следящий электропривод не имеет заранее заданной программы работы и отрабатывает перемещение исполнительного органа в соответствии с произвольно меняющимся задающим сигналом. Примером такого привода могут служить приводы рулевых поверхностей, механизации крыла, пушечной турели, антенн, регуляторов силовой установки, приборных указателей, систем ориентации солнечных батарей и т.п.

По способу формирования сигнала управления следящие системы (СС) подразделяют на управляемые по отклонению, возмущению и комбинированные. Достоинством первых является простота, независимость процесса слежения от вида и места приложения возмущений, достоинством вторых – возможность устранения возмущений на входе в систему.

Сложности, связанные с необходимостью измерения возмущений, являются недостатком этого способа управления и ограничивают применение таких систем. Наибольшие точность и быстродействие обеспечиваются в комбинированных системах, где основные возмущения компенсируются на входе, а оставшиеся отклонения устраняются контуром, реагирующим на отклонение регулируемой величины.

В основу классификации СС по регулируемым параметрам положена зависимость углового положения выходного вала от сигнала управления. Если эта зависимость пропорциональная, то такие системы называют позиционными. Там, где характер рабочего процесса не позволяет осуществить непосредственное слежение за угловым положением исполнительного механизма, используют управление по угловой частоте вращения. Подобные ЭП относят к скоростным (интегрирующим).

В зависимости от вида силовой части исполнительного механизма различают следящие приводы:

1) с регулируемыми электродвигателями постоянного и переменного тока (редукторные и безредукторные);

2) с электромагнитными муфтами в сочетании с нерегулируемыми электродвигателями;

3) с вариаторами скорости в сочетании с нерегулируемыми электродвигателями;

4) электрогидравлические с нерегулируемым электродвигателем и гидроприводом.

Следящие системы по характеру управления делят на СС с непрерывным и дискретным управлением. Последние, в свою очередь, по виду обрабатываемой информации подразделяют на импульсные (различающиеся еще и по виду модуляции), релейные и цифровые. По способу связи с бортовой ЦВМ различают автономные и неавтономные цифровые СС. В автономных приводах ЦВМ является источником входной информации, а вычислительное устройство осуществляет функции цифровой коррекции. В неавтономном приводе ЦВМ выполняет функции задающего устройства, элемента управления и цифрового корректирующего устройства [1].

Характерной особенностью адаптивного электропривода является возможность автоматического изменения его структуры при изменении условий работы. Подобные системы автоматического управления появились для решения задач оптимизации процессом управления объектом в условиях неполной априорной информации об этом объекте. В частности, они эффективны в тех случаях, когда имеет место изменение в широком диапазоне внешних или внутренних воздействий на систему управления, а также характеристик самого объекта. При этом изменению подлежат как параметры устройства управления (адаптивная самонастраивающаяся система), так и структура устройства управления (самоорганизующаяся адаптивная система).

Все многообразие типов электроприводов ЛА в зависимости от наличия в структурной схеме ЭП обратной связи(ОС) можно разделить на системы разомкнутого и замкнутого электропривода. Вне зависимости от вида управляющего устройства УУ, усилителя-преобразователя У-П, электродвигателя-преобразователя ЭД-П, в состав которого помимо электродвигателя входит механический преобразователь, отличительной особенностью разомкнутых структурных схем ЭП является отсутствие обратной связи между регулируемой или управляемой величиной y(t) управляющим воздействием g(t) (рис. 1.3, а). Это приводит к тому, что измерения и контроля истинного значения регулируемой величины не происходит и влияние возмущающих воздействий по частоте Δf, напряжению ΔU, температуре ΔT, моментам сопротивления ΔМ_c и нагрузки ΔМ_Н не корректируется.

 

а

б

 

Рис. 1.3. Структурные схемы разомкнутой (а) и замкнутой (б) систем электропривода

 

 

Электроприводы, выполненные на базе разомкнутых структур, составляют достаточно большую группу и используются, например, в механизации крыла, тормозных устройствах, посадочных фарах, погрузочно-разгрузочных механизмах и т.п.

В системах с замкнутым управлением регулирование осуществляется с использованием информации о фактическом значении регулируемой величины у(t) путем введения обратной связи по этой величине (рис. 1.3, б).

Контроль за изменением возмущающих воздействий при этом не производится, а их влияние компенсируется посредством канала обратной связи. Такой способ управления обычно называют управлением по отклонению, а обратную связь по регулируемой величине – главной отрицательной обратной связью. Качество и точность регулирования в такой системе выше, чем в разомкнутой системе.

Структурная схема замкнутой системы в дополнение к тому, что показано на рис. 1.3, а содержит блок сравнения БС и контур главной обратной связи ГОС, по которому на блок сравнения с соответствующего датчика поступает сигнал о текущем значении регулируемой величины. На схеме рис. 1.3 этот сигнал формируется датчиком угла ДУ и пропорционален углу поворота Ө_ВЫХ исполнительного механизма. Для улучшения качества управления упрощения связи между регулируемыми параметрами могут быть использованы жесткие и гибкие связи, образующие внутренний контур регулирования ВКР, который сам по себе не характерна замкнутость системы, а выполняет вспомогательные функции.

В комбинированной системе к одной из рассмотренных выше систем добавляется разомкнутые структура по каналу информации об основном возмущающем воздействии, например изменении момента нагрузки ΔМ_Н. Такой сигнал вводит через промежуточный преобразователь ПП на блок сравнения (штриховая линия на рис. 1.3, б), где суммируется с первичным сигналом g(t) в канале управления. В результате в регулирующем воздействии х(t) постоянно присутствует составляющая, которая компенсирует влияние возмущения, позволяет осуществлять независимое регулирование от основного возмущающего фактора. К числу таких приводов относят ЭП с автоматическим регулированием частоты вращения и следящие привода. Использование в подобных структурах воздействия не только по отклонению регулируемой величины, но и по возмущению и нагрузкам позволяет во многих случаях значительно повысить качество регулирования и быстродействие электропривода.

На основе рассмотренного выше автоматической системы управления ЭП можно разделить на разомкнутые системы, осуществляющие параметрическое регулирование выходной величины без оптимизации процессов регулирования, разомкнутые системы с оптимизацией, замкнутые системы с регулированием по основному параметру управления.

К разомкнутым системам управления без оптимизации процессов регулирования относят ЭП с простейшими операциями пуска и останова, выполняемыми по дискретным командам g(t), поступающим на преобразующий элемент, в качестве которого чаще всего используют силовой переключатель. Точность отработки сигнала g(t) в этом случае будет зависеть исключительно от характеристик электродвигателя и системы его питания. В ряде случаев в такой системе может быть предусмотрено программное изменение регулирующих параметров питания или собственно электромеханического преобразователя (поток, число пар полюсов и т.п.).

В разомкнутой системе управления с оптимизацией могут быть использованы внутренние обратные связи чаще всего по электромагнитным параметрам (ток, напряжение, поток и т.д.), что позволит формировать требуемый вид механической характеристики (обеспечивающей, например, заданное быстродействие), ограничивать перегрузочную способность электродвигателя по моменту, току и т.д. Уровень установившегося сигнала управления в такой системе определяется, как и в предыдущей схеме, сигналом задания с учетом изменения передаточных функций элементов системы, охваченных обратной связью.

К замкнутым системам с регулированием по основному параметру управления относят системы, замкнутые по этому параметру, – угловой скорости Ω, ускорению dΩ/dt, угловому положению φ, моменту М. При этом, в электронных преобразователях для обеспечения их надежной и эффективной работы используют обратные связи по току в силовой части, напряжению шины постоянного тока, напряжению вторичных источников электропитания, температуре преобразователя и электродвигателя. Не все из вышеназванных контролируемых параметров могут быть получены непосредственно с датчиков соответствующих величин. Например, ввиду сложности получения электрического сигнала, пропорционального величине вращающего момента М, в ЭлП используют обратную связь (ОС) по величине, пропорциональной моменту. Такой величиной для большинства электродвигателей является потребляемый ток. Сигнал ОС по ускорению dΩ/dt, как правило, получается расчетным путем при наличии сигнала датчика угловой скорости Ω.

Применение тех или иных ОС определяется функциональным назначением ЭП. В нерегулируемом электроприводе (этим типом оснащено подавляю­щее число авиационных электромеханизмов), где не требуется формирование электромеханических характеристик ЭД в процессе движения, необходима лишь ОС по току для обеспечения требуемого пускового момента и защиты силовых транзисторных ключей. В нереверсивных регулируемых ЭП (привод топливных и масляных насосов, вентиляторов, компрессоров и т.д.) диапазон регулирования угловой скорости не превышает 1:5 и для формирования требуемых характеристик, как правило, достаточно датчиков обратных связей по угловой скорости Ω и току i.

Одним из наиболее сложных типов электропривода, к которому предъявляют повышенные требования по быстродействию, точности и глубине регулирования параметров движения является следящий ЭП. В таких ЭП предусматриваются ОС по угловой скорости Ω, ускорению dΩ/dt, моменту нагрузки М, углу поворота φ, а для обеспечения требуемых законов регулирования и защит – по току i и напряжению и. Несмотря на большое разнообразие электроприводов ЛА, их режимы работыв зависимости от теплового состояния можно разбить на три основных вида: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

В продолжительном режиме (рис. 1.4, а) работа ЭП происходит непрерывно в течение времени, достаточного для того, чтобы электродвигатель или электромагнит, а также отдельные элементы аппаратуры управления практически успели нагреться до установившейся температуры перегрева т_у определяемой потерями и условиями охлаждения.

Продолжительный режим работы электромеханического преобразователя может сопровождаться переменными циклограммами потребления энергии. Для привода регистрирующих устройств, например устройств магнитной записи и воспроизведения, характерным является работа в течение длительного времени с малой частотой вращения в режиме накопления информации и работа с большой частотой в режиме передачи информации. Примерный график потребления энергии и изменения температуры для этого случая приведен на рис. 1.4, б.

 

а б в

 

г д

Рис. 1.4. Графики температуры перегрева т и мощ­ности Р при работе электродвигателя в режимах: длительном с постоянной (а) и переменными одно-полярными (б) и разнополярными циклограммами потребляемой мощности (в); кратковременном (г) и повторно-кратковременном (д)

 

Для механизма типа «гироаккумулятор» характерен длительный режим потребления энергии с последующей импульсной ее отдачей в сеть другим потребителям (рис. 1.4, в).

Кратковременный режим (рис. 1.4, г) характеризуется тем, что длительность работы ЭП настолько мала, что электромеханический преобразователь, а также элементы аппаратуры за время включения не успевают нагреться до установившейся температуры перегрева. За период паузы температура их практически успевает снизиться до температуры окружающей среды. В кратковременном режиме работают, например, электромагнитные замки бомбодержателей, которые включаются только во время сбрасывания бомб, а также электродвигатели, приводящие в движение механизмы шасси, посадочных щитков, стабилизаторов, выдвижных фар и т.п.

Особенности работы ЭП в повторно-кратковременном режиме (рис. 1.4, д) заключаются в том, что кратковременные периоды работы с временем включения t_ВКЛ чередуются с кратковременными периодами останова (паузы) или промежутками времени работы без нагрузки, равными t_ВЫКЛ, причем температура электродвигателя или электромагнита перед каждым повторным включением не успевает снизиться до исходной, соответствующей началу работы.

Благодаря этому температура электромеханического преобразователя постепенно увеличивается. На самолетах в повторно-кратковременном режиме работают механизмы жалюзи водяных радиаторов, створок капотов, триммеров руля высоты, лопастей винтов изменяемого шага, пулеметных и пушечных турелей, электромеханизмы кранов, заслонок, рулевых поверхностей и т.п. Длительность работы отдельных кратковременно действующих механизмов составляет от нескольких секунд до 1-2 минут. По принятым нормам продолжительность цикла повторно-кратковременного режима не должна превышать 10 мин.

Требования, предъявляемые к электроприводу летательных аппаратов

Область применения ЭП, выполняемые им функциональные задачи и его условия работы на борту определяют совокупность требований, предъявляемых к электроприводу. Часть этих требований падает с теми, которые предъявляют ко всему электрооборудованию ЛА [2], остальные требовавания являются специальными, определяемые конкретным назначением ЭП. Перечень основных требований, предъявляемых к электроприводу ЛА, выглядит следующим образом.

Высокая надежность.

В соответствии с этим ЭП должен выполнять заданные функции в определенных условиях, в течение определенного промежутка времени и с заданной вероятностью безотказной работы. Работа некоторых ЭП происходит в условиях комплексного воздействия внешних экстремальных условий, накладывает ограничения на материалы, конструктивные особенности, дизайн, режимы работы и т.д. Поскольку последствия отказа в работе ЭП ЛА чрезвычайно опасны (заисключением электропривода, используемого для бытовых нужд) его надежность должна существенно превышать надежность общепромышленных электроприводов. Если эти требования не выполняются или не подтверждаются, то все остальные качества ЭП могут оказаться бесполезными.

Минимальные масса и габаритные размеры.

Эти, общие для всего электрооборудования требования применительно к электроприводу ЛА означают, что он должен проектироваться на повышенные механические и электромагнитные нагрузки с использованием высокоэффективных активных и конструкционных материалов, специальных опор, с возможностью совмещения нескольких функций в одном агрегате. Встраиваемость ЭП в механизм ЛА является его отличительным признаком, и эта задача решается с учетом взаимосвязи тепловых, магнитных, вибрационных и других взаимодействий в условиях ограниченного объема.

Высокая точность отработки механического движения, статическая и динамическая устойчивость.

1) требуемый электромагнитный момент в заданном диапазоне изменения частоты вращения; 2) требуемый диапазон регулирования по частоте вращения; 3) стабилизацию как механических, так и электромагнитных и тепловых параметров;

Быстродействие и высокое качество переходных процессов.

Быстродействие отработки сигнала на изменение угловой скорости определяется по формуле: где М(Ω) и МС(Ω) – моменты электромагнитный и сопротивления соответственно для текущих угловых скоростей; …

Высокая степень готовности.

Степень готовности – это время, за которое выходные параметры ЭП достигают значений, обеспечивающих нормальное функционирование приводимого им агрегата. Например, для стартеров – это время вывода турбины на заданную частоту вращения, для гироскопов – время достижения установившегося дрейфа, зависящее от совокупности кинематических, тепловых, магнитных параметров и т.д.

Энергетическая эффективность.

Установленная мощность электропривода ЛА составляет 25–40 % общей мощности бортовых приемников электрической энергии, при этом наиболее энергоемкими являются приводы подъемно-транспортных устройств, рулевых поверхностей и механизации крыла, насосов гидравлических и топливных систем.

В условиях высокой стоимости получения электроэнергии на борту автономного транспортного средства и ограничения энергии первичных источников пуск ряда механизмов и эксплуатация ЭП должны проходить в условиях экономного использования электроэнергии с минимальной кратностью пусковых токов. Кроме того, ряд механизмов (гироскопические приборы в системах навигации, устройства записи информации и другое оборудование, относящееся к потребителям электроэнергии первой категории), должны надежно функционировать даже в условиях полного отказа основной системы электроснабжения, когда единственным источником остаются аккумуляторные батареи с ограниченным энергоресурсом.

Совместимость с другими бортовыми агрегатами.

Прежде всего, электропривод должен быть совместим с аппаратурой технического комплекса, в котором он используется, с системой электроснабжения (не должен снижать качество электроэнергии бортовой сети), информационной системой и, наконец, с рабочим органом и прибором, в котором он установлен. Кроме того, работающий электропривод не должен вызывать помех в работе радиоустановок, магнитных компасов, контрольно-измерительных приборов и другой бортовой электронной аппаратуры, т.е. должен отвечать требованиям электромагнитной совместимости.

Перечисленные требования и, в частности, высокая производительность, наиболее целесообразная быстрота и точность выполнения заданных операций, минимальный расход энергии во многом могут быть достигнуты при согласовании статических и динамических свойств исполнительных механизмов и силовой части привода, при правильном подборе соответствующих элементов всей системы привода и надлежащем конструктивном оформлении ее отдельных звеньев.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какие приводы исполнительных механизмов используются на летательных аппаратах, каковы их достоинства и недостатки?

2. Какие преобразователи входят в состав электропривода?

3. По каким основным признакам классифицируют электропривод ЛА?

4. Какие нагрузки действуют на вал исполнительного механизма авиационного электропривода и как их классифицируют?

5. По каким основным признакам классифицируют следящие системы?

6. В чем состоит принципиальное различие разомкнутой и замкнутой структур электропривода?

7. Каковы основные особенности продолжительного, кратковременного и повторно-кратковременного режимов работы элементов электропривода ДА?

8. Каковы основные требования, предъявляемые к авиационному электроприводу?

 

Механика электропривода

Современный электропривод является индивидуальным автоматизированным электроприводом. Он включает в себя систему автоматического управления (САУ),… Автоматизированный электропривод делится на управляемый и неуправляемый,… Стремление к упрощению кинематических цепей машин и механизмов привело к созданию безредукторных электроприводов,…

Кинематическая схема электропривода

Непосредственное представление о механических связях даёт кинематическая схема электропривода (рис. 2.2)

Рис. 2.2. Кинематическая схема электропривода

 

Здесь двигатель Д через соединительную муфту СМ₁, клиноременную передачу (КРП), ряд зубчатых передач ЗП_i и соединительную муфту СМ₂ приводит во вращение барабан (Б), преобразующий вращательное движение в поступательное движение ряда связанных масс. При нагружении элементы системы (валы, опоры, клиноременные передачи, зубчатые зацепления и т.п.) деформируются, т. к. механические связи не являются абсолютно жёсткими. При изменении нагрузки массы имеют возможность взаимного перемещения, которое определяется жёсткостью связи.

Каждый вращательно движущийся элемент обладает моментом инерции J_i и связан с (i+1) – элементом механической связью, обладающей жёсткостью C_i. Соответственно каждый поступательно движущийся элемент имеет массу m_j и связан со следующим связью с жёсткостью С_j. В пределах механических связей, для которых выполняется закон Гука, жёсткости можно определить с помощью соотношений

; (2.1)

где M_i и F_j - нагрузка упругой механической связи;

∆φ_i и ∆S_j - деформация упругого элемента при вращательном и поступательном движении.

В связи с наличием передач различные элементы системы движутся с различными скоростями. Поэтому для составления расчетных схем необходимо приведение всех параметров элементов кинематической цепи к одной расчётной скорости, обычно к скорости вала двигателя.

Условием соответствия расчётной схемы реальной механической системе является выполнение закона сохранения энергии. При приведении необходимо обеспечить сохранение кинетической и потенциальной энергий системы, а также элементарной работы всех действующих в системе сил и моментов на возможных перемещениях. Следовательно,

;

. (2.2)

Отсюда получаем формулы приведения:

;

, (2.3)

где – передаточное число от вала приведения до i-го вала; – радиус приведения к валу со скоростью ω₁.

При приведении вращательных φ_i и поступательных S_j перемещений необходимо учитывать, что передаточное число и радиус приведения определяются соотношением скоростей.

Тогда перемещения связаны зависимостями:

; .

При линейных кинематических связях и . В этом случае формулы приведения перемещений имеют вид:

;.

При приведении жёсткостей механических связей должно выполняться условие равенства запаса потенциальной энергии деформации.

Потенциальная энергия W_п равна работе, совершаемой моментом М на участке изменения угла Δφ. Так как величина момента скручивания изменяется от 0 до M_max, то, с учетом (2.1), работа равна:

.

Тогда

;

.

Формулы приведения: ; . (2.4)

Приведение моментов и сил нагрузки элементов кинематической цепи должно осуществляться при условии равенства элементарной работы на возможных перемещениях:

; .

Следовательно, ; (2.5)

Для большей наглядности сопоставления по результатам приведения можно построить исходную приведённую расчётную схему, представив в ней массы в виде прямоугольников, площадь которых пропорциональна приведенным моментам инерции, а жёсткости связей между ними в виде соединений, длина которых обратно пропорциональна жёсткости.

Для рассматриваемой кинематической схемы приведённая расчётная схема имеет вид, показанный на рис. 2. 3.

 

 

Рис. 2.3. Приведённая расчётная схема кинематической цепи

 

К ротору двигателя с моментом инерции J₁ приложен электромагнитный момент М и момент потерь ΔМ, причём для правильного учёта знаков действующих моментов указано положительное для всей приведённой схемы направление скорости ω₁.

Исследования динамики электропривода показывают, что неразветвлённые расчётные механические схемы в большинстве случаев сводятся к трёхмассовой (рис. 2.4, а), двухмассовой (рис. 2.4, б) расчётным схемам и к жёсткому приведённому механическому звену (рис. 2.4, в)/

Трёхмассовая упругая система используется в тех случаях, когда необходимо более детально анализировать движения масс механизма. При этом обычно используется моделирование на аналоговой (ABM) или цифровой (ЦВМ) вычислительных машинах.

а б в

 

Рис. 2.4. Расчётные схемы электропривода: трёхмассовая (а), (б) и жёсткое приведённое механическое звено (в)

 

Для исследования отдельных физических особенностей используется двухмассовая система.

В тех случаях, когда параметры системы таковы, что влияние упругих связей незначительно, или когда этим влиянием можно пренебречь, используется жёсткое приведённое звено. Суммарный приведённый момент инерции может быть выражен:

 

(2.7)

где n и k – число масс установки, совершающих соответственно вращательное и поступательное движение.

Суммарный приведённый к валу двигателя момент статической нагрузки M_C

(2.8)

где q и p – число внешних моментов M_i и сил F_i, приложенных к системе, кроме электромагнитного момента двигателя.

Характерным примером разветвлённых кинематических схем является кинематическая схема многодвигательного электропривода, в котором двигатели через индивидуальные редукторы действуют на общий рабочий механизм.

 

Типовые статические нагрузки электропривода

(2.9) где первая составляющая суммы является суммарными потерями в двигателе и в… По характеру взаимодействия с электроприводом различаются активные и реактивные силы и моменты.

Уравнения движения электропривода

(2.19) где Wk – запас кинетической энергии системы, выраженный через обобщенные… Qi– обобщенная сила, определяемая суммой работ δAi всех действующих сил на возможном перемещении δqi.

Механическая часть электропривода, как объект системы автоматического управления

Полученные уравнения движения позволяют проанализировать механическую часть электропривода, как объект системы автоматического регулирования и управления и представить его в виде динамического звена.

Воспользовавшись уравнением движения двухмассовой механической системы (2.21)

структурную схему двухмассовой упругой механической части без учёта внутреннего демпфирования можно представить в виде (рис.2.12)/

а

б

в

Г

Рис. 2.12. Структурные схемы двухмассовой упругой механической части электропривода без учета внутреннего демпфирования

 

Для исследования свойств рассматриваемой системы примем возмущения и перенесём внутреннюю связь по упругому моменту на выход системы (рис. 2.12, б).

Теперь нетрудно определить передаточную функцию, связывающую выходную координату со скоростью ω₁:

.

 

В соответствии со схемой рис. 2.12, б передаточная функция прямого канала для координаты ω₁:

W_пр=1/(J₁ p)

а обратной связи:

Wобр = J₂pW_ω1,ω2(p).

Следовательно, искомая передаточная функция определится как (рис. 2.13)

(M–ω₁W_обр)W_пр = ω₁; MW_пр = (1+W_обрW_пр)ω₁;

где J_∑ = J₁ + J₂ .

 

Рис. 2.13. Передаточная функция замкнутой системы

 

Следовательно, искомая передаточная функция может быть записана в виде:

(2.24)

Характеристическое уравнение системы:

Корни характеристического уравнения:

где Ω_1,2 – резонансная частота двухмассовой упругой системы.

Введём следующие обобщенные параметры двухмассовой упругой системы:

– соотношение масс;

– - резонансная частота системы;

–- резонансная частота второй массы при жёсткой заделке первой ( J₁→∞).

С учётом этих обозначений можно записать:

.

 

Таким образом, имеем:

. (2.25)

. (2.26)

Полученные соотношения позволяют представить механическую часть как объект управления в виде трёх звеньев, показанных на рис. 2.12, в. Из этой схемы находим передаточную функцию системы по управляющему воздействию при выходной переменной ω₂ (рис .2.12, г):

Для анализа системы найдём амплитудо-частотную (АЧХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики, для чего подставим (p = jω) ) в выражение для Wω₁(p):

(2.27)

где – АЧХ;

– ФЧХ.

Асимптотические логарифмические характеристики могут быть построены непосредственно по полученным передаточным функциям (рис. 2.14).

В соответствии с выражением для система может быть представлена последовательным соединением интегрирующего звена, формирующего звена второго порядка с частотой сопряжения

и идеального колебательного звена с резонансной частотой .

При передаточная функция стремится к нулю, и ЛАЧХ терпит разрыв, стремясь к (- ∞) (lg0→-∞). При Ω = Ω₁₂ имеет место полюс передаточной функции и амплитуды стремятся к (+∞), образуя второй разрыв. Низкочастотная асимптота определяется интегрирующим звеном с коэффициентом, обратно пропорциональным J_Σ и соответственно имеет наклон –20 дб/дек. Высокочастотная асимптота (Ω»Ω₁₂) соответствует также интегрирующему звену, но при коэффициенте в γ раз большем, чем в области низких частот. В этом можно убедиться, устремив в ∞ частоту Ω в (2.27).

В низкочастотной области сдвиг между колебаниями составляет -90^˚ и определяется интегрирующим звеном. При значениях Ω соответствующих выражению , меняет знак числитель выражения (2.27), что соответствует уменьшению фазового сдвига на 180^о. Затем на частоте аналогично изменяется знак знаменателя, и фазовый сдвиг вновь принимает значение -90^о в соответствии с высокочастотной асимптотой ЛАЧХ.

На рис. 2.14, б представлены логарифмические характеристики механической части электропривода по управлению по выходной переменной ω₂. Они построены по передаточной функции .

 

б

Рис. 2.14. Логарифмические частотные характеристики двухмассовой упругой системы по управляющему воздействию (а – при выходной переменной ; б – при выходной переменной )

 

В низкочастотной области ЛАЧХ совпадает с , разрыв имеет место только на резонансной частоте и в высокочастотной области стремится к асимптоте с наклоном – 60дб/дек. Соответственно фазовый сдвиг при этом составляет -270^о.

Проанализируем основные свойства механической части, воспользовавшись ее структурной схемой и частотными характеристиками. При этом обратим внимание на различие во влиянии упругости на движение первой и второй масс. Движение первой массы при небольших частотах колебаний управляющего воздействия М определяется суммарным моментом инерции J∑ , причем механическая часть ведет себя как интегрирующее звено. В частности, при M = const скорость изменяется по линейному закону, на который накладываются колебания, обусловленные обратной связью. Иными словами, интегрирующее звено характеризует условия движения механической части в среднем.

При приближении частоты колебаний момента к резонансной , амплитуды колебаний скорости ω₁ возрастают и при выполнении равенства стремятся к бесконечности.

Проявления резонанса существенно зависят от параметров механической части в связи с наличием в числителе передаточной функции форсирующего звена второго порядка. Можно выявить условия, при выполнении которых влияние упругости на движение первой массы будет незначительным.

Во-первых, из выражения (2.27) непосредственно следует, что если механизм обладает небольшой инерцией J₂ << J₁; γ → 1, то движение первой массы близко к движению, определяемому интегрирующим звеном Во-вторых, из (2.27) видно, что при значениях в области малых и средних частот движение первой массы определяется тем же интегрирующим звеном. Отсюда вытекает важный практический вывод.

Если при синтезе электропривода используются обратные связи только по переменным двигателя, то при значениях J₂ <<J₁ или

(- частота среза желаемой ЛАЧХ разомкнутого контура регулирования), механическую часть электропривода можно представить жестким механическим звеном, не учитывая влияния упругостей (рис. 2.15).

В соответствии с передаточной функцией и рис. 2.14, б, колебательность второй массы выше, чем первой. В низкочастотной области асимптоты ЛАЧХ и совпадают, т.к. в среднем движение второй массы, как и первой, определяется действием интегрирующего звена Однако при наклон высокочастотной асимптоты составляет –60дб/дек и нет факторов, противодействующих развитию резонансных явлений при любых γ.

Следовательно, во всех случаях, когда важно получить требуемое качество движения второй массы, а также при регулировании ее координат, пренебрегать влиянием упругости механических связей нельзя.

Учет естественного демпфирования существенно не сказывается на форме ЛАЧХ и ЛФЧХ системы, однако ограничивает резонансный пик конечными значениями (как показано на рис. 2.14, а и 2.14, б.

Сочетания параметров, при которых J₂ << J₁или достаточно распространены. Поэтому во многих случаях, когда это допустимо, используется представление механической части в виде жесткого приведенного звена (рис. 2.15).

Рассмотрим переходные процессы в механической части электропривода, представленной жестким механическим звеном.

Допустим, что начальная скорость равна нулю: а к ротору двигателя в момент времени t = 0 прикладывается электромагнитный момент двигателя, изменяющийся по экспоненциальному закону с постоянной времени Т.

. (2.28)

 

 

 

Рис. 2.15. Структурная схема механической части электропривода с жесткими механическими связями

Переходные процессы в механической части электропривода

   

Динамические нагрузки электропривода

Правые части полученных выше уравнений движения электропривода представляют собой моменты инерции действующих сил в системе. В теории электропривода… (2.37) Уравнение движения приведённого жёсткого механического звена определяет суммарную динамическую нагрузку…

Обобщенная электрическая машина

Электродвигатель может быть представлен в виде электромеханического многополюсника (рис. 3.1):  

Линейные преобразования обобщенной машины

Произведём линейные преобразования уравнений обобщённой электрической машины для устранения зависимости индуктивностей и взаимных индуктивностей… Рассмотрим преобразования, которые позволяют перейти от действительных… В общем виде каждую реальную переменную – напряжение, ток, потокосцепление изобразим в виде вектора, направление…

Механические характеристики обобщенной машины

Математическое описание механических характеристик в осях u, v имеет вид: (3.7) Если ось принять за действительную, а ось – за мнимую, то изображающие векторы модно представить в виде:

Асинхронный электромеханический преобразователь

 

Математическое описание процессов электромеханического преобразования в асинхронном двигателе

   

Статические характеристики асинхронного электромеханического преобразователя при питании от источника тока

  Рис. 4.2. Схема питания асинхронного двигателя от источника тока

Режим динамического торможения асинхронного двигателя

  a б в

Динамические свойства асинхронного двигателя

Анализ динамических процессов преобразования энергии в асинхронном двигателе в виду сложности задачи, обусловленной нелинейностью уравнений,… Каждое уравнение решим относительно производной потокосцепления:  

Синхронный электромеханический преобразователь

 

Электромеханическое преобразование в синхронном двигателе

  а б

Угловая характеристика синхронного двигателя

Уравнения механической характеристики нелинейны в связи с наличием произведения переменных. Приближенное уравнение механической характеристики… Положим и и будем пренебрегать активным сопротивлением статора R1. Будем… (5.5)

Динамические свойства синхронного двигателя

При малых углах θэл эти силы изменяются по линейному закону. Это электромагнитное взаимодействие подобно механической упругой связи между полем… Рабочий участок угловой характеристики M=f(θэл) можно с достаточной… (5.11)

Электромеханический преобразователь постоянного тока

Рассмотрим процесс электромеханического преобразования энергии в одном из видов электрической машины постоянного тока, а именно: в двигателе постоянного тока с независимым возбуждением.

 

Математическое описание процессов преобразования энергии в двигателе постоянного тока с независимым возбуждением

a б  

Механическая характеристика двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

, ,

Динамические свойства двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

(6.13)

Обобщенная электромеханическая система с линеаризованной механической характеристикой

Из теории автоматического управления известно, что динамические свойства замкнутых систем определяются свойствами разомкнутой системы, ее… При определенных условиях механические характеристики принципиально… Возможность такого обобщения вытекает из сравнения уравнений динамической жесткости, для двигателя постоянного тока с…

Динамические свойства электропривода с линейной механической характеристикой

Для анализа свойств электропривода с линейной механической характеристикой как объекта автоматического управления найдем передаточную функцию… ??? Из рис. 7.1 можно записать:

Динамика электропривода с синхронным двигателем

Так как динамические свойства синхронной машины в значительной степени отличаются от характеристики обобщенной электромеханической системы, то… Основными возмущениями при питании от сети следует считать возможные изменения… Влияние упругой связи между полями статора и ротора можно проанализировать, воспользовавшись структурной схемой. При…