книги из ГПНТБ / Андрющенко, В. А. Автоматизированный электропривод систем управления учеб. пособие

После того, как электродвигатель выбран, становятся извест­

дуктора из условия соответствия максимальной скорости нагрузки и номинальной скорости вращения электродвигателя

что выбранный электродвигатель обеспечит заданный закон движе­ ния выходной оси и не будет перегреваться. Проверка правильно­ сти выбранного электродвигателя производится по величине экви­ валентного (среднеквадратичного) момента

Величина эквивалентного момента Мэ не должна превышать номинальный момент выбранного электродвигателя, т. е. должно выполняться неравенство

Здесь обозначения аналогичны обозначениям в выражении (8.8). Если контрольные неравенства (8.9) и (8.10) не выполняются, необходимо взять электродвигатель большей мощности и повто­ рить расчет. Затем следует проверка электродвигателя на оптималь­ ное передаточное отношение, определяемое из условия наимень-

93

шего эквивалентного момента dMJdi = О,

2

Оптимальное передаточное число в маломощных системах обычно не находится.

§ 20. ВЫБОР Р Е Д У К Т О Р А

Редукторы, применяемые в системах автоматизированных элек­ троприводов, характеризуются следующими специфическими осо­ бенностями:

1) несамотормозящимися передачами во избежание заклинива­ ния их при торможении и реверсе;

2)недопустимостью больших зазоров (люфтов), затрудняющих стабилизацию автоматизированного электропривода и вызываю­ щих автоколебания;

3)достаточной жесткостью и прочностью зубчатой передачи;

4)возможно меньшей инерционностью передачи;

5)обеспечением минимального трения покоя передачи. Передаточное число редуктора определяется, как показано выше,

одновременно с выбором исполнительного электродвигателя. Люфт в передаче, которая охвачена цепью обратной связи, ча­

сто является источником возникновения автоколебаний. Экспери­ ментально установлено, что люфт хл должен быть меньше половины статической ошибки системы и в 5—10 раз меньше ее динамической ошибки, т. е.

(8.13)

Для уменьшения люфтов в передаче применяют эвольвентный про­ филь, позволяющий нарезать зубцы обкаткой, т. е. наиболее произ­ водительным и точным способом. Кроме того, иногда в редукторах используются специальные разрезные шестерни с натягом.

Жесткость зубчатой передачи должна быть такой, при которой собственные частоты этой передачи с учетом момента инерции объекта были бы больше, по крайней мере в 5—10 раз, наивысшей резонансной частоты остальных звеньев системы.

При расчете статических и динамических нагрузок потери на трение в редукторе обычно учитывают путем введения в расчетные формулы коэффициента полезного действия передачи. Для ориен-

94

тировочных расчетов можно воспользоваться приведенными значе­ ниями к. п. д. (на одну пару звеньев передачи):

Несмотря на то, что трение и люфт — полярно противоположные явления, они могут возникать в одном и том же зацеплении, если у зацепляющихся шестерен начальные окружности не концентричны относительно несущих их валов. При вращении шестерен их экс­ центричность будет создавать избыточное трение на одной части

илюфт на другой.

Вбольшинстве случаев в редукторах высокоточных замкнутых систем автоматизированного электропривода применяются шарико­ вые подшипники вследствие свойственных им малых потерь на тре­ ние и малого износа.

Для зубчатых передач, применяемых в маломощных электро­ приводах систем управления, выбирают малые модули, обеспечи­ вающие малые габариты шестерен.

Поскольку передаваемые редуктором усилия по величине не­ значительны, модуль обычно не рассчитывают из условий прочно­ сти зуба, а выбирают по конструктивным соображениям из ОСТ 1597 значение т, равное 0^3; 0,4; 0^5; 0,6; 0,7; ОД Ц); 1,5; 2,0. Желательно ограничиться значениями подчеркнутых модулей.

При расчете автоматизированных электроприводов систем уп­ равления (особенно приводов с двухфазными асинхронными элек­ тродвигателями с полым ротором) часто оказывается, что момент инерции зубчатой передачи соизмерим с моментом инерции ротора исполнительного электродвигателя. В этом случае необходимо иметь редуктор, обладающий минимальным моментом инерции. Общий момент инерции редуктора, приведенный к валу электро­ двигателя, практически зависит только от четырех первых шесте­ рен.

Момент инерции зубчатой передачи можно уменьшить следую­ щими способами: применением возможно более узких колес с ма­ лым диаметром колес; изготовлением шестерен из текстолита; ис­ пользованием полых шестерен; путем правильного распределения передаточных чисел между парами. Обычно передаточное число первой пары следует выбирать в пределах 2 3, второй — в пре­ делах 4 ч-8.

Основное назначение усилительного устройства автоматизиро­ ванного электропривода — обеспечить усиление сигнала в замкну­ том контуре регулирования, необходимое для работы электропри­ вода с заданной точностью. Вместе с тем сигнал рассогласования

95

должен быть усилен по амплитуде и мощности до величины, доста­ точной для управления исполнительным двигателем.

Усилительное устройство УУ состоит из усилителя мощности

равления исполнительного двигателя и развивает на выходе мощ­ ность, необходимую для надежного управления двигателем. На вход усилителя мощности подается напряжение с выхода предва­ рительного усилителя.

При проектировании или выборе усилителя мощности стремятся обеспечить н а и б о л е е т я ж е л ы й (как правило, пусковой) режим питания обмотки управления. Очень важным параметром

корректирующих устройств системы на исполнительный электродви­ гатель, зона линейности выходной характеристики усилителя мощ­ ности должна быть достаточно большой. Опыт проектирования зам­

Усилитель мощности является основным потребителем энергии источника питания. Поэтому при сопоставлении различных типов усилителей следует обращать внимание на их экономичность и для работы в системе выбирать усилитель с наибольшим к. п. д. (при прочих одинаковых показателях).

П р е д в а р и т е л ь н ы й у с и л и т е л ь увеличивает пе­ редаточный коэффициент усилительного устройства до требующе­ гося значения и компенсирует затухание, вносимое пассивными корректирующими устройствами. Величина напряжения, тока или мощности на выходе предварительного усилителя должна быть до­ статочной для полного возбуждения усилителя мощности.

Основные особенности предварительных усилителей автомати­ зированных электроприводов заключаются в следующем:

1. Усилитель должен быть надежно защищен от входных элек­ трических перегрузок, ибо в некоторых режимах работы привода напряжение на входе усилителя может превышать нормальное в де­ сятки и даже сотни раз.

96

2. Входное сопротивление усилителя должно быть согласовано

свыходным сопротивлением чувствительного элемента системы.

3.Ввиду того что помехи любого вида при недостаточной зоне линейности характеристики усилителя снижают коэффициент уси­ ления и тем самым способствуют увеличению статических и дина­ мических ошибок привода, одним из важных требований к предва­ рительному усилителю является его достаточная помехозащищен­ ность.

4.Иногда в схеме усилителя требуется предусмотреть дополни­ тельные входы для подключения корректирующих параллельных или обратных связей.

5.Зона-линейности выходной характеристики предварительного усилителя должна соответствовать зоне линейности усилителя мощности.

Напомним, что разработка схемы и расчет предварительного усилителя выполняются после синтеза корректирующих устройств замкнутой системы электропривода.

В автоматизированных электроприводах применяются следую­ щие типы усилительных устройств: транзисторные; на управляе­ мых диодах (тиристорах); магнитные; электромашинные; на элек­ тровакуумных лампах; электромагнитные муфты; релейные вибра­ ционные усилители. Во многих приводах используется комбинация из перечисленных усилителей.

Выбор усилительного устройства автоматизированного электро­ привода систем управления определяется многими факторами:

1) типом исполнительного электродвигателя и чувствительного элемента системы (величиной входного и выходного сигналов);

2)допустимой инерционностью;

3)условиями эксплуатации (температурой, давлением и влаж­ ностью окружающей среды, перегрузками, вибрацией и т. п.);

4)эксплуатационными требованиями (допустимыми габаритами

ивесом, временем подготовки усилителя к работе, требующейся на­ дежностью) ;

5)возможностью суммирования входных и корректирующих сигналов.

типом предварительных усилителей замкнутых систем электропри­ водов; в маломощных электроприводах они часто используются и в качестве усилителей мощности. Транзисторные усилители, ра­ ботающие в линейном режиме, могут быть изготовлены на мощ­ ность от долей ватта до десятков ватт; в ключевом режиме мощность на выходе транзисторного усилителя достигает сотен ватт.

ностью усиливать весьма малые сигналы, незначительной инер­ ционностью, мгновенной готовностью к работе. При разработке

транзисторных усилителей необходимо считаться со значительным технологическим разбросом и существенной температурной зависи­ мостью характеристик транзисторов. Схема транзисторного усили­ теля должна быть построена так, чтобы исключить необходимость трудоемкой регулировки режимов и обеспечить применение тран­ зисторов без индивидуального подбора. Правильно спроектирован­ ный транзисторный усилитель обладает вполне достаточной ста­

(к. п. д. достигает 99%); незначительная инерционность; хорошие экспериментальные качества (большая надежность, малые габариты и вес, постоянная готовность к действию, относительно большой допустимый интервал рабочих температур —60°-г--4- 150° С, ме­ ханическая прочность).

К недостаткам тиристорных усилителей можно отнести сравни­ тельную сложность схемы управления, некоторую зависимость параметров от температуры и ограниченную перегрузочную способ­ ность.

Э л е к т р о н н ы е у с и л и т е л и применяются в усили­ тельных устройствах автоматизированных электроприводов, глав­ ным образом, в качестве каскадов предварительного усиления. В маломощных электроприводах от долей ватта до нескольких де­ сятков ватт электровакуумные лампы используются и в усилителях мощности.

К достоинствам электронных усилителей следует отнести: боль­ шой коэффициент усиления; малую инерционность; высокое вход­ ное сопротивление; относительно высокую стабильность рабочих характеристик, практически не изменяющихся под воздействием окружающей среды.

Основным недостатком электронных усилителей является ма­ лая надежность, обусловленная наличием цепей накала и малой механической прочностью, что затрудняет их применение в устрой­ ствах, подвергающихся значительным вибрациям, ударам и т. д. Кроме этого, следует отметить сравнительно большой технологи­

началом работы.

М а г н и т н ы е у с и л и т е л и находят широкое примене­ ние в автоматизированных электроприводах в качестве суммирую­ щих предвыходных и мощных выходных каскадов комбинирован­ ных усилителей. На практике преимущественно используются

98

венно меньшей инерционностью, сравнительно с однокаскадными при одинаковой мощности и коэффициенте усиления. В магнитных усилителях мощности применяются почти исключительно двухтактные каскады, которые выполняются по мостовой, дифферен­ циальной и трансформаторной схемам с внешней или внутренней положительной обратной связью. Внешняя обратная связь чаще применяется при больших выходных напряжениях и малых токах, а внутренняя — при малых напряжениях и больших токах. В по­ следние годы все более широко используются быстродействующие усилители, постоянная времени которых имеет величину порядка одного периода частоты питающего напряжения. Основными до­ стоинствами магнитных усилителей являются: большой коэффи­ циент усиления и перегрузочная способность; высокая чувствитель­ ность для сигналов постоянного тока; готовность к работе сразу после включения питания; большая вибро- и ударостойкость; про­ стота суммирования нескольких сигналов; простота и надежность конструкции, большой срок службы.

К недостаткам магнитных усилителей следует отнести: малое

наиболее часто применяемыми усилителями мощности для управ­ ления электродвигателями постоянного тока мощностью от десятков ватт и более.

К достоинствам наиболее распространенных ЭМУ с поперечным полем следует отнести: большой коэффициент усиления мощности; сравнительно небольшую инерционность; малое выходное сопро­ тивление; простоту суммирования нескольких входных сигналов.

Электромашинному усилителю присущи и недостатки: значи­ тельный разброс характеристик (до ± 30%) и изменение их с те­ чением времени; необходимость тщательного ухода за щетками и коллектором во время эксплуатации; сравнительно большой вес и габариты.

Для повышения стабильности характеристик ЭМУ часто охваты­ вают жесткой отрицательной обратной связью по напряжению; попутно отрицательная обратная связь увеличивает быстродейст­ вие электромашинного усилителя.

Вавтоматизированных электроприводах ЭМУ работают обычно

снебольшой недокомпенсацией; это предотвращает возникновение слабо затухающих колебательных процессов и облегчает стабили­ зацию замкнутого привода. В недокомпенсированном усилителе поток по продольной оси зависит от величины выходного тока (тока электродвигателя). Поэтому ЭМУ с неполной компенсацией не мо­ жет считаться звеном направленного действия и его динамические характеристики зависят от нагрузки.

л и н е й н ы м и усилителями с очень малым, практически равным нулю внутренним сопротивлением; высоким коэффициентом усилетшя по мощности и близким к единице коэффициентом полезного действия. Они находят применение в маломощных автоматизирован­ ных электроприводах в качестве усилителей мощности, работающих ша исполнительный двигатель, или в предвыходных каскадах в ком­ бинации с тиристорными схемами.

Существенным недостатком релейных вибрационных усилителей является наличие контактов, понижающих надежность системы. При работе вибрационного усилителя на индуктивную нагрузку (чаще всего — обмотку якоря двигателя) возникает искрение, при­ водящее к обгоранию и спеканию контактов и к появлению интен­ сивных помех, экранирование которых — весьма сложная задача. Поэтому в релейных вибрационных усилителях необходимо при­ менение специальных искрогасящих схем; очень желателен пере­ ход на бесконтактные релейные элементы (динисторы или тири­ сторы).

Э л е к т р о м а г н и т н ы е м у ф т ы разных типов (ферропорошковые, индукционные, фрикционные) используются в каче­

надежности; на характеристики электромагнитной муфты практи­ чески не влияют изменения температуры, влажности, атмосферного давления. Однако характеристики порошковых муфт изменяются с течением времени вследствие старения наполнителя, а фрикцион­ ные муфты подвержены значительному износу.

Отметим, что электропривод, в котором работает ферропорошковая муфта, представляет собой системы регулирования с астатизмом второго порядка.

В автоматизированном электроприводе кроме основных элемен­ тов (чувствительного элемента, исполнительного электродвигателя, усилителя) применяется ряд вспомогательных устройств, без ко­ торых в большинстве случаев невозможна нормальная работа си­ стемы. К наиболее часто встречающимся вспомогательным устрой­ ствам относятся: преобразователи постоянного напряжения в пере­ менное (модуляторы); фазочувствительные выпрямители (демоду­ ляторы); фазовые дискриминаторы; согласующие устройства (ка­ тодные и эмиттерные повторители); фазосдвигающие цепи; сумми­ рующие устройства; схемы амплитудного ограничения; синхрони­ зирующие устройства.

100

М о д у л я т о р ы предназначены для преобразования мед­ ленно меняющегося сигнала постоянного тока в переменное напря­ жение, амплитуда и фаза которого соответственно определяются величиной и полярностью сигнала постоянного тока. Частота пере­ менного напряжения определяется частотой коммутирующего (опор­ ного) напряжения.

Д е м о д у л я т о р ы осуществляют обратное преобразование сигнала переменного тока в постоянное (пульсирующее) напряже­ ние, величина и полярность которого соответственно зависят от амплитуды и фазы сигнала переменного тока.

Применение демодуляторов и модуляторов в схемах автомати­ зированного электропривода переменного тока дает возможность, выполнить коррекцию на постоянном токе с помощью /?С-цепей значительно более простых, чем корректирующие звенья этого же

снижения уровня квадратурной помехи до допустимой величины. Э м и т т е р н ы е и к а т о д н ы е п о в т о р и т е л и ис­ пользуются для согласования входных и выходных сопротивлений элементов автоматизированного электропривода как на перемен­

ном, так и'на постоянном токе.

Ф а з о с д в и г а ю щ и е ц е п и обеспечивают правильные фазовые соотношения между различными переменными напряже­

ческих перегрузок. Схемы ограничения могут быть выполнены на электронных, полупроводниковых или магнитных элементах.

П е р е к л ю ч а ю щ и е (синхронизирующие) у с т р о й ­ с т в а обеспечивают последовательность работы точного и грубого каналов многоотсчетного автоматизированного электропривода с механической редукцией.

§ 23. О П Р Е Д Е Л Е Н И Е Т Р Е Б У Ю Щ И Х С Я З Н А Ч Е Н И Й П Е Р Е Д А Т О Ч Н Ы Х К О Э Ф Ф И Ц И Е Н Т О В

На данном этапе расчета необходимый передаточный коэффициент разомкнутого автоматизированного электропривода определяется допустимой величиной ошибки в типовом установившемся режиме работы. В качестве такого режима для статических систем обычно задается неизменность управляющего g (t) и возмущающих /,• (t) воздействий, т. е.

l o i

а для систем с астатизмом первого порядка — изменение входной величины с постоянной скоростью Q и постоянство возмущающих факторов, т. е.

fi (0 = fio = const. J

При выполнении условий (8.15) ошибка системы (называемая ста­ тической) не меняется во времени, но зависит от величины входного и возмущающих воздействий:

2 V i (Р)/«'о

Первое слагаемое выражения (8.17) в астатических системах автоматизированного электропривода равно нулю. Оно может от­ личаться от нуля только в статических (по управляющему воздейст­ вию) системах. Но и при статическом регулировании эта состав­ ляющая статической ошибки может быть сведена к нулю при по­ мощи масштабирования входной величины или использования не­ единичной обратной связи.

Таким образом, статическая ошибка почти любой замкнутой системы электропривода определяется вторым слагаемым выраже­ ния (8.15), т. е. возмущениями, действующими на систему (а также внутренними нелинейностями). К числу основных возмущающих воздействий следует отнести такие факторы:

1) статическую нагрузку исполнительного элемента автомати­ зированного электропривода; составляющая статической ошибки, вызванная нагрузкой, обычно наиболее велика. В автоматизиро­ ванном электроприводе, электродвигатель которого нагружается

(появлению напряжения Au на выходе измерительного элемента при согласованном положении входной и выходной осей электро­

3)люфт редуктора между валом электродвигателя и осью из­ мерительного элемента;

4)медленные колебания напряжения и частоты питающей сети, следствием которых является снижение передаточных коэффици­ ентов элементов системы;

102