Исполнительные механизмы переменной скорости

Электрические исполнительные механизмы переменной скорости используют в системах автоматики непрерывного действия. Скорость управления через управляющее устройство непрерывного действия плавно изменяет скорость перестановки исполнительного органа механизма. В таких исполнительных механизмах используют двухфазные и трехфазные асинхронные двигатели, частота вращения которых изменяется регулированием подведенного напряжения переменного тока. Широко используются исполнительные механизмы с бесконтактным управлением ИМ-Б, БИМ, МЭК-Б и др., так как они наиболее полно отвечают современным требованиям улучшения качества и надежности работы систем автоматического управления.

Рассмотрим схему бесконтактного управления исполнительным механизмом переменной скорости с двухфазным асинхронным двигателем, рисунок 6.3.1, а. В управляющую часть схемы входят ФЧУВ, магнитные усилители МУ1 и МУ2 и цепь обратной связи по частоте вращения исполнительного двухфазного асинхронного двигателя, использующая косвенный метод измерения частоты вращения двигателя, использующая косвенный метод измерения частоты вращения двигателя путем введения положительной обратной связи по току от трансформатора тока ТА и отрицательной обратной связи по напряжению от трансформатора напряжения Т V. Рабочие обмотки усилителей МУ1 и МУ2 включают последовательно с обмотками двухфазного асинхронного двигателя. Сдвиг по фазе в 90⁰ между токами в обмотках двигателя обеспечивается за счет конденсатора С, включенного параллельно обмоткам двигателя. Вращение двигателя через редуктор воздействует на регулирующий орган РО.

В зависимости от значения и фазы управляющего сигнала переменного тока U_~вх изменяются токи в выходных цепях ФЧУВ, а следовательно, и сопротивления рабочих обмоток МУ. Если при одной фазе управляющего сигнала открывается МУ1 и запирается МУ2, то при изменении фазы входного сигнала на 180⁰ запирается МУ1 и открывается МУ2. При этом двухфазный асинхронный двигатель реверсируется. Если U_~вх = 0, то МУ1 и МУ2 не подмагничены, сопротивление рабочих обмоток МУ одинаковы и значительно превосходят сопротивления обмоток двигателя. На конденсаторе С напряжение равно нулю и двигатель неподвижен. Частота вращения двухфазного асинхронного двигателя в рассматриваемой схеме зависит от значения управляющего сигнала U_вх.

Для расширения диапазона пропорциональной зависимости между частотой вращения двигателя и управляющим сигналом используют отрицательную обратную связь по частоте вращения. Коэффициент пропорциональности определяется значением обратной связи в зависимости от положения движка делителя напряжения сопротивления R_oc. Конечные выключатели SQ1, SQ2, включенные в цепях управления усилителя МУ, обеспечивают останов двигателя при подходе исполнительного органа механизма к крайним положениям.

Следует отметить, что в крайних положениях исполнительного органа возможны колебательные процессы из-за нелинейности характеристик МУ и особенностей их балансировки.

Рисунок 6.9 – Схемы бесконтактного управления исполнительными механизмами

переменной скорости с двухфазным (а) и трехфазным (б) двигателями

На рисунке 6.9, б приведена принципиальная схема бесконтактного управления исполнительного механизма с трехфазным асинхронным двигателем. В управляющую часть схемы входят: ФЧУВ – для управления магнитными усилителями МУ1 и МУ2 в зависимости от входного сигнала переменного тока U_~вх; МУ1 и МУ2 – для усиления сигналов постоянного тока, управляющие блоком из пяти дросселей насыщения БДН; цепь обратной связи по частоте вращения исполнительного трехфазного асинхронного двигателя, использующей косвенный метод с сигналами от ТА и TV.

В отличии от предыдущей схемы здесь выходной ток усилителей МУ1 и МУ2 выпрямляется. Он является током управления пятью дросселями насыщения. В зависимости от значения и фазы управляющего сигнала на входе ФЧУВ устанавливаются частота и направление вращения вала двигателя. Для расширения диапазона пропорциональной зависимости между частотой вращения двигателя и управляющим сигналом настраивается отрицательная обратная связь по частоте с помощью делителя напряжения сопротивления R_oc. Конечные выключатели SQ1 и SQ2, ограничивающие перемещение исполнительного органа механизма, включены в цепи управления соответственно магнитных усилителей МУ1 и МУ2.

При увеличении тока I_у1 через управляющую обмотку усилителя МУ1 подмагничивается группа дросселей (1, 2, 5) и на статорные обмотки двигателя подается напряжение, обеспечивающее вращение двигателя. При увеличении тока I_у2 через управляющую обмотку усилителя МУ2 подмагничивается другая группа дросселей (3, 4, 5) и на обмотки двигателя подается напряжение, вызывающее вращение двигателя в обратном направлении. Вращение двигателя через редуктор Ред воздействует на регулирующий орган РО объекта управления.

В исполнительных механизмах переменной скорости с бесконтактным управлением типа МЭК-К используют двухфазный асинхронный двигатель, который получает питание от двухтактных магнитных усилителей с внутренней положительной обратной связью. В схему исполнительного механизма МЭК-25Б, рисунок 6.10 входят: двухтактный дифференциальный магнитный усилитель с выходом на переменном токе МУ; дистанционное УД или автоматическое УА управление через командоаппарат SH; конечные выключатели SQ1 и SQ2 – для ограничения угла поворота выходного вала двигателя; индуктивный датчик указателя ДУП; электромагнитный тормоз YA – для торможения двигателем, переключатель П при дистанционном управлении.

Вращение двигателя через редуктор воздействует на регулирующий орган РО.

Рисунок 6.10 – Схема исполнительного механизма типа МЭК-25КБ

Контрольные вопросы:

1. Основные типы электрических исполнительных механизмов.

2. Из каких элементов состоит электрических исполнительный механизм? Их назначение.

3. Особенности управления электрическими исполнительными механизмами постоянной и переменной скорости.

Глава 7 Бесконтактные коммутирующие устройства

Магнитные усилители

Магнитные усилители применяются для управления электродвигателями самых различных типов, в том числе и электрическими исполнительными устройствами.

Основным элементом МУ является замкнутый сердечник из ферромагнитного материала, рисунок 7.1. На сердечнике имеется две обмотки, одна из которых питается постоянным током и называется управляющей, а вторая – переменным током и называется рабочей.

а – с О-образным сердечником; б – с Ш-образным вердечником

Рисунок 7.1 – Упрощенные схемы магнитных усилителей

Намагничивание сердечников осуществляется постоянным и переменным магнитными полями. Сигнал в виде напряжения U₁ постоянного тока подается на управляющую обмотку, ток которой создает постоянную составляющую магнитного поля. Синусоидальное изменение переменной составляющей индукции обусловлено синусоидальным напряжением, приложенным к рабочей обмотке.

К недостаткам простейшего МУ относятся следующие:

1) в обмотке управления постоянного тока наводится значительная ЭДС переменного тока;

2) усилитель не обладает чувствительностью к полярности входного постоянного сигнала;

3) усилитель имеет зону нечувствительности, в пределах которой изменение постоянного тока не вызывает заметного изменения силы тока в рабочей обмотке.

Для устранения перечисленных недостатков используются более сложные схемы, рисунок 7.1, б. В них управляющая обмотка расположена на средней части Ш-образного сердечника. Магнитные потоки Ф1 и Ф2, создаваемые намагничивающими силами переменного тока в среднем сердечнике, направлены навстречу друг другу и исключают индуктирование ЭДС переменного тока в обмотке управления. Сечение средней части сердечника равно сумме сечений крайних сердечников. Поэтому при равенстве магнитных потоков Ф1 и Ф2 в обмотке управления, размещенной на среднем сердечнике, не будет наводиться ЭДС переменного тока. Для того, чтобы МУ стал чувствительным к полярности входного сигнала, необходимо на среднем сердечнике МУ иметь дополнительную обмотку, называемую обмоткой смещения, к которой подводится постоянное напряжение смещения, на рисунке 7.1, б не показана. Благодаря этому смещению создается постоянное подмагничивание, что позволяет МУ стать чувствительным к знаку сигнала, поступающего на управляющую обмотку.

С увеличением подмагничивающего поля изменяется магнитное состояние материала сердечника, т.е. уменьшается его магнитная проницаемость.

Сила тока в рабочей обмотке МУ (в А)

где R = R_р + R_н – активное сопротивление обмотки и нагрузки, Ом; x_L = ωL= 0,8πƒω² _~sµ_~/l – реактивное сопротивление, Ом; ƒ – частота ЭДС сети, Гц; ω² _~ - число витков в обмотке; s – сечение магнитопровода, см²; µ_~ - магнитная проницаемость, Гн/м; l – длина средней силовой линии магнитопровода, м.

Уменьшение µ_~ приводит к увеличению x_L и I₂.

Если через обмотку управления пропустить постоянный ток I₁, то в сердечнике будут действовать постоянная и переменная слагающие магнитной индукции. По мере увеличения постоянного напряжения постоянная составляющая магнитной индукции возрастает и магнитная проницаемость в сердечнике меняется. Таким образом, путем изменения силы тока подмагничивания I₁ можно управлять переменным током в рабочей обмотке МУ, а следовательно, и в соединенной с ней последовательно нагрузке R_н.

Коэффициент усиления по мощности МУ (без обратных связей) имеет сравнительно небольшое значение (порядка нескольких десятков):

где Р_н – мощность, выделяемая в нагрузке при подмагничивании, кВт; Р_у – мощность, затрачиваемая в цепи управления, кВт.

Для изменения коэффициента усиления в МУ используются обратные связи – внешние и внутренние.

Рассмотрим нереверсивную схему бесконтактного управления двигателем постоянного тока независимого возбуждения, см. рисунок 7.2. Ток I₁ в первичной обмотке трансформатора, подключенной к источнику питания напряжением U₁, регулируется магнитным усилителем МУ. При отсутствии управляющего сигнала U_у на обмотку управления ω_у магнитного усилителя сопротивление рабочих обмоток ω_р этого усилителя Z_р значительно, поэтому ток I₁ настолько мал, что напряжение на выходе трансформатора U₂ ≈ 0. При подаче управляющего сигнала U_у происходит насыщение магнитопровода МУ, сопротивление рабочих обмоток Z_р уменьшается, а ток в первичной обмотке трансформатора увеличивается. При этих условиях напряжение U₂ на выходе трансформатора возрастает до требуемого значения. Переменный ток I₂ во вторичной цепи трансформатора посредством выпрямителя B преобразуется в постоянный ток I_а, который, проходя по обмотке якоря двигателя М, вызывает вращение якоря. Обмотка возбуждения ОВ двигателя включена в сеть постоянного тока на напряжение U_а.

Рисунок 7.2 Схема бесконтактного управления двигателем постоянного тока с применением магнитного усилителя

В зависимости от режима работы магнитного усилителя рассматриваемая система управления двигателем может работать в дискретном режиме («включено – выключено») либо в аналоговом режиме с регулированием частоты вращения двигателя путем изменения управляющего сигнала U_у.

Схемы управления с применением магнитных усилителей из-за больших габаритных размеров, массы и неудовлетворительных динамических свойств последних заменяются схемами управления на полупроводниковых элементах.

Тиристорные коммутирующие устройства

Основными элементами бесконтактных коммутирующих устройств являются управляемые силовые полупроводниковые приборы, в качестве которых обычно применяют тиристоры, реже – транзисторы в ключевых режимах.