КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ДВИГАТЕЛЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ ПОДАЧ СТАНКОВ С ЧПУ
Производим и продаем электроприводы ЭТУ, ЭПУ для двигателей постоянного тока, тел./email +38 050 4571330 / rashid@msd.com.ua
Электрический привод с тиристорными преобразователями и двигателями постоянного тока (ДПТ) является в настоящее время основным типом привода станков с ЧПУ. В силу целого ряда эксплуатационных преимуществ он практически вытеснил гидравлический регулируемый и следящий привод, а также элек - трогидравлический привод с шаговыми двигателями. Основные характеристики указанного электропривода определяются главным образом тнпом применяемого ДПТ.
Основным преимуществом ДПТ, определяющим их широкое применение в станочных регулируемых и следящих приводах, является высокая линейность механических характеристик, что позволяет плавно регулировать частоту вращения вала двигателя в очень широких пределах (диапазон регулирования частоты вращения современных ДПТ составляет 10 000 и более). К недостаткам ДПТ, по сравнению с асинхронными электродвигателями переменного тока, отиосят большие габариты, меньший к. п. д., необходимость в щетках и коллекторе для подвода тока в обмотку якоря. Последнее существенно снижает нх перегрузочную способность из-за ряда ограничений, связанных с процессами коммутации и опасностью образования кругового огня на коллекторе. Несмотря на эти недостатки, ДПТ продолжают совершенствовать в направлении повышения быстродействия и увеличения перегрузочной способности, повышения к. п. д., равномерности вращения на низких скоростях и т. д.
Потребности совершенствования технических характеристик регулируемых и следящих электроприводов станков с ЧПУ привели к разработке специальных ДПТ. Общими особенностями двигателей для следящих приводов являются возможность длительной работы на малых скрростях при полном моменте, что требует, специальных мер для их охлаждения, а также возможность многократной перегрузки по току в течение небольшого времени, что связано с необходимостью достижения высокого быстродействия привода. В частности, специально для станочных следящих приводов были разработаны электродвигатели серии ПБСТ (серия П безобдувная станочная со встроенным тахогенератором), особенностью которых является наличие встроенного тахогенератора с большим числом (96) коллекторных пластин и коллектора якоря также с увеличенным числом пластин. Эти меры значительно повышают равномерность вращения вала двигателя на ннзких скоростях. Необходимый тепловой режим на этнх скоростях обеспечивается за счет снижения электромагнитных нагрузок, т. е. за счет недоиспользования по току и напряжению, что приводит к увеличению габаритов таких двигателей по сравнению с нормальными двигателями общепромышленной серии П, но вместе с тем увеличивается и тепловая постоянная времени двигателя. Двигатели этой серии допускают перегрузку на 40% в часовом режиме, четырехкратную перегрузку по току в течение 1 мин н десятикратную — в течение 1 с.
Были разработаны также специальные малоинерционные двигатели с гладким якорем серии ПГ (ПГТ— со встроенным тахогенератором). Уменьшение момента инерции, а следовательно, и постоянных времени (в 5—6 раз меньше, чем у обычных) достигается за счет уменьшения диаметра и увеличения длины якоря. Якорь такого двигателя имеет беспазовую конструкцию. Проводники обмотки якоря из меди прямоугольного сечения наклеиваются на гладкую наружную поверхность якоря (шихтованного из тонких стальных кружков), укрепляются стеклотканью и заливаются эпоксидной смолой. Такая конструкция обмотки обеспечивает малую индуктивность якорной цепи, что позволяет обеспечить хорошую коммутацию тока при больших нагрузках двигателя (допускается протекание 10-кратиых против номинального значений тока в переходных режимах). Беспазовая конструкция позволяет также, при определенном распределении обмотки на поверхности якоря, исключить пульсации момента, обычно имеющиеся при входе пазов в полюсную зону и выходе из нее. Увеличению перегрузочной способности таких двигателей способствуй хорошее охлаждение обмотки якоря, расположенной на его поверхности, обеспечиваемое за счет принудительной вентиляции (от отдельного вентилятора с приводом от асинхронного двигателя, укрепляемого на корпусе двигателя серии ПГТ). Двигатели с-гладким якорем обеспечивают отработку максимальных ускорений порядка (2-f-6)-104 рад/с2. Однако нз-за сложности изготовления, высокой стоимости и малой надежности эти двигатели не нашли широкого применения - в станкостроении, кроме того, из-за увеличенной длины они плохо встраиваются "в станки.
Более удобными для приводов подач станков с ЧПУ оказались высокомо - ментные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов. Относительно низкие значения номинальной частоты этих двигателей (500—1000 об/мин) и возможность длительной работы на малых оборотах с большими моментами позволяют обходиться без редукторов и связывать такой двигатель непосредственно с ходовым винтом рабочего органа. При этом значительно упрощается кинематика станка, увеличивается' надежность и точность работы. Такие двигатели в настоящее время стали основными для приводов подач станков с ЧПУ. По этой причине ниже будут более подробно рассмотрены особенности конструкции и характеристики высокомоментных электродвигателей.
Особенности высокомоментных двигателей (ВМД). ВМД впервые начали выпускаться в 1968—1970 гг. в США на базе двигателей, применяемых в специальной технике. Большие преимущества таких двигателей по сравнению с малоинерционными с гладким якорем обеспечили быстрое' их внедрение в приво
дах подач станков с ЧПУ. Главные конструктивные особенности ВМД следующие:
— возбуждение осуществляется от высокоэнергетических постоянных магнитов;
— увеличено число пазов якоря и число коллекторных пластин;
— применение изоляционных материалов с высокой допустимой температурой;
— усиленная конструкция вала и подшипников;
— ужесточенная конструкция корпуса;
— повышено отношение длины якоря к его диаметру;
— используются специальные щетки с большой перегрузочной 'способностью;
— высокие значения электромагнитного вращающего момента.
Как правило, ВМД выполняются с встроенными: тахогенератором (с малым уровнем пульсаций при малых частотах вращения), датчиком пути высокой точности (•многополюсный ВТ-резольвер) и электромагнитным тормозом.
Отмеченные конструктивные особенности придают ВМД ряд - ценных свойств. Так,, замена электромагнитного возбуждения на возбуждение от постоянных вы - сокоэнергетичес^их магнитов обеспечила возможность мно'гополюсного (6—12 полюсов) исполнения двигателей (рис. 1.1) и полную компенсацию реакции якоря без добавочных полюсов. При этом значительно повышается к. п. д. двигателя (на 15—20%), достигаются высокие значения развиваемых двигателем Моментов При относительно небольших габаритах и массе (рис. 1.2). Работа двигателя с большими пусковыми токами потребовала совершенствования конструкции коллектора н щеточного аппарата. Использование пазового якоря с большим чйслом пазов и коллекторных пластин обеспечило равномерность вращения якоря двигателя иа малых частотах и сравнительно высокую температурную постоянную времени (до 120 мни). Очень важно для повышения качества и устойчивости следящего привода отсутствие люфтов в соединениях двигателя и датчиков скорости и пути, что обеспечивается в ВМД наличием встроенных тахогенератора и резольвера. ВМД обладают следующими техническими характеристиками [1]:
— относительно низкие номинальные (до 1000 об/мин) и максимальные частоты вращения (до 1500—2000 об/мин)';
— высокие перегрузочные моменты (6— 10-жратные) при малых частотах со значительным их уменьшением (1,5—3-кратные) при номинальных и особенно максимальных частотах вращения;
— большая термическая постоянная времени (60—120 мин);
Рис. 1.1. Система возбуждения вы- сокомоментных электродвигателей От постоянных магнитов 1 — корпус двигателя; 2 — феррито - вые магниты для возбуждения; 3 — якорь. |
-— обеспечение равномерного вращения якоря на низких скоростях (до 0,1 об/мин);
Рис. 1.2. Сравнение ВМД. с ДПТ обычного исполнения по габаритам (а), общей массе (б), массе меди (в), потерям (г). ДПТ с электромагнитным возбуждением и самовентиляцией (1) и ВМД с ферритовыми магнитами (2) имеют мбмент 30 Нм при 1000 об/мин |
— момент инерции ВМД сравним с моментом инерции ДПТ нормального исполнения;
— относительно небольшие диаметр и вес двигателей, что позволяет встраивать их а. механизм подач станков с ЧПУ.
Необходимость значительного снижения допустимого максимального момента по мере увеличения частоты вращения якоря связана с ухудшением коммутации в двигате-ле при отсутствии добавочных полюсов. При этом требуется применение нелинейных схем токоограничения. В приводах подач станков с ЧПУ ВМД соединяются с шариковыми ходовыми винтами при помощи специальных соединительных муфт.
Подробные технические данные, габаритные и присоединительные размеры электродвигателей серий 2П, ПБСТ, ПСТ, ПСПТ и ПГТ приведены в [2]. Отечественной промышленностью освоен выпуск высокомоментных электродвигателей серий ПВ и ДК1, которые применяются для приводов подач станков с ЧПУ. Технические данные этих двигателей приведены в [3, 4]. Двигателями этих серий охватывается достаточно широкий диапазон моментов (табл. 1.1).
Таблица 1.1
|
Электродвигатели серии ПВ предназначены для применения в приводах станков с управлением от тиристорных или транзисторных преобразователей. Конструктивно двигатели этой серии имеют фланцевое исполнение и допускают эксплуатацию при любом положении в пространстве.
Расшифровка условного обозначения электродвигателей серии ПВ производится следующим образом:
Климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150—69
Шифр исполнения: Е—с тормозом: О — с датчиком положения: ЕО — с тормозом и flaf4HkoM положения
Условная длина якоря:. S — короткая; М — средняя; L — длинная
Высота оси вращёния, мм — В — высокомоментный
________ Исполнение: Б •— закрытое с естественным охлаждением, степень защити IP44; Ф — защищенное со степенью защиты IP54
----------------------------------------------------- Я — электродвигатель постоянного тока
С тахогенератором
Для электродвигателей ПВ допустима в течение 1 мин перегрузка по току на 50% сверх номинальной, в течение 0,2 с возможен ток, соответствующий току максимального пускового момента, в течение 3 мин повышение частоты вращения на 30% сверх максимальной, приведенной в табл. 1.2. Практически режим работы двигателя должен выбираться с учетом кривых допустимых моментов [3].
Двигатели с номинальным моментом до 47 Н-м развивают максимальный момент JWmax~10 Мвом в диапазоне частот вращения от 0 до 0,3 пвОм - Двигатели с номинальным моментом 76,4 и 105 Н-м развивают максимальный момент ■Mmai^4,8 Мном в диапазоне частот вращения от 0 до пшОм. Двигатели с номинальными моментами 143,2 и 1Z5 Н-м развивают jWmai = 3 Мвом в диапазоне частот вращения от 0 до ппом- Зависимость между величиной вращающего момента и тока якоря M=F(IR) практически линейна до М=0,7—0,8 Mm!L%. Допускается длительная работа двигателей при частоте вращения 0,1 мин-1 с моментом не менее номинального, при этом неравномерность вращающего момента не превышает 6—8%'.
Электродвигатели серии ПВ комплектуются тахогенератором ТС-1М со следующими техническими характеристиками: крутизна выходной характеристики,
Величина параметра электродвигателя типа
|
„ ^ „ „ В мин Постоянная ЭДС, Об |
0,045 |
0,044 |
0,051 |
0,063 |
0,065 |
0,077 |
0,105 |
0,118 |
0,141' |
0,094 |
0,118 |
Момент инерции якоря электродвигателя, кг • м2 |
• |
||||||||||
С тахогенератором |
0,01 |
0,013 |
0,035 |
0,042 |
0,049 |
0,188 |
0,233 |
0,242 |
0,298 |
0,194 |
0,242 |
С тахогенератором и тормозом |
0,0112 |
0,0142 |
0,0366 |
0,0433 |
0,0504 |
0,1901 |
0,2401 |
0,2464 |
0,3024 |
0,1984 |
0,2464 |
Электромеханическая постоянная времени электродвигателя, мс: |
|||||||||||
С тахогенератором |
10,3 |
7,6 |
13,2 |
10,1 |
8,6 |
14,2 |
12,3 |
8,5 |
7,9 |
9,9 |
8,5 |
С тахогенератором и тормозом |
11,5 |
7,8 |
13,8 |
10,4 |
8,8 |
14,4 |
12,4 |
8,63 |
8,02 г |
10,05 |
8,63 |
Электромагнитная постоянная времени, мс |
5,3 |
5,75 |
6,75 |
7,3 |
7,65 |
7,35 |
7,85 |
10,63 |
11,8 |
9,25 |
10,63 |
Сопротивление обмотки якоря при 15°С, Ом |
0,222 |
0,139 |
0,109 |
0,123 |
0,144 |
0,0574 |
0,0707 |
0,0317 |
0,0343 |
0,0292 |
0,0317 |
Индуктивность обмотки якоря, мГн |
1,18 |
0,8 |
0,732 |
0,8.98 |
1,102 |
0,422 |
0,554 |
0,337 |
0,405 |
0,270 |
0,337 |
Тепловая постоянная времени, мин |
60 . |
70 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
— |
— |
— |
— |
Масса электродвигателя с тахогенератором, кг |
27 |
33 |
41 |
45' |
52 |
83 |
100 |
168 |
182 |
162 |
176 |
Высота оси вращения электродвигателя, мм |
Типоразмер тормоза |
Момент тормоза, Нм |
Рабочий ток, А |
Сопротивление обмотки при 20°С, Ом |
Момент инерции, кг • м3 |
100 112 132 и 160 160 |
ЭТДВ22УЗ ЭТДВ32УЗ ЭТДВ42УЗ ЭТДВ41УЗ |
8 20 63 160 |
0,6 1,1 1,53 1,68 |
25,4 14,2 9,55 9,55 |
0,00119 0,00130 0,00214 0,00214 |
В/об/мни — 0,02; сопротивление нагрузки, кОм, не менее — 4; сопротивление об - •моткн якоря при 15°С, Ом — 138; индуктивность обмотки якоря, Гн — 0,6. Датчик положения типа ПМБ-1, которым комплектуются двигатели серии ПВ, имеет следующие основные технические характеристики: число пар полюсов — 10, число фаз источника питания — 2; сдвиг фаз источника питания, эл. град. — 0 или 90; напряжение питания, В — 5±0,25; частота питания, Гц —500; потребляемый ток, мА, не более—10; выходное напряжение при сопротивлении нагрузки. 10 кОм, В—0,5; погрешность в статическом режиме при сопротивлении нагрузки 10 кОм, угл. мии, не более — 20. Технические данные применяемых в электродвигателях серии ПВ электромагнитных тормозов серии ЭТДВ с напряжением питания 24В (на ЭТДВ41УЗ—110В) приведены в табл. 1.3.
Электродвигатели серии ПВ комплектуются температурным датчиком, обеспечивающим подачу сигнала в цепь управления при недопустимых для изоляции перегревах.
Электродвигатели серий ПВ без тормоза и датчика положения характеризуются следующими показателями надежности: средний ресурс работы электродвигателя— не менее 20 000 ч; средний срок службы—не менее 15 лет; вероятность безотказной работы за период 10 000 ч составляет не менее 0,9 при доверительной вероятности 0,8.
Электродвигатели серии ДК1 предназначены для эксплуатации в составе следяще-регулируемых электроприводов (преимущественно типа ПРП) механизмов подач металлообрабатывающих стаиков и манипуляторах промышленных роботов. Двигатели имеют фланцевое исполнение МЗОО по СТ СЭВ 246—76, степень защиты IP44 по ГОСТ 14254—69 (закрытые), естественное охлаждение и допускают эксплуатацию при любом положении в пространстве. Конструкция ВМД серии ДК1 близка к конструкции ВМД серии ПВ, при уменьшении диаметра якоря, насколько это возможно, с целью максимального снижения момента его инерцни. Возбуждение осуществляется от литых постоянных магнитов из сплава ЮНДК35Т5, обеспечивающих повышенную (до 0,6 Т) индукцию в воздушном зазоре и снижение диаметра и момента инерции двигателей. Исполнение индуктора — четырехполюсное. Все типоразмеры двигателя имеют одинаковый наружный диаметр, но разную длину с целью максимальной унификации деталей и узлов. Расшифроёка условного обозначения электродвигателей серии ДК1 производится следующим образом:
ДК1 - X - XXX - AT
~I=---------------------------------------------- — Индекс предприятия-разработчика
Шифр исполнения:
-------------------------------------------------- О — без тормоза;
I 1—с тормозом
__________________________________ j 0 — без датчику положения;
I 1 — с датчиком положения;
____________________________________ I 0 — без тахогенератора;
I 1 — с тахогенератором;
---------------------------------------------------- Номинальный момент, Нм
------------------------------------------------- Серия: Д — двигатель;
; К — коллекторный;
1 — порядковый номер серии.
Электродвигатели серии ДК1 могут находиться в заторможенном состоянии при номинальном токе не более 3 ч, а в течение 1 мин выдерживают 1,5-кратную перегрузку по току. Допускается работа электродвигателя в течение 2 мин при повышенной до 2000 об/мин частоте вращения при номинальном моменте. В переходных режимах электродвигатели этой серии способны обеспечить максимальный момент до 7-кратного номинального за счет соответствующего увеличения тока якоря. При этом кратность максимального тока не превышает кратность максимального момента более чем на 10%. Технические характеристики электродвигателей серии ДК1 приведены в табл. 1.4.
Двигатели серии ДК1 имеют следующие показатели надежности:
— минимальная наработка с заменой щеток в процессе эксплуатации*— 16 ООО ч; срок службы с учетом срока хранения — 12 лет.
В комплект электродвигателя могут входить тахогенератор типа ТГ1; тормоз типа ЭТДВ12УЗ и датчик положения типа ПМБ-1. Технические данные тахогенератора ТГ1 следующие; крутизна выходной характеристики'—0,03± 0,0015 В/об/мин; частота вращения— 1000 об/мин; сопротивление нагрузки 2000 Ом; момент инерции ротора тахогенератора не превышает 0,4-Ю-3 кг-м2.
Кроме описанных отечественных ВМД, в приводах подач станков с ЧПУ, выпускаемых отечественными станкостроительными производственными объединениями, широко применяются ВМД производства социалистических стран: НРБ, ЧССР, ПНР. Технические характеристики ВМД производства этих стран, а также фирм Fanuc (Япония) и Inland motor (США) приведены в [3].
Статические и динамические характеристики ВМД. Как отмечено выше, ВМД является электродвигателем постоянного тока (ДПТ) с некоторыми конструктивными особенностями. Поэтому для ВМД справедливы уравнения, описывающие работу обычного ДПТ, а также их статические и динамические характеристики при учете особенностей ВМД. Рассмотрим эти характеристики с учетом особенностей ВМД и его использования в современных электроприводах, выполненных по структуре подчиненного регулирования.
Величина параметра электродвигателя типа: |
||||
Параметр |
||||
ДК1-1.7 |
ДК1-2.3 |
Дк1-з, г> |
ДК1-5.2 |
|
Номинальные: |
||||
Момент, Нм |
1.7 „ |
2,3 |
3,5 |
5,2 - |
Частота вращения, об/мин |
1000 |
1000 |
1000 |
1000 |
Мощность, кВт |
0,177 |
0,24 |
0,364 |
0,54 |
Напряжение, В |
36 |
48 |
65 |
. 110 |
Ток, А Максимальный момент, Нм, |
8,0 - |
7,5 |
7,5 |
6,5 |
В диапазоне частот вра |
||||
Щения, об/мин |
||||
0.. .500 |
11,9 |
16,1 |
24,5 |
36,4 |
500... 1000 |
11,9 |
16,1 |
17,5 |
26 |
1000... 2000 |
11,9 |
11,5 - |
10,5 |
15,6 |
Ток холостого хода, А |
1,5 |
1,3 |
1.0 |
0,8 |
Сопротивление обмотки яко |
||||
Ря при 20°С,- Ом |
0,75 |
0,95 |
1,15 |
2,10 |
Электромагнитная постоянная |
||||
Времени, мс |
2,5 |
3,0 |
3,5 |
5,3 |
Электромеханическая посто |
1 7 |
|||
Янная времени двигателя |
||||
С тахогенератором; - тор |
||||
Мозом и датчиком положе |
||||
Ния, - мс |
25 |
20 |
15 |
10 |
КПД, % . |
61,5 |
67 |
74,5 |
75,5 |
Тепловая постоянная време |
||||
Ни, мин |
45 |
50 |
60 |
60 |
Масса двигателя с тахоге |
||||
Нератором, тормозом, дат |
22,9 |
|||
Чиком положения, Кг |
25,5 |
28,1 |
33,3 |
ВМД, определяющая зави- частоты вращения М(п), где
— скорость (частота) вращения двигателя. Ее связь с угловой скоростью (частотой) вращения <о определяется следующим образом:
На рис. 1.3 показана характеристика симость момента, развиваемого двигателем от |
Об |
Л |
Мин |
Об
2«_ 60 |
Град Гг |
=4-1 L мин J |
9,55 |
На характеристике ВМД выделяют три зоны: длительной работы — 1; кратковременной работы — 2 и работы в переходных режимах — 3. Из характеристики видно, что ВМД, в отличие от ДПТ обычного исполнения, способен во 2 н 3-й зонах развивать моменты, намного превосходящие номинальные. Однако макси-
Мальный момент Ммакс такой двигатель способен развивать в течение весьма короткого интервала времени (0,2 с). Если номинальный момент определяется по допустимым условиям нагрева и является длительным, то максимальный момент при п—0 ограничен размагничивающим действием тока якоря (при применении высокоэнергетических постоянных магнитов для возбуждения максимально допустимый ток якоря может в 10 и"более раз превышать номинальный), а при увеличении частоты вращения допустимая величина максимального момента значительно снижается из-за ухудшения коммутации. Поскольку зависимость максимально допустимого момента от частоты вращения имеет нелинейный вид, то практически она обеспечивается специальной схемой нелинейного токоограннче - ния, которая имеется в составе электропривода. ВМД допускает кратковременную работу и на повышенной частоте вращения, которая, с учетом возбуждения от постоянных магнитов, может обеспечиваться только за счет увеличения напряжения на якоре двигателя, что должно быть предусмотрено схемой тиристор - ного преобразователя, от которого питается такой двигатель (рис. 1.4).
Как статические, так и динамические характеристики ВМД могут быть получены из следующих уравнений [5]:
Dl,
П. об/мин |
Рис. 1.3. Диаграммы зависимости допустимых моментов от частоты вращения для высоком ом ентного электродвигателя: 1 — зона длительной работы; 2 — зона кратковременной работы; 3 — зона работы в переходных режимах |
Е=КФа>;
Рис. 1.4. Эквивалентная схема подключения ВМД к выходу тиристорного преобразователя: Итш — напряжение ТП-, £тц н гтп — индуктивность и сопротивление выходной цепи ТП - L„ и г я — индуктивность и сопротивление якорной цепн двигателя |
D о)
М — М~ = J-------------------------------------------------- . (1.4)
Здесь г—полное активное сопротивление якорной цепи, Ом; L — полная индуктивность якорной цепи, Гн; е — ЭДС вращения двигателя, В; K—PN[2 па— Конструктивный коэффициент двигателя; р, N, а — соответственно числа пар полюсов, активных проводников и параллельных ветвей обмотки якоря; Ф — магт ннтный поток возбуждения двигателя, Вб; со — механическая угловая скорость двигателя, рад/с; М, Мс — соответственно момент, развиваемый двигателем, и момент статического сопротивления на валу двигателя', Нм; J — момент инерции привода, включающий в себя момент инерции двигателя /Дв и приведенный к валу двигателя момент инерции механической передачи J м-
Поскольку для ВМД произведение %Ф является величиной постоянной, ее обозначим как с=КФ. Значение с определяется по паспортным данным двигателя для установившегося номинального режима
^ном — /я. ном г
С =---------------------------------------------------------------- . (1.5)
Шном
Совместное решение уравнений системы (1.1—1.4) относительно угловой скорости со и момента М при с=const и Мс = const и последующая запись результата в операторной форме при нулевых начальных условиях дают:
TOC o "1-3" h z Р2НР) + + Т"V" ТТ~ ~ "Г" (Ь6)
Гэ Гэ7м ТэТы с с2 J
РЩр) + ~ рЩр) + уу- Щр) = —Г р^(р)+Л1с(р)1, (1.7)
Э Э М э м * J
где г/с2 М0(р)=Асйс(р)—изображение статического перепада скорости, вызванного падением напряжения от тока статической нагрузки на активном сопротивлении якорной цепи, рад/с; Ts=L/R — электромагнитная постоянная якориой цепи, с; 7,м=^'"/с2 — электромеханическая постоянная времени, с.
'/г |
01 |
|||
Тэр + 1 |
ТмР |
Рис. 1.5. Структурная схема ДПТ, где промежуточная переменная — момент двигателя М
Из уравнений (1.6—1.7) легко записываются передаточные функции ВМД при возмущении по управлению
(Р) Кдв
- ' Wy(p) =■
ГК |
Дв |
И при возмущении по нагрузке WH(p) = -
U(p) ТэТар2 + ткр+1
Ашрр)
Мс {р) ТдТ»р* + Тир + 1 Где /Сдв = 1/с.
По полученным уравнениям и передаточным функциям можно составить структурную схему ВМД. При этом в качестве промежуточной переменной, отражаемой на структурной схеме, может приниматься момент двигателя для. учета момента статического сопротивления. При использовании двигателя в электроприводе, выполненном по структуре подчиненного регулирования для выделения контура тока, необходимо в структурной схеме электродвигателя в качестве промежуточной переменной принять ток якоря. Структурная схема ВМД для первого случая приведена на рис. 1.5. Здесь U—U(p)—изображение напряжения питания, а Е=е(р)—изображение ЭДС двигателя. Передаточные функции звеньев структурной схемы легко получаются из системы уравнений (1.1—1.4) после записи их в операторном виде
U-E=(r+Lp)in(p); (1.10)
М=Ыя(р); (1.11)
M—Mc = Jpa. (1.12)
Первое уравнение (1.10) после выноса г за скобку и, учитывая, что 1/г=Тэ, можно записать в виде
И—Е=г(1 + Тьр)4я(р). (1.13)
Решая это уравнение относительно in(p) и подставляя его значение в уравнение (1.11), получим
M-=—^—{U-E). (Ы4)
- 1 +Тър
^U-E |
Полученное выражение соответствует первому звену, изображенному на струк
турной схеме ВМД. Передаточная функция, соответствующая второму звену, получается из уравнения (1.12), если его записать относительно ш
Ш=-4~(М — Мс) (1.15)
Ти
И учесть, что J= —согласно введенному выше обозначению. Тогда
<°=-$г?-(М-Мс). (1.16) 1 м Р
Обратная связь по частоте вращения изображается по выражению
£=сш. (1.17)
Построение структурной схемы ВМД для второго случая, когда в качестве промежуточной переменной принимается ток якоря, производится следующим образом. Передаточную функцию, соответствующую первому звену структурной схемы (рис. 1.6), можно записать непосредственно по уравнению (1.10), решая его относительно IR (р):
; ■ (1Л8)
Уравнение (1.12) с учетом уравнения (1.11) и, приняв Мс~0, можно записать в виде
CiR(p)=Jpa>. (1.19)
Или
T«(p), (1-20)
Учитывая связь / и Гм, окончательно можно записать
«■>= . ЧР)- (1-21)
Последнее уравнение соответствует второму звену структурной схемы на рис. 1.6.
При изображении структурной схемы ДПТ (в том числе и ВМД) в составе электропривода, выполненного по структуре подчиненного регулирования, обратная связь по частоте вращения, как правило, не учитывается. Это связано со следующими соображениями [6]. Как всякая замкнутая система, токовый контур стремится воспроизводить на своем выходе входной сигнал, которым в данном случае является напряжение регулятора скорости. Изменение ЭДС, возникающее при изменении скорости" двигателя, является для него возмущением и приводит к отклонению тока якоря от значения, задаваемого входным сигналом. Еслн изменение скорости, вследствие значительной электромеханической постоянной времени Тм (что характерно для ВМД), происходит сравнительно медленно, а. быст-; родёйствие токового контура велико, ток якоря изменяется в соответствии с изменением напряжения регулятора скорости независимо от действующего иа контур возмущения в внде изменения ЭДС двигателя. По этой причине на структурной схеме эта обратная связь может не учитываться.
Й) |
С
1 |
1я . |
Г |
|
Г(Тэр+1) |
СТмр |
||
U-E |
4
Рис. 1.6. Структурная схема ДПТ, где промежуточная переменная — ток якорной цепи U
Как известно, характер переходного процесса при ступенчатом приложении напряжения к якорю двигателя зависит от соотношения постоянных времени Т3 И Гм. При выполнении условия 4 Т3>ТМ переходный процесс носит колебательный характер, при условии 4 ТЭ<ТМ — апериодический характер, а передаточная функция двигателя (1.8) соответствует апериодическому звену второго порядка и может быть представлена в виде
U(p) |
Wy(p) = ------------ -*»-
(1-22)
(1 + Т, р)( 1 + Тгр)
Где
Л, Г2 =
2 V 4
При условии, что ГэСГм, передаточная функция двигателя будет соответствовать апериодическому звену первого порядка и иметь вид
(1.23) |
КЦв
Wy(p) =
1 + Тир ■
Ти |
1 э' |
На практике для ВМД, устанавливаемого непосредственно на ходовой виит в приводе подач станка, электромеханическая постоянная времени, с учетом приведенного момента инерции механизма, оказывается весьма значительной, и переходный процесс соответствует апериодическому звену второго, а чаще первого порядка. С учетом этого по рекомендациям СЭВ принято оценивать быстродействие двигателя по среднему угловому ускорению, которое определяется по формуле [3]
Рад |
Sep — |
(1.24) |
0,63 0>н
'0,63
Где <о, бз — время, за которое двигатель, нагруженный моментом инерции механизма, разгонится до 63% от шПом (для разгона по экспоненциальной кривой T0IS3= '/a Tn, где Tn — время переходного процесса).