автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Асинхронный электропривод с прерывистым законом движения

На правах рукописи

Воронина Наталья Алексеевна

АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ПРЕРЫВИСТЫМ ЗАКОНОМ ДВИЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 ноя 2013

Томск-2013

005539110

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Национальном исследовательском Томском политехническом университете» на кафедре электропривода и электрооборудования Энергетического института.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Аристов Анатолий Владимирович

Официальные оппоненты: Власьевский Станислав Васильевич

доктор технических наук, профессор каф. «Электротехника, электроника и электромеханика», г. Хабаровск, Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Богданов Александр Александрович кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОАО НПЦ «Полюс», г. Томск

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Иркутский государственный

технический университет, г. Иркутск

Защита диссертации состоится 17 декабря 2013 г. в 15 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.11 при ФГБОУ ВПО «Национальном исследовательском Томском политехническом университете» по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, 7, аудитория 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Национального исследовательского Томского политехнического университета».

Автореферат разослан <<$» ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.269.11 к.т.н., доцент

Ю.Н. Дементьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электропривод углового движения с прерывистым движением вала широко используются в машино- и приборостроении, горной и химической промышленности, в технике контроля и измерения, строительстве, текстильной промышленности и сейсмологии.

Существующие в настоящее время привода выполняются, как правило, на базе шаговых двигателей (ШД) или асинхронных двигателей (АД) с механическими преобразователями движения, что порой не позволяет осуществлять регулирование параметров движения непосредственно в технологическом процессе.

Кроме того, недостатками известных электроприводов являются: вероятность потери крутящего момента на высоких скоростях; возникновение резонансных явлений, при введении контуров обратной связи или возможность потери контроля над положением ротора ввиду отсутствия их; наличие дополнительных механических устройств преобразования движения и, как следствие, отсутствие плавного регулирования угла поворота шага; невозможность осуществления режима реверса.

Вопросами разработки электроприводов с прерывистым законом движения, и в частности на базе АД, занимались как российские, так и зарубежные ученые. Значительный вклад в эту область исследования внесли: Луковни-ков В. И., Чиликин М. Г., Ивоботенко Б. А., Грачев С. А., Ткалич С. А., Маме-дов Ф. А., Беспалов В. Я., Постников В. А., Балковой А. П., Со Лин Аунг, Lawrenson P. J., Harris М. R. и др.

Наиболее перспективным видится построение данного класса электроприводов на базе АД, работающих непосредственно в режиме прерывистого движения, за счет фазовой модуляции питающих напряжений (токов) с прерыванием питания по одной из обмоток в момент времени, когда электромагнитный момент, развиваемый двигателем, стремится к нулю. Однако, отсутствие теоретических исследований и обобщения комплекса вопросов расчетно-теоретического характера по данным электроприводам существенно сдерживает развитие и внедрение последних.

Объектом исследования является асинхронный электропривод углового движения с прерывистым движением вала.

Предметом исследования являются выходные характеристики электропривода углового движения с прерывистым движением вала.

Цель работы состоит в исследовании асинхронного электропривода углового движения с прерывистым движением вала при потенциальной и токовой фазовой модуляции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- оценить современное состояние и тенденции развития электроприводов углового движения с прерывистым движением вала;

- вывести аналитические зависимости, устанавливающие взаимосвязь между параметрами электрической машины, источниками питания и нагрузкой при фазовой модуляции питающих напряжений (токов) и на основании их разрабо-

тать методику расчета выходных параметров электропривода с прерывистым законом движения;

- получить инженерные соотношения для расчета рабочих характеристик электропривода и определить условия их автономности при регулировании параметров;

- разработать имитационные модели электроприводов с прерывистым законом движения при потенциальной и токовой фазовой модуляциях для исследования динамических и кинематических характеристик;

- выработать критерии для расчета и оценки точностных характеристик электроприводов с прерывистым законом движения;

- экспериментально исследовать макетный образец электропривода в лабораторных условиях с целью проверки разработанных математических моделей, методик расчета и результатов теоретического анализа.

Методы исследования. При выполнении работы использовались аналитические, математические и экспериментальные методы исследования. В процессе аналитических и математических исследований использовались методы интегрального, дифференциального и операционного исчисления, а также численные методы расчета. Математическое моделирование было выполнено в средах МаЛСАЭ-М и МаИаЬ-2007. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанном стенде с использованием методов контроля, измерения и обработки результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением результатов математического расчета и имитационного моделирования, а также проведёнными экспериментальными исследованиями. Научная новизна работы заключается в следующем:

- показана перспективность использования АД с линейно-фазовой модуляцией фазных напряжений (токов) для создания регулируемых электроприводов углового и линейного движения с прерывистым движением вала;

- установлены неизвестные ранее аналитические связи между параметрами электрической машины, источниками питания и нагрузкой на основании которых разработана методика определения выходных параметров электропривода с прерывистым законом движения при фазовой потенциальной и токовой модуляции;

- получены аналитические соотношения, определяющие рабочие характеристики электропривода с прерывистым законом движения и условия обеспечения их автономности;

- определены критерии оценки точностных характеристик электропривода, работающего в режиме прерывистого движения за счет фазовой модуляции питающих напряжений (токов).

Практическая ценность работы:

- разработаны инженерно-практические рекомендации по оценке точностных характеристик асинхронного электропривода с прерывистым законом движения по максимальному коэффициенту нестабильности внутри одного шага;

- создано программное обеспечение для анализа выходных характеристик асинхронного электропривода с прерывистым законом движения;

- найдены новые технические решения, позволяющие расширить эксплуатационные возможности двухфазных асинхронных двигателей, работающих в режиме прерывистого движения, путем стабилизации амплитуды координаты подвижного элемента двигателя при регулировании частоты шага и повышения его координатной точности за счет устранения высокочастотных пульсаций напряжения частоты сети и регулирования времени разгона подвижного элемента двухфазного асинхронного двигателя до установившегося значения амплитуды шага, защищенные патентами на полезные модели.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований переданы для внедрения на предприятие ООО «Сибметахим» г. Томска, подразделения ОАО «Газпром», а также используются в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных работ студентами кафедры электропривода и электрооборудования Энергетического института ТПУ, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили одобрение: на научно-технических семинарах кафедры «Электропривода и электрооборудования» ЭНИН ТПУ (г. Томск, 2009 -2013г.); на IV Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2009 г.); на V Юбилейной Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», посвященной памяти Г.А. Сипайлова (г. Томск, 2011 г.); на X, XV, XVI, XVII, XVIII Международных научно-практических конференциях студентов аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2003, 2009 -2012г.), на всероссийской научной конференции молодых ученых (г. Новосибирск, НГТУ 2012 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 14 работах. Из них 3 статьи в изданиях из перечня, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в межвузовском научном сборнике, 2 патента РФ на полезную модель, 8 статей в сборниках докладов Международных и Всероссийских конференций.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 136 страниц машинописного текста, включая 53 рисунка, 6 таблиц, списка использованной литературы из 50 наименований и 6 приложений на 14 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность, цель и научная новизна решаемой задачи, а также структура работы и апробация результатов основных теоретических и экспериментальных исследований. Изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современного состояния вопроса разработки, принципов построения и применения электроприводов с прерывистым законом движения, в том числе на базе асинхронных двигателей (АД). Отмечается, что возможность обеспечения режима плавного пуска и остановки АД в моменты времени, когда электромагнитное усилие переходит через нуль, по-

зволяет использовать электроприводы колебательного движения в силовых механизмах с регулируемым прерывистым перемещением.

Во второй главе разработаны основы теории асинхронных электроприводов углового движения с прерывистым движением вала при потенциальной и токовой фазовой модуляции.

При потенциальной фазовой модуляции фазных напряжений функции регулирования имели вид

Uas(t) = Umylsm{cùit + a)A(t); U?s(t) = Um у2 sin(œ2/ + р), Uar(l) = 0; U^r(t) = 0, где Uт - амплитудное значение питающего напряжения, численно равное номинальному напряжению питания исполнительного двигателя; у, = Umj / Uт - коэффициенты сигналов; / = 1,2; cû1,co2 - угловые частоты питающих напряжений; а, Р - начальные фазы напряжений на обмотках; А(() - импульсная функция, опре-

,, ч 1 2f^sin(2i-l)Q/ деляемая как: A(t) = — + —\ > —1--—

2 Чы (2/-1)

Здесь Q = со, - ю2 - характеризует

круговую частоту шага.

Принимая, что частота шага О, как минимум, на порядок меньше частоты питающей сети определены значения фазных токов во временной форме

1„(0 = (-\)"+1ит у, {Т1п зтЦг + а + е,„)+-|; —ЦгК, мп^ш, -(2/-1)П]г-а + е2|,)-

-Г3„. ип^ш, + (2/-1)П)-а + вЗЯ1.)]}+(-\)п11т у2 Г4я яп(ш2/ + Р + в4Л где 7)„,0,„- коэффициенты и фазовые углы, определяемые параметрами электрической машины, что позволило определить пусковую

| СО 1 /

Мп(0 = 5, 8Н1(П/ + V,) + 2, 81П(2«£2/ + у2) + 53 ап[(2/ - 1)12/ + vt/3] +

+ 5,4.5т[(2-2|)П/ + \|/4]} и демпфирующие составляющие

=ит У2 ^[л.ко) ТАА ««(фцо) -04.4)+/3(О) Т4.2 со5(ф3(0) ~ 04 2 )]~ ~ит 71 ^КцО) 71.1СО5(ф4л(0)-е1 ,)+/21(0) 71.3 СО5(ф2.|(О)-0|.з)1

=ит У, "^зл^+Т'М^Л^О), -Л.З^), )-

_ ^2.11(0)(^2.3, _ ^3.3/ ^1.31 (^2.2(0)/ _ ^2.3(0)/)]}_

~ит У\ ф _!) ¿(2к - 1)^/4'2(0)* Тгл> + /4-3<°>* Тзл: ]~[/2.2(0)^ тг.\ +1гзш гз.з, ]}

электромагнитного момента при предварительном разложении выражения, описывающего апеюромашишый момент, А/Эм (0 = ('ои(')' рДО-'ш-М' в ряд Маклорена по скорости в окрестностях точки со = 0. Здесь /ш(7) - /рД/) -мгновенные значения фазных токов; А/„(Г) - обобщенный момент нагрузки,

учитывающий инерционную ¿мех, демпфирующую Лмсх и позиционную См„ составляющие.

Составляющие коэффициента электромагнитного демпфирования представлены при пренебрежение гармоническими составляющими частот питающих напряжений, что допустимо, так как глубина модуляции периодических коэффициентов демпфирующей составляющей момента при низких частотах шага незначительна. Кроме того, выражение для пускового момента представлено с учетом пренебрежения высокочастотными составляющими частот т,, со2 и их комбинациями, для которых электрические машины являются естественным электромеханическим фильтром.

С учетом принятых допущений уравнение движения было преобразовано к

ВИДУ мех "7Г + аЧ

п _

Амех

где х ~ обобщённая координата положения подвижного элемента двигателя, а решение найдено как

Бт 2/П/-

■Ф2,

]+Хз зт[(2|-1)П/ + фз ]+

Здесь х,,/.* -амплитуды и ср у, А - начальные фазы гармонических составляющих обобщённой координаты положения подвижного элемента двигателя, определяемые табл. 1.

Таблица 1

м}+м\ <Р'и Агс^

п(/4хп2+(лм„-/1а)2) V ,л

\ м\ +м]. Агс^ 1® 2/

ПЕ Ъ Г (Ячех Гу )2 + /2 4<2П2) я Я (2/ -1)1 "" ¡-а ' л 5(2/ -1) М4.- ) + М3.2/П

м]. +м62 Aгctg

и ы [ мб. (Дмех - Р„1к) + М5.^(2/ - 1)П

\ М1 +м1. ЧЧ,* Агйд | 1 (2 - 20 2/)П-М7( (К,„ " ^ ,, ) л

я Я (2/ - 1) | (Л„„ - , ) + М7. ¿„„(2 - 2,)П

При токовой фазовой модуляции известными являются статорные фазные токи, а неизвестными - фазные напряжения и роторные токи. В этом случае фазные обмотки АД подключаются к источникам токов, аналитические выражения для которых имеют вид

>аЛ,)=1т\ вЦш, / + а)Л(/); 1р.Л1) = 1„2 51п(ш2 ' + Р)> где 1тХ , 1т2 , а, р, а)|,со2 - амплитуды, фазовые сдвиги и угловые частоты фазных токов.

С учетом характеристических корней функций регулирования, значения роторных токов во временной форме были определены как Ш = ИГ1 Ма1т1 {- Т1п (со, 31п(со,/- а - 9,„) + совтЦ/ + а + 8,„ ))+

+ '1

+-I 1

+ С0-

Д2/- 1)

со,

1)

1 1

-П

-Q

Г2и. sin ([со, - (2/ - 1)П> + а + в2„. )]+ ТЪп. ип|ш1+(2|-1)П> + а + е3„<)]+

я^ (2/-1) * ' * ' ' 2 ' * ' 4

+ (-l)n+1A/ß/m2 r4„(cosin(co2/ + ß + 04J + co2 sin(oV-ß-e4„)), а значение обобщенного электромагнитного усилия в виде

F3n'(/) = F,' sin(fii + ) + -S[f2.* sin(2/fi/ +i|/2) + F3.* sin[(2/-l)fi/ + vj/j ]+

+ F4. * sin [(2 - 2i)fi/ + щ ]+ Fi k * &

Ш

Здесь Р]^ - амплитудные значения и , начальные фазы обобщенного электромагнитного усилия, определяемые параметрами электрической машины, источников питания и нагрузки.

На основании полученных соотношений были разработаны методики расчета выходных параметров электропривода прерывистого движения при потенциальной и токовой фазовой модуляции, алгоритмы которых представлены на рис. 1.

Полученные соотношения составили теоретическую основу для определения рабочих характеристик электродвигателя, работающего в шаговом режиме за счет фазовой модуляции питающих напряжений (табл.2).

В ней первая гармоника шаговой составляющей электромагнитного момента Мэл, (() = Мт зт(С2/ + Э), где

"|0,5

1 2{0) = - 1мехП

мт=м

о2 , г2 Q2 лмех "r

■F0)2(l + Z(n)2)

8 = ф + arctg-

'Z(fi) CRMex-F0)

электромеханическая постоянная времени; С7А - коэффициенты, определяемые параметрами электрической машины; А=1..3.

В качестве примера на рис. 2 представлены регулировочные характеристики Хт (у) и Мт (у) для асинхронного двигателя 4AK160S8Y3 при запуске на частоту ii=0,057 o.e.

Они представляют практический интерес, так как иллюстрируют возможность пропорционального регулирования величины шага и момента при изменении фазного напряжения, например, по одной из обмоток двигателя (кривая 1).

Рис. 1. Алгоритмы расчета выходных параметров электропривода с прерывистым движением при а) - потенциальной и б) токовой фазовой модуляции

1. Частотные характеристики

Таблица 2

Обобщенная координата положения %(/)

Амплитуда %т

М

П(Лмех-Л))[1 + г(П)2Г

Обобщенная скорость со(/)

Амплитуда сот

М

Обобщенный электромагнитный момент м,м

Амплитуда Мт

М

с>2 , т2 г\2

мех "*" ^мех^

2. Механические характеристики по координате положения и скорости

Амплитудные тим») л^гг'^^ + л2 схГ'5

ч>т(Мт)

Мгновенные (эллипс) Х(Л/,М|) Х1 [1 + 2{п)2]+ м\' [1 + г(П)2] 2х г(П)[1 + 2(П)2]°'5 -1 хт мт Мт хт

ш(Л/эм|) со2 Ют Г,, 1 1 , Мэл 1 Г,, ' 1 1 Г

2(0)\ Л^2 г(П)2 - 7 ' 1 ¿-К*1) 1 ' мт Шт г(п)2

3. Регулировочные характеристики

У 72=1,У|=У- уаг у,=у2=у - Уаг

ус, У2С,

п ¿ме^+кс.-СУ^г+Оз)]2 0,5 а^2ехп2 + [/г2ех-(у2с2 + с3)]2 0,5

Wm У С, У2С,

[¿2Mexn2+[tfM2ex-(Y2G2+G3)f]° ,5 [4„п2 + [л2«-(у202 + СЗ)Г] '

Mm УС, ^мех + ^мех^ -0,5 У2С, п2 т2 /-\2 Лмех ~r 0,5

/2Mex"2+k2ex-(y2G2+C3)f /2Mex«2+kex-(y2G2+G3)f_

4. Условие автономности регулирования параметров

Координаты Xm=const

7L2

(R -Fn)* М

1-*чмех 1 0)

4

2 у2

мехЛт

Скорости COm=COnSt

Г2 =

- Fpf - м2

0,5

Момента Мт = const

Q--

M1(Rm<* -Fof

■А/2)

а) б)

Рис. 2. Законы регулирования амплитуд закона движения а) и электромагнитного момента б) при - уаг, уг=\ - (1); 71=72 - - (2)

На рис. 3 представлены характеристики при обеспечении постоянства амплитуды шага 1т для двух заданных уровней. Анализ характеристик позволяет констатировать факт о возможности обеспечения постоянства амплитуды шага за счет линейного регулирования одного из фазных напряжений двигателя (кривые 2,4).

Рис. 3. Условие автономности регулирования амплитуды координаты при Хт=2,47 o.e. (1,2), ъг 1,5 o.e. (3,4) для у,=у, у2=1 (1,3), yi=y2=y (2,4)

Полученные аналитические зависимости рабочих характеристик электропривода при прерывистом движении указывают на возможность альтернативного выбора параметров электрической машины и функций регулирования при заданных параметрах нагрузки для построения специализированных комплексов с требуемыми кинематическими и силовыми характеристиками.

Одним из важнейших показателей качества, характеризующих работу электропривода, работающего в режиме прерывистого движения за счет модуляции фазных напряжений или токов, является точность его позиционирования. Последнюю предложено оценивать по максимальному значению относительной координатной погрешности как

5т=ЫО-х('„,)]/Хо.

где Х1 х('т) ~ идеальный и реальный законы изменения во времени обобщенной (угловой или линейной) координаты положения подвижного элемента электродвигателя в момент времени /т, при котором разность Х\(0~Х(0 ста" новится максимальной; %0 - базовый размер электродвигателя.

Установлено, что относительные погрешности по амплитуде и частоте шага в электроприводе с прерывистым движением сложным образом зависят от отклонения параметров источников питания ишт =6'ту1, II =иту2>

/„, /р„„, и значений параметров нагрузки /,мсх, К,кх. Вклад каждой составляющей в относительную максимальную погрешность при отклонении, например, параметров источников питания можно найти через полные дифференциалы. Выражение, для определения погрешности по амплитуде 8срт, а, следовательно, и по нейтрали шага 5ф0 при потенциальной и токовой фазовой модуляции, будут иметь вид

5<Рт = Хт | ^а /

8фот = X* Л,

ЗХп с11ш

-Ь^ыт+и^т

дХп

аи.

-5 и.

['лт

' 5/оця +1

81,

■5 /„

Эх,

8хт

дО.

р5т

дП

где весовые коэффициенты К1-К3; К¡' - К3* определяющие вклад в соответствующую относительную погрешность от отклонения каждого параметра питания при заданной нагрузке представлены в табл. 3.

Весовые коэффициенты относительной погрешности по амплитуде шага_Таблица 3

Потенциальная модуляция

Токовая модуляция

-У /1,„ (С-(Ю2 +(м;)Ч')

Ач(о--(лу;)2 +

--' —=-'.+

Ф-

; [с - (у/| -

С^М? +МI о^м} +м1

'1т | А>1

7(М9-)2+(М,'0)2

2|п(Г0 -К„„)2 -г^П^Г

_сг_

Приведенные на рис. 4 расчетные зависимости 5т показывают, что наибольшее влияние на точность позиционирования асинхронного двигателя, почти на порядок превышающей остальные, оказывает отклонение частоты питающей сети А/. Учёт отклонения частоты следует рекомендовать при построении систем управления данными электроприводами по принципу синхронизации с частотой сети.

Рис. 4. Зависимость относительной координатной погрешности 5т а) от отклонения амплитуды напряжения (тока) источника питания б) от отклонения частоты питающей сети Дf

В третьей главе представлено математическое моделирование электропривода с прерывистым законом движения в прикладном программном пакете MATLAB/Simulink. В качестве исследуемых параметров рассматривались электромагнитный момент M{t), скорость ш(0 и координата подвижного элемента электропривода y{t).

На рис. 5 представлены результаты имитационного моделирования электропривода, выполненного на базе АИР 71А2 при запуске на частоту /ш = 2 Гц

и ¿мех =210~3кг-м2, RMCX = 0,2H • м • с/рад.

Анализ их показывает, что независимо от режима работы при фазовой модуляции питающих напряжений или токов, обеспечивается постоянство амплитуды шага в течение всего периода частоты /ш. Отрицательные выбросы электромагнитного момента вызваны, в первую очередь, погрешностью вычислений из-за иррационального соотношения между частотой питающей сети со, и частотой прерывания, определяющей частоту шага. Кроме того, при потенциальном питании амплитуды электромагнитного момента, скорости и координаты подвижного элемента электропривода {Мт = 4,304 H • м, сот = 20,9 рад/сек, Хт =3,265 рад) в 16 раз больше, чем при токовом питании (Мш =0,2651 Нм, озт = 1,325 рад/сек, %т = °>2119 РаД )•

Это объясняется тем, что при потенциальном питании фазные токи асинхронного электродвигателя превышают свои номинальные значения в 3,9 раза, в то время как при токовом питании их значения выбирается равным номинальному (рис. 6).

С целью оценки влияния параметров источников питания на выходные характеристики электропривода были сняты регулировочные характеристики, при

потенциальном и токовом питании. Результаты исследований подтвердили правильность численных расчетов, проведенных по формулам табл. 2.

Рис. 5. Выходные характеристики электропривода с шаговым законом движения при: а) потенциальной и б) токовой фазовой модуляции

Рис. 6. Фазные токи асинхронного электродвигателя а) - при потенциальном питании,

б) - при токовом питании

Установлено, что характеристики Мт(П), оэш(Г2) отличаются от

характеристик электропривода, работающего в режиме колебательного движения за счет фазовой модуляции фазных напряжений. В частности характеристики Мт(0.) и а>,„(Г2) имеют в заданном диапазоне изменения частот практически линейный характер (рис. 7).

Исследования показали, что среди параметров нагрузки наибольшее влияние на выходные характеристики электропривода оказывает демпфирующая и позиционные составляющие. Так при значениях Л!мсх <0,01 Н-м-с/рад наблюдалась потеря динамической устойчивости, проявляющаяся в виде вращатель-но-колебательного режима работы, а внедрение даже небольшой по величине позиционной нагрузки (Смех =0,315 Н • м/рад) - приводило к колебательному режиму.

х-. (О", М.. рад/с Н-м

1.4 ; 1.35 ■ 1,3 ■ 1,25 ■ 1,2 " 1,15 V-

V -

\ V

N ч

0,25 г»

Рис. 7. Зависимости амплитуд электромагнитного момента Мт, скорости и координаты подвижного элемента электропривода от частоты шага П при: а) потенциальной и б) токовой фазовой модуляции

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования и практического применения электроприводов с прерывистым законом движения. Внешний вид экспериментальной установки представлен на рис. 8.

Рис. 8. Экспериментальная установка 1 - АД; 2,3 - ЗГ 1, ЗГ 2; 4,5 - АИН 1, АИН 2;

6 - СФНУ, 7 - ИБ, 8 - ПК, 9 - ДС

С целью проверки основных научных результатов диссертации были сняты выходные характеристики электропривода с прерывистым законом, при запуске на частоту /ш = 2 Гц, при ¿мех = 2 ■ 1(Г3кг- м2 , Лмех = 0,2 Н • м - с/рад (рис. 9).

Исследования показали, что использование фазового способа возбуждения прерывистого режима работы позволяет стабилизировать внутри шага его амплитуду (характеристика - 1). Кроме того, при переходе с одного шага на другой отсутствуют переходные процессы, что существенно повышает координатную точность электропривода и снижает его динамические потери.

На рис. 10 представлены регулировочные характеристики, устанавливающие зависимость амплитуды координаты подвижного элемента электропривода Хт от фазных напряжений при симметричном регулировании (и т = и^ = уаг) и

изменении фазного напряжения только по одной из обмоток исполнительного

двигателя (Usa = const,Usa = var), полученные в результате моделирования (1), расчетным путем (2), и экспериментально (3).

Рис. 9. Экспериментальные выходные характеристики электропривода с прерывистым законом движения: 1 - координата подвижного элемента электропривода %(/), 2 — электромагнитный момент M(t), 3 — скорость ш(/)

а) б)

Рис. 10. Зависимость амплитуды координаты подвижного элемента электропривода при: а) — симметричном регулировании (Um = t/4.p = var) и б) при регулировании по

одной из обмоток (Usa = const, t/sp = var)

Анализ полученных результатов показал, что расхождения между данными полученными расчетным путем (гл.2), при имитационном моделировании (гл.З) и экспериментальными исследованиями (гл.4) составляют от 7,5 до 8,5 %.

Данный факт подтверждает правомерность использования для расчетов рабочих характеристик электродвигателя, работающего в режиме прерывистого движения, ранее полученных в гл. 2 аналитических выражений, а также - адекватность разработанных имитационных моделей реальным физическим процессам, протекаемым в электромеханическом преобразователе энергии.

На рис. 11 представлены экспериментально полученные зависимости максимального значения относительной координатной погрешности 8т, от отклонения амплитуды напряжения источника питания AU, частоты Д/ при потенциальном питании.

Экспериментальные исследования подтвердили положение о том, что наибольшее влияние на относительную координатную погрешность оказывает

отклонение частоты питающей сети. Расхождения по полученным данным (между расчетными и экспериментальными) составили от 7 до 8 %.

Проведенные исследования позволили разработать технические предложения и наметить пути улучшения регулировочных свойств и повышение координатной точности асинхронных электроприводов с прерывистым режимом работы.

6 4 2 > 1

-

6 4

\

\

\

\

--«й- \

Рис. 11. Зависимость относительной координатной погрешности 8т от отклонения: а) амплитуды напряжения источника питания АС/; б) частоты А/ при потенциальной

фазовой модуляции

Так для обеспечения постоянства амплитуды координаты при регулировании частоты шага при заданных параметрах нагрузки, было предложено управлять асинхронным двигателем в соответствии с функциональной схемой, представленной на рис. 12, а. Положительный эффект достигается за счет изменения коэффициента передачи модулятора МД при регулировании частоты шага по закону

1

.С-

макс

- 2п

М

.Г]

Функциональная схема, представленная на рис. 14, б позволяет расширить эксплуатационные возможности электроприводов с периодическим законом движения путем повышения его координатной точности за счет устранения высокочастотных пульсаций частоты сети и регулирования времени разгона подвижного элемента асинхронного двигателя до установившегося значения амплитуды шага.

"П а, б)

Рис. 12. Функциональная схема электропривода с прерывистым законом движения

В заключении изложены основные выводы по научным и практическим результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

В приложении приведены расчетные соотношения, а также акты внедрения результатов научно-исследовательской работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые получены аналитические зависимости, устанавливающие взаимосвязь между параметрами электрической машины, источниками питания и нагрузкой при потенциальной и токовой фазовой модуляции. Показано, что влияние параметров электрической машины и функций регулирования на кинематические и силовые характеристики привода осуществляется через коэффициенты пускового и демпфирующего электромагнитного момента.

2. Разработана методика определения выходных параметров электропривода с прерывистым законом движения при потенциальной и токовой фазовой модуляции.

3. Установлено, что при инженерных расчетах закона движения электропривода достаточно учитывать только постоянную составляющую коэффициента электромагнитного демпфирования, а в пусковом моменте — гармонические составляющие кратные частоте шага.

4. Получены аналитические зависимости рабочих характеристик электропривода с прерывистым движением, которые указывают на возможность альтернативного выбора параметров электрической машины и функций регулирования при заданных параметрах нагрузки для построения специализированных комплексов с требуемыми кинематическими и силовыми характеристиками.

5. Установлено, что в целях обеспечения линейности регулирования амплитуды шага и момента управление двигателем следует осуществлять только по одной из обмоток статора.

6. Показано, что, с целью поддержания постоянства амплитуды шага, напряжение на одной из фазных обмоток статора двигателя должно регулироваться прямо пропорционально частоте шага.

7. Сформулирован и аналитически определен критерий оценки точностных характеристик электропривода, работающего в режиме прерывистого движения за счет фазовой модуляции питающих напряжений (токов) по максимальному значению относительной координатной погрешности.

8. Установлено, что наибольший вклад в значение относительной координатной погрешности, практически превышающий на порядок остальные, при постоянстве параметров нагрузки вносит отклонение частоты питающей сети. В целях повышения координатной точности электропривода, реализующего фазовый способ возбуждения прерывистого закона движения, рекомендовано выполнять его по принципу синхронизации с частотой сети.

9. Разработаны имитационные модели электроприводов с прерывистым законом движения при потенциальной и токовой фазовой модуляции, что позволяет исследовать динамические режимы работы электроприводов данного класса.

10. Результаты моделирования показали, что наибольшее влияние на выходные характеристики электропривода оказывает демпфирующая составляющая

нагрузки. Так, в частности, при RMex < 0,01 Н • м • с/рад наблюдалась потеря динамической устойчивости, проявляющаяся в виде вращательно-колебательного режима работы, а при внедрении позиционной нагрузки - переход в колебательный режим работы.

11. Разработана экспериментальная установка электропривода с прерывистым законом движения, позволившая проверить адекватность математических моделей, методик расчета и результатов теоретического анализа.

12. Найдены новые технические решения, позволяющие расширить эксплуатационные возможности двухфазных асинхронных двигателей, работающих в режиме прерывистого движения за счет поддержания постоянства амплитуды шага при регулировании его частоты и повысить координатную точность на 15%, защищенные патентами на полезные модели.

Основные результаты работы онубликованы в изданиях рекомендованных ВАК:

1. Аристов A.B., Воронина H.A. Рабочие характеристики электропривода колебательного движения в режиме прерывистого перемещения // Известия ТПУ. - 2009. - Т. 314. - №4. - С. 64-68.

2. Аристов A.B., Паюк Л.А., Воронина H.A. Асинхронный электропривод с прерывистым движением подвижного элемента // Электричество. - 2009. -№12. -С. 41-44.

3. Аристов A.B., Воронина H.A. Анализ точности позиционирования двухфазного асинхронного двигателя в режиме прерывистого движения // Известия ТПУ. - 2013. - Т. 322 - № 4. - С. 116-120.

Материалы конференций и сборников статей:

4. Воронина H.A. Математическое представление процессов в асинхронных электроприводах с автономными инверторами напряжения// Современные техника и технологии: Материалы Х-ой юбилейной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (СТТ 2003), Т. 1. - Томск: Изд-во ТПУ, 2003. - С. 95-98.

5. Воронина H.A. Электропривод колебательного движения с прерывистым законом движения// Современные техника и технологии: Материалы XV Международной научно-практической конференции студентов аспирантов и молодых ученых (СТТ 2009), Т.1. - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. - С. 385-386.

6. Аристов A.B., Воронина H.A. Влияние параметров нагрузки на выходные характеристики электропривода с прерывистым законом движения// Электромеханические преобразователи энергии: Материалы IV Международной научно-технической конференции, Томск: ТПУ, 2009. - С. 340-347.

7. Воронина H.A. Закон движения электропривода с прерывистым движением при токовой фазовой модуляции// СовремсЕшые техника и технологии: Материалы XVI Международной научно-практической конференции студентов аспирантов и молодых ученых (СТТ 2010), Т.1. - Томск: Изд-во ТПУ, 2010. -С.396-398.

8. Воронина H.A., Аристов A.B., Закон движения электропривода с прерывистым движением при потенциальной и токовой фазовой модуляции// Элек-

тромеханика, электротехнические комплексы и системы: Межвузовский научный сборник. - Уфа, 2010. - С. 42-47.

9. Воронина H.A. Электропривод с прерывистым законом движения // Современные техника и технологии: Материалы XVII Международной научно-технической конференции студентов аспирантов и молодых ученых (СТТ 2011), Т. 1 - Томск: Изд-во ТПУ, 2011. - С. 422-423.

10. Аристов A.B., Воронина H.A. Электропривод с прерывистым движением вала // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы V Юбилейной Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Г.А. Сипайлова; ТПУ. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011. - С. 195-200.

11. Воронина H.A. Влияние параметров источников питания на кинематические характеристики электропривода с периодическим законом движения // Современные техника и технологии: Материалы XVIII Международной научно-практической конференции студентов аспирантов и молодых ученых (СТТ 2012), Т. 1 - Томск: Изд-во ТПУ, 2012.-С. 351-352.

12. Паюк JI.A., Воронина H.A. Безредукторный электропривод периодического движения переменного тока // Наука, технологии, инновации: Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых в 7 частях. Часть 5, Новосибирск, 29 ноября-2 декабря 2012. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. -С.306-310.

Патенты и авторские свидетельства:

13. Патент на полезную модель №88874, МПК Н02Р 7/00. Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения / Аристов A.B., Воронина H.A. Заявка 2009125766/22, 06.07.2009. Опубликовано 20.11.2009, Бюл. №32

14. Патент на полезную модель №131254, МПК Н02Р7/62. Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения / Аристов A.B., Воронина H.A. Заявка № 2013106076 . Опубликовано 10.08.2013, Бюл. №22.

Личный вклад автора

Публикации [4,5,7,9] выполнены без соавторства. В работах, выполненных в соавторстве, вклад автора состоит в следующем: определение аналитических выражений закона движения электропривода с прерывистым законом движения при потенциальном питании [1,2,12,13,14] (30%), определение соотношений для оценки точности позиционирования асинхронного двигателя, работающего в режиме прерывистого движения [3] (45%), анализ влияния параметров нагрузки на выходные характеристики электропривода с прерывистым законом движения при потенциальной фазовой модуляции [6] (50%),анализ влияния параметров нагрузки на выходные характеристики электропривода с прерывистым законом движения при токовой фазовой модуляции [11] (50%), определение аналитических выражений закона движения электропривода с прерывистым законом движения при токовой фазовой модуляции [8, 10] (50%).

Подписано к печати 13.11.2013. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка»

Печать XEROX. Усл. печ. п. 1,63. Уч.-изд. л. 1,47. _Тираж 110 экз._

Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2008

изшельствожтпу. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, www.tpu.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический

университет»

04201454494 На правах рукописи

Воронина Наталья Алексеевна

АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ПРЕРЫВИСТЫМ ЗАКОНОМ ДВИЖЕНИЯ

Специальность: 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы»

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Аристов Анатолий Владимирович

Томск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ........................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ПРЕРЫВИСТЫМ ЗАКОНОМ ДВИЖЕНИЯ.......................................................9

1.1. Области применения и технические требования, предъявляемые к электроприводам с прерывистым законом движения.........................................9

1.2. Принципы построения и технические требования, предъявляемые к электроприводам с прерывистым законом движения.......................................12

1.3. Выводы по разделу.........................................................................................19

II. ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА УГЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ С ПРЕРЫВИСТЫМ ДВИЖЕНИМ ВАЛА..................................20

2.1. Математическое описание электропривода с прерывистым законом движения.................................................................................................................20

2.2. Уравнение движения электропривода с прерывистым законом движения при потенциальной фазовой модуляции.............................................................25

2.3. Уравнение движения электропривода с прерывистым законом движения при токовой фазовой модуляции.........................................................................40

2.4. Рабочие характеристики электропривода колебательного движения в режиме прерывистого перемещения...................................................................55

2.5. Координатная точность асинхронного электропривода с прерывистым законом движения..................................................................................................63

2.6. Выводы по разделу.........................................................................................71

III. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ПРЕРЫВИСТЫМ ЗАКОНОМ ДВИЖЕНИЯ...........73

3.1. Математическая модель электропривода с прерывистым законом движения.................................................................................................................73

3.2. Влияние параметров источников питания на выходные характеристики электропривода......................................................................................................82

3.3. Влияние параметров нагрузки на выходные характеристики

электропривода с прерывистым движением......................................................95

3.4. Выводы по разделу.......................................................................................102

IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ПРЕРЫВИСТЫМ ЗАКОНОМ ДВИЖЕНИЯ...................................................103

4.1. Описание экспериментальной установки и методики исследования.....103

4.2. Результаты экспериментального исследования и их анализ...................106

4.3. Результаты практического внедрения и их анализ...................................112

4.4. Выводы по разделу.......................................................................................118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................119

Список используемой литературы.....................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................................................132

Расчетные соотношения для определения токов при потенциальной и токовой фазовой модуляции...............................................................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................................................136

Расчетные соотношения для определения относительной максимальной погрешности при потенциальной и токовой фазовой модуляции.................136

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Электропривод углового движения с прерывистым движением вала широко используются в машино- и приборостроении, горной и химической промышленности, в технике контроля и измерения, строительстве, текстильной промышленности и сейсмологии.

Существующие в настоящее время привода выполняются, как правило, на базе шаговых двигателей (ШД) или асинхронных двигателей (АД) с механическими преобразователями движения, что порой не позволяет осуществлять регулирования параметров движения непосредственно в течение технологического процесса.

Кроме того, недостатками известных электроприводов являются: вероятность потери крутящего момента на высоких скоростях; возникновение резонансных явлений, при введении контуров обратной связи или возможность потери контроля над положением ротора ввиду отсутствия их; наличие дополнительных механических устройств преобразования движения и, как следствие, отсутствие плавного регулирования угла поворота шага; невозможность осуществления режима реверса.

Вопросами разработки электроприводов с прерывистым законом движения, и в частности на базе АД занимались, как российские, так и зарубежные ученые. Значительный вклад в эту область исследования внесли: Луковников В. И., Чиликин М. Г., Ивоботенко Б. А., Грачев С. А., Ткалич С. А., Мамедов Ф. А., Беспалов В. Я., Постников В. А., Балковой А. П., Со Лин Аунг, Lawrenson P. J., Harris М. R. и др.

Наиболее перспективным видится построение данного класса электроприводов на базе АД, работающего непосредственно в режиме прерывистого движения, за счет фазовой модуляции питающих напряжений (токов) с прерыванием питания по одной из обмоток в момент времени, когда электромагнитный момент, развиваемый двигателем, стремится к нулю.

Однако, отсутствие теоретических исследований и обобщения комплекса вопросов расчетно-теоретического характера по данным электроприводам существенно сдерживает развитие и внедрение последних.

Объектом исследования является асинхронный электропривод углового движения с прерывистым движением вала.

Предметом исследования являются выходные характеристики электропривода углового движения с прерывистым движением вала.

Цель работы состоит в исследовании асинхронного электропривода углового движения с прерывистым движением вала при потенциальной и токовой фазовой модуляции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- оценить современное состояние и тенденции развития электроприводов углового движения с прерывистым движением вала;

- вывести аналитические зависимости, устанавливающие взаимосвязь между параметрами электрической машины, источниками питания и нагрузкой при фазовой модуляции питающих напряжений (токов) и на основании их разработать методику расчета выходных параметров электропривода с прерывистым законом движения;

- получить инженерные соотношения для расчета рабочих характеристик электропривода с прерывистым законом движения и определить условия их автономности при регулировании параметров;

- разработать имитационные модели электроприводов с прерывистым законом движения при потенциальной и токовой фазовой модуляциях для исследования динамических и кинематических характеристик;

- выработать критерии для расчета и оценки точностных характеристик электроприводов с прерывистым законом движения;

- экспериментально исследовать макетный образец электропривода в лабораторных условиях с целью проверки разработанных математических моделей, методик расчета и результатов теоретического анализа.

Методы исследования. При выполнении работы использовались аналитические, математические и экспериментальные методы исследования. В процессе аналитических и математических исследований использовались методы интегрального, дифференциального и операционного исчисления, а также численные методы расчета. Математическое моделирование было выполнено в средах МаШСАБ-Н и Ма1:1аЬ-2007. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанном стенде с использованием методов контроля, измерения и обработки результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением результатов математического расчета и имитационного моделирования, а также проведёнными экспериментальными исследованиями.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- показана перспективность использования АД с линейно-фазовой модуляцией фазных напряжений (токов) для создания регулируемых электроприводов углового и линейного движения с прерывистым движением вала;

- установлены неизвестные ранее аналитические связи между параметрами электрической машины, источниками питания и нагрузкой на основании которых разработана методика определения выходных параметров электропривода с прерывистым законом движения при фазовой потенциальной и токовой модуляции;

- получены аналитические соотношения, определяющие рабочие характеристики электропривода с прерывистым законом движения и условия обеспечения их автономности;

- определены критерии оценки точностных характеристик электропривода, работающего в режиме прерывистого движения за счет фазовой модуляции питающих напряжений (токов).

Практическая ценность работы:

- разработаны инженерно-практические рекомендации по оценке точностных характеристик асинхронного электропривода с прерывистым законом движения по максимальному коэффициенту нестабильности внутри одного шага;

- создано программное обеспечение для анализа выходных характеристик асинхронного электропривода с прерывистым законом движения;

- найдены новые технические решения, позволяющие расширить эксплуатационные возможности двухфазных асинхронных двигателей, работающих в режиме прерывистого движения, путем стабилизации амплитуды координаты подвижного элемента двигателя при регулировании частоты шага и повышения его координатной точности за счет устранения высокочастотных пульсаций частоты сети и регулирования времени разгона подвижного элемента двухфазного асинхронного двигателя до установившегося значения амплитуды шага, защищенные патентами на полезные модели.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований переданы для внедрения на предприятие ООО «Сибметахим» г. Томска, подразделения ОАО «Газпром», а также используются в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных работ студентами кафедры электропривода и электрооборудования Энергетического института ТПУ, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили одобрение: на научно-технических семинарах кафедры «Электропривод и электрооборудования» ЭНИН ТПУ (г. Томск,

2009 - 2013г.); на IV Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2009 г.); на V Юбилейной Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», посвящённой памяти Г.А. Сипайлова (г. Томск, 2011 г.); на X, XV, XVI, XVII, XVIII Международных научно-практических конференциях студентов аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2003, 2009 -2012г.), на всероссийской научной конференции молодых ученых (г. Новосибирск, НГТУ 2012 г.) [8 - 12, 20 - 25].

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 14 работах. Из них 3 статьи в изданиях из перечня, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в межвузовском научном сборнике, 2 патента РФ на полезную модель, 8 статей в сборниках докладов Международных и Всероссийских конференций.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 140 страниц машинописного текста, включая 53 рисунка, 6 таблиц, списка использованной литературы из 105 наименований и 6 приложений на 14 страницах.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С

ПРЕРЫВИСТЫМ ЗАКОНОМ ДВИЖЕНИЯ 1.1. Области применения и технические требования, предъявляемые к электроприводам с прерывистым законом движения

Основная тенденция развития современного промышленного электропривода направлена на решение следующих проблем: слияние электродвигателя с рабочими органами машины; вытеснение механических звеньев и кинематических связей электрическими. Это упрощает конструкции машин, улучшает качество технологического процесса, увеличивает скорость машин, создает удобства обслуживания и сокращает расходы на эксплуатацию.

В различных областях народного хозяйства используются устройства, рабочие органы которых совершают периодические движения, такие как: возвратно-поступательные, возвратно-вращательные, колебательные или шаговые [17,19, 27, 29, 48, 57, 62, 77, 85, 87, 88].

Так, электропривода с прерывистым законом движения широко используются в авиационной технике, машиностроении, строительстве, горной и химической промышленности, в испытательной технике, технике измерения, контроля и управления [3, 4, 30, 40, 73, 75, 93]. В табл. 1.1 приведен обзор основных областей применения электроприводов с прерывистым движением и технические требования, предъявляемые к ним [69, 86,91].

Так, в машиностроении шаговое движение используется в приводах подач различных станков, где необходимо обеспечить точность позиционирования 10~4 м при кратности регулирования скорости перемещения 1:103 [29, 74, 76, 78].

В электротермии электропривод с шаговым законом движения используется при перемещении электродов в технологических установках индукционного нагрева или транспортировании заготовок. Здесь требуются

усилия до 104 Н, при шаге 10"3 м и максимальной маршевой скорости 0,03 м/с [68, 80].

В атомной энергетике шаговый режим применяется при снаряжении и перемещении, например, стержней-поглотителей тепловыделяющих элементов в ядерных реакторах. При этом скорости движения достигают

о о

порядка 4-10" м/с, 2 рад/с с шагом 10" м, 2° [32, 76].

В вычислительной технике электропривод с прерывистым законом движения широко используется для реализации операций умножения или интегрирования. Для линейных электроприводов амплитуда шага составляет 0,3 мм, а угловых - 0,5°.

В технике измерения, контроля и управления электропривода данного класса нашли применение для обработки информации, в системах автоматизированного проектирования и сканаторах [14, 32, 70, 74, 76].

Электроприводы с прерывистым законом движения применяются в технологических линиях дозировки, расфасовки, упаковки сыпучих пищевых продуктов. Для них характерна величина момента порядка 103 Нм, шага -15^45°, частоты - 1-5 Гц при точности позиционирования - 2 - 5' [37].

В сельском хозяйстве применяются электропривода с шаговым законом движения при вспашке, сортировке и уборке плодов, прокладке траншей. Значение момента здесь могут достигать 103 Н-м, величины шага - 20-50°, частоты - 1-6 Гц [37].

Современные электропривода должны не только обеспечивать плавное регулирование амплитуды, частоты и фазы выходных параметров, но и создавать различные законы движения. Однако не все рассмотренные выше электропривода способны выполнить предъявляемые к ним требования.

Области применения и технические требования электроприводов с прерывистым движением_Таблица 1.1.

Область применения Технологические операции Примечание

Машиностроение В приводах подач: фрезерных, токарных, шлифовальных, зуборезных, электроэрозионных, квантово-механических и других станков точность позиционирования 10~4 м; кратность регулирования скорости перемещения 1:103

Электротермия Перемещение: загрузки (индукционный нагрев), электродов (электродуговые установки); вытяжка слитков; выращивание монокристаллов; транспортирование заготовок усилие до 104 Н; шаг 10~3 м; максимальная маршевая скорость 0,03 м/с

Атомная энергетика Перемещение стержней-поглотителей (в активной зоне ядерных реакторов; измерительной аппаратуры; задвижек, клапанов в каналах потока теплоносителя) скорость (4*10"3 м/с, 2 рад/с); шаг (10"3 м, 2°)

Вычислительная техника Операции интегрирования, умножения, вычисления корреляционных функций; перемещения дисковых программ; поиск адресов; графопостроение частота приемистости до 5000 Гц; шаг (0,3 мм и 0,5°)

Техника измерения, контроля и управления Обработка информации, цифроаналоговое преобразование, хронометрирование, позиционирование; В дискретных радиоактивных уровнемерах, расходомерах взрывоопасных жидкостей; в складских и технологических емкостях; в шаговых двух-, трехкоординатных координатографах, самописцах; в системах автоматизированного проектирования; в оптико-механических сканаторах; в роботах с техническим зрением Технологические линии дозировки, расфасовки, упаковки сыпучих пищевых продуктов момент 103 Н-м; шаг 15-45°; частота 1 - 5 Гц; точность позиционирования 2 — 5'

Сельское хозяйство Вспашка, сортировка и уборка плодов, прокладка траншей момент 103 Н-м; шаг 20 - 50°; частота 1 - 6 Гц

1.2. Принципы построения и технические требования, предъявляемые к электроприво