Научная статья на тему 'Аналитический обзор электрических машин для высокоточных приводов в системах стабилизации и управления'

Аналитический обзор электрических машин для высокоточных приводов в системах стабилизации и управления Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
200
26
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭЛЕКТРОПРИВОД / ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ / ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ / ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ / ELECTRIC DRIVE / ELECTRIC MOTOR / ELECTROMAGNETIC CONVERTER / ELECTROMECHANICAL CONVERTER

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Желтиков Павел Александрович

Представлен аналитический обзор применяемых в отечественной и мировой практике электрических машин для высокоточных приводов. Приведены классификация электрических машин, моментно-скоростные характеристики и значения показателей оптимальных для использования в приводах.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Желтиков Павел Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ANALYTICAL REVIEW OF ELECTRICAL MACHINES FOR HIGH-PRECISIONDRIVESIN SYSTEMS OF STABILIZATION AND CONTROL

The analytical review of electric machines used for domestic and international practice for high-precision drives is presented. The classification of electrical, torque-speed characteristics and values of optimal parameters for use in drives are given.

Текст научной работы на тему «Аналитический обзор электрических машин для высокоточных приводов в системах стабилизации и управления»

УДК 62-89

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ПРИВОДОВ В СИСТЕМАХ СТАБИЛИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

П. А. Желтиков

Представлен аналитический обзор применяемых в отечественной и мировой практике электрических машин для высокоточных приводов. Приведены классификация электрических машин, моментно-скоростные характеристики и значения показателей оптимальных для использования в приводах.

Ключевые слова: электропривод, электродвигатель, электромагнитный преобразователь, электромеханический преобразователь.

Высокоточные электроприводы в настоящее время находят все большее применение от робототехнических и следящих систем специального назначения до повседневно используемой бытовой техники. Одним из основных конструктивных элементов всех существующих электроприводов является электрическая машина, которая преобразует электрическую энергию постоянного или переменного тока в механическую, характеризуемую вращательным, поступательным или сложным движением выходного элемента.

В зависимости от конкретного назначения электропривода, точности движения, ресурса, надежности, заданных механических и мо-ментно-скоростных характеристик разработчиком производится выбор электрической машины. Существует достаточно большое количество вариантов классификаций, которые направлены на решение конкретных задач при выборе электрических машин. Один из вариантов представлен ниже.

В табл. 1, 2, 3, 4 представлены сведения о электрических машинах, применяемых в высокоточных электроприводах. Указанная классификация и данные о параметрах электрических машин выполнены аналогично работе [1], что с учетом применения терминологии стандарта ГОСТ 27471-87 [2] дает достаточно полное представление об электрических машинах.

В последнее время для применения в высокоточных приводах особое внимание уделяется вентильным электродвигателям как разновидности бесколлекторных синхронных электродвигателей с постоянными магнитами, но имеющим систему управления с преобразователем постоянного напряжения в переменное заданной частоты в зависимости от положения ротора.

Коллекторные электродвигатели

Таблица 1

Тип электродвигателя

Коллекторные электродвигатели

Постоянного тока

с возбуждением от постоянных магнитов

с отдельным возбуждением

комбинированного возбуждения

последовательного возбуждения

Переменного тока последо-ва-тельного возбуждения

Тип ротора

Ротор с коллектором

Электромагнитная схема

Моменто-скоростная характеристика

-1

п, мин К, Вт

П, % Мп/мн

^^макс/^^-н

2000...20000 0,2... 1000 0,4.0,8 4.10 < 10

< 6000 0,2.1000 0,3.0,7 4.6

<6

< 6000 20.1000 0,3.0,7

3.5

4.6

< 6000 20.1000 0,3.0,7 3.5 <5

3000.30000 10.1000 0,3.0,7 2.5 <5

Таблица 2

Асинхронные электродвигатели переменного тока

Тип электродвигателя

Асинхронные электродвигатели

трехфазные

однофазные конденсаторные с вспомогательными обмотками

двухфазные конденсаторные

однофазные с подключаемой вспомогательной обмоткой

однофазные с расщепленными полюсами

Тип ротора

Короткозамкнутый типа «беличья клетка»

Электромагнитная схема

Моменто-скоростная характеристика

п, мин К, Вт

п, %

Мп/Мн

Ммакс/Мн

< 3000

>50 0,5.0,8 1.3 1,5.3

< 3000 >500 0,3.0,7 1.2 < 1,5

< 3000 50.2000 0,5.0,75 Са2.4; Св:1.2 < 1,5

< 3000

< 500 0,3.0,6

0,2.1

< 1,5

< 3000

< 200 0,05.0,35

0,2.1 < 1,5

Таблица 3

Синхронные электродвигатели переменного тока

Тип электродвигателя

Синхронные электродвигатели

трехфазные

двухфазные

однофазные

Тип ротора

С постоянными магнитами и комбинированным рото-

ром

Ротор с постоянными магнитами

Ротор с постоянными магнитами

Реактивный ротор

Гистерезис-ный ротор

Электромагнитная схема

Моменто-скоростная характеристика

-1

п, мин К, Вт

П, % Мп/мн

М-макс/М-н

< 3000 > 200 > 0,5 < 3 < 1,5

< 3000 > 500

< 0,6

< 1,5

< 3000

< 50

< 0,6

< 1,5

< 3000 0,1...500 <0,05...0,5 0,5.2 < 1,5

< 3000 0,01.100 <0,05.0,4 0,2.2 < 1,5

Таблица 4

Электромагнитные и электромеханические преобразователи

Тип преобразова-

теля

Пропорциональный магнит

Подвижная катушка

Линейный электромеханизм

Преобразователь на принципе линейного электродвигателя

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Электромагнитная схема

Полезная мощность, Вт

5.40

0,2.5

0,02.4

10.40

Произведение усилия на ход, Н- мм

20.1000

8.80

2.40

400.2000

Линейное отклонение, %

0,5.6

1.7

1.2

0,5.6

Частотный предел, Гц

10.150

100.200

100.300

10.200

В табл. 2, 3, 4 приняты следующие обозначения (рис. 1).

Ротор обмотанный с коммутатором Ротор с постоянными магнитами Гистерезисный ротор

Постоянные магниты

Стартовый конденсатор Номинальный крутящий момент Максимальный крутящий момент Частота вращения Напряжение Ток

Линейное перемещение

А

Мн

М,

макс

п V 1

х

О

о

Мп N

п

Р

Б

К, 8

Короткозамкнутый трех- или однофазный ротор

Реактивный ротор Обмотка

Короткозамкнутая обмотка

Рабочий конденсатор Пусковой крутящий момент Полезная мощность Коэффициент полезного действия Количество пар полюсов Сила

Полярность постоянных магнитов

Рис. 1. Условные обозначения в табл. 2, 3, 4

Идея создания вентильного электродвигателя, который стал бесколлекторным аналогом коллекторного электродвигателя, возникла в 30-е гг. XX века в СССР [3]. Управление вентильным двигателем может быть выполнено с датчиками или в бездатчиковом исполнении, но чтобы уменьшить общую стоимость исполнительных механизмов, применяются, как правило, бездатчиковые методы управления. К недостаткам отсутствия датчиков положения относятся повышенные требования к алгоритмам управления и более сложная электроника. Вентильные двигатели можно разделить на два типа: с синусоидальной противоЭДС и трапецеидальной противоЭДС. Вентильный двигатель трапецеидальной противоЭДС, как правило, более предпочтителен, так как алгоритмы управления данного типа электродвигателя проще [4].

Помимо применения вентильных электродвигателей вращательного действия, широкое применение в изделиях специального назначения находят вентильные электродвигатели углового движения (секторные) и линейные электродвигатели.

К достоинствам вентильных электродвигателей относится высокий ресурс и повышенная надежность, обусловленная отсутствием быстроизнашивающихся элементов (коллекторно-щеточного узла), а также высокий КПД, достигающий 90 %. К недостаткам следует отнести повышенную стоимость, обусловленную наличием электронной системы коммутации и управления.

В ряде высокоточных электроприводов, связанных с подачей топлива, гидравлической жидкости и кондиционированием воздуха, в летательных аппаратах применяются линейные электромеханизмы (табл. 4). Линейные электромеханизмы обеспечивают отличную герметизацию электромеханической части от рабочей области, что особенно важно при работе в среде газов, в том числе имеющих высокую температуру. Достоинством данного вида приводов являются линейная зависимость перемещения рабочего органа от тока управления и сохранение заданного положения под влиянием внешних воздействующих факторов: потоков газа, вибраций, ударов, и т.п. [5]. В настоящее время ведется разработка усовершенствованного линейного электромеханизма для применения в том числе и в летательных аппаратах нового поколения.

Среди последних разработок преобразователей важную роль играют пьезоэлектрические приводы. Применяемые в конструкции этих приводов пьезоэлектрические элементы генерируют большие силы при сравнительно малых перемещениях каждого элемента. Однако на сегодняшний день использование пьезоэлектрических приводов в высокоточных устройствах еще не приобрело широкого распространения [1]. Принципиальная схема пьезоэлетрического элемента представлена на рис. 2.

Рис. 2. Параллельный пьезоэлектрический преобразователь: У2<У,1: V1 - напряжение смещения; У2- контролируемое напряжение

К достоинствам пьезоэлектрических приводов относится возможность их применения в широком интервале температур с обеспечением высокой точности перемещения по заданной характеристике. К недостаткам следует отнести необходимость применения нескольких пьезолектри-ческих элементов с интеграцией их в одном устройстве.

На сегодняшний день актуальными направлениями являются разработка вентильных электродвигателей различных типов и систем их управления и разработка высокоточных электромеханических преобразователей и пьезоэлектрических приводов.

Список литературы

1. Ас1;иа1;ог8. ВаБЮБ апё АррНсаНопв / Её. 1апосИа Наг1;ти1 8рг^ег, 2004. 343 р.

2. ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.

3. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы. СПб.: Питер, 2007. 320 с.

4. Miller T.J.E. Brushless permanent-magnet and reluctant motor drives. Monographs in electrical and electronic engineering. Oxford: University Press, 1989. Vol. 21. 207 p.

5. Merritt Herbert E. Hydraulic control systems. New York; London; Sydney, 1967. 358 p.

Желтиков Павел Александрович, гл. конструктор, melm. ogk@mail. ru, Россия, Тамбовская область, Мичуринск, АО ««Мичуринский завод «Прогресс»

ANALYTICAL REVIEW OF ELECTRICAL MACHINES FOR HIGH-PRECISIONDRIVESIN SYSTEMS OF STABILIZATION AND CONTROL

P.A. Zheltikov

The analytical review of electric machines used for domestic and international practice for high-precision drives is presented. The classification of electrical, torque-speed characteristics and values of optimal parameters for use in drives are given.

Key words: electric drive, electric motor, electromagnetic converter, electromechanical converter.

Zheltikov Pavel Alexandrovich, chief designer, melm. ogk@mail. ru, Russia, Tambov region, Michurinsk, JSC «Michurinsky plant "Progress»

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.