CC BY
169
привода большой мощности // Вестник ТулГУ. Сер. Системы управления. Вып.1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 245 с.
A. G. Efromeev
THE AC CONVERTER-FED MOTOR SELECTION TECHNIQUE FOR PHYSICAL MODEL OF DRIVE
The ac converter-fed motor mathematical with permanent magnet model is considered, similarity criterions of ac converter-fed motor drive physical model is stated, ac converter-fed motor selection technique for physical model of electric drive is suggested.
Key words: electric drive, ac converter-fed motor, physical model.
Получено 03.10.11
УДК 629.7.062.2
A.M. Селиванов, канд. техн. наук, доц., (499) 252-05-17, nselivanova2000@mail.ru,
А.С. Алексеенков, асп., atovus@yandex.ru,
А.В. Найденов, асп., naydenov.alexey@gmail.com (Россия, Москва, МАИ)
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ
Предлагается новая схема автономного электрогидравлического привода для системы управления самолетом, отличающаяся использованием дроссельного или объемного/электромоторного управления скорости в зависимости от величины сигнала управления. Рассматриваются его схема и работа, а также достоинства и недостатки в сравнении с электрогидростатическим приводом.
Ключевые слова: привод, автономный, электрогидравлический, дроссельное, объемное, электромоторное, комбинированное, регулирование, скорость.
В современной авиации все больше проявляется интерес к созданию полностью электрифицированных самолетов, которые позволят снизить стоимость жизненного цикла воздушного судна, его массу и упростят его обслуживание. В таком самолете предполагается отказ от организации сложных и громоздких централизованных гидравлических систем, требующих повышенного внимания при эксплуатации. В связи с невозможностью полного отказа от гидроавтоматики, обладающей радом специфических положительных качеств для приводных систем самолета, наблюдается переход к автономным гидравлическим приводам (АГП), получающим энергию от централизованной электросистемы самолета и содержащим в своем составе насосную станцию. В случае высококачественного авиаци-
онного привода он не требует текущего обслуживания гидроавтоматики во время эксплуатации и с этой точки зрения для эксплуатанта самолета эквивалентен электрическому агрегату. Выбор принципиальных схемных решений автономных электрогидравлических приводов продиктован жесткими требованиями ТЗ, такими, как высокая энергоотдача и энергетические показатели, быстродействие и чувствительность, высокая надежность и большой ресурс работы.
В приводе с дроссельным регулированием скорости регулирование достигается за счет изменения расхода при дросселировании жидкости с помощью золотника гидрораспределителя.
В приводе с объемно-дроссельным регулированием скорости выходного звена при сохранении дроссельного регулирования в качестве основного способа управления скорости осуществляется регулирование подачи насоса, что позволяет резко улучшить энергетические характеристики привода. В современных авиационных приводных системах, как правило, применяется этот способ регулирования. Однако в силу использования централизованных гидросистем регулировочная характеристика насоса выполняется такой, чтобы в гидросистеме давление подачи практически не изменялось. Это обстоятельство не позволяет в полной мере использовать преимущества объемно-дроссельного регулирования. Кроме того, регулирование скорости по-прежнему осуществляется за счет неэкономичного способа дросселирования жидкости в гидрораспределителе.
При объемном регулировании скорость выходного звена привода регулируется за счет изменения рабочего объема гидромашин: насоса или гидродвигателя. Это экономичный способ регулирования, однако конструкция регулируемых гидромашин сложна и появляются сложности с обеспечением требуемой чувствительности привода. Кроме того, при нейтральном состоянии привода сохраняются достаточно высокие барботаж-ные потери энергии в быстровращающейся конструкции насоса.
В результате разработки бесконтактных электродвигателей постоянного тока (БДПТ) и вентильно-индукторных электрических машин с регулируемой частотой вращения, появились так называемые электрогидро-статические приводы. В гидростатическом приводе, так же, как и в приводе с объемным регулированием скорости, скорость выходного звена привода зависит только от подачи насоса. Подача насоса, в свою очередь, изменяется за счет регулирования частоты вращения вала его приводного электродвигателя, при этом рабочий объем насоса постоянен и гидравлическая часть таких приводов выполняет функции лишь неуправляемой гидропередачи. Такое регулирование скорости выходного звена привода называется электромоторным регулированием. Из преимуществ этого
способа можно отметить относительно высокий КПД, очень малое потребление энергии в неподвижном и ненагруженном состоянии. К недостаткам следует отнести относительно низкую удельную мощность (это общий недостаток АГП), сравнительно низкое качество отработки малых сигналов управления, уменьшенную по сравнению с дроссельными приводами жесткость и динамические качества.
Для обеспечения требований к приводу в области больших амплитуд сигналов рассогласования предпочтительно объемное или электромоторное регулирование скорости выходного звена, а выполнение повышенных требований к работе на малых амплитудах сигнала рассогласования лучше обеспечивается дроссельным регулированием скорости. Удовлетворение обеих групп требований возможно при организации комбинированного регулирования скорости выходного звена привода, обеспечивающего амплитудно-зависимый переход от дроссельного способа регулирования скорости выходного звена к объемному или электромоторному. В предложенном способе управления для области больших сигналов названы объемное и электромоторное регулирование, так как оба этих способа обеспечивают выполнение предъявленных к приводу требований. Для электромоторного способа требуется система эффективного регулирования частоты вращения вала электродвигателя в большом диапазоне скоростей, но он обеспечивает минимальную потребляемую мощность в нейтральном состоянии привода. Для объемного способа регулирования этого не требуется, однако необходим достаточно сложный регулируемый насос с электро-гидравлическим агрегатом управления его рабочего объема. Инерционность ротора электродвигателя ограничивает быстродействие привода с электромоторным регулированием, теоретически быстродействие объемного привода можно сделать выше. Однако сложность системы регулирования рабочего объема насоса и наличие барботажных потерь мощности в насосе при нейтральном состоянии привода приводят к тому, что в настоящее время вариант использования объемного регулирования в приводах с комбинированным регулированием скорости можно считать неперспективным для применения в рулевых приводах.
Комбинированное управление скорости реализовано в АГП, принципиальная схема которого представлена на рис.1 [1, 2].
В этом приводе при значительных открытиях окон клапана реверса КР абсолютная величина скорости выходного звена привода регулируется преимущественно частотой вращения вала безколлекторного электродвигателя постоянного тока за счет управления подачей насоса. При малых сигналах рассогласования следящего контура привода скорость выходного звена регулируется за счет дросселирования жидкости в окнах клапана реверса.
Рис. 1. Принципиальная схема привода с комбинированным регулированием скорости: АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
БДПТ - бесколлекторный двигатель постоянного тока;
ГК - гидрокомпенсатор; ГЦ - гидроцилиндр; ДОС - датчик обратной связи; ДПД - датчик перепада давления; Н - реверсивный нерегулируемый насос; ОК - обратный клапан;
ПК - предохранительный клапан
В общем случае для комбинированного способа регулирования скорости нужен некий регулятор, обеспечивающий плавный переход от одного способа регулирования к другому в зависимости от абсолютной величины сигнала рассогласования. В данном случае функции регулятора реализованы в специальном алгоритме управляющего микровычислителя: при увеличении абсолютной величины сигнала рассогласования он постепенно меняет дроссельный способ регулирования скорости на электромоторный.
В общем случае, комбинированный способ регулирования скорости выходного звена можно определить как способ, при котором по мере увеличения абсолютной величины рассогласования следящего привода преимущественно дроссельное регулирование скорости постепенно меняется на преимущественно объемное или электромоторное регулирование. Необходимо отметить, что предложенная схема привода не есть соединение двух приводов с различными способами регулирования (такие комбинации приводов иногда применяются в высокоточных системах стендов). В любой момент времени, при любом сигнале управления работают все элементы привода, в обеспечении как дроссельного, так и электромоторного способа регулирования скорости задействованы одни и те же его агрегаты.
ОАО «ПМЗ «Восход» (г.Павлово Горьковской области) совместно с МАИ и ОАО «Электропривод» (г.Киров) разработали и построили полноразмерный макет описанного привода с комбинированным регулированием скорости выходного звена мощностью 1,5 кВт, провели экспериментальные исследования особенностей его характеристик, которые подтвердили результаты теоретических исследований, а также эффективность
362
предложенных технических решений. В дальнейшем ЦАГИ совместно с «ПМЗ «Восход» провели расширенные экспериментальные исследования статических и динамических характеристик макета привода с имитацией типовых нагрузок авиационного рулевого привода, которые также дали положительные результаты. Ниже в таблице приведены экспериментальные данные по амплитудно-частотным и фазочастотным характеристикам привода с комбинированным регулированием скорости в сравнении с аналогичными данными двухрежимного привода разработки фирмы «ЫБВ-НБЯЯ» для управления спойлерами аэробуса А-380.
Экспериментальные данные по амплитудно-частотным и фазочастотным характеристикам привода с комбинированнымрегулированием скорости
Частотные характеристики Привод спойлеров аэробуса A-3SG фирмы LIEBHERR Привод с комбинированным регулированием скорости разработки МАИ и ПМЗ «Восход»
Частота колебаний Режим дроссельного управления Режим с электро-гидростатическим управлением
1 Гц G,2 дБ 21 гр G,6 дБ 33 гр 0,1 дБ 18 гр
2 Гц G,2 дБ 43 гр 2,2 дБ 62 гр 0,1 дБ 40 гр
4 Гц G,6 дБ 9G гр 6,1 дБ 135 гр 1,0 дБ 75 гр
S Гц 6,G дБ 164 гр 11,G дБ 16S гр 6,0 дБ 120 гр
Эти данные свидетельствуют, что предлагаемый автономный элек-трогидравлический привод имеет динамическую точность на уровне традиционных дроссельных приводов с питанием от централизованной гидросистемы и значительно более высокую, чем автономный электрогидроста-тический привод.
Практическая значимость предложенного типа АГП заключается в увеличении эффективности самолетного энергетического комплекса, снижении затрат на его обслуживание и ремонт благодаря отказу от централизованной гидравлической системы, улучшении чувствительности АГП, повышении его статической и динамической точности.
Список литературы
1. Селиванов А.М. Автономный электрогидравлический привод с комбинированным регулированием скорости выходного звена // Вестник Московского авиационного института. 2010. Т. 17. №3. С. 37 - 41.
2. Автономный электрогидравлический привод с комбинированным управлением скорости выходного звена: пат. 2305210. Рос. Федерация. №2005122981; заявл. 19.07.05, опубл. 27.01.07. Бюл. №24, 8 с.
A.M. Selivanov, A.S. Alekseenkov, A.V. Naydenov PROSPECTS OF AUTONOMOUS ELECTROHYDRAULIC DRIVE A new scheme of autonomous electrohydraulic actuator for aircraft control systems, wherein the use of the throttle or volumetric control of speed subject to control signal value is proposed. The design and operation, as well as the advantages and disadvantages in comparison with electrohydrostatic drive is considered
Key words: drive, autonomous, electrohydraulic, throttle, volumetric control, electromotive, combined, control, speed.
Получено 03.10.11
