Електромагнітні пропорційні елементи керування

На відміну від електромагнітних релейних пристроїв електромагнітні пропорційні елементи керування (ЕМПЕК) відносяться до пристроїв безперервної дії, у яких вихідний параметр (переміщення) змінюється пропорційно вхідному (електричному сигналу).

Ці елементи, як і звичайні електромагнітні механізми, в залежності від характеру МРС і потоку поділяються на такі групи:

— нейтральні ЕМПЕК постійного струму, дія яких залежить від сили цього струму і не залежить від його напрямку;

— поляризовані ЕМПЕК постійного струму, напрямок переміщення виконавчого органу яких залежить від напряму струму на його вході;

— нейтральні ЕМПЕК змінного струму, у яких потік змінюється в часі як за значенням, так і за напрямком.

В залежності від характеру руху виконавчого органу ЕМПЕК поділяються на пристрої з лінійним (зворотно-поступальним) переміщенням і з кутовим переміщенням.

В пристроях автоматики (електрогідравлічних приводах) найбільше поширення одержали ЕМПЕК постійного струму нейтрального типу з лінійним переміщенням і поляризовані з кутовим переміщенням.

На рис. 3.6, а наведено конструкцію ЕМПЕК нейтрального типу з поступальним переміщенням якоря, яку створено на базі нейтральних електромагнітних пристроїв 1 і 3, що діють на загальний якір 2. Його обмотки 7, 8 вмикаються по диференційній схемі, що забезпечує двостороннє переміщення якоря.

В нейтральному положенні якір утримується двома дисковими (павукоподібними) пружинами 4, 10 із фосфористої бронзи, що мають лінійну залежність прогину від зусиль, які діють на них, що фіксуються шайбами 5, 6.

image002

Рис. 3.6. ЕМПЕК нейтрального типу

Магнітопровід ЕМПЕК виконується із заліза “армко”. Якір до пружин кріпиться за допомогою гайок. Для узгодження силових і механічних характеристик якір на кінцях має конусність, а магнітна система — без стопа.

При відсутності вхідного сигналу керування по обмотках ЕМПЕК протікають однакові струми I1=I2, що забезпечує рівність потоків і тягових зусиль. При цьому якір залишається у початковому, нейтральному положенні.

Вхідний сигнал керування створює нерівність I1-I2¹0 і нерівність тягових зусиль на торцях якоря, що переміщують якір у бік обмотки з великим струмом. В точках рівності підсумкової електромагнітної і протидійної сил якір займе нове положення рівноваги. При наявності на ЕМПЕК навантаження Fн умовою рівноваги буде:

Fе = Fпр + Fн.

Електромагнітним пропорційним елементам керування властиві дві статичні характеристики: силова (електромеханічна), тобто залежність електромагнітного зусилля (моменту) на виконавчому органі від його переміщення при різноманітних постійних значеннях сигналу керування (рис. 3.6, б; зовнішня, тобто залежність переміщення рухливої частини ЕМПЕК від сигналу управління при відсутності навантаження (рис. 3.6, в). Ця характеристика має гістерезис за рахунок гістерезису намагнічування і сухого тертя. Вона визначає чутливість і лінійність ЕМПЕК.

Поляризований ЕМПЕК складається (рис. 3.7, а) з магнітопроводу 1, якоря 2, прикріпленого з одного кінця шарнірами до магнітопроводу, двох обмоток збудження 3 і 5, розташованих на стержнях магнітопроводу, котушки управління 4 із внутрішніми розмірами, що перевищують розміри якоря, щоб він міг вільно повертатись всередині неї.

Рис. 3.7.Поляризований ЕМПЕК

image004

При подачі в обмотки збудження струму створюються потоки збудження Фв1в2, що спрямовані вздовж якоря назустріч один одному.

Останній займає стійке нейтральне положення і має відновлювальний електромагнітний момент. При подачі в обмотку управління струму визначеного напрямку виникає потік Фу, що, розгалужуючись по стержнях магнітопроводу, в одному стержні збігається з потоком порушення, а в іншому – спрямований назустріч. В результаті взаємодії всіх потоків із якорем на ньому створюються електромагнітні сили

image006

де Iу, wy – струм і кількість витків обмотки управління; Iв, wв – обмотки збудження; Фå — сумарний магнітний потік якоря; Фв — потік збудження в стержнях магнітопроводу ЕМПЕК.

При малих переміщеннях якоря х від нейтралі можна прийняти

x = q ra,

де q — кут відхилення якоря від нейтралі в радіанах; ra — радіус додатка Fe. Момент, що виникає на якорі від Fe:

Me = Ferа ,

і переміщує якір на деякий кут від нейтралі. Зазвичай кут повороту якоря q » 2¸З°. При цьому потокозчеплення змінюється практично лінійно, тому що потоки в стержнях перерозподіляються пропорційно площі перекриття якоря полюсами магнітопроводу. Це забезпечує практично лінійні статичні характеристики поляризованого ЕМПЕК (рис. 3.7, в).

На практиці одержали поширення також подвоєні поляризовані ЕМПЕК, принципова схема яких показана на рис. 3.7, г. Конструкція являє собою подвоєння всіх елементів одинарних поляризованих ЕМПЕК, що розташовуються симетрично до горизонтальної осі.

Принцип дії здвоєних поляризованих ЕМПЕК, за винятком підвищення моменту обертання, нічим не відрізняється від принципу дії одинарних поляризованих ЕМПЕК.

Питання динаміки ЕМПЕК. Як показує досвід, динаміку ЕМПЕК варто розглядати у взаємозв’язку з іншими елементами системи автоматичного управління, з якими він взаємодіє. В якості джерела сигналів управління ЕМПЕК використовуються електронні, напівпровідникові або магнітні підсилювачі. При цьому їх вихідний опір визначає характер перехідного процесу і вигляд передаточної функції. Тому той самий ЕМПЕК залежно від типу підсилювача буде мати різноманітні динамічні характеристики.

При роботі ЕМПЕК від підсилювача з високоомним виходом рівняння руху має вигляд

image008,

де т — маса і переміщення якоря; Fе — тягове електромагнітне зусилля ЕМПЕК; dтр — коефіцієнт в’язкого тертя (демпфування); С — жорсткість пружин підвіски якоря.

Тягове зусилля в ЕМПЕК прямоходового типу (див. рис. 3.6, а):

Qe = КiDI + Кxх, (3.1)

де

image010 (3.2)

DI = I2I1 - управляючий сигнал; I1, I2 струми в обмотках ЕМПЕК; w -кількість витків обмотки; m0 — магнітна проникність повітря; d0 — початковий робочий зазор в осьовому напрямку; rа — радіус циліндричної частини якоря; a — кут його конусності; h - висота конічної частини якоря.

Підставивши (3.1) в (3.2), отримаємо:

image012. (3.3)

Якщо ввести позначення:

image014

де DIm і xm — максимальні значення сигналу управління і ходу якоря, то рівняння (3.3) у відносних одиницях матиме вигляд:

image016 (3.4)

Використовуючи перетворення Лапласа при нульових початкових умовах, останній вираз запишемо у вигляді:

(T2p2 + 2xТр + 1) χ(p) = Kmi(p),

звідси передаточна функція, за керівною дією, ЕМПЕК при його роботі від підсилювача з високоомним виходом буде мати вигляд:

image018

тобто при цих умовах ЕМПЕК є аперіодичною ланкою другого порядку.

Робота ЕМПЕК від підсилювача з низькоомним виходом відрізняється істотним впливом на динаміку індуктивності його обмоток. Для даного режиму роботи ЕМПЕК рівняння електричної рівноваги має вигляд:

Ui = (R+Ri)DI + Ld(DI)/dt, (3.5)

де R, Ri - активні опори відповідно обмоток ЕМПЕК і підсилювача;
DI = I2 - I1 — різниця струмів в обмотках ЕМПЕК; L — індуктивність його обмоток.

Після введення позначень:

image020,

рівняння (3.5) прийме вигляд:

Tedi/dt + i = Keu, (3.6)

або в перетвореннях Лапласа при нульових початкових умовах eр + 1) i(p)=Keu(p), звідси передаточна функція ланки “вихід підсилювача — обмотка управління ЕМПЕК”

image022 (3.7)

Вираз (3.7) свідчить про те, що струм в обмотках ЕМПЕК при стрибкоподібній зміні напруги управління змінюється за експонентою.

Якщо врахувати, що в структурній схемі ЕМПЕК ланка “вихід підсилювача — обмотка управління ЕМПЕК” увімкнена послідовно з самим елементом, то передаточна функція ненавантаженого ЕМПЕК, що управляється підсилювачем із низькоомним виходом, визначиться з виразу:

image024 (3.8)

який описує аперіодична ланка третього порядку.

Електромагнітні пропорційні елементи керування набули застосування в системах автоматичного управління електрогідравлічними приводами металорізальних верстатів.

Васюра А.С. – книга “Електромагнітні механізми та виконавчі пристрої автоматики”

Оставьте комментарий к статье