Голованов В.А. Гироскопическое ориентирование: Учеб. пособие

Подождите немного. Документ загружается.

момента является пересечение обмотки ротора магнитным полем

статора. А это возможно лишь в том случае, если магнитное поле

статора будет вращаться хотя бы немного быстрее, чем ротор, т.е.

волна магнитного поля статора как бы обегает вращающийся ротор.

Этот принципиальный факт отражен в названии двигателя –

асинхронный, что в переводе на русский язык значит

«неодновременный», т.е. частоты вращения ротора и магнитного

поля статора не равные.

Из принципа действия асинхронного двигателя следует, что

частота вращения ротора зависит от частоты вращения магнитного

поля статора. А частота вращения магнитного поля статора,

определяемую частотой питающего тока, можно получать достаточно

высокой. В общем случае число оборотов двухполюсного

магнитного поля за минуту можно подсчитать по формуле

= 60f,

где f – частота трехфазного переменного тока, Гц.

Обязательное отставание частоты вращения ротора n

от

частоты вращающегося магнитного поля называется скольжением S.

Скольжение асинхронного двигателя характеризуют разностью

скоростей п

и n

и измеряют в долях синхронной скорости:

cрc

/)( nnnS 

Скольжение тем больше, чем выше момент сопротивления,

препятствующий вращению ротора.

Таким образом, частота вращения гиромотора Ω зависит от

частоты питающего тока и скольжения:

)1(2







Основной характеристикой любого ГМ является его

кинетический момент Н. Кинетический момент равен произведению

момента инерции I

всех вращающихся деталей (маховика,

диафрагмы, вала, колец подшипников и т.д.), взятого относительно

оси вращения, на угловую частоту их вращения Ω, Н,=,I

Ω. Момент

инерцииLI

,– величина, характеризующая массу вращающегося тела

и размещение этой массы относительно оси вращения. Если маховик

ГМ упрощенно представить как пустотелый цилиндр, то

относительно оси вращения его момент инерции





где R и r – соответственно наружный и внутренний радиусы

цилиндра; m – его масса.

Таким образом, чем больше частота вращения и наружный

радиус маховика, а также его масса, тем выше кинетический момент

и тем сильнее проявляются гироскопические эффекты.

Чтобы, не увеличивая размеров ГМ, увеличить его

кинетический момент, электродвигатель размещают внутри

маховика и выполняют его по так называемой обращенной схеме:

статор внутри ротора, – а не наоборот, как это делается в двигателях

общетехнического назначения.

Другие резервы повышения Н при малых габаритах

гиромотора состоят в увеличении частоты вращения маховика и его

массы (табл.3). Последнее достигается изготовлением маховика из

тяжелых сплавов, получаемых методом порошковой металлургии на

основе вольфрама. Плотность таких сплавов примерно в 2Lраза

больше, чем сталей.

Таблица 3

Технические характеристики гиромоторов,

используемых в маркшейдерских гирокомпасах

Показатель ГМА-2,5 ГУА-2Д ГМА-0,4ТМ ГСМ-0,8

Модель гирокомпаса МВТ2 МВГ1 МВТ4 МВБ4 «Меридиан»

Тип электропривода Асинхронный Синхронный

КинетическийLмомент,

кгм

/с 0,11 0,06 0,2 0,027 0,08

Электропитание

Напряжение, В

33 18 30 18 11

Частота, Гц 420 250 400 280 250

ЧастотаLвращения,

об/мин 12200 7000 11500 10500 7500

ПотребляемаяLмощ-

ность, Вт 2,8 2,0 2,5 1,5 0,8

Масса, г 310 310 620 120 270

Диаметр, мм 46 46 47 32 54

Практика эксплуатации гироприборов показала, что очень

сильно увеличивать частоту вращения маховика и его наружный

радиус нельзя, так как в этом случае возникают отрицательные

явления, которые превалируют над положительными.

Злейший враг всех быстровращающихся устройств –

вибрация. Если не принимать мер для ее снижения, то она, разрушая

опоры и раскачивая конструкцию в целом, быстро выводит

механизм из строя. Основная причина появления вибрации

быстровращающихся тел – несимметричность распределения масс

этих тел относительно оси вращения, или, как говорят специалисты,

динамическая неуравновешенность вращающегося тела.

Для поддержания частоты вращения маховика вращающий

момент двигателя должен быть равен моменту сил сопротивления

вращению маховика, а в режиме разгона ротора значительно

превосходить его. По сравнению с двигателями общетехнического

назначения, ротор ГМ вращается с очень высокой скоростью, что

порождает момент сопротивления воздуха (аэродинамический

момент). Момент этот достаточно большой, для его преодоления

гиромотор потребляет значительную электрическую мощность,

сильно нагревается, ротор теряет скорость.

Аэродинамический момент – это в основном результат

турбулентного движения воздуха, вызываемого вращением

маховика. Чтобы снизить аэродинамический момент, нужно создать

ламинарное (плавное) течение воздуха у поверхности вращающегося

маховика. Для этого маховику придают наиболее обтекаемую

форму, все наружные поверхности обрабатывают с высоким классом

чистоты и все острые кромки на поверхности маховика закругляют.

В некоторых случаях сам маховик заключают в гирокамеру.

Для улучшения отвода тепла, выделяемого статором

двигателя, в крышках гирокамеры иногда делают круглые

вентиляционные отверстия. Применение гирокамеры оказалось

полезным во многих отношениях, в частности, ее стали

использовать в качестве внутреннего кольца карданова подвеса.

Слабым звеном в конструкции ГМ был и остается

шариковый подшипник. Это объясняется тем, что подшипник в

гиромоторе работает в исключительно тяжелых условиях: высокая

частота вращения, вызванные ею интенсивные вибрационные

нагрузки и сильный нагрев подшипника, значительные осевые и

радиальные нагрузки, обусловленные ускорениями объекта, на

котором установлен ГМ. В результате подшипник разрушается.

Полвека пришлось затратить ученым, инженерам и технологам на

то, чтобы значительно усовершенствовать скоростные

шарикоподшипниковые опоры ГМ. Но и сегодня проблему нельзя

считать решенной окончательно. В современных гиромоторах от

шариковых подшипников требуется не только выстоять

определенное время, сохранив работоспособность, но и обеспечить

еще целый ряд показателей, важнейшим среди которых является

стабильность положения центра масс ГМ.

Рассмотрим устройство

асинхронного гиромотора с

открытым ротором (рис.9). Пакет

статораL5, выполненный из тонких

листов электротехнической стали,

жестко крепится на осиL3. В пазах

пакета статора уложена

трехфазная обмоткаL2 статора,

соединенная в «звезду». ПроводаL6

обмотки статора выводятся

наружу через отверстие в оси.

Ротор ГМ состоит из тяжелого обода (маховика) 1, обмотки

ротораL4 («беличье колесо») и внутренних колец

шарикоподшипниковых опор. Беличье колесо представляет собой

пакет пластин электротехнической стали, залитых алюминиевым

сплавом, образующим короткозамкнутые витки роторной обмотки.

Наружные кольца подшипников ротора установлены во втулках,

напрессованных на неподвижную ось гиромотора. В этих втулках

также размещаются специальные шайбы и прокладки, с помощью

которых обеспечивается смазка шарикоподшипников, регулировка

осевого люфта ротора и постоянство осевого давления в

подшипниках при температурной деформации гиромотора.

Точность работы гироскопических приборов зависит от

постоянства частоты вращения маховика ГМ, вернее, от

стабильности кинетического момента его ротора. Асинхронные

двигатели могут обеспечить постоянство частоты вращения

маховика лишь с точностью 0,5-1L%. Для многих современных

гироскопических приборов и систем этого уже недостаточно.

Высокую точность могут обеспечить синхронные двигатели

переменного тока. Как следует из названия двигателя, его ротор

вращается с такой же скоростью, с какой вращается магнитное поле,

Рис.9. Гиромотор

1 – обод ротора; 2 и 4 – обмотки статора

и ротора; 3 – ось; 5 – пакет статора; 6 –

провода обмотки статора;

создаваемое статором, т.е. вращение поля и ротора одновременное

(синхронное). Следовательно, чтобы обеспечить постоянство

частоты вращения маховика, нужно обеспечить постоянство частоты

вращения магнитного поля. А эта задача для современной техники

вполне по силам.

Первый гиромотор с синхронным двигателем был создан

советским инженером Б.А.LТалалаем еще в 1926Lг. Однако

практического применения он не нашел, так как в то время особой

потребности в таких ГМ не было, да и сам двигатель по многим

показателям уступал асинхронным.

С конца 50-х годов в гиромоторах находят широкое

применение синхронные гистерезисные двигатели. Статор его

аналогичен статору асинхронного ГМ, а вот ротор представляет

собою кольцо, изготовленное из магнитотвердого материала, т.е.

из материала, пригодного для изготовления постоянных магнитов.

Такие магнитотвердые материалы были созданы только в конце 50-х

годов. Включенный в трехфазную электросеть, статор создает

вращающееся магнитное поле, которое намагничивает ротор. В

результате на роторе возникают северный и южный магнитные

полюса. Теперь ротор очень напоминает стрелку магнитного

компаса, а, как известно, на стрелку действует момент, который

стремится совместить ее ось с направлением силовых линий

магнитного поля Земли.

В гистерезисном двигателе роль направляющего магнитного

поля играет вращающееся магнитное поле статора. Магнитная ось

ротора, стремясь совместиться с волной вращающегося магнитного

поля, устремляется вслед за ней. Вращаясь, ротор преодолевает

моменты сопротивления, поэтому догнать волну магнитного поля

статора магнитная ось ротора не может, но через некоторое время,

называемое временем входа в синхронизм, ротор приобретает так

называемую синхронную частоту вращения, равную частоте

вращения волны магнитного поля статора.

В дальнейшем среднее значение синхронной частоты ротора

выдерживается с высокой точностью. Теперь задача состоит в том,

чтобы обеспечить высокую стабильность вращения самого

магнитного поля статора. Эта задача решается с помощью

специальных электронных источников питания гиромотора, так

называемых статических преобразователей, имеющих очень

высокую стабильность частоты выходного напряжения.

Арретирное устройство обеспечивает полную

неподвижность ЧЭ после арретирования при одновременной

неизменности натяжения торсиона, что очень важно для сохранения

его физико-механических свойств.

Арретирное устройство состоит из конической шестерни,

входящей в зацепление с двумя гайками арретирного механизма,

имеющими резьбу разных направлений. Коническую шестерню

наблюдатель вращает при помощи рукояткиL4 (см. рис.8). При этом

гайки, вращаясь в разные стороны, перемещаются поступательно

вверх-вниз и в зависимости от направления вращения надежно

блокируют или, наоборот, плавно освобождают ЧЭ. Действие их

настолько синхронно, что при арретировании не происходит

заметного изменения положения ЧЭ по высоте, и натяжение

торсиона сохраняется прежним. Для предотвращения случайного

поворота рукоятки арретирного устройства она блокируется

фиксаторомL3 (рис.8).

В верхней части арретирного устройства расположены два

ловителя ЧЭ 10 (рис.8), обеспечивающие при арретировании

установку ЧЭ в горизонтальной плоскости так, чтобы неподвижный

и движущийся штрихи были расположены в пределах десяти

делений шкалы автоколлимационной трубы. В дезарретированном

положении ловители обеспечивают свободу колебаний ЧЭ в

пределах 10.

Блок питания гиротеодолита МВТ2 состоит из

полупроводникового преобразователя и аккумуляторной батареи,

заключенных в общий взрывобезопасный корпус. Если с момента

создания МВТ2 сам прибор не подвергался каким-либо

принципиальным изменениям (менялась марка теодолита

угломерной части: ОТШ, Т5, 2Т5К), то блок питания за эти годы

совершенствовался неоднократно. Это было связано, во-первых, с

изменением ассортимента выпускаемых промышленностью

аккумуляторов, а во-вторых, – с совершенствованием схемы

электронных преобразователей. С помощью преобразователя

постоянный ток батарей преобразуется в трехфазный, напряжением

30-36LВ и частотой около 410LГц.

Постоянный ток от аккумуляторных батарей первоначально

поступает на стабилизатор постоянного напряжения, который

подает на преобразователь стабилизированное (т.е. постоянное по

величине) напряжение батарей. Благодаря этому создается

постоянство условий электропитания преобразователя, а тем самым

и ста- бильность частоты трехфазного тока. Это, в свою очередь,

обеспечивает постоянную частоту вращения ротора ГМ, что имеет

большое значение для точности работы гиротеодолита. При падении

напряжения ниже рабочего уровня защитное реле отключает блок

питания. При этом гаснет контрольная лампочка или светодиод на

верхней крышке блока питания.

Управление преобразователем производится с помощью

переключателя режимов работы, имеющего три положения:

«Выключено», «Пуск», «Работа» (рис.10). В положении

«Выключено» питание от батареи на преобразователь не подается. В

положении «Пуск» на гиромотор подается нестабилизированное

напряжение с повышенной силой тока в фазах, что обеспечивает

быстрый разгон ГМ. В режиме «Работа» на гиромотор подается

стабилизированное напряжение.

В блоках питания в зависимости от срока изготовления

приборов были установлены различные типы аккумуляторных

Рис.10. Панель блока питания МВТ-2

Работа

Пуск

Выключено

батарей. Так, в первых приборах использовалась аккумуляторная

батарея 10НКГ-3,5Д, состоящая из 10 последовательно

соединенных герметичных никелево-кадмиевых аккумуляторов

типа НКР, предназначенных для применения в шахтах, опасных

по газу и пыли. Напряжение заряженной батареи 12,5LВ,

разряженной 10,5LВ. Номинальная емкость батареи 3,5LАч

обеспечивается при температуре от +15 до +25LС. При

температуре от +15 до 0LС и от +25 до +45LС емкость батареи

понижается примерно на 10L% от номинальной.

В более поздних выпусках приборов использовалась

аккумуляторная батарея 6НКГК-1Д, состоящая из 6 последовательно

соединенных герметичных никелево-кадмиевых аккумуляторов типа

НКГК. Напряжение заряженной батареи составляет 7,8LВ,

разряженной – 6LВ. Номинальная емкость батареи 1LАч.

Контроль режима электропитания гиромотора в блоках

старого выпуска осуществлялся сигнальной лампочкой и по

вольтметру-амперметру. Вольтметр-амперметр позволял

контролировать наличие тока в каждой фазе.

В блоках более позднего выпуска имеется только

контрольный светодиод, который лишь сигнализирует о работе

преобразователя, но не о возможных разрывах в цепях отдельных

фаз. При работе с такими блоками питания нужно постоянно

контролировать период колебаний ЧЭ при включенном гиромоторе.

4. ПРИВЕДЕНИЕ ОСИ ГИРОМОТОРА

В ПЛОСКОСТЬ МЕРИДИАНА

Как известно, в маркшейдерских гирокомпасах приведение

ЧЭ в меридиан осуществляется в период разгона ротора гиромотора.

Разгон ротора по заданному предварительно рассчитанному закону

обеспечивает существенное уменьшение амплитуды

установившихся прецизионных колебаний ЧЭ (А

уст

). Заданный

режим разгона ротора реализуется специальным электроприводом.

Проведенные исследования влияния возмущений,

действующих в процессе измерений на ЧЭ гирокомпаса,

показывают, что точность определения положения равновесия

повышается с уменьшением начального отклонения ЧЭ в

азимутальной плоскости, или амплитуды А

уст

. При работе с

маркшейдерскими гирокомпасами, имеющими, как правило,

визуальный отсчет показаний, положение равновесия в пуске

определяется амплитудными способами, при использовании

которых погрешность в определении положения равновесия прямо

пропорциональна величине А

уст

Для получения максимально возможной для данного

прибора точности необходимо обеспечить малую амплитуду

установившихся прецессионных колебаний чувствительного

элемента и малые углы закручивания подвеса. Для этого при работе

с прибором необходимо выполнить операцию предварительного

ориентирования, т.е. необходимо главную ось ГМ привести из

произвольных (в общем случае) начальных условий, в зону, близкую

к плоскости меридиана.

В основу функционирования маркшейдерских гирокомпасов

положено использование специального режима работы – режима

ускоренного приведения в меридиан. Этот режим работы

реализуется с помощью момента инерционных сил – момента

реакции статора ГМ, возникающего в процессе изменения частоты

вращения ротора.

Рис.11. Программа изменения

кинетического момента гиромотора

Н(t

)

max

(t)