Решетов С.А. Электроснабжение воздушных судов Учебник для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Для защиты от длительно

действующих перегрузок приме-

няются моментные сигнальные

муфты (рис. 1.9). Они исполь-

зуются в приводе заслонок раз-

личных самолетных систем (вы-

сотная, противообледенитель-

ная,

система регулирования рас-

хода воздуха и др.) в сочетании

с муфтой торможения, встроен-

ной в ЭД. При возникновении

на валу момента выше допусти-

мого в течение определенного

времени, достаточного для от-

клонения подвижной системы

муфты на определенный угол ср,

муфта выдает сигнал на отклю-

чение ЭД от сети. Это и опреде-

При отключении ЭД обесточи-

вается и обмотка муфты торможения. Система затормаживается.

Основной элемент муфты — планетарный редуктор, корона

2 которого имеет рычаг 3. Перемещению рычага и, следовательно, по-

вороту короны препятствуют пружины 5, которые в нормальном режи-

ме фиксируют систему. При возникновении перегрузки вращение ва-

ла передается короне, поворачивающейся на шариках /. Закреплен-

ный на короне рычаг 3 перемещает каретку 4, сжимая пружину 5 (на

чертеже плоскость каретки повернута на 90°). Связанные с кареткой

толкатели 6 нажимают на кнопки микровыключателей 7 или 7' (в за-

висимости от направления вращения) и отключают питание ЭД. Вклю-

ченная в минусовую цепь ЭД обмотка муфты торможения Y обесточи-

вается и затормаживает вал ЭД. Это обеспечивает уменьшение выбега

вала ЭД и каретки, исключение колебаний в системе и возможности

самопроизвольного повторного включения при снятии перегрузки (си-

стема зафиксирована муфтой, рычаг 3 держит микровыключатели ра-

зомкнутыми). Для возвращения в исходное положение кратковремен-

но включают ЭД для движения в противоположном направлении. Муф-

та растормозится, микровыключатели замкнутся, система готова к

включению ЭД для вращения в нужном направлении.

Выходной вал 8 связан с валом 9 кулачками 10, последние — с мик-

ровыключателями 11 сигнализации положений заслонки 12. Угол по-

ворота короны в установившемся режиме связан с передаваемым мо-

ментом следующим соотношениием:

Мд = F

L = К

6 L =

sin <p,

где М' — момент, приведенный к оси рычага; F

— сила сжатия пружины;

б и К

— соответственно ее ход и жесткость.

и .

Рис.

1.9. Муфта защиты привода от дли-

тельно действующих перегрузок

лило ее название как сигнальной.

Таким образом, при моменте М

рычаг повернется на угол ср. От-

ключение ЭД присходит при ф =

ср

тах

соответствующем Мд'„,

ах

после чего привод переходит в режим торможения. Такие муфты часто

применяются в системах, ограниченных жесткими внешними упорами

для исключения ударов по упорам. Выбег ротора ЭД ср

и ход карет-

ки h не должны превышать допустимых значений. Кроме того, по тем-

пературному режиму муфты торможения ограничивается и время тор-

можения t

Оно определяется из уравнения движения

асо

J—

=-(М

+ ^),

где J — момент инерции вращающихся частей системы; М

— тормозной мо-

мент муфты; М'

— приведенный к валу ЭД момент сопротивления.

Если принять, что УИ

+ М'

const,

то /

= /со

/(М

+ М'

где сод — начальная угловая скорость ЭД.

Если характер изменения угловой скорости ЭП принять линейным,

то угол срд = сод (-у-+ 4) и для типовых систем не превышает 50 обо-

ротов вала ЭД. Время t

учитывает срабатывание коммутационной ап-

паратуры и нарастание тока в обмотке муфты. Выбег короны ср

Фд/'дк. где г

дк

— передаточное отношение редуктора от ЭД к коро-

не;

ф„ = 10 ... 20°. При малых значениях ф

= R sin

где R—

расстояние от оси вращения до оси пружины.

В качестве предохранительных могут применяться фрикционные

муфты, момент в которых передается за счет сил трения плоской лен-

точной пружины, посаженной с определенным натягом на ведущий вал.

Своими торцами пружина упирается в упоры ведомой части муфты.

Благодаря калиброванному усилию натяга пружины такие муфты обла-

дают высокой стабильностью передаваемого момента буксования без

использования специальных стабилизирующих устройств. Надеж-

ность таких муфт выше вследствие отсутствия шарикового устройства,

которое в ряде случаев приводит к разблокированию муфты.

1.3. ЭЛЕМЕНТЫ ПЕРЕДАЧИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Для передачи механической энергии от ЭД к ИМ применяют тяги,

тросы, барабаны, цепи, валы и другие элементы, связывающие звенья

кинематической цепи, а также муфты и редукторы. Для преобразова-

ния видов движения используют винтовые (обычно шариковые) и рей-

ковые передачи или шарнирно-рычажные механизмы.

/ Редукторы. Объем активных материалов ЭД d

/ при заданной

мощности обратно пропорционален его угловой скорости со

, поэтому

она обычно выбирается максимально допустимой по условиям прочно-

сти и надежности. Угловая скорость перемещения"ИМ меньше со

поэтому между ЭД и ИМ устанавливается редуктор R.

Введение редуктора увеличивает массу системы,

но

суммарная

масса системы «высокооборотный

ЭД + /?»

меньше массы низкооборот-

ного

ЭД,

спроектированного

для

работы

со

скоростью, равной скоро-

сти

ИМ

(©

). Установка редуктора удачно сочетается

одновременным

увеличением момента

соответствии

уравнением баланса мощности

в системе:

(о

<Од/Ид

с.

;

(йд/Ид т)

/сй

гТИдПс.п

> М

Чсп — к. п. д.

редуктора;

i ---

<о

/со

> 1.

В авиационном

ЭП

применяются: редукторы

обычными зубчаты-

ми колесами (цилиндрическими

коническими), передачи винтовые

шариковые винтовые, червячные, одинарные

или

многоступенчатые

планетарные. Обычные зубчатые передачи

(с

внешним

или

внутренним

зацеплением) имеют высокий к.п.д.:

до 98 % для

цилиндрических

до

92 % для

конических передач. Одна ступень способна обеспечить

передаточное отношение

i < 5 для

цилиндрических

и i < 3 для

конических передач. Планетарные передачи

(рис. 1.10)

характери-

зуются меньшими размерами

при

больших передаваемых усилиях.

При этом

вал ИМ

вращается

в ту же

сторону,

что и вал ЭД.

Переда-

точное отношение зависит

от

способа передачи вращения

—

через

центральное колесо, корону

или

одновременно через центральное коле-

со

корону

(рис. 1.11).

Последний способ применяется

в МПН для'

сложения скоростей

на

дифференциале.

первом случае (рис.

1.11, а)

момент передается через центральное (солнечное) колесо

укреплен-

ное

на

валу

ЭД, к

сателлитам

которые, обкатываясь

по

внутрен-

нему зацеплению «короны»

вращают водило

4 и

через него выходной

вал

и ИМ. Из

треугольника окружных скоростей

при

неподвижной

короне следует,

что

окружная скорость

водила

в 2

раза меньше ско-

рости

t'j

колеса

/. При

этом

1/в

= (z

+ z

)/z

= 1+ z

Во втором случае

(рис. 1.11, б)

колесо

неподвижно (заторможе-

но),

вращается колесо

сателлиты

обкатываются

по

колесу

/, вра-

0—К

Рис.

1.10.

Ступень планетарного редуктора:

/—центральное

колесо;

2 —

сателлит;

3 —

корона;

4 —

водило

Рис.

1.11.

Схемы передачи вращения

планетарном редукторе

щая водило:

со

3/в

СО

о/СО

т.

е.

угловая ско-

рость водила

в (1 +

zjz

)

раз

меньше

со,.

Окружная скорость

водила

=-у и

Этот режим реализуется

в МПН при

отка-

зе одного

ЭД,

когда центральное колесо первой ступени заторма-

живается муфтой.

третьем случае (рис.

1.11, в)

одновременно враща-

ются

одном направлении колеса

/ и 3

(нормальный режим работы

МПН).

При

этом

= (w

+ v

)/2 « и

, т. е. в 2

раза выше,

чем при от-

дельном вращении. Угловая скорость водила

со

—

(<м

/(Zj+гз). Зацепление

планетарных передачах происходит

несколь-

ких точках,

что

снижает нагрузки

на

зубья

изгибающие моменты

на

валах. Передаточное отношение ступени

i = 3,5 ... 7,5; к. п. д. =

=0,95

... 0,96. В

механизмах мощностью

до 150 Вт

часто используется

дифференциально-планетарная передача

(рис. 1.12),

обеспечивающая

при небольших размерах большое передаточное число

i. Она

состо-

ит

из

двух

пар

зубчатых колес: двух колес внутреннего

за-

цепления

и z

двух спаренных сателлитов

и z

Передаточное

отношение

ели

то i

со.

Недостаток такого редуктора

—

низкий

.п.д.

(около

10%).

Области применения

—

маломощные системы,

Например механизмы концевых

выключателей..

Для передачи вращения

валу, расположенному

под уг-

лом 90°

другой плоскости,

ис-

пользуют конические передачи.

Винтовые передачи служат

для

преобразования вращательного

движения

поступательное.

Они

широко применяются

электро-

механизмах

поступательным

)

-г

Рис.

1.12.

Планетарная передача малой

мощности

большим передаточным

от-

ношением

К редуктору

Рис. 1.13. Винтовой

стабилизатора

подъемник

движением вала, например в подъем-

никах стабилизатора, механизации

крыла. В основе передачи лежит па-

ра «гайка-винт». Движущим элемен-

том может быть гайка, винт или

гайка и винт. На рис. 1.13 приведе-

на упрощенная схема такой переда-

чи,

используемой в приводе стабилиза-

тора самолета Ту-154. Гайка 5 через

редуктор 3 вращается электромеха-

низмом МУС-ЗПТВ, а винт 4 совер-

шает поступательное движение, огра-

ниченное упорами 1, 2. Передаточное отношение таких передач

г = со/и и изменяется в пределах i = 500 ...

2000

(для данной систе-

мы

= 1200 м-

Основной недостаток — низкий к. п. д. (менее 50 %). Однако это

обеспечивает условие самоторможения систем при возникновении на

валу помогающего момента при отключенном ЭД. Действительно, при

„ < 0,5 момент ЭД в режиме движения М

= М

/г|

сп

= М

с п

>2М

,т. е. М

> М

. Если в такой системе при отклю-

ченном ЭД на валу возникает помогающий момент М

, то движения

не будет. Это оказывается полезным, так как исключает «самоход» ИМ

при отказе муфт «сцепления-торможения» в режиме торможения в

МПН. Здесь прослеживается непосредственная связь энергетических

показателей привода с надежностью системы к безопасностью полетов.

Если «самоход» устранен другими способами (торможением трансмис-

сии, работой муфт), то для повышения к. п. д. может быть применена

шариковая винтовая передача, в которой между винтом и гайкой в ка-

навках помещены стальные шарики. Замена трения скольжения на

трение качения увеличивает к. п. д. (0,9 ...

0,95).

Такая передача при-

менена в подъемнике стабилизатора самолета Ил-62 и в серии мало-

мощных ЭП с поступательным движением выходного звена.

Выбор передаточного отношения ступеней редуктора. Обычно тре-

буемое передаточное отношение i

= со

/со

обеспечивается нескольки-

п 1

ми ступенями. При этом h = П i

а к. п. д. rjs = П где п — чис-

ло ступеней. В реальных расчетах необходимо передаточное отношение

t's разбить по ступеням и рассчитать при частичной нагрузке. Крите-

рии выбора ij ступеней различны в зависимости от требований к при-

воду. Рекомендуемые значения для разных типов передач приводятся в

справочниках. Так, для винтовой пары значение i = 500 ...

2000,

для

двухступенчатого планетарного редуктора — 12

...42,

для трехступен-

чатого — 43 ... 325. Там же приведены значения к.п.д. для нормальной

нагрузки ступени. При разбиении общего передаточного числа i

по ступеням возможны различные варианты обеспечения i'

путем из-

менения в допустимых пределах значений i

}

ступеней. В зависи-

мости от решаемой задачи подход к разбиению может быть различным.

Например, выбрать i

}

так, чтобы отношение /С, ==

»,.с

было наи-

меньшим; где »,.ср=(*-м1п+'мах)/2.

_d_LJL--:

и /С,-К »_

/1^3 V — • / '1ср'2ср'лср

iWs

= Чср'гсргзср/А/

Пусть для t_ = 50 000 выбран редуктор, состоящий из винтовой па-

ры «двухступенчатого планетарного редуктора. Используя приведен-

Еые в справочниках рекомендуемые значения^ по приведенной выше

методике, получим: К, = 0,82; t\ — 1520; i

- 33.

1 4 ПОТЕРИ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Наличие между ЭД и ИМ системы передач вызывает потери энергии

на трение которые при расчетах учитывают введением к. п. д. переда

чи или моментов трения М

. Обычно М

ив0

ХЛ

и описывают линейной функцией от передаваемого момента M. Mj

- М.4- ЬМ где Мп - постоянная составляющая момента трения, не

„висящая от М; Ь - коэффициент, определяемый экспериментально

и равный тангенсу угла н^лона зависимости переменной составляю-

щей потерь трения М„ от момента. Примерные зависимости М

= f (М)

и т) = / (М) приведены на рис. 1.14. ^

Значение Г|

гаах

соответствует моменту, при котором М

- м„.

На рис 1.14 это соответствует М = М

При решении уравнений движения электропривода, особенно с

применением ЭВм"зависимость к. п. д. системы передач от передава-

емого момента удобно представить в

ных коэффициентов нагрузки К, = MIM Запишем W виде т1к.з_

М/(М + М„ + MJ. Примем, что М

опо

Р«

иона

ьн

° ^

аМ

. Кроме того, для обеспечения w при М = М„ примем, что

при м = Мо

= ли Из рис. 1.14 следует, что (М

„ — M

)W„ -

MJM. Тогда М__ = М„ К

М + М

Величину а можно выразить

через т)

2М

1+2а

а = (1— т]

)/2 Лн-

Рис 1 14. Зависимость момента тре-

ния и к. п. д. систем передачи меха-

нической энергии от передаваемого

момента

Тогда

-=1

/ L , '-чн

1-т|„\

2ц

2г|„А:

. 2t]„j Пн^Л'з

-1)

;•(*'.•>

!.) '

1.5.

ХАРАКТЕРИСТИКИ АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Тип

ЭД,

применяемого

самолетном приводе, чаще всего соответст-

вует роду тока первичной СЭС, что исключает необходимость дополни-

тельных преобразований энергии. Применение

ДПТ на ВС,

оборудо-

ванных СЭС переменного тока, объясняется рядом положительных осо-

бенностей

их

эксплуатационных характеристик: большим' разнообра-

зием механических характеристик

(MX)

различной жесткости,

что

позволяет рационально согласовать характеристики привода

и ИМ;

относительной простотой регулирования угловой скорости,

что

обес-

печивает экономичность системы привода: возможностью питания при-

вода жизненно важных систем

от АБ в

полете

или на

стоянке, запуска

ВСУ

воздухе, питания насоса

ВСУ для

подачи топлива

основным

АД

выпуск хвостовой опоры,

также возможностью дублирования

рода тока

при

оборудовании

МПН

двигателями постоянного

пере-

менного тока. Основные недостатки ДПТ, ограничивающие

их

приме-

нение, связаны

наличием коллектора,

что

увеличивает массу, стои-

мость, понижает надежность

и к. п. д.,

увеличивает стоимость эксп-

луатации, ограничивает высотность. Недостатки коллекторных

ДПТ

устраняются

бесконтактных двигателях постоянного тока (БДПТ).

Разнообразие

обеспечивается различными способами возбуж-

дения ДПТ.

Для

схем

рис. 1.15, а, б, в

обычно принимают

Ф = const.

Тогда статические характеристики этих

ДПТ

близки

линейным.

Их

получают

из

соотношений, известных

из

теории электрических машин:

/С

Ф/

;

(1.1)

А:

Фю;

(1.2)

= E +

(1.8)

где

М —

момент

ЭД; Е —

противоЭДС;

со —

угловая скорость;

, R

—ток

и сопротивление цепи якоря;

U —

напряжение сети.

Рис.

1.15.

Двигатель постоянного тока

различными способами возбуждения

' 0

,= м

//у

С2

>М

С1

Рис.

1.16.

Статические характеристики

ДПТ

параллельного (независимого) воз-

буждения

В системе

СИ

коэффициенты

КЕ = Км = К. Так как Ф = const,

то

и КФ = С = const. Для

схем

рис. 1.15, г, д Ф # const и

зависит

от нагрузки.

Различают характеристики: механические

—

со

= f (М),

скорост-

ные

со = / (/

моментные

— М =f (/

регулировочные

—

со

(сУ).

Выражение

для

скоростной характеристики получают

из (1.3) с

учетом

(1.2):

U-I

0.4)

с " с •

где

со„ = (7/С —

угловая скорость холостого хода

при М

=0.

С учетом

(1.1) и ток /

= 0.

Подставив

в (1.4)

выражение

для /

из

(1.1),

получим

MRa

(1.5)

При

Ф = const

характер зависимостей

со /' (/

) и со = f (М)

оди-

наков

(рис. 1.16, а). При

отсутствии

цепи якоря дополнительных

сопротивлений

характеристики называют естественными,

при

о —

искусственными.

увеличением

R„ их

жесткость

падает.

При со

= 0

противоЭДС

Е = 0, а /

момент двигателя

прини-

мают свои пусковые значения:

= гУ/Я

; М

/СФ/

С/

Вводя

р\ (1.5)

представляют

виде

со

со,, —

-Ир*

или

MRa

—

к Фи " м

учетом выражения р"

/со

—сов.

М_

(1.6)

Рис.

1.17.

Статические характеристики

ДПТ

последовательного возбуждения

Из

(1.1)

непосредственно следует,

что без

учета реакции якоря уравне-

ние

М = /(/

) —

прямая, проходящая через начало координат

(рис.

1.16, б). При

учете реакции якоря

при

больших значениях

ха-

рактеристика

М (/

)

несколько отличается

от

пропорциональной

(момент уменьшается). Подчеркнем,

что ток /

не

зависит

от

сопротив-

ления цепи якоря

определяется моментом сопротивления

на

валу. Однако

при

изменении

изменяется со даже

при М

= const.

Регулировочная характеристика описывается

тем же

уравнением,

что'

механическая

при U = var для

различных

(рис. 1.16, в).

При

она

проходит через начало координат (идеальный случай).

Реально даже

при

отсутствии

всегда существует момент статическо-

го трения Л4

, который определяет зону нечувствительности

ЭД

(напря-

жения трогания

тр

) и

оказывает влияние

на

статическую погреш-

ность следящих систем.

Особенности эксплуатационных характеристик

ДПТ

последова-

тельного возбуждения связаны

протеканием тока якоря через

об-

мотку возбуждения

(см. рис. 1.15, г). В

процессе работы

соответст-

вии

с (1.1) при

изменении

изменяется

и,

следовательно, создава-

емый

им

поток

Ф, т. е. Ф = / (/

) Ф const.

Характер зависимости

)

определяется кривой намагничивания

(рис. 1.17, а). При вы-

воде формул

(1.4) ... (1.6) не

делалось никаких ограничений

на

способ

возбуждения, поэтому

общем виде

(1.4) ... (1.6)

справедливы

и для *

ДПТ последовательного возбуждения. Однако зависимость

Ф = //„

делает

эти

характеристики нелинейными.

Так, в

зависимости

М =

/ (/

)

выделяют

две

области.

При

малых

когда машина ненасы-

щена, принимают

Ф = а /

, где а —

постоянный коэффициент.

Тог-

да

М = кФ/

= ка1\. При

больших

насыщении машины

Ф-+-

(см.

рис. 1.17, а) и

становится практически постоянным.

Ха-

рактеристики асимптотически приближаются

линейным, аналогич-

ным характеристикам

ДПТ с Ф = const.

С учетом сделанных замечаний скоростная характеристика прини-

мает

вид со =

кф

•

Уменьшение момента

на

валу

ЭД

одно-

временно уменьшает значения

и Ф (/

), что и

приводит

более рез-

кому увеличению

со (рис. 1.17, б), чем для ДПТ сФ = const.

На холостом ходу

(М

= 0) /

0, Ф->0,

со ->-

оо,

поэтому такие

ДПТ

не

включают

без

нагрузки. Вследствие нелинейной зависимости

(Iа)

уравнение MX такого

ЭД во

всем диапазоне изменения

полу-

чается сложным.

Для

ненасыщенной машины

оно

принимает

вид

_ MR

(7__ Ra_

Ю_

кФ(/

) ~(/сФ(/

))

~ УШ~ А '

где

А = ак

(рис.

1.17, в).

Положительная особенность данных

ДПТ —

повышенный пуско-

вой момент

кФ

, определяемый потоком насыщения

при

пус-

ковом токе,

полным использованием заложенных

конструкцию

ЭД

активных материалов (сталь, медь).

Это

обусловило

их

широкое при-

менение

механизмах, требующих большого пускового момента

и до-

пускающих изменение скорости

при

изменении нагрузки

на

валу.

Для расчета характеристик таких

ЭД

используют

или

универсаль-

ные характеристики, построенные

для

определенных серий

ЭД в от-

носительных единицах

со„, /„, М

(рис.

1.17,

г),

или

расчетно-экспери-

ментальные методы,

которых одна

из

характеристик

(на

рис.

1.17, д—

скоростная) определяется экспериментально. Процесс построения

характеристик

на рис. 1.17, д

указан стрелками.

Разнообразие MX

различной жесткостью, необходимое

для

раци-

онального согласования характеристик

ЭД и

ИМ, реализуется

в ДПТ

смешанного возбуждения

(см. рис. 1.15, д)

изменением соотношения

частей потока, создаваемых параллельной

последовательной обмотка-

ми возбуждения.

Различие характеристик ДПТ

разным способом возбуждения обу-

словило

различные области

их

применения.

ДПТ

последовательного

возбуждения обычно применяются

системах,

где

требуется создать

большой пусковой момент,

но не

требуется постоянства частоты враще-

ния,

или при

необходимости обеспечения реверсирования, схемы

ко-

торого для

них

более просты (привод органов управления, механизации

крыла, различных заслонок).

При

изменении нагрузки

ДПТ последо-

вательного возбуждения

ток

изменяется

меньшей степени, чем

ДПТ

параллельного возбуждения.

Это

важно

для

систем аварийного при-

вода, питающегося

от

АБ.

ДПТ

параллельного возбуждения применя-

ются

при

необходимости обеспечения стабильной частоты вращения

при изменении момента

, ее

регулирования

или

использовании

ре-

жима рекуперативного торможения.

В ДПТ

смешанного возбуждения

реализуются преимущества обоих типов ЭД,

но они

более сложны

в из-

готовлении, дороги

применяются

основном

для

создания большого

пускового момента

сочетании

со

стабилизацией частоты вращения

(электромашинные преобразователи рода тока типа

ПО, ПТ, ПТО).

1.6.

ХАРАКТЕРИСТИКИ АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Оборудование современных

ВС

системами переменного тока

на-

пряжением

208 В, 400 Гц

обусловило широкое применение асинхрон-

ных электродвигателей. Наибольшее распространение получили

се-

рии

АДС, АДД, МТ,

АДУ,

ДГ.

Угловая скорость большинства серий

ЭД

не

превышает

800 с

-1

диапазон выходной мощности

достаточ-

но широкий

— от

долей ватта

до

нескольких десятков киловатт.

Так,

двигатель АДУ-1

механизме коррекции частоты генератора самолета

Ил-62 имеет мощность

= 0,3 Вт, а

двигатель

АДС = 35 000

при-

вода автономной насосной станции

— 35 кВт при

массе

38 кг.

Наибо-

лее характерный диапазон мощности

0,2 ... 3 кВт.

Величина

Я,

обыч-

но входит

обозначение

ЭД.

Расшифруем обозначения основных типов

ЭД, находящихся

эксплуатации,

укажем области

их

приме-

нения.

АДС

—

асинхронные двигатели самолетные, широко применяются

в механизмах повышенной надежности (МПН),

частности: АДС-600

ЭП

предкрылков самолета Ту-154, АДС-1000

—в ЭП

стаби-

лизаторов самолетов Ту-154, Ил-62, электротельферов

лебедок

самолетов Ил-76

и др.;

АДС-3000

— в ЭП

закрылков самолета Ил-62,

в приводе лебедки ЛГ-3000. Серия

АДД

отличается

от

серии АДС двух-

скоростным исполнением.

Для

этого

на

статоре

ЭД

размещены

две об-

мотки. Такие

ЭД

удобны

для

привода многоскоростных лебедок.

Серия

МТ

(мотор трехфазный) нашла широкое применение

для

приводов различных агрегатов,

частности топливных насосов.

Се-

рия

ММТ

специально спроектирована

для

привода топливных насо-

сов.

ЭД

погружен непосредственно

в бак с

топливом. Особенность

их

конструкции

—

применение подшипников скольжения, омываемых

протекающим

по

подшипнику

зазору машины топливом.

Это

обеспе-

чивает смазку подшипников, охлаждение машины

исключает необ-

ходимость герметизации узлов системы «насос

—

двигатель».

Это по-

зволило повысить ресурс агрегатов типов ЭЦН-323

(с

ММТ-200)

ЭЦН-325

(с

ММТ-900), применяемых

топливной системе самолета

Ту-154,

до 12 000

летных

ч.

Двухфазные асинхронные двигатели серий

АДУ и ДГ

нашли

на-

ибольшее применение

автоматических системах управления. Серия

ДГ

—

сочетание двухфазных

ЭД и

тахогенераторов. Напряжение

та-

хогенераторов используется

для

скоростной обратной связи. Наиболь-

шее применение такие

ЭД

нашли

системах управления: электродви-

гатели ДГ-8

— в

механизме триммирования МЭТ-4 рулей самолета

Ту-154, ДГ-12

— в

механизмах МВЕ25Д5

МВД2ДЗ систем автома-

тического триммирования

изменения передаточного отношения,

ру-

лей самолета Ил-86, ДГ-25

— в

составе рулевых машин

РМД

системы

САУ-1Т управления рулями самолета Ил-62

и др.

Энергетические

ха-

рактеристики таких

ЭД

уступают трехфазным,

что

ограничивает

об-

ласть

их

применения диапазоном мощности

от

долей

до

нескольких

десятков ватт.

Трехфазные двигатели (АДС)

короткозамкнутым ротором нашли

наибольшее применение

силовом приводе.

Их

характерные положи-

тельные особенности

(в

сравнении

ДПТ): меньшие масса, стоимость

изготовления

эксплуатации, момент инерции вращающихся частей

и электромеханическая постоянная времени, большие надежность,

к.п.д., ресурс.

Все это

обусловлено

основном отсутствием коллек-

тора.

Так, к. п. д. на

уровне

Р.

— 3 кВт

примерно

0,8. К

недостаткам

АДС можно отнести: меньшее разнообразие механических характе-

ристик

по

сравнению

ДПТ; малый пусковой момент

при

значитель-

ных пусковых токах вследствие низкого

coscp при

пуске; наличие

экстремума

MX,

что

обусловливает наличие участка

отрицательной

жесткостью (частота вращения увеличивается

ростом момента

и ЭД

статически неустойчив

на

этом участке характеристики); коэффици-

ент мощности потребляемого тока меньше

1, что

увеличивает значение

потребляемого тока

площади сеченая проводов питающей сети;

же-

сткая связь частоты вращения

ЭД с

частотой тока питающей сети,

что

дает возможность реализации частот вращения, лишь кратных числу

пар полюсов

(со = /

(1 —

s)lp);

сложность плавного регулирования

угловой скорости

со, для

чего требуются специальные преобразователи

частоты; ограничение максимальной угловой скорости значением со

2400 с

-1

(при р — 1), что

исключает возможность дальнейшего

уменьшения размеров машин

за

счет увеличения значения

со.

Анализ статических характеристик

АДС

проводится

на

основе

вы-

ражения

его MX,

полученного

при

рассмотрении схемы замещения

вынесенным намагничивающим контуром.

Из

схемы определяют приве-

денный

ток

ротора

записывают потери

добавочном сопротивле-

нии

r'ils,

значение которых равно электромагнитной мощности

АДС

(Р

mj/^V^/s). Затем электромагнитный момент записывается

так:

=^ =

ЧНЁМИ

сор 2nf

[(x

x;c

r+(r

где

—

индуктивное

активное сопротивления обмоток статора;

х'

, т'

—

индуктивное

активное сопротивления ротора, приведенные

обмотке статора;

xjx

+ 1; x

—

реактивное сопротивление намагничивающей цепи;

= 3—

число

фаз

обмотки статора;

р —

число

пар

полюсов;

(У, —

фазовое напряже-

ние;

—

частота сети;

s = (со

—

со

)/(о

— скольжение;

со

. со

—

угловые

скорости поля

ротора.

Принцип действия

АДС

основан

на

скольжении

поля относитель-

но ротора, поэтому проведем качественный анализ

(1.7)

относитель-

но

s. При

Юр

= 0 и s = 1

пусковой момент АДС определяется подста-

новкой

s = 1 в

(1.7).

При скольжении

момент достигает максимального значения:

pU\

4CVT/X

[ ± п+

ТА?+

(*i+

i*i)*

Знак

«+»

соответствует работе машины

режиме двигателя,

«—»—

в режиме генератора.

Качественный анализ выражения

позволяет сделать следующие

выводы:

характеристика

= f (s)

нелинейна относительно скольжения

при

s > 0

момент

> О, что

соответствует работе

режиме дви-

гателя

или

режиму противовключения;

при

s <

О момент

< 0, что

соответствует работе

режиме гене-

ратора;

при

s = 0

момент

= 0, что

следует

из

принципа работы

АДС

(при

s =

ЭДС и ток в

цепи якоря равны нулю

и,

следовательно,

мо-

мент

= 0).

Аналитически

это

следует

из (1.7)

после раскрытия

знаменателя

пренебрежением всеми членами

по

сравнению

с r

/s;

при

s =

гЬ°° момент

-> 0.

Следовательно,

= 0 при s=0 и

->~

0 при s =

±оо,

т. е.

функция имеет экстремумы

(М

при s =

=±s

);

подстановка величин

и М

в (1.7)

дает удобное

для

практических

расчетов упрощенное выражение

т-^—г

, из

которого также

следует,

что при s <^ s

= 2М

(s/s„),

а при s

< s М

2М

X(s„/s).

На

основе проведенного анализа

можно представить

в ви-

де

рис. 1.18.

Рис.

1.18.

Механические характеристики асинхронного

электродвигателя

Из

(1.7)

следует,

что

пусковой момент

пропорционален

г'

Это позволяет, увеличивая

смещать момент

сторону больших

значений

обеспечивая, если необходимо, равенство M

=M„.

От характеристик

на рис. 1.18, а

можно перейти

и к

виду MX, при-

нятому

для ДПТ,

используя соотношение

s = (со

—

)/to

(рис.

1.18, б).

Механические характеристики cs„<

(достаточно жесткие)

обычно имеют нерегулируемые приводы,

a MX со

скольжением

(с большим

) —

регулируемые приводы малой мощности вследствие

практической линейности

MX в

зоне значений

соответствующих

ра-

боте

режиме двигателя.

Дадим

на

основе анализа физических процессов, происходящих

при разгоне

АДС,

объяснение экстремума

в его MX. Это

связано

с из-

менением индуктивных сопротивлений цепи. Действительно, частота

тока

роторе связана

частотой сети через скольжение

= fjS = /

х(со

—

со)/со

момент пуска

s = 1 (со = 0) АДС

работает

транс-

форматорном режиме.

При

этом частота

велика, индуктивное

сопротивление цепи ротора7х

= 2

также велико

по

срав-

нению

с 7

. В

результате активная составляющая тока ротора мала,

при приводит

относительно малому значению пускового момента.

По мере роста значения

со и

уменьшения скольжения

активная

со-

ставляющая тока ротора растет, момент увеличивается

до М =М

(при

s = s„). При

дальнейшем росте значения

со

скольжение

становится

настолько малым,

что это

приводит

уменьшению

ЭДС и

тока ротора.

Момент начинает падать

теоретически

при

со ->-

со

момент

= 0.

Наличие экстремума приводит

тому,

что в MX

появляется участок

отрицательной жесткостью.

Об

устойчивости совместной работы

АДС

ИМ на

разных участках

MX см. в § 2.4.

1.7.

ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕСКОНТАКТНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Отмеченные недостатки коллекторных

ДПТ и

значительные

ус-

пехи

развитии полупроводниковой техники привели

созданию

БДПТ

полупроводниковым коммутатором

(ПК),

преобразующим

ин-

формацию

положении ротора

внешних управляющих сигналов

У в

последовательность бесконтактных подключений обмоток

ЭД

через

силовые транзисторы

источнику питания

(рис. 1.19, а).

БДПТ имеют

обмотку якоря

на

статоре,

систему возбуждения (обычно постоянные

магниты)

— на

роторе.

ПК

выполняется отдельно

соединяется про-

водниками

обмоткой статора

ЭД и

чувствительными элементами

1,2

датчика положения ротора

ДПР, в

которых формируются сигналы

(а) в

зависимости

от

углового положения ротора.

Эти

сигналы

ис-

пользуются

для

открытия транзисторов

нужной последовательности

по командам, формируемым

логическом устройстве

ЛУ.

Введение

ПК

увеличивает массу БДПТ

по

сравнению

массой обычного неуправля-

емого коллекторного

ДПТ.

Поэтому преимущества БДПТ наиболее

полно реализуются в управляе-

мом приводе в первую очередь

в точных следящих системах

управления рулями и агрегата-

ми АД.

Наличие в силовой цепи

управляемых полупроводнико-

вых приборов (транзисторов)

позволяет реализовать эффек-

тивное управление приводом,

произвести необходимую кор-

рекцию его характеристик, в

том числе обеспечить астатиче-

ский закон регулирования. ПК

удобно сочетается с цифровыми

приводами, управляемыми бор-

товыми ЦВМ. Усложнение функ-

ций управляемых приводов и постоянное совершенствование полу-

проводниковой базы делает применение БДПТ перспективным.

В эксплуатации применение БДПТ особенно эффективно в системах,

труднодоступных для проверок (например, электропривод топливных

кессонных баков), так как БДПТ, не имеющий щеточно-коллекторно-

го узла, практически не требует обслуживания.

По принципу действия БДПТ — синхронный двигатель (поле ста-

тора вращается синхронно с ротором), ток в фазах которого изменя-

ется в зависимости от положения ротора. Поэтому электромагнитные

процессы БДПТ рассматриваются в ДПТ, в котором необходимое на-

правление намагничивающей силы якорной обмотки (перпендикуляр-

ное оси потока возбуждения) обеспечивается ПК. Принцип работы

БДПТ поясняется рис. 1.19, б. В указанном положении ротора ДПР

взаимодействует с чувствительным элементом /. Транзисторы VT1 и

VT2' открыты, a VT2 и VT1' закрыты. Направление тока указано

стрелкой. При взаимодействии тока с полем магнита возникает

момент, под действием которого ротор вращается. Когда ротор примет

положение, при котором ось полюсов перпендикулярна плоскости вит-

ка, момент будет равным нулю (как и в обычном ДПТ). Затем момент

поменял бы знак, если бы направление тока осталось прежним. Одна-

ко этого не произойдет, так как теперь ДПР взаимодействует уже с

чувствительным элементом 2, открывая транзисторы VT2 и VT1 . Гок

меняет знак, т. е. ПК выполнил функции механического коллектора.

Для питания фаз обмотки якоря переменным током в состав БДПТ

входит регулируемый преобразоваель постоянного напряжения источ-

ника питания в переменное. Различают структуры БДПТ с развязан-

ными и связанными фазами. Наиболее универсальной считают струк-

туру с трехфазной (или двухфазной) машиной, каждая фаза которой

питается от отдельного однофазного инвертора регулируемым напря-

жением или током заданной формы (рис. 1.20, а). Каждый из трех ин-

Рис.

1.19. Принцип работы бесконтакт-

ного ДПТ

верторов состоит из четырех триодно-диодных групп, питающих соответ-

ствующую фазу машины. Все инверторы управляются от одного много-

фазного ДПР так, чтобы выходные напряжения изменялись синхронно

и с требуемым сдвигом по фазе для создания вращающегося поля

машины.

Раздельное питание позволяет получить любую заданную форму то-

ка фазы, максимально соответствующую форме противоЭДС машины,

что обеспечивает получение максимального момента при постоянстве

потерь в обмотке якоря. В такой системе обеспечиваются минималь-

ные потери в транзисторах, так как потребляемый ток распределяется

между тремя фазами, а одновременно приводит ток половина транзи-

ОВ

т>т5

гт

РИС

показан П

ТЬ ток

а 'а при открытии пары

VII,

VI4.

Для уменьшения триодно-диодных групп используют схе-

му со связанными фазами машины на основе трехфазной мостовой схе-

мы инвертора и трехфазной машины (рис. 1.20, б). Различные режимы

работы ЬДПТ (запуск, торможение, реверсирование) определяются

числом одновременно открытых транзисторов и их расположением в

группе.

Рис.

1.20. Схема силовых преобразователей БДПТ

2 Зак.83,

Наибольший интерес представлет сочетание режимов одновремен-

а^

Зов

^^Т/

РаНЗИСТ

РОВ

РЗЗНЬ1Х ГРУППЗХ

запирани'я всех

транзисторов. Существует шесть вариантов открытия двух транзисто-

Ги^ниГшГ™

ДВУХ После

™-ьно включенных^з'машТны

скиТ^аТсов^Гщий^^"™

ТраНЖТОров

^ °0

электриче-

Варианты включения

.... 1 2 3 4 с с

Верхняя группа транзисторов

11 9 о ч ?

Нижняя

» » 5 6 6 4 4 5

Последовательно включенные

фаЗЫ

' ' ' • • • • • • • А, В А, С В, С В, А С, А С, В

две

ФазыSITTH

ИСТОЧНИК

У подключаются последовательно

йнной

^I R '

1 3

след

Ю1ц

ем

интервале фаза

остается вклю-

ченной, фаза

отключается,

ранее обесточенная фаза

включается

последовательно

фазой

Л и т. д.

Каждая фаза непрерывно поГл

ЮЧе

на

течение двух интервалов, поэтому длительность тока фазы

~1е^™?Г

еС

ГРаДУС

°1-

Чере3

град

сов

переключаются дру-

гие фазы (фаза

заменяет фазу

С . В

общей цепи питания коммутация

гоал

еТ

ЧеРе3

Электрических

™и

через

60/р

геометри^ких

градусов,

где р —

число

пар

полюсов машины. Открытие групп тоан-

птх

%°

%пГ

еСТВЛЯеТСЯ

ДаЧеЙ

НЭ

ба3

У ^™ала

от соответствую-

щих

Не)

ЛИР, в

зоне расположения которых проходит сектор

ДГШ

Для ограничения схемы

от

перегрузок

по

току предусматривается

так называемая токовая отсечка домеривается

напмжРниГ™ Г

ЛЮЧеНЫ

резист

°Р

*т.о- При

увеличении падения

напряжения

на них

сверх допустимого значения

системе формиру-

ется сигнал

на

отключение привода.

Для

подключения

фаз В А (ва-

риант включения

возбуждаются

ЧЭ / и 5, фаз А, С — 1 и 6- фаз

n»n

1 01 лл

И Т

Развиваемы

при

этом моменты показаны

на

рис.

1.21, а.

Изменение направления тока

фазах

при

реверсировании

Ж ас

рактеристики БДПТ

обеспечивается переключением транзисторов.

Так,

если

исходном

режиме

ток

через фазы

А и В

протекает через транзисторы

VT1, VT5

(см^

рис. 1.20, б), то для

реверса включаются транзисторы

VT4 и

Неравномерность момента оценивается коэффициентом пульсации,

равным отношению амплитуды переменной составляющей

к его

сред-

нему значению:

MJM

Значение

быстро падает

увеличе-

нием числа секций

. При п

= 3

коэффициент

= 0,07. В

общем

случае мгновенное значение момента, развиваемого секцией

током

/,,

отределяется

как M

= Р>„ =

ВД/ш,,,

где Р

э1

—

электромаг-

нитная мощность секции;

и ]

— ЭДС и ток; со

—

угловая ско-

рость. Если индукция

зазоре близка

синусоидальной,

то Е

sina, где a —

угол поворота ротора. Амплитуда

ЭДС

mi =

бР

Ф 4^1 w

где

Коб —

обмоточный коэффициент;

р —

число

пар

полюсов;

ф —

магнитный

поток пары полюсов;

—

число витков секции.

Электромагнитные процессы протекают

периодом изменения

уг-

ла, равным межкоммутационному периоду,

поэтому изменение

ЭДС рассматривается

на

участке

от a = a

до a = a

+ a

где

определяется начальной установкой ДПР. Тогда

для

секции:

£Фсор

sin (a +

a„); M

^=kOI

sin

(a-{-«„),

где k=—K

0<a<a

Для трехсекционной обмотки, соединенной

«звезду»

(см.

рис.

1.20, б), на

межкоммутационном интервале

при

реверсивном

питании одновременно работают

две

последовательно включенные сек-

ции, магнитные

оси

которых смещены относительно друг друга

на

угол

2хс/3.

Пусть

определенный момент времени включены транзисторы

/ и

5. По

секциям

А и В

протекает

ток

/j.

этом случае

АВ

А—

ф(

°р

sin

(

)

— k Фсо

sin

\ Уз

«o— ТГ"/ = ~~2~

Фарсов (

+a„—я/3).

Угол

выбирают

так,

чтобы

начале

конце межкоммутацион-

ного интервала

ЭДС

были равны,

т. е. Е

АВ

(0) = Е

АВ

(а

) или

cos

(0+а

—

я/3) = cos (а

+ а

—

я/3). Учитывая,

что для

данной

схемы

= я/3,

получаем необходимое условие

cos (a

— я/3) =

cos a

, что

ввиду четности функции косинуса дает

я/6. Тогда:

V3"

АВ

—2~

ФШ

Р c

(а—я/6);

АВ = ~2~~

кф1

cos

(а—л/6).

Интегрированием момента

на

межкоммутационном периоде можно

получить выражение

для

среднего момента, принимаемого

за

номи-

нальный:

31/3 *Ф(/ 3 / зт/з \ k

где

г —

активное сопротивление секции

(см. рис. 1.21, а).

При выводе этой формулы пренебрегли индуктивностью обмоток

якоря, поэтому

линейна относительно угловой скорости

со

, как

обычного

ДПТ

независимого возбуждения

(рис. 1.21, б).

Полагая

на .холостому ходу

М„ = 0,

находим угловую скорость со

ро

= U/к'Ф,

где

k' =

0,83/е.

Для

оценки влияния индуктивности обмоток вводят

коэффициент

KL<

учитывающий уменьшение момента

от ЭДС са-

моиндукции обмоток. Тогда

А4„ =

KL-

Удовлетворительные

ре-

зультаты получаются, если принять

KL = coscp, а ср

определить

из

формулы

tgcp =

pv>

где

—

индуктивность

активные

со-

противления включенных секций.

учетом индуктивности

отличается

от

линейной, имея одинаковые пусковые моменты

частоту

вращения ротора

ЭД на

холостом ходу со

ро

Коэффициент полезного действия бесконтактного

ЭД при

скоро-

сти холостого хода

v =

со

/со

ро

можно представить

как

где

aj = 1,02, т. е. он

аналогичен

к. п. д.

идеализированного коллек-

торного

ЭД:

Мы k Ф /

со

~ UI ~

кФГщ~

со

—

Сравнивая технико-экономические показатели БДПТ

обычного

коллекторното ДПТ, отметим,

что

БДПТ имеют более высокий к.п.д.

(около

75 % при

мощности

750 Вт), но

большую суммарную массу

ма-

шины совместно

с ПК.

Лучшие показатели получаются

при

совмест-

ной оптимизации параметров

ПК и

машины. Отсутствие коллектора

снижает

до

минимума эксплуатационные расходы БДПТ,

что

позво-

ляет использовать

его в

труднодоступных

для

эксплуатации системах,

например

приводах топливных насосов крыльев баков. Наиболее пол-

но преимущества БДПТ реализуются

регулируемом приводе,

так

как наличие

ПК

создает хорошие возможности

для

управления (осо-

бенно

системах цифрового привода)

помощью бортовой цифровой

вычислительной машины.

Конкретные системы управления, оборудованные БДПТ, рассмот-

трены

в гл. 7 при

анализе следующих приводов.

Глава

УСЛОВИЯ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

И МЕХАНИЗМА

2..1 МОМЕНТЫ

СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ, СОЗДАВАЕМЫЕ

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ

Для совместной работы

ЭД и ИМ

необходимо согласование

их ха-

рактеристик. Моменты

силы сопротивления, создаваемые

ИМ на ва-

лу привода, делят

на

статические и динамические. Последние создаются

моментами инерции, инерционными массами

проявляются

при

нали-

чии ускорений. Статические моменты (силы) подразделяют

на

реактив-

ные

активные (потенциальные). Первую группу

основном составля-

ют моменты сопротивления

сил

трения

неупругой деформации,

связанные

выделением

распределением тепла,

за что они

также

по-

лучили название диссипитивных

(от

английского слова

dissipasion

—<•

рассеяние, утечка).

Эти

моменты (силы) изменяют знак

при

изменении

направления движения.

Во

вторую группу входят моменты силы

тя-

жести, растяжения, сжатия, скручивания упругих тел, называемые

по-

тенциальными, поскольку

они

связаны

изменением потенциальной

энергии элементов.

Эти

моменты могут

как

препятствовать,

так и

спо-

собствовать движению

сохраняют знак

при

изменении направления

вращения (например, момент, создаваемый силой тяжести груза

при

его подъеме

или

спуске лебедкой).

Зависимость между моментом сопротивления механизма

частотой

вращения

= /

(со) называют статической характеристикой механиз-

ма. Выделим

три

класса характеристик.

1 Моменты

(или F

), не

зависящие

от

параметров движения

(рис.

2.1, 3): М

= mgR

, где т —

масса груза;

g —

уско-

рение силы тяжести;

— ра-

диус барабана лебедки.

2. Моменты

опреде-

ляемые положением

ИМ

(угловой

или линейной координатой),

— мо-

менты

сил

упругой деформации,

например пружин

аэродинами-

ческих

сил

сопротивления, созда-

ваемых встречным потоком воздуха

на поверхностях органов управле-

ния, механизации крыла, выдвиж-

ных

фар. Для

пружин

где

/С

—

жесткость;

L — ход

пружины.

Момент, создаваемый аэродина-

мическими силами,

file

V !

дЬа,

где

—

безразмерный коэффи-

Рис.

2.1.

Статические характеристики

исполнительных механизмов