Регулируемый двигатель


Асинхронный регулируемый двигатель

 

Использование: в регулируемых электроприводах общепромышленного применения. Сущность: регулируемый асинхронный двигатель содержит якорь, первый и второй дополнительные магнитопроводы, между которыми установлена немагнитная вставка. Ротор содержит основной магнитопровод, обмотку, первый и второй дополнительные магнитопроводы, установленные на валу. Дополнительная обмотка соединена с обмоткой. В дополнительном магнитопроводе установлено два ферромагнитных полых цилиндра на подшипниковых опорах, причем второй полый цилиндр разделен немагнитным кольцом. На внутренней поверхности указанных магнитопроводов выполнены пазы, заполненные высокопроводящими стержнями с торцовыми кольцами, которые снабжены скользящими контактами с торцовыми и внутренними дисками. Между дисками установлена униполярная обмотка возбуждения. Ферромагнитные цилиндры разделены между стержнями на равные части немагнитными вставками. Диски первого цилиндра электрически подключены к дискам второго ферромагнитного цилиндра. Вторая униполярная обмотка возбуждения установлена на дополнительном магнитопроводе. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к регулируемым асинхронным двигателям и может быть использовано в качестве регулируемого электропривода общепромышленного назна- чения.

Известен регулируемый асинхронный двигатель с магнитными шунтами [1]. Недостатками таких двигателей являются сравнительно узкий диапазон регулирования, большие потери скольжения при регулировании. Вышеуказанный двигатель принят за аналог.

Техническое решение, наиболее близко относящееся к предлагаемому изобретению, описано в [2] и принято за прототип.

Асинхронный двигатель содержит статор с якорем и корпусом, ротор с основным магнитопроводом, обмоткой и дополнительным магнитопроводом, установленным рядом с основным магнитопроводом, закрепленным на валу посредством втулки.

Прототипу присущи следующие недостатки: высокие потери скольжения при регулировании частоты вращения; узкий диапазон регулирования; снижение коэффициента мощности при регулировании частоты вращения.

Цель изобретения - улучшение энергетических характеристик, увеличение диапазона регулирования.

Цель достигается тем, что двигатель снабжен дополнительной обмоткой на роторе, дополнительным магнитопроводом статора и вторым дополнительным магнитопроводом на роторе, двумя ферромагнитными полыми цилиндрами с короткозамкнутыми обмотками, установленными в дополнительном магнитопроводе статора с возможностью свободного вращения, двумя парами торцовых и внутренних дисков, установленных на статоре, скользящими контактами, немагнитными вставками, при этом на внутренних поверхностях цилиндров выполнены равномерно распределенные по окружности пазы, заполненные высокопроводящими стержнями, замкнутыми по торцам высокопроводящими кольцами, на которых размещены скользящие контакты, установленные с возможностью контакта с торцовыми и внутренними дисками, немагнитные вставки размещены в высокопроводящих кольцах между стержнями, причем число немагнитных вставок в первом ферромагнитном цилиндре, охватывающем дополнительный магнитопровод ротора, равно числу пар полюсов его обмотки, и во втором дополнительном магнитопроводе ротора выполнены пазы, число которых равно удвоенному числу немагнитных вставок второго ферромагнитного цилиндра, при этом второй дополнительный магнитопровод ротора размещен внутри второго ферромагнитного цилиндра, торцовые и внутренние диски двух ферромагнитных цилиндров электрически соединены между собой, а дополнительная обмотка ротора подключена к обмотке ротора с обратным следованием фаз.

Кроме того, снабжен кольцевой немагнитной вставкой, второй униполярной обмоткой возбуждения, двумя полюсами второго дополнительного магнитопровода и немагнитным кольцом, разделяющим второй ферромагнитный цилиндр в поперечном сечении на расстоянии, примерно равном длине первого ферромагнитного цилиндра, кольцевая немагнитная вставка установлена в этом же сечении на торце второго дополнительного магнитопровода с второй униполярной обмоткой возбуждения, один полюс примыкает к немагнитной кольцевой вставке, а второй полюс размещен с торца второго дополнительного магнитопровода ротора. Кроме того, снабжен постоянными магнитами, установленными в пазах второго дополнительного магнитопровода ротора. Кроме того, обмотки основного и дополнительного магнитопроводов ротора выполнены из стержней, размещенных одновременно в пазах основного и дополнительного магнитопроводов, замкнутых по торцам короткозамыкающими кольцами. Кроме того, число пар полюсов дополнительной обмотки ротора меньше числа пар полюсов обмотки основного магнитопровода ротора.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются: размещение дополнительной обмотки в дополнительном магнитопроводе и подключение ее к обмотке ротора с обратным следованием фаз; дополнительный магнитопровод на статоре с ферромагнитными цилиндрами с возможностью свободного вращения; высокопроводящие стержни и немагнитные вставки в ферромагнитные цилиндры; второй дополнительный магнитопровод с ферромагнитными цилиндрами; установка во втором ферромагнитном цилиндре немагнитного кольца и кольцевой немагнитной вставки в дополнительном магнитопроводе; заполнение пазов второго дополнительного магнитопровода ротора постоянными магнитами; размещение общей короткозамкнутой обмотки на основном и дополнительном магнитопроводах ротора; установка и закрепление второго ферромагнитного цилиндра на втором дополнительном магнитопроводе ротора; число пар полюсов дополнительной обмотки меньше числа пар полюсов основного магнитопровода ротора.

Предложение соответствует критерию "существенные отличия", так как из известного перечня информации, установленного нормативным документом (п.127 ЭЗ-1-74), технические решения с признаками, подобными заявленным, не обнаружены.

На фиг.1 изображено устройство регулируемого асинхронного электродвигателя, продольное сечение; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1.

Регулируемый асинхронный двигатель включает статор с якорем 1 и корпусом 2, дополнительным магнитопроводом 3, вторым дополнительным магнитопроводом 4 с немагнитной вставкой 5, ротор с основным магнитопроводом 6, обмоткой 7, дополнительным магнитопроводом 8, вторым дополнительным магнитопроводом 9, непосредственно примыкающим к магнитопроводу 8, установленные на валу 10.

В дополнительном магнитопроводе 8 размещена дополнительная обмотка 11, подключенная к обмотке ротора 7. В дополнительном магнитопроводе 3 установлено два полых ферромагнитных цилиндра 12 и 13 на подшипниковых опорах 14. При этом второй ферромагнитный цилиндр 13 разделен в поперечном сечении немагнитным кольцом 15, соотносящимся с немагнитной вставкой 5 дополнительного магнитопровода статора, и выступает за немагнитную вставку 5. На внутренних поверхностях ферромагнитных цилиндров 12 и 13 размещены равномерно распределенные по окружности пазы, заполненные высокопроводящими стержнями 16, замкнутыми по торцам высокопроводящими кольцами 17, снабженные скользящими контактами с торцовыми 18 и внутренними 19 дисками. Между внутренними дисками 19 установлена униполярная обмотка 20 возбуждения. Ферромагнитные цилиндры 12 и 13 разделены между стержнями 16 на равные части немагнитными вставками 21. В первом ферромагнитном цилиндре 12, охватывающем дополнительный магнитопровод 8 ротора, число немагнитных вставок 21 равно числу пар полюсов дополнительной обмотки 11. На втором ферромагнитном цилиндре 13 число немагнитных вставок 21 равно половине числа пазов 22, выполненных во втором дополнительном магнитопроводе 9 ротора, размещенного внутри этого цилиндра.

Торцовые 18 и внутренние 19 диски первого ферромагнитного цилиндра электрически подключены к аналогичным дискам второго ферромагнитного цилиндра. На втором дополнительном магнитопроводе 4 установлена вторая униполярная обмотка 23 возбуждения, при этом один его полюс замыкается до немагнитной вставки 5 на торец дополнительного магнитопровода 3, тогда как второй полюс размещен с торца второго дополнительного магнитопровода 9 ротора. Пазы 22 второго дополнительного магнитопровода 9 могут быть заполнены постоянными магнитами. Обмотки 7 и 11 ротора могут выполняться по типу короткозамкнутой клетки, при этом стержни обмотки 7 могут быть размещены на основном 6 и дополнительном 8 магнитопроводах и выполнять функции двух обмоток 7 и 11, либо по типу фазных обмоток. Обмотки 7 и 11 ротора могут быть подключены друг на друга с встречным либо согласным направлением следования фаз.

При наличии второго дополнительного магнитопровода 4 и второй униполярной обмотки 23 возбуждения второй ферромагнитный цилиндр 13 может быть закреплен на втором дополнительном магнитопроводе 9 ротора, при этом немагнитное кольцо 15 разделяет также этот магнитопровод.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения в якорь 1 в обмотке 7 ротора наведется ЭДС скольжения. Поскольку к обмотке 7 подключена (с обратным следованием фаз) обмотка 11 дополнительного магнитопровода 8, то величина пускового тока будет определяться суммарным сопротивлением двух последовательно соединенных асинхронных машин. При этом пусковой момент может оказаться недостаточным для преодоления момента трогания вала 10 (с учетом момента сопротивления приводного механизма). Однако первый ферромагнитный цилиндр 12 практически не имеет момента сопротивления, в связи с чем под действием вращающегося электромагнитного поля, возбуждаемого пусковым током дополнительной обмотки 11, он придет во вращение с частотой, определяемой числом пар полюсов обмотки 11 и частотой скольжения. При этом направление вращения ферромагнитного цилиндра 12 - обратное по отношению к требуемому направлению вращения вала 10 асинхронного двигателя.

С подачей возбуждения в униполярную обмотку 20 в ферромагнитном цилиндре 12 наведется униполярная ЭДС, под действием которой по стержням 16 ферромагнитных цилиндров 12 и 13 потечет постоянный ток, при этом каждый из стержней 16 создает пару полюсов. Первый ферромагнитный цилиндр 12 войдет в синхронизм с полем обмотки 11 дополнительного магнитопровода 8 и будет работать в режиме синхронного двигателя, одновременно генерируя униполярную ЭДС. При этом в обмотку 7 основного магнитопровода 6 последовательно подключенной оказывается синхронная машина, полное сопротивление которой зависит от ее нагрузки, то есть от величины генерируемой мощности постоянного тока. Второй ферромагнитный цилиндр 13 при взаимодействии униполярного тока с униполярным магнитным потоком будет вращаться в требуемом направлении вращения вала, при этом передается вращающий момент на вал 10 через второй дополнительный магнитопровод 9 (аналогично муфте постоянного тока). Поскольку направление вращения электромагнитного поля дополнительной обмотки 11 обратное по отношению к полю обмотки 7, то оно будет создавать на валу 10 вращающий момент, действующий согласно с обмоткой 7. В таком случае на вал 10 будет действовать результирующий момент, представляющий сумму трех вышеуказанных вращающих моментов.

При увеличении тока в униполярной обмотке 20 возбуждения возрастет мощность постоянного тока, генерируемая первым ферромагнитным цилиндром 12, одновременно уменьшится полное сопротивление дополнительной обмотки 11, а следовательно, возрастет ток в обмотках 7 и 11 и увеличится вращающий момент обмоток основного магнитопровода 6, дополнительного магнитопровода 8, а также увеличится вращающий момент, передаваемый на вал 10 вторым ферромагнитным цилиндром 13, питаемым от первого ферромагнитного цилиндра 12. Результирующий вращающий момент асинхронного двигателя превзойдет момент страгивания и его ротор придет во вращение до значения частоты, при которой вращающий момент двигателя и момент сопротивления на его валу сравняются.

Для увеличения частоты вращения вала асинхронного двигателя необходимо увеличить ток возбуждения в униполярной обмотке 20, что приведет к одновременному росту момента на ферромагнитных цилиндрах 12 и 13 и основном магнитопроводе 6.

Таким образом, при неизменных параметрах сети регулируется частота вращения асинхронного электродвигателя.

Для исключения потерь скольжения при регулировании частоты вращения асинхронного электродвигателя частота вращения ферромагнитного цилиндра 13 должна быть равна частоте вращения вала 10, а это возможно лишь в узком диапазоне из-за некоторого отличия от пропорциональности изменения униполярного магнитного потока и униполярного тока якоря. При расширении диапазона регулирования на поверхности второго дополнительного магнитопровода 9 ротора будут выделяться потери скольжения. Расширить диапазон регулирования асинхронного двигателя с исключением потерь скольжения возможно регулированием униполярного магнитного потока во втором ферромагнитном цилиндре 13 путем изменения тока во второй униполярной обмотке 23 возбуждения. Это позволяет регулировать величину магнитного потока через второй ферромагнитный цилиндр 13 практически от нулевого до максимального значения при неизменном значении магнитного потока через первый ферромагнитный цилиндр 12. Это позволяет поддерживать значение частоты вращения второго ферромагнитного цилиндра 13, равное частоте вращения вала 10.

Для исключения скольжения при передаче высоких вращающих моментов от второго ферромагнитного цилиндра 13 на вал 10 и повышения использования активных материалов пазы 22 второго дополнительного магнитопровода 9 ротора могут быть заполнены постоянными магнитами. При наличии второй униполярной обмотки 23 возбуждения становится возможным регулирование частоты вращения асинхронного двигателя и при согласном включении обмоток 7 и 11. В таком случае стержни короткозамкнутой обмотки 7 могут быть удлинены и размещаться одновременно на основном 6 и дополнительном 8 магнитопроводах ротора и замыкаться по торцам короткозамкнутыми кольцами. Это позволяет уменьшить длину лобовых частей обмоток, а следовательно, потери в меди и улучшить энергетические характеристики.

Для улучшения энергетических характеристик (коэффициента мощности) число пар полюсов дополнительной обмотки 11 может выбираться меньше числа пар полюсов асинхронного электродвигателя.

1. АСИНХРОННЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий статор с якорем и корпусом, ротор с основным и дополнительным магнитопроводами и обмоткой, отличающийся тем, что, с целью улучщения энергетических характеристик, увеличения диапазона регулирования, он снабжен дополнительной обмоткой на роторе, дополнительным магнитопроводом статора и вторым дополнительным магнитопроводом на роторе, двумя ферромагнитными полыми цилиндрами с короткозамкнутыми обмотками, установленными в дополнительном магнитопроводе статора с возможностью свободного вращения, двумя парами торцевых и внутренних дисков, установленных на статоре, скользящими контактами, немагнитными вставками, при этом на внутренних поверхностях цилиндров выполнены равномерно распределенные по окружности пазы, заполненные высокопроводящими стержнями, замкнутыми по торцам высокопроводящими кольцами, на которых размещены скользящие контакты, установленные с возможностью контакта с торцевыми и внутренними дисками, немагнитные вставки размещены в высокопроводящих кольцах между стержнями, причем число немагнитных вставок в первом ферромагнитном цилиндре, охватывающем дополнительный магнитопровод ротора, равно числу пар полюсов его обмотки, и во втором дополнительном магнитопроводе ротора выполнены пазы, число которых равно удвоенному числу немагнитных вставок второго ферромагнитного цилиндра, при этом второй дополнительный магнитопроводод ротора размещен внутри второго ферромагнитного цилиндра, торцевые и внутренние диски двух ферромагнитных цилиндров электрически соединены между собой, а дополнительная обмотка ротора подключена к обмотке ротора с обратным следованием фаз.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен кольцевой немагнитной вставкой, второй униполярной обмоткой возбуждения, двумя полюсами второго дополнительного магнитопровода и немагнитным кольцом, разделяющим второй ферромагнитный цилиндр в поперечном сечении на расстоянии, примерно равном длине первого ферромагнитного цилиндра, кольцевая немагнитная вставка установлена в этом же сечении на торце второго дополнительного магнитопровода с второй униполярной обмоткой возбуждения, один полюс примыкает к немагнитной кольцевой вставке, а другой полюс размещен с торца второго дополнительного магнитопровода ротора.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что снабжен постоянными магнитами, установленными в пазах второго дополнительного магнитопровода ротора.

4. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что обмотки основного и дополнительного магнитопроводов ротора выполнены из стержней, размещенных одновременно в пазах основного и дополнительного магнитопроводов, замкнутых по торцам короткозамыкающими кольцами.

5. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что число пар полюсов дополнительной обмотки ротора меньше числа пар полюсов обмотки основного магнитопровода ротора.

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

www.findpatent.ru

асинхронный регулируемый двигатель - патент РФ 2031516

Использование: в регулируемых электроприводах общепромышленного применения. Сущность: регулируемый асинхронный двигатель содержит якорь, первый и второй дополнительные магнитопроводы, между которыми установлена немагнитная вставка. Ротор содержит основной магнитопровод, обмотку, первый и второй дополнительные магнитопроводы, установленные на валу. Дополнительная обмотка соединена с обмоткой. В дополнительном магнитопроводе установлено два ферромагнитных полых цилиндра на подшипниковых опорах, причем второй полый цилиндр разделен немагнитным кольцом. На внутренней поверхности указанных магнитопроводов выполнены пазы, заполненные высокопроводящими стержнями с торцовыми кольцами, которые снабжены скользящими контактами с торцовыми и внутренними дисками. Между дисками установлена униполярная обмотка возбуждения. Ферромагнитные цилиндры разделены между стержнями на равные части немагнитными вставками. Диски первого цилиндра электрически подключены к дискам второго ферромагнитного цилиндра. Вторая униполярная обмотка возбуждения установлена на дополнительном магнитопроводе. 4 з.п. ф-лы, 3 ил. Изобретение относится к регулируемым асинхронным двигателям и может быть использовано в качестве регулируемого электропривода общепромышленного назна- чения. Известен регулируемый асинхронный двигатель с магнитными шунтами [1]. Недостатками таких двигателей являются сравнительно узкий диапазон регулирования, большие потери скольжения при регулировании. Вышеуказанный двигатель принят за аналог. Техническое решение, наиболее близко относящееся к предлагаемому изобретению, описано в [2] и принято за прототип. Асинхронный двигатель содержит статор с якорем и корпусом, ротор с основным магнитопроводом, обмоткой и дополнительным магнитопроводом, установленным рядом с основным магнитопроводом, закрепленным на валу посредством втулки. Прототипу присущи следующие недостатки: высокие потери скольжения при регулировании частоты вращения; узкий диапазон регулирования; снижение коэффициента мощности при регулировании частоты вращения. Цель изобретения - улучшение энергетических характеристик, увеличение диапазона регулирования. Цель достигается тем, что двигатель снабжен дополнительной обмоткой на роторе, дополнительным магнитопроводом статора и вторым дополнительным магнитопроводом на роторе, двумя ферромагнитными полыми цилиндрами с короткозамкнутыми обмотками, установленными в дополнительном магнитопроводе статора с возможностью свободного вращения, двумя парами торцовых и внутренних дисков, установленных на статоре, скользящими контактами, немагнитными вставками, при этом на внутренних поверхностях цилиндров выполнены равномерно распределенные по окружности пазы, заполненные высокопроводящими стержнями, замкнутыми по торцам высокопроводящими кольцами, на которых размещены скользящие контакты, установленные с возможностью контакта с торцовыми и внутренними дисками, немагнитные вставки размещены в высокопроводящих кольцах между стержнями, причем число немагнитных вставок в первом ферромагнитном цилиндре, охватывающем дополнительный магнитопровод ротора, равно числу пар полюсов его обмотки, и во втором дополнительном магнитопроводе ротора выполнены пазы, число которых равно удвоенному числу немагнитных вставок второго ферромагнитного цилиндра, при этом второй дополнительный магнитопровод ротора размещен внутри второго ферромагнитного цилиндра, торцовые и внутренние диски двух ферромагнитных цилиндров электрически соединены между собой, а дополнительная обмотка ротора подключена к обмотке ротора с обратным следованием фаз. Кроме того, снабжен кольцевой немагнитной вставкой, второй униполярной обмоткой возбуждения, двумя полюсами второго дополнительного магнитопровода и немагнитным кольцом, разделяющим второй ферромагнитный цилиндр в поперечном сечении на расстоянии, примерно равном длине первого ферромагнитного цилиндра, кольцевая немагнитная вставка установлена в этом же сечении на торце второго дополнительного магнитопровода с второй униполярной обмоткой возбуждения, один полюс примыкает к немагнитной кольцевой вставке, а второй полюс размещен с торца второго дополнительного магнитопровода ротора. Кроме того, снабжен постоянными магнитами, установленными в пазах второго дополнительного магнитопровода ротора. Кроме того, обмотки основного и дополнительного магнитопроводов ротора выполнены из стержней, размещенных одновременно в пазах основного и дополнительного магнитопроводов, замкнутых по торцам короткозамыкающими кольцами. Кроме того, число пар полюсов дополнительной обмотки ротора меньше числа пар полюсов обмотки основного магнитопровода ротора. Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются: размещение дополнительной обмотки в дополнительном магнитопроводе и подключение ее к обмотке ротора с обратным следованием фаз; дополнительный магнитопровод на статоре с ферромагнитными цилиндрами с возможностью свободного вращения; высокопроводящие стержни и немагнитные вставки в ферромагнитные цилиндры; второй дополнительный магнитопровод с ферромагнитными цилиндрами; установка во втором ферромагнитном цилиндре немагнитного кольца и кольцевой немагнитной вставки в дополнительном магнитопроводе; заполнение пазов второго дополнительного магнитопровода ротора постоянными магнитами; размещение общей короткозамкнутой обмотки на основном и дополнительном магнитопроводах ротора; установка и закрепление второго ферромагнитного цилиндра на втором дополнительном магнитопроводе ротора; число пар полюсов дополнительной обмотки меньше числа пар полюсов основного магнитопровода ротора. Предложение соответствует критерию "существенные отличия", так как из известного перечня информации, установленного нормативным документом (п.127 ЭЗ-1-74), технические решения с признаками, подобными заявленным, не обнаружены. На фиг.1 изображено устройство регулируемого асинхронного электродвигателя, продольное сечение; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1. Регулируемый асинхронный двигатель включает статор с якорем 1 и корпусом 2, дополнительным магнитопроводом 3, вторым дополнительным магнитопроводом 4 с немагнитной вставкой 5, ротор с основным магнитопроводом 6, обмоткой 7, дополнительным магнитопроводом 8, вторым дополнительным магнитопроводом 9, непосредственно примыкающим к магнитопроводу 8, установленные на валу 10. В дополнительном магнитопроводе 8 размещена дополнительная обмотка 11, подключенная к обмотке ротора 7. В дополнительном магнитопроводе 3 установлено два полых ферромагнитных цилиндра 12 и 13 на подшипниковых опорах 14. При этом второй ферромагнитный цилиндр 13 разделен в поперечном сечении немагнитным кольцом 15, соотносящимся с немагнитной вставкой 5 дополнительного магнитопровода статора, и выступает за немагнитную вставку 5. На внутренних поверхностях ферромагнитных цилиндров 12 и 13 размещены равномерно распределенные по окружности пазы, заполненные высокопроводящими стержнями 16, замкнутыми по торцам высокопроводящими кольцами 17, снабженные скользящими контактами с торцовыми 18 и внутренними 19 дисками. Между внутренними дисками 19 установлена униполярная обмотка 20 возбуждения. Ферромагнитные цилиндры 12 и 13 разделены между стержнями 16 на равные части немагнитными вставками 21. В первом ферромагнитном цилиндре 12, охватывающем дополнительный магнитопровод 8 ротора, число немагнитных вставок 21 равно числу пар полюсов дополнительной обмотки 11. На втором ферромагнитном цилиндре 13 число немагнитных вставок 21 равно половине числа пазов 22, выполненных во втором дополнительном магнитопроводе 9 ротора, размещенного внутри этого цилиндра. Торцовые 18 и внутренние 19 диски первого ферромагнитного цилиндра электрически подключены к аналогичным дискам второго ферромагнитного цилиндра. На втором дополнительном магнитопроводе 4 установлена вторая униполярная обмотка 23 возбуждения, при этом один его полюс замыкается до немагнитной вставки 5 на торец дополнительного магнитопровода 3, тогда как второй полюс размещен с торца второго дополнительного магнитопровода 9 ротора. Пазы 22 второго дополнительного магнитопровода 9 могут быть заполнены постоянными магнитами. Обмотки 7 и 11 ротора могут выполняться по типу короткозамкнутой клетки, при этом стержни обмотки 7 могут быть размещены на основном 6 и дополнительном 8 магнитопроводах и выполнять функции двух обмоток 7 и 11, либо по типу фазных обмоток. Обмотки 7 и 11 ротора могут быть подключены друг на друга с встречным либо согласным направлением следования фаз. При наличии второго дополнительного магнитопровода 4 и второй униполярной обмотки 23 возбуждения второй ферромагнитный цилиндр 13 может быть закреплен на втором дополнительном магнитопроводе 9 ротора, при этом немагнитное кольцо 15 разделяет также этот магнитопровод. Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения в якорь 1 в обмотке 7 ротора наведется ЭДС скольжения. Поскольку к обмотке 7 подключена (с обратным следованием фаз) обмотка 11 дополнительного магнитопровода 8, то величина пускового тока будет определяться суммарным сопротивлением двух последовательно соединенных асинхронных машин. При этом пусковой момент может оказаться недостаточным для преодоления момента трогания вала 10 (с учетом момента сопротивления приводного механизма). Однако первый ферромагнитный цилиндр 12 практически не имеет момента сопротивления, в связи с чем под действием вращающегося электромагнитного поля, возбуждаемого пусковым током дополнительной обмотки 11, он придет во вращение с частотой, определяемой числом пар полюсов обмотки 11 и частотой скольжения. При этом направление вращения ферромагнитного цилиндра 12 - обратное по отношению к требуемому направлению вращения вала 10 асинхронного двигателя. С подачей возбуждения в униполярную обмотку 20 в ферромагнитном цилиндре 12 наведется униполярная ЭДС, под действием которой по стержням 16 ферромагнитных цилиндров 12 и 13 потечет постоянный ток, при этом каждый из стержней 16 создает пару полюсов. Первый ферромагнитный цилиндр 12 войдет в синхронизм с полем обмотки 11 дополнительного магнитопровода 8 и будет работать в режиме синхронного двигателя, одновременно генерируя униполярную ЭДС. При этом в обмотку 7 основного магнитопровода 6 последовательно подключенной оказывается синхронная машина, полное сопротивление которой зависит от ее нагрузки, то есть от величины генерируемой мощности постоянного тока. Второй ферромагнитный цилиндр 13 при взаимодействии униполярного тока с униполярным магнитным потоком будет вращаться в требуемом направлении вращения вала, при этом передается вращающий момент на вал 10 через второй дополнительный магнитопровод 9 (аналогично муфте постоянного тока). Поскольку направление вращения электромагнитного поля дополнительной обмотки 11 обратное по отношению к полю обмотки 7, то оно будет создавать на валу 10 вращающий момент, действующий согласно с обмоткой 7. В таком случае на вал 10 будет действовать результирующий момент, представляющий сумму трех вышеуказанных вращающих моментов. При увеличении тока в униполярной обмотке 20 возбуждения возрастет мощность постоянного тока, генерируемая первым ферромагнитным цилиндром 12, одновременно уменьшится полное сопротивление дополнительной обмотки 11, а следовательно, возрастет ток в обмотках 7 и 11 и увеличится вращающий момент обмоток основного магнитопровода 6, дополнительного магнитопровода 8, а также увеличится вращающий момент, передаваемый на вал 10 вторым ферромагнитным цилиндром 13, питаемым от первого ферромагнитного цилиндра 12. Результирующий вращающий момент асинхронного двигателя превзойдет момент страгивания и его ротор придет во вращение до значения частоты, при которой вращающий момент двигателя и момент сопротивления на его валу сравняются. Для увеличения частоты вращения вала асинхронного двигателя необходимо увеличить ток возбуждения в униполярной обмотке 20, что приведет к одновременному росту момента на ферромагнитных цилиндрах 12 и 13 и основном магнитопроводе 6. Таким образом, при неизменных параметрах сети регулируется частота вращения асинхронного электродвигателя. Для исключения потерь скольжения при регулировании частоты вращения асинхронного электродвигателя частота вращения ферромагнитного цилиндра 13 должна быть равна частоте вращения вала 10, а это возможно лишь в узком диапазоне из-за некоторого отличия от пропорциональности изменения униполярного магнитного потока и униполярного тока якоря. При расширении диапазона регулирования на поверхности второго дополнительного магнитопровода 9 ротора будут выделяться потери скольжения. Расширить диапазон регулирования асинхронного двигателя с исключением потерь скольжения возможно регулированием униполярного магнитного потока во втором ферромагнитном цилиндре 13 путем изменения тока во второй униполярной обмотке 23 возбуждения. Это позволяет регулировать величину магнитного потока через второй ферромагнитный цилиндр 13 практически от нулевого до максимального значения при неизменном значении магнитного потока через первый ферромагнитный цилиндр 12. Это позволяет поддерживать значение частоты вращения второго ферромагнитного цилиндра 13, равное частоте вращения вала 10. Для исключения скольжения при передаче высоких вращающих моментов от второго ферромагнитного цилиндра 13 на вал 10 и повышения использования активных материалов пазы 22 второго дополнительного магнитопровода 9 ротора могут быть заполнены постоянными магнитами. При наличии второй униполярной обмотки 23 возбуждения становится возможным регулирование частоты вращения асинхронного двигателя и при согласном включении обмоток 7 и 11. В таком случае стержни короткозамкнутой обмотки 7 могут быть удлинены и размещаться одновременно на основном 6 и дополнительном 8 магнитопроводах ротора и замыкаться по торцам короткозамкнутыми кольцами. Это позволяет уменьшить длину лобовых частей обмоток, а следовательно, потери в меди и улучшить энергетические характеристики. Для улучшения энергетических характеристик (коэффициента мощности) число пар полюсов дополнительной обмотки 11 может выбираться меньше числа пар полюсов асинхронного электродвигателя.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. АСИНХРОННЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий статор с якорем и корпусом, ротор с основным и дополнительным магнитопроводами и обмоткой, отличающийся тем, что, с целью улучщения энергетических характеристик, увеличения диапазона регулирования, он снабжен дополнительной обмоткой на роторе, дополнительным магнитопроводом статора и вторым дополнительным магнитопроводом на роторе, двумя ферромагнитными полыми цилиндрами с короткозамкнутыми обмотками, установленными в дополнительном магнитопроводе статора с возможностью свободного вращения, двумя парами торцевых и внутренних дисков, установленных на статоре, скользящими контактами, немагнитными вставками, при этом на внутренних поверхностях цилиндров выполнены равномерно распределенные по окружности пазы, заполненные высокопроводящими стержнями, замкнутыми по торцам высокопроводящими кольцами, на которых размещены скользящие контакты, установленные с возможностью контакта с торцевыми и внутренними дисками, немагнитные вставки размещены в высокопроводящих кольцах между стержнями, причем число немагнитных вставок в первом ферромагнитном цилиндре, охватывающем дополнительный магнитопровод ротора, равно числу пар полюсов его обмотки, и во втором дополнительном магнитопроводе ротора выполнены пазы, число которых равно удвоенному числу немагнитных вставок второго ферромагнитного цилиндра, при этом второй дополнительный магнитопроводод ротора размещен внутри второго ферромагнитного цилиндра, торцевые и внутренние диски двух ферромагнитных цилиндров электрически соединены между собой, а дополнительная обмотка ротора подключена к обмотке ротора с обратным следованием фаз. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен кольцевой немагнитной вставкой, второй униполярной обмоткой возбуждения, двумя полюсами второго дополнительного магнитопровода и немагнитным кольцом, разделяющим второй ферромагнитный цилиндр в поперечном сечении на расстоянии, примерно равном длине первого ферромагнитного цилиндра, кольцевая немагнитная вставка установлена в этом же сечении на торце второго дополнительного магнитопровода с второй униполярной обмоткой возбуждения, один полюс примыкает к немагнитной кольцевой вставке, а другой полюс размещен с торца второго дополнительного магнитопровода ротора. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что снабжен постоянными магнитами, установленными в пазах второго дополнительного магнитопровода ротора. 4. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что обмотки основного и дополнительного магнитопроводов ротора выполнены из стержней, размещенных одновременно в пазах основного и дополнительного магнитопроводов, замкнутых по торцам короткозамыкающими кольцами. 5. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что число пар полюсов дополнительной обмотки ротора меньше числа пар полюсов обмотки основного магнитопровода ротора.

www.freepatent.ru

Регулируемый наддув в двигателе

К современным транспортным двигателям с наддувом предъяв­ляют требование возможности работы в широком диапазоне ско­ростных и нагрузочных режимов, чтобы наряду с высокой форсировкой номинального режима обеспечивались повышенные значения крутящего момента на малых и средних скоростных режимах при удовлетворительном удельном расходе топлива.

Выполнение такой задачи связано с рядом трудностей. Дей­ствительно, путем коррекции цикловой подачи топлива при работе по внешней характеристике можно создать со стороны топливоподачи условия, необходимые для получения желаемого коэффи­циента приспособляемости. Однако реализация этих условий возможна только в том случае, когда на всех рассматриваемых режимах цикловая подача топлива будет обеспечена соответ­ствующей цикловой подачей воздуха. Следовательно, кроме при­способляемости к названным условиям работы топливоподающей аппаратуры, необходимо еще приспособить и систему наддува.

Обычно турбокомпрессор подбирают так, чтобы на заданном (расчетном) режиме работы двигатель имел наилучшие мощностные и экономические показате­ли. Отклонение от такого рас­четного режима приводит к рассогласованию гидравличе­ской характеристики двигателя и пропускной способности тур­бины и компрессора, к сниже­нию их КПД.

В связи с этим на нерасчетных режимах снижается давление наддува, появляется неполнота сгорания топлива и, следовательно, снижается мощность (рис. 47, а) и увеличивается расход топлива (рис. 47, б).

Для улучшения работы комбинированного двигателя в этих условиях наиболее целесообразно применение регулируемых тур­бины (см. рис. 36) и компрессора (см. рис. 35).

Путем воздействия на их органы управления можно перена­строить турбокомпрессор в соответствии с изменяющимися ре­жимами работы двигателя и, таким образом, существенно улуч­шить условия их совместной работы. При верно подобранных автоматических регуляторах регулируемый наддув может обес­печить работу двигателя в соответствии с характеристиками 1 (см. рис. 47). Эти характеристики строятся в виде огибающих, проходящих через экстремальные значения мощности и расхода топлива. Такие экстремумы можно получить при соответствую­щей настройке турбокомпрессора на эти режимы. Положения лопаток соплового аппарата и диффузора в регулируемом турбо­компрессоре должны устанавливаться автоматически в зависи­мости от режима работы двигателя таким образом, чтобы послед­ний развивал необходимый крутящий момент, компрессор работал устойчиво, а рабочие параметры (температура отработавших газов, давление сгорания, частота вращения ротора турбокомпрес­сора, удельный расход топлива) оставались в пределах заданных ограничений.

Каждому режиму работы двигателя соответствует определен­ный диапазон возможных положений лопаток соплового аппарата турбины при условии, что всякому из этих положений соответ­ствует свой диапазон положений лопаток диффузора компрессора, в пределах которого выполняются все приведенные граничные условия совместной работы двигателя и турбокомпрессо­ра.

Следовательно, каждому режиму работы двигателя соответствует некоторый диа­пазон сочетаний положений названных выше лопаток, при которых система работает удовлетворительно. Такие диапа­зоны сочетаний положений лопаток соплового аппарата турбины и диффузора компрессора и представляют собой возможные зоны регулирования турбокомпрессора. Эти зоны можно представить графиком (рис. 48). Так, для определения зоны регулирования турбокомпрессора при смене скоростного режима двигателя не­обходимо выбрать постоянную нагрузку (например, постоянное значение крутящего момента двигателя) и диапазон изменения относительной угловой скорости, например от 1 до 0,5. Затем для определенных нагрузочного (выбран постоянным) и скорост­ного режимов двигателя (например, ? = 0,75) находят соответ­ствующее положение соплового аппарата турбины hтА и, сле­довательно, точку А на рис. 48.

Возможные положения hк лопаток диффузора компрессора, соответствующие положению hтА лопаток соплового аппарата турбины, находят путем поворота лопаток диффузора в сторону открытия до границы помпажа (точка A2), а затем в сторону за­крытия до предельно возможной температуры Тт отработавших газов (точка А1). Следовательно,

?hкА = hкА2 – hкА1

есть возможный диапазон перемещения лопаток диффузора для выбранного положения hтА лопаток соплового аппарата турбины.

Затем выбирают еще несколько положений соплового аппарата (для тех же нагрузочного и скоростного режимов двигателя) вблизи от точки А, например, положения hтВ и hтС (на рис. 48 точки В и С условно расположены на наклонной прямой для большей наглядности изображения зоны регулирования лопаток диффузора). Для каждого из вновь установленных положений соплового аппарата (например, hтВ) по той же методике опреде­ляют возможные положения лопаток диффузора, ограниченные точками В1 и В2, и, следовательно, возможный диапазон пере­мещений этих лопаток ?hкВ. По графику видно, что ?hкВ < ?hкA. Чем больше отклоняется координата hт, от hтА, тем меньше диапазон ?hк.

Аналогичные построения проводят и для других скоростных режимов при выбранной нагрузке (например, при ? = 1,0 и ? = 0,5). Зоны промежуточных положений лопаток можно ориен­тировочно найти путем соединения прямыми линиями крайних точек, соответствующих средним точкам диапазона соплового аппарата (штрихпунктирные и штриховые линии на рис. 48).

Конечно, нет необходимости использовать все эти возможные сочетания положений лопаток для одного и того же режима ра­боты двигателя. Для большей надежности работы системы обычно выбирают примерно средние значения в пределах зон каждого режима и этим достигают определенной связи положений hк и hт регулируемых лопаток с режимом работы двигателя.

Зависимость зон регулирования от конкретных свойств дви­гателя и турбокомпрессора не позволяет разработать универ­сальную систему регулирования, пригодную для всех двигателей. В связи с этим иногда используют методы регулирования, устра­няющие лишь часть недостатков, свойственных двигателям с нере­гулируемым наддувом при работе на нерасчетных режимах.

С этой целью применяют различные способы регулирования наддува: дросселирование воздуха при подаче его к нагнетателю; дросселирование газа при поступлении его к турбине; перепуск части сжатого воздуха на вход в нагнетатель; выпуск части газа перед турбиной; применение поворотных лопаток на входе в ком­прессор; использование регулируемого лопаточного диффузора компрессора; применение регулируемого соплового аппарата турбины; использование турбокомпрессора с поворотным сопло­вым аппаратом турбины и поворотным лопаточным диффузором компрессора.

Первые пять способов регулирования наддува используют в тех случаях, когда необходимо простыми конструктивными средствами улучшить снабжение двигателя воздухом на малых скоростных режимах и не допустить излишней подачи воздуха на режимах, близких к номинальному.

Наиболее эффективными способами регулирования наддува являются последние три. Для реализации этих способов (в осо­бенности последнего) применяют управление лопатками соплового аппарата турбины и диффузора компрессора в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя; регули­рование коэффициента избытка воздуха; регулирование давления наддува рк с корректировкой по положению рейки топливного насоса и др.

Наличие системы автоматического регулирования или управ­ления наддувом двигателя существенно расширяет возможные режимы его работы и улучшает коэффициент приспособляемости. Однако применение регулируемого наддува усложняет конструк­цию двигателя, повышает его первоначальную стоимость, обусловливает дополнительные требования к обслуживанию. Поэтому необходимость применения автоматического регулирования наддува всегда должна выявляться путем сопоставления пара­метров двигателя, которые можно получить при нерегулируемом и регулируемом наддуве. Использовать регулируемый наддув следует лишь в тех случаях, когда другие средства (подбор систе­мы воздухоснабжения, настройка турбокомпрессора на промежу­точные скоростные режимы и т. п.) не дают желаемого результата.

vdvizhke.ru

Выбор способа регулирования двигателя

В соответствии с условиями эксплуатации к двигателям наибо­лее часто предъявляют требование поддержания постоянства частоты вращения коленчатого вала. Поэтому в большинстве автоматических регуляторов, предназначенных для этой цели, чувствительный элемент измеряет именно этот регулируемый параметр — частоту вращения, и в случае отклонения ее от заданного значения вырабатывается воздействие на орган управ­ления двигателем с целью восстановления нарушенного режима. Выработка регулятором регулирующего воздействия, пропор­ционального отклонению регулируемого параметра от заданного значения, соответствует принципу регулирования Ползунова— Уатта, на котором основана работа всех ранее рассмотренных автоматических регуляторов.

Однако этот принцип имеет существенный недостаток, свя­занный с тем, что такой регулятор вырабатывает регулирующее воздействие на орган управления двигателем только тогда, когда заданный режим работы уже нарушен. Как отмечалось, регули­рующее воздействие у таких регуляторов тем интенсивнее, чем значительнее отклонение регулируемого параметра от заданного значения.

Этот недостаток послужил одной из причин поиска новых принципов регулирования, призванных улучшить динамические качества регулируемых объектов.

Дифференциальное уравнение двигателя подсказывает пути поиска таких новых принципов регулирования. Действительно, в большинстве случаев регулируемый параметр ? изменяется во времени вследствие изменения нагрузки ?д. Поэтому для регулирования можно использовать не параметр ?, получающий приращения вследствие изменения нагрузки ?д, а саму на­грузку ?д. Такой принцип регулирования, предложенный Понселе в 1830 г. (рис. 184), можно осуществить механически, если вал 4 двигателя и вал 6 потребителя связать упругой муфтой 5, выполняющей роль чувствительного элемента. Относительный угол поворота вала 6 по отношению к валу 4 увеличивается при возрастании нагрузки двигателя и уменьшается с падением по­следней. Поэтому на валы 4 и 6 устанавливают жестко соединен­ные с ними зубчатые колеса 3 и 7 с одинаковым числом зубьев, связанные соответственно с зубчатыми колесами 2 и 8, причем колесо 8 и вал 9 вращаются с одинаковой частотой, а колесо 2 скреплено с валом 9 ходовым винтом 1. Изменение нагрузки вы­зывает поворот колеса 2 относительно вала 9, в связи с чем под­вижное колесо 2 имеет некоторое осевое перемещение и через систему рычагов воздействует на дроссельную заслонку 10, изменяющую подачу рабочего тела. В связи с этим предполагали, что система регулирования будет точнее поддерживать постоян­ство угловой скорости коленчатого вала двигателя.

Дифференциальное уравнение (116) двигателя свидетельствует о том, что регулирующее воздействие ? на орган управления дви­гателем может зависеть от изменения не только значения ? (ре­гулируемого параметра) или ?д (нагрузки), но и от значения производной d?/dt по времени. Действительно, в соответствии с уравнением

угловое ускорение (замедление) коленчатого вала появляется одновременно с изменением нагрузки Мс и значение его пропорционально разности крутящего момента М двигателя и момен­та Мс сопротивления.

Таким образом, производ­ная d?/dt может иметь большое  значение в начальный момент изменения нагрузки, когда изме­нение регулируемого параметра ср вследствие инерционности уста­новки еще слишком мало.

В этом случае регулятор, воспринимающий d?/dt начинает интенсивно воздействовать на орган управления двигателем значительно раньше регулятора, воспринимающего только ? (в соответствии с принципом Ползунова—Уатта).

Такой принцип регулирования был предложен в 1845 г. братьями Сименс.

Регулятор их конструкции (рис. 185) представляет собой диф­ференциальную систему передачи, зубчатое колесо 6 которой жестко связано с валом 5 двигателя. Вращение колеса 6 через дифференциальное колесо 7 передается колесу 8 и маховику 10, стремящемуся сохранить постоянство частоты вращения.

При медленном изменении частоты вращения вала 5 махо­вик 10 может синхронно изменить свою частоту вращения и тогда поводок 4 останется неподвижным (система регулирования импульса не получит). Однако чем более резко изменится частота вращения вала 5 (чем больше его ускорение), тем больше ска­жется инерционность маховика 10 и тем больше повернутся по­водок 4, связанный с дроссельной заслонкой.

В регуляторах Сименс перестановочная сила пропорциональна ускорению и поэтому ее воздействие на орган управления совпа­дает с началом изменения скоростного режима машины.

Позже были разработаны более компактные чувствительные элементы, реагирующие на угловое ускорение. Один из таких чувствительных элементов — акселерометр показан на рис. 186. При сбросе или набросе нагрузки появляется угловое ускоре­ние, и валик 1, деформируя пружину 2, получает некоторый угол поворота относительно муфты 3, сохраняющей прежнюю угловую скорость. Бегунки 5 при этом пе­рекатываются по наклонной по­верхности шайбы 4 и создают ре­гулирующее воздействие в виде перемещения Штока 6.

Однако вскоре поняли, что ре­гуляторы, работающие в соответ­ствии с принципом Поселе или братьев Сименс, не могут быть использованы самостоятельно в качестве автоматических регуляторов частоты вращения колен­чатого вала двигателя, так как в процессе работы они не могут поддерживать определенного заданного скоростного режима. Позже было установлено, что применение регуляторов, рабо­тающих в соответствии с принципом Понселе или принципом братьев Сименс, возможно только при совместной работе с чув­ствительным элементом, действующим в соответствии с прин­ципом Ползунова—Уатта, как это показано на рис. 186. Такая совместная работа повышает качество автоматического регули­рования.

Регуляторы, объединяющие в своей работе по крайней мере два принципа регулирования, получили впоследствии название двухимпульсных.

vdvizhke.ru

Автоматическое регулирование двигателей

Теория автоматического регулирования частоты вращения вала тепловой машины явилась научной базой развития теории авто­матического регулирования и управления в целом.

Впервые автоматический регулятор был установлен на «огнедействующей машине», построенной в 1765 г. русским механиком изобретателем И. И. Ползуновым на Барнаульском заводе. В этой машине автоматический регулятор поплавкового типа (рис. 1) предназначался для поддержания уровня воды в котле в некоторых заданных пределах. Связь между подачей воды G, осуществля­емой под управлением автоматического регулятора, и уровнем ее Н в котле показана на рис. 2 в виде графика G = f (H), называемого регуляторной характеристикой. Наибольшая подача воды Gmaх производится при полном открытии задвижки 3 (см. рис. 1) на подводящей трубе 2, что соответствует крайнему положению по­плавка 1 при Hmin (точка а на рис. 2). По мере повышения уровня воды в котле задвижка 3 все более уменьшает проходное сечение подводящей трубы 2, отчего уменьшается и подача воды, которая прекратится при полном перекрытии трубы 2. Это ограничивает верхний предел уровня Hmax (точка b на рис. 2). Разность ?Н = Hmax — Hmin, называемая неравномерностью работы регуля­тора, является одним из основных параметров системы автомати­ческого регулирования, характеризующих точность поддержания регулируемого параметра (в данном случае уровня воды в котле).

Через двадцать лет, в 1786 г., английский механик Д. Уатт построил сконструированную им универсальную паровую ма­шину и установил на ней центробежный регулятор, предназна­ченный для поддержания постоянной угловой скорости криво­шипа машины (рис. 3). При увеличении частоты вращения вала 1 машины, валика 2 и грузов 4 муфта 3 регулятора поднимается и перемещает заслонку 5 в сторону перекрытия паровпускной трубы 6, что приводит к уменьшению крутящего момента машины.

Связь между крутящим моментом М машины и частотой враще­ния кривошипа при наличии регулятора показана на рис, 4.

Из графика видно, что наибольший крутящий момент Мmах (точка а) машина развивает при минимальной скорости ?min. Это происходит при крайнем нижнем положении грузов и муфты. При наибольшей допустимой скорости ?maх машины (точка b) количество поступающего пара должно соответствовать холостому ходу. Разность ?? = ?maх — ?min также можно назвать неравно­мерностью работы регулятора.

Сравнение регуляторных характеристик, приведенных на рис. 2 и 4, показывает идентичность работы регуляторов И. И. Ползунова и Д. Уатта, поэтому такой принцип регулирования (при на­личии неравномерности работы) в настоящее время получил наз­вание Ползунова—Уатта.

Паровая машина Д. Уатта на длительное время стала основ­ным промышленным двигателем.

Только в середине XIX в. в промышленности возникла необ­ходимость создания более совершенных двигателей, имеющих луч­шую экономичность. Такими двигателями и явились двигатели внутреннего сгорания и в первую очередь газовые. На этих новых двигателях так же, как и на всех паровых, в большинстве случаев устанавливали автоматические регуляторы типа Уатта. Но к бо­лее мощным и совершенным в техническом отношении машинам стали предъявлять и более высокие требования. В частности, поя­вилось требование предельно снизить неравномерность работы ма­шины и повысить чувствительность ее регулятора; в некоторых из регуляторов действительно удавалось решить эту задачу.

Однако, начиная с 60-х годов прошлого столетия, стали все чаще возникать трудности в наладке регуляторов; часто наблю­дались случаи неустойчивой работы машин, снабженных автома­тическими регуляторами Уатта; происходил колебательный про­цесс регулирования. Поэтому ощущалась острая необходимость научно проанализировать процесс регулирования и дать ответ на возникшие вопросы.

В 1868 г. появилась работа английского физика Д. К. Мак­свелла, посвященная регуляторам. Он применил линеаризацию динамической задачи, создав метод малых колебаний. С помощью этого метода задача устойчивости регулирования была сведена к исследованию системы алгебраических уравнений.

Работа Максвелла по существу не имела практического зна­чения, так как объектом исследования был не применявшийся в то время астатический регулятор (с нулевой неравномерностью).

Участившиеся неудачи в наладке работы регуляторов типа Уатта вызвали у некоторых ученых и инженеров неверие в прак­тическую пригодность регуляторов, работающих по принципу Ползунова—Уатта. Возникла необходимость в повышении каче­ства регулирования. Например, настойчиво пытались использо­вать принцип регулирования по нагрузке (принцип Понселе) или по ускорению (принцип братьев Сименс).

Однако практика вскоре показала, что регуляторы типа Пон­селе и Сименс не могут быть использованы в качестве самостоятель­ных регуляторов угловой скорости тепловых двигателей.

Таким образом, в 60-х годах и в первой половине 70-х годов прошлого столетия теория регулирования не могла раскрыть особенностей работы и настройки регуляторов типа Ползунова— Уатта.

70-е и 80-е годы прошлого столетия были годами расцвета петербургской математической школы, возглавляемой акад. П. Л. Чебышевым. Характерная особенность этой школы — стрем­ление к разработке конкретных задач, представлявших практи­ческий интерес.

В 1871 г. П. Л. Чебышевым была опубликована работа в обла­сти регулирования «О центробежном уравнителе», в которой рас­смотрены пути уменьшения неравномерности работы регулятора.

В 1877 г. профессором Петербургского технологического ин­ститута И. А. Вышнеградским была опубликована работа «О регу­ляторах прямого действия». И. А. Вышнеградский, будучи мате­матиком по образованию, одновременно являлся и инженером, поэтому его подход к разрешению проблемы регулирования суще­ственно отличался от подхода его предшественников.

В результате тщательного анализа характеристик машины и регулятора И. А. Вышнеградский составил безразмерное алгебра­ическое уравнение третьей степени с двумя постоянными коэф­фициентами, значения которых определялись параметрами си­стемы. Эти два коэффициента позволили получить на плоскости графическое изображение области устойчивой работы системы двигатель — регулятор, названное впоследствии диаграммой И. А. Вышнеградского. Правильный инженерный подход к реше­нию задачи дал возможность И. А. Вышнеградскому полностью уяснить динамику работы машины, снабженной регулятором Д. Уатта, и показать, что машина и регулятор во время работы образуют единую систему.

Труды И. А. Вышнеградского оказали большое влияние на все дальнейшие работы в области регулирования во всем мире и пре­жде всего в России. Поэтому его по праву считают основополож­ником классической теории автоматического регулирования.

В 70-е годы XIX в. правильность решения вопросов устойчи­вости регулирования методом малых колебаний с использованием только линеаризованных характеристик научно еще не была до­казана.

В 1892 г. была опубликована работа талантливого ученого А. М. Ляпунова «Общие задачи об устойчивости движения». В ней строго обоснованы те случаи, когда решение дифференциальных уравнений методом малых колебаний дает правильное представле­ние об устойчивости системы, а также рассмотрены случаи, в ко­торых указанный метод не может дать такого ответа. Работа А. М. Ляпунова имела огромное значение для многих областей механики и физики. В теории автоматического регулирования она является фундаментом, на который опираются многие труды в этой области.

В 80-е годы прошлого столетия интерес к проблеме регулирова­ния паровых поршневых машин стал постепенно ослабевать, и основное внимание переключилось на автоматическое регули­рование гидравлических турбин, получивших большое распро­странение.

Обычные регуляторы прямого действия, оказывающие непос­редственное воздействие на органы управления, на этих машинах не могли быть использованы, так как для их работы требовались значительные усилия. На гидравлических турбинах стали уста­навливать регуляторы с особым механизмом, называемым серво­двигателем (рис. 5). Такие регуляторы получили название регу­ляторов непрямого действия.

Работы И. А. Вышнеградского и А. М. Ляпунова подготовили базу для появления трудов проф. А. Стодолы, опубликованных в 1893 и 1894 гг.

Рассматривая системы регулирования, включавшие чувстви­тельный элемент, серводвигатель, трубопровод и др., А. Стодола свел задачу регулирования к одному линейному дифференциаль­ному уравнению высокого порядка (до шестого включительно).

С помощью этого уравнения А. Стодола дал практические реко­мендации по обеспечению-устойчивости работы системы автомати­ческого регулирования. Теоретические выводы были им прове­рены на действующих установках и полностью подтвердились.

Работы А. Стодолы завершили развитие классической теории автоматического регулирования, распространив идеи И. А. Выш­неградского на всю область непрямого регулирования.

В 1905 г. в Берлине появилась книга М. Толле «Регулирование двигателей», которая вскоре была переведена на русский язык. В этой работе изложена в основном линейная теория автомати­ческого регулирования.

С 1903 г. вопросами регулирования машин стал заниматься Н. Е. Жуковский. Его лекции по курсу «Теория регулирования хода машин», прочитанные в МВТУ в учебном 1908—1909 году, были изданы в 1909 г. и вскоре получили широкую известность в России.

В этот период на многих зарубежных и отечественных заводах было организовано производство двигателей внутреннего сгорания.

Регулирование частоты вращения вала двигателей внутреннего сгорания осуществлялось в основном четырьмя способами.

Регулирование пропусками подачи топлива использовали глав­ным образом для маломощных двигателей, для которых вопросы экономичности и равномерности работы не имели существенного значения. Регуляторы, работающие по такому принципу, были наиболее просты, не требовали особой точности изготовления де­талей и допускали широкие диапазоны настройки. Конструктивно их выполняли в виде качающихся маятников, или деталей, со­вершающих возвратно-поступательное движение. Толкатель 5 такого регулятора (рис. 6) при помощи серьги 3 и шатуна 2 со­вершает возвратно-поступательное движение, создаваемое эксцен­триком 1, который имеет частоту вращения, пропорциональную частоте вращения коленчатого вала двигателя, и передает движе­ние толкателю 5, а через него плунжеру 6 топливного насоса. При левом положении толкатель 5 не соприкасается с плунжером 6 и передвигает последний лишь в правой части своего хода. Однако незадолго до соприкосновения с плунжером толкатель 5 набегает кулачком на неподвижный упор с уступом 4 и отклоняется на не­который угол от направления движения. К упору толкатель воз­вращается под действием силы тяжести. При увеличении частоты вращения вала двигателя скорость движения толкателя 5 и угол отклонения увеличиваются, поэтому при определенном максималь­ном скоростном режиме толкатель 5 не успевает вернуться к пер­воначальному направлению движения и проходит мимо плун­жера 6, что приводит к пропуску подачи топлива и вспышки в цилиндре двигателя (см. на рис. 7 цикл II, такт 3).

Регулирование изменением состава смеси путем изменения ко­личества подаваемого топлива или воздуха осуществлялось изме­нением высоты или продолжительности подъема соответствую­щих клапанов.

Регулирование изменением количества подаваемого топлива в цилиндр выполнялось с помощью обратного перепуска во впуск­ной патрубок уже засосанной горючей смеси или с помощью дрос­селирования смеси в период всего хода всасывания.

Регулирование с помощью изменения состава смеси и ее количе­ства представляет собой совокупность двух предыдущих способов.

При больших нагрузках регулирование осуществлялось измене­нием состава смеси, а при пониженных нагрузках — изменением количества смеси.

Последние три способа регулирования осуществлялись с по­мощью регуляторов прямого действия типа Уатта.

Трудности, связанные с созданием надежных регуляторов, возникшие в 60-х годах прошлого столетия, привели к тому, что в конце XIX и начале XX вв. многие заводы, выпускавшие дви­гатели внутреннего сгорания, предпочитали получать регуляторы готовыми от заводов, специализировавшихся на их производстве и имевших, следовательно, больший опыт, тем более что регуляторы этих заводов были дешевле и надежнее в работе.

К таким заводам относится, например, немецкий завод Янс (Iahns—Regulatoren—Geselschaft m. b. H.), выпускавший центро­бежные регуляторы с вертикальными валиками и с горизонтально расходящимися грузами (рис. 8).

При некоторых условиях работы двигателей внутреннего сго­рания (например, в насосных и электрогенераторных установках) необходимо в небольших пределах изменять частоту вращения вала от руки, воздействия на автоматический регулятор. В упомянутых регуляторах это осуществлялось при помощи дополнительной наружной пружины (рис. 9). Натяжение пружины в небольших пределах могло быть изменено обслуживающим персоналом во время работы двигателя.

В 1898 г. на Петербургском двигателестроительном заводе братьев Нобель (ныне «Русский дизель») был сконструирован и в 1899 г. построен нашедший промышленное применение двигатель с воспламенением от сжатия. Схема топливного насоса и автомати­ческого регулятора этого двигателя представлена на рис. 10.

Такая система регулирования подачи топлива хорошо зареко­мендовала себя в эксплуатации и продолжительное время исполь­зовалась на различных двигателях.

В 20-х годах текущего столетия отечественные и иностранные заводы уже делали попытки создания облегченных конструкций дизелей этого типа и установки их на транспортные агрегаты и, в частности, на трактор и автомобиль.

При использовании дизеля на транспорте необходимо воздей­ствие регулятора по крайней мере на двух режимах: номинальном скоростном, когда регулятор не допускает чрезмерного повышения частоты вращения вала в случае снижения нагрузки, и при холо­стом ходе на минимальном скоростном режиме. Естественной и этих условиях была идея установления на двигателе двух регуля­торов, каждый из которых срабатывал бы на указанных выше ре­жимах (дизель МАН 100/110).

Однако установка двух регуляторов не могла быть признана удовлетворительной, поэтому были предприняты попытки сов­местить оба регулятора в одном агрегате, как это. выполнено в ди­зеле МАП 80/90 (рис. 11).

В конструктивном отношении более простым и компактным оказался автоматический регулятор, показанный на рис. 12. Автоматические регуляторы такого типа,, называемые двухрежимными, применялись на автомобильных дизелях, например на дизелях ЯАЗ-204 и др.

При двухрежимном регулировании двигатель в интервале между максимальным и минимальным скоростными режимами находится под управлением только водителя. В этом случае для полдержания заданного промежуточного скоростного режима водитель вынужден был часто прибегать к ручному регулирова­нию скорости (непосредственно воздействовать на рейку топливного насоса). Появившиеся в начале 30-х годов нашего столетия всережимные регуляторы свободны от указанного недостатка.

Одним из первых всережимных автоматических регуляторов был регулятор, установленный на двигателе «Юнкере» (рис. 13). Эта схема регулятора настолько хорошо зарекомендовала себя в работе, что ее используют и до настоящего времени с небольшими усложнениями, связанными с увеличением диапазона регулируе­мых режимов (дизели В-2, Д-6 и др.), большей компактностью конструкции ИТ. п.

Несколько позже появился так называемый пневматический всережимный регулятор (рис. 14), в котором для регулирования использовали разрежение во всасывающем трубопроводе двигателя.

Изменяются системы регулирования и у тяжелых стационар­ных двигателей. В конце 20-х годов Коломенский завод им. В. В. Куйбышева и завод «Русский дизель» приступили к изго­товлению автоматических регуляторов непрямого действия, а в конце 30-х годов некоторые фирмы, главным образом американ­ские (например, фирма «Вудворт» и др.), стали специализиро­ваться на выпуске более компактных регуляторов непрямого дей­ствия.

Регуляторы новых конструкций были сложнее прежних, но обеспечивали значительно более высокую точность регулирова­ния, их удобно и легко было настраивать на требуемый скорост­ной режим.

В настоящее время двигатели внутреннего сгорания (дизели) широко используют для привода генераторов переменного тока, для которых требуется повышенная точность поддержания задан­ной частоты при всех нагрузках. Необходимость дальнейшего повышения качества процесса регулирования потребовала от со­здателей автоматических регуляторов поиска новых путей реше­ния этой задачи. Существенные результаты были получены за счет объединения в одном автоматическом регуляторе по крайней мере двух принципов регулирования: принципа Ползунова— Уатта с принципом братьев Сименс или принципа Ползунова— Уатта с принципом Понселе. Такие автоматические регуляторы получили название двухимпульсных. Испытания двигателей, снабженных двухимпульсными регуляторами, показали перспек­тивность выбранного направления.

Многие конструкции автоматических регуляторов снабжаются устройствами, обеспечивающими возможность дистанционного управления двигателями. Все больше проявляется тенденция сосре­доточения в автоматическом регуляторе двигателя по возможно­сти большего числа различных автоматических приборов. Напри­мер, некоторые автоматические регуляторы кроме устройств для поддержания заданного скоростного режима имеют устройства по ограничению нагрузки, корректированию внешней характе­ристики двигателя, контролю давления в системе смазки, измене­нию угла опережения впрыска при изменении частоты вращения коленчатого вала и по некоторым другим параметрам. Процесс сосредоточения автоматических приборов в одном агрегате будет, по-видимому, продолжаться и впредь.

Серьезных успехов в развитии теории автоматического регу­лирования и управления добились советские ученые. В 1938— 1939 гг. были опубликованы работы сотрудника Всесоюзного элек­тротехнического института А. В. Михайлова, явившиеся началом весьма широкого применения новых — частотных методов в автоматическом регулировании. Теория автоматического регули­рования и управления получила дальнейшую всестороннюю и глубокую разработку в трудах Б. Н. Петрова, В. А. Трапезни­кова, В. В. Солодовникова, Я.З. Цыпкина, М. А. Айзермана и многих других.

В Центральном котлотурбинном институте им. Ползунова (ЦКТИ) под руководством И. Н. Вознесенского была разработана теория связанного прямого и непрямого регулирования и найдены условия автономности.

Советские ученые значительно обогатили науку в области ис­следования устойчивости и качества различных нелинейных систем автоматического регулирования. Здесь можно назвать труды А. А. Андронова, Б. В. Булгакова, Н. Н. Баутина, А. Г. Майера, А.И. Лурье и многих других. На основе теории автоматического регулирования и управления, на базе опыта, накопленного чело­веком в различных областях техники, развивалась общая теория автоматики, получившая название технической кибернетики. Это — одно из направлений новой фундаментальной науки — кибернетики, науки об управлении в технике, природе и обществе.

Работы по общей теории автоматики выдвинули советскую науку в этой области на одно из первых мест в мире: первый ме­ждународный конгресс по вопросам автоматического управления проходил в 1960 г. в Москве, и в организации его ведущее место занимали советские ученые.

Исследования в области общей теории автоматики сопрово­ждались разработкой и анализом конкретных задач теории авто­матического регулирования двигателей внутреннего сгорания. Вопросам устойчивости и качества работы систем автоматического регулирования быстроходных транспортных дизелей посвящен ряд работ, выполненных в научно-исследовательском автомотор­ном институте (НАМИ) при участии и под руководством проф. Г. Г. Калиша. Эти работы имели большое значение для двигателе- строения. Под руководством проф. Н. Н. Настенко были разра­ботаны всережимные механические регуляторы, получившие широкое распространение.

В Центральном научно-исследовательском дизельном инсти­туте (ЦНИДИ), Центральном научно-исследовательском инсти­туте топливной аппаратуры (ЦНИТА), многими двигателестроительными заводами и вузами ведутся работы по созданию более совершенных автоматических регуляторов.

В области автоматического регулирования двигателей особо следует отметить работы профессоров А. М. Каца, М. И. Левина,

И. Толшина, И. И. Кринецкого, А. А. Грунауэра, Д. X. Мо­розова, Н. Н. Настенко, в области двухимпульсного регулирова­ния — Е. С. Ковалевского и др.

vdvizhke.ru

РЕГУЛИРОВКА ОБОРОТОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ - Конструкции простой сложности - Схемы для начинающих

С вопросом регулировки оборотов приходится сталкиваться при работе с электроинструментом, приводом швейных машин и прочих приборов в быту и на производстве Регулировать обороты, просто понижая питающее напряжение, не имеет смысла - электродвигатель резко уменьшает обороты, теряет мощность и останавливается Оптимальным вариантом регулировки оборотов является регулирование напряжения с обратной связью по току нагрузки двигателя

В большинстве случаев в электроинструменте и других приборах применены универсальные коллекторные электродвигатели с последовательным возбуждением. Они хорошо работают как на переменном, так и на постоянном токе. Особенностью работы коллекторного электродвигателя является то, что при коммутации обмоток якоря на ламелях коллектора во время размыкания возникают импульсы противо-ЭДС самоиндукции Они равны питающим по амплитуде, но противоположны им по фазе. Угол смещения противо-ЭДС определяется внешними характеристиками электродвигателя, его нагрузкой и другими факторами. Вредное влияние противо-ЭДС выражается в искрении на коллекторе, потере мощности двигателя, дополнительном нагреве обмоток. Некоторая часть противо-ЭДС гасится конденсаторами, шунтирующими щеточный узел.

Рассмотрим процессы, протекающие в режиме регулирования с ОС, на примере универсальной схемы (рис 1). Резистивно-емкостная цепь R2-R3-C2 обеспечивает формирование опорного напряжения, определяющего скорость вращения электродвигателя.

При увеличении нагрузки скорость вращения электродвигателя падает, снижается и его крутящий момент. Противо-ЭДС, возникающая на электродвигателе и приложенная между катодом тиристора VS1 и его управляющим электродом, уменьшается. Вследствие этого напряжение на управляющем электроде тиристора возрастает пропорционально уменьшению противо-ЭДС. Дополнительное напряжение на управляющем электроде тиристора заставляет его включаться при меньшем фазовом угле (угле отсечки) и пропускать на электродвигатель больший ток, компенсируя тем самым снижение скорости вращения под нагрузкой. Существует как бы баланс импульсного напряжения на управляющем электроде тиристора, составленного из напряжения питания и напряжения самоиндукции двигателя. Переключатель SA1 позволяет при необходимости перейти на питание полным напряжением, без регулировки Особое внимание следует уделить подбору тиристора по минимальному току включения, что обеспечит лучшую стабилизацию скорости вращения электродвигателя

Вторая схема (рис 2) рассчитана на более мощные электродвигатели, применяемые в деревообрабатывающих станках, шлифмашинах, дрелях. В ней принцип регулировки остается прежним. Тиристор в данной схеме следует установить на радиатор площадью не менее 25 см2.

Для маломощных электродвигателей и при необходимости получить очень малые скорости вращения, можно с успехом применить схему на ИМС (рис 3). Она рассчитана на питание 12 В постоянного тока. В случае более высокого напряжения следует запитать микросхему через параметрический стабилизатор с напряжением стабилизации не выше 15В.

Регулировка скорости осуществляется путем изменения среднего значения напряжения импульсов, подаваемых на электродвигатель. Такие импульсы эффективно регулируют очень малые скорости вращения, как бы непрерывно "подталкивая" ротор электродвигателя. При высоких скоростях вращения электродвигатель работает обычным образом.

Весьма несложная схема (рис 4) позволит избежать аварийных ситуаций на линии железной дороги (игрушечной) и откроет новые возможности управления составами. Лампа накаливания во внешней цепи предохраняет и сигнализирует о коротком замыкании на линии, ограничивая при этом выходной ток.

Когда требуется регулировать обороты электродвигателей с большим крутящим моментом на валу, например в электролебедке, может пригодиться двухполупериодная мостовая схема (рис 5), обеспечивающая полную мощность на электродвигателе, что существенно отличает ее от предыдущих, где работала только одна полуволна питающего напряжения.

Диоды VD2 и VD6 и гасящий резистор R2 используются для питания схемы запуска. Задержка открывания тиристоров по фазе обеспечивается зарядом конденсатора С1 через резисторы R3 и R4 от источника напряжения, уровень которого определяется стабилитроном VD8 Когда конденсатор С1 зарядится до порога срабатывания однопереход-ного транзистора VT1, он открывается и запускает тот тиристор, на аноде которого присутствует положительное напряжение. Когда конденсатор разряжается, однопереходный транзистор выключается. Номинал резистора R5 зависит от типа электродвигателя и желаемой глубины обратной связи. Его величина подсчитывается по формуле

R5=2/Iм,

где Iм - эффективное значение максимального тока нагрузки для данного электродвигателя Предлагаемые схемы хорошо повторяемы, но требуют подбора некоторых элементов в зависимости от характеристик применяемого двигателя (практически невозможно найти подобные по всем параметрам электродвигатели даже в пределах одной серии).

Литература

1. Electronics Todays. Int N6 

2. RCA Corp Manual 

3. IOI Electronic Projects. 1977 p 93 

5. G. E. Semiconductor Data Hand book 3. Ed 

6 .Граф P. Электронные схемы. -М Мир, 1989 

7. Семенов И. П. Регулятор мощности с обратной связью. - Радиолюбитель, 1997, N12, С 21.

cxema.my1.ru


Смотрите также