Демпфер для електромеханічних пристроїв змінного струму
Винахід відноситься до галузі приладобудування і призначене для використання в електромеханічних пристроях на змінному струмі для демпфування поступальних та кутових коливань тіл, статичний або динамічний стан яких задані магнітним або електричним полями відповідно електромагнітів або електродів, що живляться змінним струмом. Демпфер виконаний у вигляді двополюсника, що містить випрямляч з RC-навантаженням. Паралельно навантаженню підключені резистор і конденсатор, з'єднані послідовно, і активний опір, що керується напругою, наприклад, у вигляді транзистора. При цьому точка з'єднання додаткових резистора і конденсатора підключена до входу активного активного опору. Постійна часу додаткового RC-ланцюга обрана більшою постійної часу RC-ланцюга навантаження. Демпфер підвищує якість перехідного процесу виконавчого органу в електромеханічних пристроях та характеризується простотою та малим споживанням енергії. 4 іл.
Винахід відноситься до галузі приладобудування і може бути використане в різних електромеханічних пристроях на змінному струмі для демпфування поступальних і кутових коливань тіл (якорів, роторів і т.д.), статичне (неконтактний підвіс) та динамічний (обертання з постійною швидкістю), стан яких задано магнітним або електричним полем магнітів або електродів, що живляться змінним струмом. Зокрема, винахід може бути використаний в електромагнітних резонансних підвісах тіл і для усунення коливань обертових роторів синхронних двигунів.
Відомі різні електромеханічні пристрої із рухомими роторами. Наприклад, в електромагнітному підвісі [1] феромагнітний ротор утримується у зваженому стані за допомогою електромагнітів, струм якихзмінюється пропорційно величині зазору між ротором та електромагнітом. Для надання ротору динамічної стійкості в умовах впливу прискорень, що обурюють, відповідно до теорії автоматичного регулювання застосовуються коригувальні ланцюги, що забезпечують створення додаткового струму електромагніту, пропорційного швидкості руху ротора (аналог в'язкого тертя). Традиційно отримання похідної від зміщення ротора здійснюється диференціюючими RC-ланцюгами на постійному струмі з подальшим переведенням сигналу постійного струму на необхідну для роботи пристрою несучу частоту за допомогою модульаторів [2, с.266-267].
Однак застосовуються простіші коригувальні ланцюги, що забезпечують диференціювання сигналу управління безпосередньо на несучому змінного струму і відповідно демпфування коливань, наприклад, ротора в магнітному підвісі. Такі ланцюги можуть бути виконані у вигляді двополюсників, що містять випрямлячі з RC-навантаженнями [3] і включаються послідовно з виконавчим елементом (наприклад, електромагнітом) системи регулювання. Наприклад, при стрибкоподібному зміні положення ротора відбувається затримка заряду конденсатора з постійної часу =RC, що забезпечує вироблення додаткового струму в обмотці електромагніта (або іншого виконавчого елемента).
За прототип [4, с.99, рис.3-26] прийнято демпфуючий пристрій (далі в тексті - демпфер) у вигляді двополюсника, що містить бруківку випрямну схему на діодах з навантаженням у вигляді резистора і паралельно підключеного до нього конденсатора фільтра. Виконання випрямляча може бути і у вигляді, коли два діоди замінені резисторами або конденсаторами [5, с.75, рис.4-31 а, б, в].
Недолік демпфера-протопіпу – значна втрата енергії на резисторінавантаження випрямляча та зниження еквівалентної добротності виконавчого елемента (наприклад, індуктивності електромагніту), наслідком є зниження статичної жорсткості резонансного підвісу ротора.
Мета цього винаходу - зниження енергоспоживання електромеханічних пристроїв, що керують положенням тіл у змінному магнітному або електричному полях, збільшення статичної жорсткості положення тіла.
Поставлена мета досягнута завдяки тому, що паралельно RC-навантаженню випрямляча-демпфера підключені додатково резистор і конденсатор, з'єднані послідовно, і керований напругою активний опір, наприклад, віце транзистора, при цьому точка з'єднання додаткових резистора і конденсатора підключена до керуючого входу а величини додаткових резистора Rд і конденсатора Сд обрані з умови RдСд R, де R - опір навантаження випрямляча; З - ємність конденсатора фільтра випрямляча.
На фіг.1 представлена електрична схема пропонованого двополюсника-демпфера.
На фіг. 2 показано керовану напругою опір у вигляді р-n-р транзистора.
На фіг.3 представлено включення демпфера послідовно ланцюг резонансного контуру магнітного підвісу ротора.
Фіг. 4 ілюструє форму струму виконавчого пристрою-електромагніту при стрибкоподібній зміні положення рухомого тіла (ротора) у прототипі (а) та із запропонованим демпфером (б).
Пропонований демпфер виконаний (фіг.1) у вигляді двополюсника, що містить найпростіший випрямляч [4, с. 75, рис.4.31в] у вигляді двох діодів 1-2 з навантаженням - резистором 3 і конденсатором 4 фільтра випрямляча. Паралельно навантаженні підключені додатково послідовно з'єднані резистор 5 і конденсатор6, а також керований напругою активний опір 7, яке в найпростішому випадку може бути виконано у вигляді р-n-р транзистори 8. У загальному випадку як керований опір можуть бути застосовані інші елементи і транзистори (наприклад, польові), більш складні схеми (наприклад, каскадне включення двох транзисторів - "складовий транзистор"). Точка з'єднання додаткових резистора 5 і конденсатора 6 підключена до входу керуючого активного опору 7 (наприклад, до бази, затвора транзистора). Величини додаткових резистора 5 (Rд) і конденсатора 6 (Сд) обрані з умови RдСд R1C1, де R1 - опір резистора 3 навантаження; С1 - ємність конденсатора 4 фільтра випрямляча.
Схема випрямляча демпфера може бути дещо ускладнена при додаванні ще однієї навантажувальної Р2С2-ланцюга, позначеної на фіг.1 пунктиром. В цьому випадку демпфер придбає властивість широкосмугового, якщо постійні часу основної та додаткової навантажувальних RC-ланцюгів виконати різними, наприклад 1 = R1C12 = R2C2. У цьому зберігається умова [3 = RдСд]>[4 = (R1+R2)C1]>R2C2. Роботу запропонованого демпфера розглянемо на прикладі використання його в магніторезонансному підвісі феромагнітного ротора 9 (,фіг.3), що містить джерело 10 змінного струму, до якого послідовно підключені обмотка тягового електромагніта 11 і конденсатор 12, величина ємності якого вибрана такий, електромагніту струм i в утвореному послідовному резонансному контурі збільшувався, зумовлюючи стійку статичну тягову характеристику неконтактного підвісу [1, с.15-20]. Демпфер, включений послідовно з резонансним контуром, забезпечує динамічну стійкість підвісу та якість перехідного процесу при збурюючих прискореннях, завдякивироблення похідної від руху ротора як додаткового струму, пропорційного швидкості руху ротора, що створює додаткову силу, що перешкоджає руху (аналог в'язкого тертя). Дію демпфера можна оцінити за видом струму i, що знімається з датчика струму (резистора 13 з малим опором) при стрибкоподібному зміщенні ротора електромагніта. На фіг.4а представлена осцилограма стрибка огибающей струму i на несучій частоті fн джерела 10 для демпфера без активного опору 7. Миттєве зміщення ротора викликає поступовий заряд конденсатора 4 з постійної часу 1 = R1C1, що створить відповідне збільшення струму (заш руху ротора. Стійкість підвісу ротора щодо його власної кутової частоти п забезпечується при виконанні умови 1 = 1/п, де , G - жорсткість підвісу, m - маса ротора.
Шунтування навантажувального R1С1-ланцюга випрямляча активним опором 7 в області низьких частот огинаючої (завдяки великій постійній часу 3 =RдCд, що відповідає статичному навантаженню на ротор та його низькочастотним збуренням), є аналогом ізодрому, тобто. надає властивість астатизму (збільшення статичної жорсткості підвісу) та знижує втрати енергії на резисторі 3 навантаження. На фиг.4б це проілюстровано додаванням струму у вигляді заштрихованих ділянок, наростаючих з постійної часу 3 додаткової RдСд-ланцюга після вироблення за аналогією з фиг.4а похідної у вигляді ділянок А.
Запропонований демпфер, незважаючи на використання керованого опору (наприклад у вигляді транзистора), є пасивним елементом (не вимагає додаткових джерел живлення), відрізняється простотою та зменшеним енергоспоживанням.
Він може бути використаний у різних системахавтоматичного регулювання на несучому змінному струмі, зокрема у магнітних та електричних підвісах тіл, стабілізації кутових коливань синхронних та крокових двигунів тощо.
Список литературы 1. Осокін Ю.А., Герді В.М. та ін "Теорія та застосування електромагнітних підвісів" М., Машинобудування, 1980.
2. Бесекерський В.А., Попов Є.П. "Теорія систем автоматичного регулювання", М., "Наука", 1972.
3. Тер-Арутюнянц Е.Т., Ізмаїлович А.І., Буров А.В. "Нелінійні коригувальні ланцюги з напівпровідниковими діодами" у сб. "Електронна техніка в автоматиці" за ред. Конєва Ю.І., вип.1, "Радянське радіо", 1969.
4. Вишков Ю. А., Іванов В. І. "Магнітні опори в автоматиці", М., "Енергія", 1978 – прототип.
5. Лукес Ю. Х. "Схеми на напівпровідникових діодах", пров. з ньому., М., "Енергія", 1972.
Демпфер для електромеханічних пристроїв, виконаний у вигляді двополюсника, що містить випрямляч з RC-навантаженням, який відрізняється тим, що паралельно навантаженню підключені додатково резистор і конденсатор, з'єднані послідовно, і активний опір, що керується напругою, наприклад, у вигляді транзистора, при цьому точка з'єднання додаткових резистора і конденсатора підключена до керуючого входу активного опору, а опір Rд і ємність Сд додаткових резистора і конденсатора обрані з умови RдСд R1C1, де R1 - опір навантаження випрямляча; C1 - ємність конденсатора фільтра випрямляча.