Способ управления магнитными опорами ротора

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з F 16 С 32/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО.ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4755917/27 (22) 09.10.89

{46) 15.02.92. Бюл, и 6

{71) Московский энергетический институт (72) А. А. Карпов и В. А. Трегубов (53) 621.822.5(088.8) (56) Бетин В. Н. и Айзеншток Г. И. Динамика радиального движения шпинделя на:маг-. нитных опорах. — "Станки и инструмент", 1988, f4 55, с. 20-22. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНЫМИ ОПОРАМИ РОТОРА

:(57) Изобретение относится к машинострое= нию, а именно к управляемым магнитным . опорам высокоскоростных роторов, и может найти применение в центрифугах, турбомашинах. шпинделях и других устройствах.

Цель изобретения — повышение надежности и расширение функциональных возможностей магнитных опор ротора путем сниже1

Изобретение относится к машинострое нию, а именно к управляемым магнитнмм опорам высокоскоростных роторов, и может найти применение в центрифугах, турбомашинах, шпинделях и.других устройствах Йри разгоне и торможении ротора, Известен способ yпpаeneния радиальными опорами ротора, состоящий в том, что при подходе в процессе разгона ротора к резонансной частоте вращения скачкообразно снижают жесткость радиальных onqp посредством специальных электромагнитов .. и переводят колебательную систему ротор—

„„ „„1712691 А1 ния амплитуды изгибных колебаний ротора в области его критических частот вращения.

Определяют амплитуду изгибных колебаний, сигнал рассогласования амплитуды относительно заданного значения интегрируют и пропорционально интегралу рассогласования изменяют токи аксиальных электромагнитов опоры ротора. При достижении током одного из электромагнитов предельного значения скачкообразно изменяют токи обоих аксиальных электромагнитов до другого предельного значения.

Обратно пропорционально изменению токов изменяют коэффициент усиления системы стабилизации аксиального положения ротора. Эффект от применения изобретения заключается в повышении точности стабилизации радиального положения ротора и повышении его долговечности. 1 з,п. ф-лы, 7ил. радиальные опоры в зарезонансную область.

Недостатком такого способа является необходимость установки дополнительных электромагнитов, повышенное энергопотребление, большая амплитуда изгибных колебаний ротора в .области критических частот вращения и низкая вследствие этого надежность всего роторного узла.

Наиболее близким к изобретению является способ уйравления магнитными опорами ротора, включающий измерение радиальных колебаний концов ротора, срав-. нение их с заданным значением и измене1712691 ние в зависимости от сигнала рассогласования напряжения или тока электромагнитов радиальных опор, измерение аксиального смещения ротора и управление в зависимости от него напряжением или токамй аксиальных электромагнитов, расположенных у концов ротора.

Недостатком такого способа является низкая надежность роторного узла вследствие большой амплитуды изгибных колебаний ротора в области критических частот вращения, а также ограниченные функциональные возможности вследствие отсутствия управления изгибными колебаниями ротора.

Целью изобретения является повышение надежности и расширение функциональных возможностей магнитных опор ротора путем снижения амплитуды изгиб ных колебаний ротора в области его критических частот вращения при разгоне или торможении. . Указанная цель достигается тем, что согласно способу управления магнитными опорами ротора, заключающемуся в измерении величин радиальных колебаний концов ротора, сравнении их с заданным значением и изменении в зависимости от сигнала рассогласования напряжения или тока электромагнитов радиальных опор, измерении аксиального смещения ротора и управлении в зависимости от аксиального смещения напряжением или токами аксиальных электромагнитов, расположенных у концов ротора, устанавливают одно из предельно допустимых максимальное или минимальное значение токов аксиальных электромагнитов, измеряют радиальные колебания ротора в плоскости пучности его изгибных колебаний, вычисляют амплитуду Л изгибных колебаний по формуле

Л= макс (аз 1 (1) где а1, а2 — измеренные величины радиальных колебаний концов ротора; аз — измеренная величина радиальных колебаний в,плоскости пучности изгибных колебаний ротора;

I — длина ротора;

Z — осевая координата плоскости пуч1 ности изгибных колебаний относительно центра ротора, вычисленную величину сравнивают с заданным значением, при превышении Ь заданного значения формируют сигнал, пропорциональный интегралу по времени от рассогласования, и на величину этого сиг-. нала одновременно изменяют токи в аксиальных электромагнитах в сторону другого предельно допустимого значения, в случае . достижения током по крайней мере одного аксиального электромагнита предельно до5 пустимого значения токи обоих электромагйитов скачкообразно изменяют до начальных предельно допустимых значений.

Для обеспечения стабильности динами10 ческих характеристик подвеса ротора в аксиальном направлении возможно при изменении токов аксиальных электромагнитов осуществлять одновременное обратно пропорциональйое токам изменение коэф15 фициента усиления токов блока управления аксиальной опорой.

На фиг. 1 представлена структурная схема примера устройства, реализующего спо-, соб управления; на фиг. 2 — кинематическая

20 схема роторного узла; на фиг. 3 — структур- . ная схема блока управления токами при максимальных начальных токах; на фиг. 4 и

6 — изменение амплитуды изгибных кояебаний ротора при разгоне: на фиг. 5 и 7 — то

25 же, при торможении, Ротор 1 установлен в радиальных активных магнитных опорах 2 и 3 (фиг. 1), управляемых по сигналу датчиков 4 и 5 радиального положения через блок 6 управ30 ления, а также в аксиальнрй опоре, которая содержи г электромагниты 7 и 8 (ЭМ1, ЭМ2), управляемые Ilo сигналу датчика 9 аксиального положения через блок 10 управления.

Электромагниты 7 и 8 взаимодействуют. с

35 магнитопроводными якорями 11 и 12, соответственно установленными на торцах ротора 1. В плоскости пучности изгибных колебаний ротора 1 установлен дополнительный датчик 13 радиального положения

40, ротора 1. Датчики 4, 5 и 13 радиального положения 4, 5, 13 ротора 1 соединены с входом блока 14 управления изгибными колебаниями ротора 1, являющимся одновременно входом блока 15 расчета изгиба

45 ротора 1. Блок 15 входит в состав блока 14, Блок 14 также содержит блок 6 управления токами ЭМ1,. ЭМ2 7 и 8, входом соединенный с выходом блока 15, Выход блока 16 является одновременно выходом блока 14

50 управления изгибными колебаниями ротора

1. Выход блока 14 подключен к двум входам блока 10 управления аксиальной опорой. На . фиг. 2 представлена кинематйческая схема ротора 1 при его механических колебаниях, 55 в том числе и изгибных.

Блок 16 управления (фиг. 3) содержит фильтр нижних частот (ФНЧ) 17, задатчик амплитуды (3A) 18 изгибных колебаний ротора 1, сумматоры 19 и 20, три логических блока 21, 22 и 23 типа триггера, два управ1712691 тора 19, Инвертирующий вход первого сум-" 5 маторв 19 подключен ЗА 18. Выход первого сумматора 19 соединен с входом интеграто10

20 инвертирующим. Выходы сумматоров 33 и 40

45 жения мер, максимально возможные значения 50 ляемых ключа 24 и 25, интегратор 26, зздатчик тока (3T) 27. Входом блока 16 является вход ФНЧ 17, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого суммара 26 через управляемый ключ 24; а также с входом логического блока 21, выход которого в свою очередь подключен к первому управляющему входу 28 ключа 24. Второй управляющий вход 29 ключа 24 соединен с выходом логического блока 22, вход которого подключен к выходу интегратора 26, Выход интегратора 28 подключен через управляемый ключ 25 к инвертирующему входу второго сумматора 20, неинвертирующий вход которого подключен к ЗТ 27, Выход логического блока 22 подключен к управляющему входу 30 управляемого ключа 25, а также к установочному входу логического блока 21. Выход второго сумматора

20, являющийся выходом блока 16 управления, подключен к входу логического блока

23, вход которого в свою очередь подключен к управляющему входу 31 ключа 25.

Блок 10.управления аксиальной опорой содержит регулятор 32 с двумя. входами, два сумматора 33 и 34, два усилителя мощности (УМ1, УМ2) 35 и 36, блок 37 формирования коэффициента усиления. Неи н верти рующие входы сумматоров 33 и 34 объединены и являются входом блока 10 управления, соединенным с выходом блока 16. Выход блока 16 подключен т-зкже к входу блока 37 формирования. Блок 37 соединен с одним из входов регулятора 32, выход которого подключен к входам сумматоров 33 и.34.

Один из входов сумматоров 33 и 34 является

34 соединены с электромагнитами ЭМ1, ЭМ2 7 и 8 соответственно через усилители

УМ1, УМ2 35 и 36, Второй вход регулятора

32 соединен с датчиком-9 аксиального полоСпособ управления магнитными опорами состоит в следующем, При разгоне ротора 1 в магнитных опорах 2, 3, 7 и 8 (фиг. 1) устанавливают, напритоков электромагнитов 7 и 8 и" замеряют величину радиальных колебаний концов ротора 1, например, с помощью датчиков 5 и

4 контуров регулирования радиальных магнитных опор 2 и 3. Измеряют также величину радиальных колебаний ротора 1 в плоскости пучности его изгибных колебаний посредством датчика 13. Р всстояние до плоскости измерения пучноЕти:изгибйых колебаний Z ротора 1 определяется пред30

35 варительно расчетным или экспериментальным путем. По измеренным величинам иэ выражения (1) рассчитывают в блоке 15 расчета изгиба ротора 1 амплитуду Л его изгибных колебаний. Сигнал, пропорциональный амплитуде Л, подают в блок 16 управления токами ЭМ1, ЭМ2 7 и 8.

В данном блоке 16 сигнал поступает на

ФНЧ 17, частота среза которого выбирается в соответствии с динамикой разгона и торможения ротора 1, определяемой свойствами его привода. Наличие ФНЧ 17 обеспечивает защиту блока 16 от ложных срабатываний при единичных импульсных воздействиях. В сумматоре 19 производится сравнение рассчитанной амплитуды Лизгибных колебаний ротора 1 и заданной

Л д, определяемой 3А 18. Момент изменения знака рассогласования d Л = ЛЛз д фиксируют с помощью блока 21 типа триггера и управляемого ключа 24, Сигнал рассогласования d Л интегрируют по времени посредством интегратора 26, который подключается к выходу сумматора 19 ключом 24 при первом изменении знака сигнала рассогласования (с отрицательного на положительный). При первом изменении знака рассогласования логический блок 21 блокируется и не реагирует на изменение знака рассогласования до поступления из него сигнала с логического блока 22, возвращающего блок 21 в исходное положение. Через управляемый ключ 25 сигнал, пропорциональный интегралу от рассогласования, поступает на сумматор 20, где вычитается из постоянного сигнала ЗТ 27. Полученный с сумматора 20 сигнал подается непосредственно в блок 10 управления аксиальной опорой. При достижении током l минимально допустимого уровня lM<> срабатывают логический блок 23 и размыкает управляемый ключ 25. При этом сигнал на выходе блока

16 скачкообразно становится соответствующим 1 „ и регулирование тока в блоке 10 по предлагаемому способу прекращается.

Процесс интегрирования сигнала рассогласования в блоке 26 продолжается до достижения интеграла от рассогласования нулевого значения. В этот момент логиче ский блок 22 подает сигнал на вход 29 управляемого ключа 24 для прекращения процессов интегрирования. Ключ 24 размыкается. Одновременно сигнал подается на . управляющий вход 30 ключа 25; возвращая его в исходное замкнутое состояние, а также на установочный вход логического блока

21, разблокируя его и обеспечив исходную чувствительность к знаку сигнала рассогласования d А

1712691

В блоке 10 управления аксиальной опорой сигнал с выхода блока 16 подается на входы сумматоров 33 и 34, обеспечивая одинаковое и одновременное изменение токов

ЭМ1, ЭМ2 7 и 8, а также на вход блока 37 формирования коэффициента усиления, обеспечивая путем обратно пропорционального току l изменения коэффициента усиления регулятора 32 постоянство общего . коэффициента усиления контура аксиальной магнитной опоры. Сигналы с-.сумматоров.3 и 34 через УМ1, УМ2 35 и 36 подаются на электромагниты ЭМ1, ЭМ2 7 и 8..

Сущность происходящих при разгоне и торможении явлений с управлением по предлагаемому способу состоит в следующем, При разгоне ротора 1 вследствие наличия неуравновешенности от остаточного дебаланса, который не может быть полностью устранен, возникают изгибные колебания ротора 1, частота которых равна частоте вращения. Эти колебания существенно возрастают по амплитуде.на частоте вращения, равной собственной (критической) частоте в изгибных колебаний ротора 1, поскольку демпфирование таких колебаний за счет внутреннего трения в материале ротора 1 весьма мало. Вследствие этого амплитуда колебаний ротора 1 может достигать значений, которые недопустимы как с точки. зрения требований к функциональным характеристикам используемого привода (центрифуга, шпиндель, турбомашина), так и с точки зрения прочности ротора при изгибных деформациях.

При снижении токов электромагнитов 7 и 8 аксиальной опоры снижаются растягивающие ротор 1 электромагнитные силы.

Вследствие этого критическая частота. во смещается в область низких частот с одновременным снижением максимума амплитуды изгибных колебаний (фиг. 4-6). При смещении критической частоты ротора 1 в область низких частот вращения максимальная амплитуда уменьшается,. так как . уменьшается возмущающая сила, вызванная дисбалансом.

При разгоне, ротора (фиг. 4) токи I> 12, а следовательно, и критическая частота аь начнут изменяться при А> Ьаад. Этому моменту соответствует частота вн (начало регулирования). Частота снижается ,пропорционально интегралу от рассогласования. Происходит быстрый (но плавный) переход в зарезонансную область. Причем скорость этого перехода зависит от величины рассогласования dA. Амплитуда A в . этот момент незначительно превышает Лаад .и значительно ниже (вследствие нестационарности процесса) амплитуды стационарных колебаний (фиг. 4). В диап.азоне вн Ca(вкамплитуда Л- Ьаади по

5 мере разгонатоки11, 12и вь= f(A) плавно увеличиваются до 11,2 = 1макс (в = вк).

После этого регулирование прекращается, блок 16 приходит в исходное состояние и дальнейшее изменение амплитуды A npo"О исходит по естественной амплитудно-частотной характеристике в зарезонансной области. В.этой области A = Ayn.

При торможении ротора (фиг. 5) частоте вн соответствует начало регулирования, а

15 вк — конец. До частоты вк происходит плавное снижение во = f(h) при поддержании A = Лаад . При l = lмин происходит скачкообразное увеличение вомин вомакс и соответственно снижение амплитуды. Затем при достижении интегралом нулевого значения блок 16 приходит в исходное состояние.

Аналогичные явления происходят при установлении номинальных значений токов электромагнитов минимально возможными (фиг. 6 и 7); Здесь процессы при разгоне (фиг. 6) аналогичны процессам на фиг. 5 при торможении, а при торможении (фиг. 7)—

3О процессам на фиг. 4 при разгоне. В элементы 20, 23 и 27 блока 16 (фиг. 3) вводятся в этом случае изменения в соответствии с логикой регулирования..

Выражение (1) для расчета Л получено

35 на основании геометрических соотношений из фиг. 2.

Следует отметить, что увеличение амп- . литуды изгибных колебаний может существенно влиять на характеристики привода

4() (электропривод, турбопривод), особенно при расположении его в области пучности.

При маломощном приводе это влияние мажет сказываться в виде снижения темпа разгона и даже его прекращения.

Предложенный способ позволяет уменьшить не только первую форму изгибных колебаний ротора, но также и более высокие. Для этого только необходимо установить дополнительные датчики радиальО ных колебаний ротора в плоскостях соответствующих пучностей и несколько изменить алгоритм расчета амплитуд изгибных колебаний Л в блоке 2 исходя из простейших геометрических построений, 55 соответствующих высшим формам изгибных колебаний. Изменение частоты изгибных колебанйй на весь перйод разгона приводит к повышенному энергопотреблению. В предложенном способе токи элект-. ромагнитов 8 и 9увеличиваютсл на короткий. 1712691 (4) Формула изобретения

1. Способ управления магнитными опорами ротора, заключающийся в измерении величин радиальных колебаний концов ротора, сравнении их с заданным значени- 45 ем и изменении в зависимости от сигнала рассогласования напряжения или тока элек- . . тромагнитов радиальных опор, измерении аксиального смещения ротора и управленФ; промежуток прохождения собственной (критической) частоты изгибных колебанийротора 1, что.позволяет снизить энергопотребление электромагнитов.

Данный способ является инвариантным 5 к величине дисбаланса, поскольку блок 16

ОСущЕСтВЛяЕт рЕГуЛИрОВаНИЕ Во (ТОКОВ I1, Iz) в функции амплитуды Л, которая в свою

: очередь определяется величиной дисбаланса. 10

Одновременное с регулированием токов I1, Iz изменение коэффициента усиления токов в блоке 10 обеспечивает стабильность динамических характеристик аксиальной опоры. Коэффициент передачи ток. — сила 15 электромагнитов 7 и 8 определяется следующим выражением:

К=г I IZ., (2) сН где = I1 = lz — постоянные составляющие 20 токов электромагнитов 7 и 8;

dL/dZ/2о — значение производной индуктивности аксиальных электромагнитов 7 и 8 по осевой координате в,положении p39" . новесия Zo. 25

Для соблюдения равенства К3„ K1 = Кном =. COflSt, (3) где К вЂ” коэффициент передачи смещение му — ток в блоке управления аксиальной orioрой; 30

Кном — номинальное значение общего . коэффициента передачи контура аксиальной опоры, необходимо, чтобы Кном Кном 35

2 — I Zо

dZ т.е. К = —.

) 1

40 в зависимости от аксиального смещения напряжением или токами аксиальных электромагнитов, расположенных у концов ротора, отличающийся тем, что, с цельюповышения надежности и расширения функциональных возможностей магнитных ойор ротора путем снижения амплитуды изгибных колебаний ротора в области его критических частот вращения при разгоне или торможении, устанавливают одно из предельно допустимых максимального или ми-, нимального значений токов аксиальных электромагнитов, измеряют радиальные колебайия ротора в плоскости пучности его изгибных колебаний, вычисляют амплитуду

Л изгибных колебаний по формуле

А= макс(аз где а1, а2 — измеренные величины радиальных колебаний концов ротора; аз — измеренная величина радиальных колебаний в плоскости пучности изгибных колебаний ротора;

1 — длина ротора;

Z — расстояние от конца вала с ампли1. тудой до плоскости измерения пучности, при превцшении Ь заданного значения формируют сигнал, пропорциональный интегралу по времени от рассогласования, и на величину этого сигнала одновременно изменяют токи в аксиальных электромагнитах в сторону другого предельно допустимого значения, в случае достижения током по крайней мере одного аксиального электромагнита предельно допустимого значения токи обоих электромагнитов скачкообразно изменяют до начальных предельно допустимых значений.

2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения стабильности динамических характеристик подвеса ротора в аксиальном направлении, при изменении токов аксиальных электромагнитов осуществляют одновременное обратно пропорциональное токам изменение коэффициента усиления токов блока управления аксиальной опорой.

1712691

1712691

«ИО ВЮЮВ1

l у дял,у ил 9N

aaeeuevue No

Лл

3 успп

Фиг.4

44 шпак ЙЪ

I1mur =Igтак)

Nomqx к

ji òàê "к г так) 1712691

Редактор H.Øâûäêàÿ

Заказ 524 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 засР

А gent

Составитель В.Трегубов

Техред М,Моргентал Корректор М.Кучерявая