Демпфер для электромеханических устройств переменного тока

 

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для использования в электромеханических устройствах на переменном токе для демпфирования поступательных и угловых колебаний тел, статическое или динамическое состояния которых заданы магнитным или электрическим полями соответственно электромагнитов или электродов, питаемых переменным током. Демпфер выполнен в виде двухполюсника, содержащего выпрямитель с RC- нагрузкой. Параллельно нагрузке подключены резистор и конденсатор, соединенные последовательно, и управляемое напряжением активное сопротивление, например, в виде транзистора. При этом точка соединения дополнительных резистора и конденсатора подключена к управляющему входу активного сопротивления. Постоянная времени дополнительной RC-цепи выбрана большей постоянной времени RC-цепи нагрузки. Демпфер повышает качество переходного процесса исполнительного органа в электромеханических устройствах и характеризуется простотой и малым потреблением энергии. 4 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в различных электромеханических устройствах на переменном токе для демпфирования поступательных и угловых колебаний тел (якорей, роторов и т.д. ), статическое (неконтактный подвес) и динамическое (вращение с постоянной скоростью), состояние которых задано магнитным или электрическим полем магнитов или электродов, питаемых переменным током. В частности, изобретение может быть использовано в электромагнитных резонансных подвесах тел и для устранения колебаний вращающихся роторов синхронных двигателей.

Известны различные электромеханические устройства с подвижными роторами. Например, в электромагнитном подвесе [1] ферромагнитный ротор удерживается во взвешенном состоянии с помощью электромагнитов, ток которых изменяется пропорционально величине зазора между ротором и электромагнитом. Для придания ротору динамической устойчивости в условиях воздействия возмущающих ускорений в соответствии с теорией автоматического регулирования применяются корректирующие цепи, обеспечивающие создание дополнительного тока электромагнита, пропорционального скорости движения ротора (аналог вязкого трения). Традиционно получение производной от смещения ротора осуществляется дифференцирующими RC- цепями на постоянном токе с последующим переводом сигнала постоянного тока на требуемую для работы устройства несущую частоту с помощью модуляторов [2, с.266-267].

Однако применяются более простые корректирующие цепи, обеспечивающие дифференцирование сигнала управления непосредственно на несущей переменного тока и соответственно демпфирование колебаний, например, ротора в магнитном подвесе. Такие цепи могут быль выполнены в виде двухполюсников, содержащих выпрямители с RC-нагрузками [3] и включаемых последовательно с исполнительным элементом (например, электромагнитом) системы регулирования. Например, при скачкообразном изменении положения ротора происходит задержка заряда конденсатора с постоянной времени τ=RC, что обеспечивает выработку дополнительного упреждающего тока в обмотке электромагнита (или другого исполнительного элемента).

За прототип [4, с.99, рис.3-26] принято демпфирующее устройство (далее в тексте - демпфер) в виде двухполюсника, содержащего мостовую выпрямительную схему на диодах с нагрузкой в виде резистора и параллельно подключенного к нему конденсатора фильтра. Выполнение выпрямителя может быть и в виде, когда два диода заменены резисторами или конденсаторами [5, с.75, рис.4-31 а, б, в].

Недостаток демпфера-протопипа - значительная потеря энергии на резисторе нагрузки выпрямителя и снижение эквивалентной добротности исполнительного элемента (например, индуктивности электромагнита), следствием чего является снижение статической жесткости резонансного подвеса ротора.

Цель настоящего изобретения - снижение энергопотребления электромеханических устройств, управляющих положением тел в переменном магнитном или электрическом полях, увеличение статической жесткости положения тела.

Поставленная цель достигнута благодаря тому, что параллельно RC-нагрузке выпрямителя-демпфера подключены дополнительно резистор и конденсатор, соединенные последовательно, и управляемое напряжением активное сопротивление, например, в вице транзистора, при этом точка соединения дополнительных резистора и конденсатора подключена к управляющему входу активного сопротивления, а величины дополнительных резистора R_д и конденсатора С_д выбраны из условия R_дСд>RС, где R - сопротивление нагрузки выпрямителя; С - емкость конденсатора фильтра выпрямителя.

На фиг.1 представлена электрическая схема предлагаемого двухполюсника-демпфера.

На фиг. 2 показано управляемое напряжением сопротивление в виде р-n-р транзистора.

На фиг.3 представлено включение демпфера последовательно в цепь резонансного контура магнитного подвеса ротора.

Фиг. 4 иллюстрирует форму тока исполнительного устройства-электромагнита при скачкообразном изменении положения подвижного тела (ротора) в прототипе (а) и с предложенным демпфером (б).

Предлагаемый демпфер выполнен (фиг.1) в виде двухполюсника, содержащего самый простой выпрямитель [4, с. 75, рис.4.31в] в виде двух диодов 1-2 с нагрузкой - резистором 3 и конденсатором 4 фильтра выпрямителя. Параллельно нагрузке подключены дополнительно последовательно соединенные резистор 5 и конденсатор 6, а также управляемое напряжением активное сопротивление 7, которое в простейшем случае может быть выполнено в виде р-n-р транзистора 8. В общем случае в качестве управляемого сопротивления могут быть применены другие элементы и транзисторы (например, полевые), более сложные схемы (например, каскадное включение двух транзисторов - "составной транзистор"). Точка соединения дополнительных резистора 5 и конденсатора 6 подключена к управляющему входу активного сопротивления 7 (например, к базе, затвору транзистора). Величины дополнительных резистора 5 (Rд) и конденсатора 6 (Сд) выбраны из условия RдСд>R₁C₁, где R₁ - сопротивление резистора 3 нагрузки; С₁ - емкость конденсатора 4 фильтра выпрямителя.

Схема выпрямителя демпфера может быть несколько усложнена при добавлении еще одной нагрузочной Р₂С₂-цепи, обозначенной на фиг.1 пунктиром. В этом случае демпфер приобретет свойство широкополосности, если постоянные времени основной и дополнительной нагрузочных RC-цепей выполнить разными, например τ₁ = R₁C₁>τ₂ = R₂C₂. При этом сохраняется условие [τ₃ = RдСд]>[τ₄ = (R₁+R₂)C₁]>R₂C₂. Работу предложенного демпфера рассмотрим на примере использования его в магниторезонансном подвесе ферромагнитного ротора 9 (,фиг.3), содержащем источник 10 переменного тока, к которому последовательно подключены обмотка тягового электромагнита 11 и конденсатор 12, величина емкости которого выбрана такой, чтобы при удалении ротора от электромагнита ток i в образованном последовательном резонансном контуре увеличивался, обусловливая устойчивую статическую тяговую характеристику неконтактного подвеса [1, с.15-20] . Демпфер, включенный последовательно с резонансным контуром, обеспечивает динамическую устойчивость подвеса и качество переходного процесса при возмущающих ускорениях, благодаря выработке производной от движения ротора в виде дополнительного тока, пропорционального скорости движения ротора, создающего дополнительную силу, препятствующую движению (аналог вязкого трения). Действие демпфера можно оценить по виду тока i, снимаемого с датчика тока (резистора 13 с малым сопротивлением) при скачкообразном смещении ротора от электромагнита. На фиг.4а представлена осциллограмма скачка огибающей тока i на несущей частоте fн источника 10 для демпфера без активного сопротивления 7. Мгновенное смещение ротора вызывает постепенный заряд конденсатора 4 с постоянной времени τ₁ = R₁C₁, что создаст соответствующее увеличение тока (заштрихованные участки А), препятствующее движению ротора. Устойчивость подвеса ротора относительно его собственной угловой частоты ω_п обеспечивается при выполнении условия τ₁ = 1/ω_п,
где , G- жесткость подвеса, m - масса ротора.

Шунтирование нагрузочной R₁С₁-цепи выпрямителя активным сопротивлением 7 в области низких частот огибающей (благодаря большой постоянной времени τ₃ =RдCд, что соответствует статической нагрузке на ротор и его низкочастотным возмущениям), является аналогом изодрома, т.е. придает свойство астатизма (увеличение статической жесткости подвеса) и снижает потери энергии на резисторе 3 нагрузки. На фиг.4б это проиллюстрировано добавлением тока в виде заштрихованных участков В, нарастающих с постоянной времени τ₃ дополнительной RдСд-цепи после выработки по аналогии с фиг.4а производной в виде участков А.

Предложенный демпфер, несмотря на использование управляемого сопротивления (например, в виде транзистора), является пассивным элементом (не требует дополнительных источников питания), отличается простотой и уменьшенным энергопотреблением.

Он может быть использован в различных системах автоматического регулирования на несущей переменного тока, в частности в магнитных и электрических подвесах тел, стабилизации угловых колебаний синхронных и шаговых двигателей и т.п.

Список литературы
1. Осокин Ю.А., Герди В.Н. и др. "Теория и применение электромагнитных подвесов" М., Машиностроение, 1980.

2. Бесекерский В.А., Попов Е.П. "Теория систем автоматического регулирования", М., "Наука", 1972.

3. Тер-Арутюнянц Э.Т., Измаилович А.И., Буров А.В. "Нелинейные корректирующие цепи с полупроводниковыми диодами" в сб. "Электронная техника в автоматике" под ред. Конева Ю.И., вып.1, "Советское радио", 1969.

4. Вышков Ю. А. , Иванов В. И. "Магнитные опоры в автоматике", М., "Энергия", 1978 - прототип.

5. Лукес Ю. Х. "Схемы на полупроводниковых диодах", пер. с нем., М., "Энергия", 1972.

Формула изобретения

Демпфер для электромеханических устройств, выполненный в виде двухполюсника, содержащего выпрямитель с RC-нагрузкой, отличающийся тем, что параллельно нагрузке подключены дополнительно резистор и конденсатор, соединенные последовательно, и управляемое напряжением активное сопротивление, например, в виде транзистора, при этом точка соединения дополнительных резистора и конденсатора подключена к управляющему входу активного сопротивления, а сопротивление R_д и емкость С_д дополнительных резистора и конденсатора выбраны из условия
R_дС_д>R₁C₁,
где R₁ - сопротивление нагрузки выпрямителя;
C₁ - емкость конденсатора фильтра выпрямителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4