ЭЛЕКТРОПРИВОД КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
ELECTRIC DRIVE WITH VIBRATING MOTION

Изобретение относится к электротехнике, в частности к колебательным электроприводам, предназначено для использования в автоматизированных электроприводах механизмов с колебательным движением рабочего органа, вибрационных установок в горной промышленности, строительстве, машиностроении, сельском хозяйстве и других отраслях промышленности. Изобретение может быть использовано для создания колебательного движения маятниковых вибровозбудителей вибрационных щековых дробилок, например по патенту РФ №2344878 от 27.01.09. Вибрационная щековая дробилка. Авторы: Загривный Э.А., Гаврилов Ю.А., Стародед С.С.), а также привода буровой коронки колонкового электромеханического бурового снаряда.
Известен электропривод колебательного движения, приведенный в литературном источнике - Луковников В.И. Электропривод колебательного движения. - М.: Энергоатомиздат, 1984, с.12-13, рис, 1.2е, з, который содержит источник питания постоянного или переменного тока, асинхронный трехфазный электродвигатель, вентили, включенные в фазные обмотки по одному или по два, соединенные встречно-параллельно. Колебательное движение в таком электроприводе осуществляется вследствие периодического изменения положения оси магнитного поля путем переключения вентилей. Недостатками представленного электропривода являются низкая частота колебаний ротора (единицы Гц), жесткий реверс на основе шагового режима работы асинхронного трехфазного электродвигателя, жесткая фиксация шагов из-за эффекта динамического торможения в конце шага вследствие протекания по фазным обмоткам пульсирующего тока при питании от источника переменного тока, низкая надежность электродвигателя из-за возникновения в момент переключения вентилей больших ударных токов и усилий (моментов).
4
Известен электропривод колебательного и медленного вращательного движений, а.с. 1334348 СССР, МКИ Н02Р 7/62. Электропривод. П.Э.Токатлян, Р.Р.Агасарян (СССР). - №4047951/24-07; заявл. 03.04.86; опубл. 30.08.87, Бюл. №32.), содержащий трехфазный асинхронный двигатель с обмоткой, соединенной в звезду, два основных тиристора, соединенных анодами с первой и второй фазами обмотки, дополнительный тиристор и блок управления. Для обеспечения одновременно колебательного и медленного вращательного движений, дополнительно введены источник постоянного тока и резистор, блок управления включает в себя мультивибратор и элемент задержки, катоды тиристоров соединены с отрицательным полюсом источника постоянного тока, анод дополнительного тиристора через резистор соединен с третьей фазой и положительным полюсом источника постоянного тока, между анодами основных и одного основного и вспомогательного тиристоров включены конденсаторы, управляющие электроды одного основного и вспомогательного тиристоров соединены с плечами мультивибратора, а управляющий электрод другого основного тиристора соединен с выходом элемента задержки. Недостатками данного электропривода являются зависимость вибрационного момента от угловой скорости ротора, а как следствие, уменьшение вибрационного момента при уменьшении частоты колебаний, кроме того, электропривод работает в диапазоне низких частот, следовательно, имеет низкий КПД, также для большинства вибрационных установок необходимо только колебательное движение.
Известен электропривод колебательного движения (электропривод для создания возвратно-вращательного движения буровой коронки), который по совокупности признаков наиболее близок к предлагаемому, патент РФ №2337225, МПК Е21В 4/04, опубл. 27.10.2008, Бюл. №30, принятый за прототип. Электропривод электромеханического колонкового бурового снаряда содержит источник питания с системой управления, погружной асинхронный трехфазный электродвигатель, ротор которого соединен с колонковой трубой с коронкой, статор, соединенный с верхней трубой (опорой), и упругий элемент, жестко связанный с кабельным замком с одной стороны и ротором электродвигателя с другой, а источник питания обмоток снабжен однофазным мостовым выпрямителем, ротор погружного асинхронного трехфазного электродвигателя выполнен с одной парой явновыраженных полюсов, а одна фазная статорная обмотка последовательно соединена с мостовым однофазным выпрямителем, на выход которого по постоянному току подключены последовательно соединенными между собой концами две другие фазные обмотки, образующие одну пару полюсов, с возможностью фиксации ротора со статором упругим элементом в начальном положении, при котором продольная ось симметрии ротора совпадает с продольной осью симметрии электромагнитного поля, образованного двумя последовательно включенными обмотками статора.
Основным недостатком этого электропривода колебательного движения является невозможность получения колебаний ротора с амплитудой свыше 30 геометрических градусов.
Техническим результатом изобретения является устранение указанного недостатка, т.е. получение колебаний ротора с амплитудой свыше 30 геометрических градусов и повышение эффективности электропривода колебательного движения.
Технический результат достигается тем, что электропривод колебательного движения, содержащий источник питания, установленный на опору статор трехфазного электродвигателя, укомплектованный ротором с одной парой явновыраженных полюсов, упругий элемент, жестко связанный с опорой с одной стороны и ротором электродвигателя с другой стороны, фиксирующий ротор со статором в начальном положении, при котором продольная ось симметрии ротора совпадает с продольной осью симметрии электромагнитного поля, согласно изобретению одна фазная статорная обмотка электродвигателя, задающая начальное положение ротора и упругого элемента, последовательно включена началом обмотки с положительным полюсом источника питания, снабженного трехфазным мостовым выпрямителем, а концом подключена к соединенным началами двум другим фазным статорным обмоткам, концы каждой из которых через последовательно включенные диоды подключены к анодам тиристоров, соединенные катоды которых подключены к отрицательному полюсу источника питания и общему выходу генератора импульсов, при этом управляющие электроды тиристоров подключены к сигнальным выходам генератора импульсов, а аноды тиристоров соединены конденсатором.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен общий вид электропривода колебательного движения, на фиг.2 - начальное положение ротора электродвигателя при подаче напряжения на фазную статорную обмотку "А-х", на фиг.3, 6 и 9 - принципиальные схемы электропривода при различных вариантах схем включения фазных статорных обмоток, на фиг.4, 5, 7 и 8 - сечения электродвигателя электропривода колебательного движения в режиме установившихся колебаний.
Σ
Электропривод колебательного движения (фиг.1) содержит опору 1, в которой защемлен один конец упругого элемента 2 (например, торсион), другой конец упругого элемента 2 соединен муфтой 3 с валом ротора электродвигателя 4 с одной стороны, а с другой стороны вал ротора электродвигателя 4 может соединяться муфтой 5 с механизмом, статор электродвигателя 4 установлен на опору 1. Конструкция электропривода колебательного движения представляет собой электромеханический колебательный контур, образованный упругим элементом 2, муфтами 3 и 5, электродвигателем 4 и опорой 1. Суммарный момент инерции подвижных частей электропривода J и коэффициент жесткости С упругого элемента 2 обеспечивают собственную частоту колебаний в электроприводе
Явнополюсный ротор электродвигателя после подачи постоянного напряжения на обмотку "А-х", выполняющую функцию обмотки возбуждения, устанавливается относительно статора в начальное положение (фиг.2), при котором продольная ось симметрии ротора совпадает с продольной осью симметрии электромагнитного поля, образованного обмоткой возбуждения "А-х". После установки в начальное положение ротор жестко фиксируется муфтой с упругим элементом.
к
к
На принципиальной схеме электропривода колебательного движения (фиг.3) представлены фазные статорные обмотки трехфазного электродвигателя ("А-х", "В-у" и "C-z"), включенные следующим образом. Обмотка "А-х" подключается началом обмотки "А" к положительному полюсу 8 источника питания постоянного тока (источник питания с трехфазным мостовым выпрямителем не показан) и концом обмотки "х" соединяется с началом обмоток "С" и "В" фазных статорных обмоток "C-z" и "В-у", выполняющих функцию рабочих обмоток соответственно. Токи через рабочие обмотки "C-z" и "В-у" должны протекать только в одном направлении, а также с целью обеспечения надежной искусственной коммутации в оба плеча схемы управления устанавливаются отсекающие диоды VD1 и VD2, анод диода VD1 соединен с концом обмотки "z", а анод диода VD2 с концом обмотки "у". Катод диода VD1 первого плеча схемы соединен с коммутирующим конденсатором С и анодом тиристора VS1. Анод тиристора VS2 второго плеча схемы соединяется с коммутирующим конденсатором С и катодом диода VD2. Соединенные катоды тиристоров VS1 и VS2 подключены к отрицательному полюсу 6 источника питания и общему выходу 10 генератора импульсов 7, сигнальные выходы 9 которого соединены с управляющими электродам тиристоров VS1 и VS2.
к
к
2
2
1
1
к
к
K
к
2
2
к
к
к
2
2
1
1
В режиме установившихся колебаний при подаче короткого импульса от генератора импульсов 7 на управляющий электрод тиристора VS1 (фиг.3) тиристор открывается. Через обмотку возбуждения "А-х", рабочую обмотку "C-z", диод VD1 и тиристор VS1 начинает протекать ток. Одновременно ток также протекает через обмотку "В-у" и коммутирующий конденсатор С, заряжая его. Время заряда коммутирующего конденсатора С на порядок меньше времени полупериода колебаний. Под действием электромагнитного момента ротор начинает движение против часовой стрелки из положения (фиг.4), при котором ось симметрии ротора d-d совпадает с осью потокосцепления статора O-O предыдущего шага колебаний, в положение, при котором ось симметрии ротора d-d совпадет с осью потокосцепления статора O-O. При подаче следующего короткого импульса от генератора импульсов 7 на управляющий электрод тиристора VS2, последний открывается. Коммутирующий конденсатор С начинает разряжаться через контур C-VS2-VS1-C, закрывая тиристор VS1. Ток начинает протекать через обмотку возбуждения "А-х", рабочую обмотку "В-у", диод VD2 и тиристор VS2. Также ток протекает через обмотку "C-z", перезаряжая коммутирующий конденсатор С. Под действием электромагнитного момента ротор поворачивается по часовой стрелке в положение (фиг.5), при котором ось симметрии ротора d-d совпадет с осью потокосцепления статора O-O. Последующий короткий импульс от генератора импульсов 7 на управляющий электрод тиристора VS1, открывает его, одновременно конденсатор С через контур С-VS1-VS2-С разряжается, запирая тиристор VS2. Ротор из положения O-O переходит в O-O. Далее циклы повторяются. При описанной выше схеме включения обмоток в электроприводе колебательного движения ротор электродвигателя будет совершать колебания с размахом 120 градусов.
Изобретение позволяет получить колебания ротора с размахом 60 (амплитудой 30) геометрических градусов (фиг.7 и 8). В электрической части электропривода колебательного движения для этой цели необходимо переподключить начало и конец рабочей фазной статорной обмотки "C-z", а также начало и конец рабочей фазной статорной обмотки "В-у" (фиг.6) или переподключить начало и конец обмотки возбуждения "А-х" (фиг.9).
Использование изобретения позволит получить колебательное движение ротора электродвигателя относительно начального положения с амплитудой от 0 до 30 или от 0 до 60 и размахом, соответственно, от 0 до 60 или от 0 до 120 геометрических градусов в зависимости от схемы включения обмоток, регулировать амплитуду колебаний и величину электромагнитного момента изменением величины напряжения постоянного тока источника питания, реализовать в разомкнутой системе управления электроприводом колебательного движения резонансный (энергетически выгодный) режим работы при задании частоты следования импульсов от генератора импульсов, совпадающей с собственной частотой колебаний электропривода, повысить эффективность электропривода.