Способ управления магнитными опорами ротора

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК у (1 О 1)з Р 16 С 32/04 1ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ АВТОРСКОМ ВИДЕТЕЛ ЬСТВУ. 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, 7 ил. настроет гнитнмм , и может турбоматвах Йри радиальныласть.Недостнеобходимэлектромагребление,лебаний рчастот вранадежностНаибоется спосоми роторрвдиальнынение их с атком такого способа является ость установки дополнительных нитов, повышенное энергопотбольшаяамплитуда изгибных коотора в области критических щения и низкая вследствие этого ь всего роторного узла,лее близким к изобретению являб управления магнитными опора- а, включающий измерение х колебаний концов ротора, срав-. заданным значением и изменерадиальв том, что ротора.к скачкообных опормагнитов му роторов ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЦТИПРИ ГКНТ СССР(71) Московский энергетический институт(56) Бетин В. Н. и Айзеншток Г. И. Динамикарадиального движения шпинделя на магнитных опорах. - "Станки и инструмент",1988, В 5, с. 20-22.(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНЫМИ ОПОРАМИ РОТОРА. опорам высокоскоростных роторов, и можетнайти применение в центрифугах, турбома-.шинах, шпинделях и других устройствах,.Цель изобретения - повышение надежностии расширение функциональных возможностей магнитных опор ротора путем сниже/Изобретение относится к маш нию, а именно к управляемым м опорам высокоскоростных роторо найти применение в центрифугах шинах, шпинделях и.других устрой разгоне и торможении ротора,Известен способ управления ными опорами ротора, состоящий при подходе в процессе разгона резонансной частоте вращения разно снижают жесткость радиаль посредством специальных электро и переводят колебательную систе опоры в зарезонансную обние 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 изгибных 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 формулеЛ= макс (аз 1 Р) где а 1, а 2 - измеренные величины радиальных колебаний концов роторааз - измеренная величина радиальных колебаний в,плоскости пучности изгибных колебаний ротора;- длина ротора; Е - осевая координата плоскости пуч 1ности 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 другогопредельно допустимого значения, в случае. достижения током по крайней мере одногоаксиального электромагнита предельно до 5 пустимого значения токи обоих электромагйитов скачкообразно изменяют доначальных предельно допустимых значений.Для обеспечения стабильности динами 10 ческих характеристик подвеса ротора в аксиальном направлении возможно приизменении токов аксиальных электромагнитов осуществлять одновременное обратнопропорциональйое токам изменение коэф 15 фициента усиления токов блока управленияаксиальной опорой.На фиг. 1 представлена структурная схема примера устройства, реализующего спо-,соб управления; на фиг, 2 - кинематическая20 схема роторного узла; на фиг. 3 - структур-,ная схема блока управления токами примаксимальных начальных токах; на фиг. 4 и6 - изменение амплитуды изгибных кояебаний ротора при разгоне: на фиг, 5 и 7 - то25 же, при торможении,Ротор 1 установлен в радиальных активных магнитных опорах 2 и 3 (фиг, 1), управляемых по сигналу датчиков 4 и 5радиального положения через блок 6 управ 30 ления, а также в аксиальнрй опоре, котораясодержиг электромагниты 7 и 8 (ЭМ 1, ЭМ 2),управляемые по сигналу датчика 9 аксиального положения через блок 10 управления.Электромагниты 7 и 8 взаимодействуют. с35 магнитопроводными якорями 11 и 12, соответственно установленными на торцах ротора 1. В плоскости пучности изгибныхколебаний ротора 1 установлен дополнительный датчик 13 радиального положения40, ротора 1. Датчики 4, 5 и 13 радиальногоположения 4, 5, 13 ротора 1 соединены свходом блока 14 управления изгибными колебаниями ротора 1, являющимсяодновременно входом блока 15 расчета изгиба45 ротора 1. Блок 15 входит в состав блока 14,Блок 14 также содержит блок 16 управлениятоками ЭМ 1,. ЭМ 2 7 и 8, входом соединенный с выходом блока 15, Выход блока 16является одновременно выходом блока 1450 управления изгибными колебаниями ротора1. Выход блока 14 подключен к двум входамблока 10 управления аксиальной опорой. Нафиг. 2 представлена кинематическая схемаротора 1 при его механических колебаниях,55 в том числе и изгибных,Блок 16 управления (фиг. 3) содержитфильтр нижних частот (ФНЧ) 17, задатчикамплитуды (ЗА) 18 изгибных колебаний ротора 1, сумматоры 19 и 20, три логическихблока 21, 22 и 23 типа триггера, два управ10 15 20 30 35 45 жения ляемых ключа 24 и 25, интегратор 26, зздатчик тока (ЗТ) 27. Входом блока 16 является вход ФНЧ 17, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого сумматора 19, Инвертирующий вход первого сум матора 19 подключен ЗА 18. Выход первого сумматора 19 соединен с входом интегратора 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 Л ключа 25.Блок 10.управления аксиальной опорой содержит регулятор 32 с двумя. входами, два сумматора 33 и 34, два усилителя мощности (УМ 1, УМ 2) 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 также к входу блока 37 формирования. Блок 37 соединен с одним из.входов регулятора 32, выход которого подключен к входам сумматоров ЗЗ и.34. Один из входов сумматоров 33 и 34 является инвертирующим. Выходы сумматоров 33 и 40 34 соединены с электромагнитами ЭМ 1, ЭМ 2 7 и 8 соответственно через усилители УМ 1, УМ 2 35 и 36, Второй вход регулятора 32 соединен с датчикомаксиального полоСпособ управления магнитными опорами состоит в следующем,При разгоне ротора 1 в магнитных опо рах 2, 3, 7 и 8 (фиг. 1) устанавливают, например, максимально возможные значения 50 токов электромагнитов 7 и 8 и замеряют величину радиальных колебаний концовротора 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. Расстояние до плоскости измерения пучноЕти:изгибйых колебаний 2 ротора 1 определяется предварительно расчетным или экспериментальным путем. По измеренным величинам иэ выражения (1) рассчитывают в блоке 15 расчета изгиба ротора 1 амплитуду Ь его изгибных колебаний. Сигнал, пропорциональный амплитуде Ь, подают в блок 16 управления токами ЭМ 1, ЭМ 2 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 Ьизгибных колебаний ротора 1 и заданной Ь зад, определяемой ЗА 18. Момент изменения знака рассогласования б Ь = ЬЬэд фиксируют с помощью блока 21 типа триггера и управляемого ключа 24, Сигнал рассогласования б Ь 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 токомминимально допустимого уровнямин срабатывают логический блок 23 и размыкает управляемый ключ 25, При этом сигнал на выходе блока 16 скачкообразно становится соответствующим 14 с 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 логический 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 д Ь.В блоке 10 управления аксиальной опорой сигнал с выхода блока 16 подается навходы сумматоров 33 и 34, обеспечивая одинаковое и одновременное изменение токовЭМ 1, ЭМ 2 7 и 8, а та.кже на вход блока 37формирования коэффициента усиления,обеспечивая путем обратно пропорционального току 1 изменения коэффициентаусиления регулятора 32 постоянство общего .коэффициента усиления контура аксиальной магнитной опоры. Сигналы с.сумматоров.3 и 34 через УМ 1, УМ 2 35 и 36 подаютсяна электромагниты ЭМ 1, ЭМ 2 7 и 8Сущность происходящих при разгоне иторможении явлений с управлением попредлагаемому способу состоит в следующем,При разгоне ротора 1 вследствие наличия неуравновешенности от остаточного дебаланса, который не может быть полностьюустранен, возникают изгибные колебанияротора 1, частота которых равна частотевращения. Эти колебания существенно возрастают по амплитуде.на частоте вращения,равной собственной (критической) частотеаь изгибных колебаний ротора 1, посколькудемпфирование таких колебаний за счетвнутреннего трения в материале ротора 1весьма мало. Вследствие этого амплитудаколебаний ротора 1 может достигать значений, которые недопустимы как с точки. зрения требований к функциональнымхарактеристикам используемого привода(центрифуга, шпиндель, турбомашина), таки с точки зрения прочности ротора при изгибных деформациях.При снижении токов электромагнитов 7и 8 аксиальной опоры снижаются растягивающие ротор 1 электромагнитные силы,Вследствие этого критическая частота йосмещается в область низких частот с одновременным снижением максимума амплитуды изгибных колебаний (фиг. 4-6). Присмещении критической частоты ротора 1 вобласть низких частот вращения максимальная амплитуда уменьшается,. так как. уменьшается возмущающая сила, вызванная дисбалансом.При разгоне, ротора (фиг. 4) токи 11 Ь,а следовательно, и критическая частота аоначнут изменяться при ЬЬаад, Этому моменту соответствует частота он (начало регулирования). Частота снижается,пропорционально интегралу от рассогласования. Происходит быстрый (но плавный)переход в зарезонансную область. Причемскорость этого перехода зависит от величины рассогласования бЬ. Амплитуда Ь вэтот момент незначительно превышает Ьаад .и значительно ниже (вследствиенестационарности процесса) амплитудыстационарных колебаний (фиг. 4), В диапазоне вна ( ок амплитуда Ь Ь.зад и по5 мере разгонатоки 11,2 И аь= 1(Ь) плавноувеличиваются до 11,2 = макс (го =ю)После этого регулирование прекращается,блок 16 приходит в исходное состояние идальнейшее изменение амплитуды Ь про"О исходит по естественной амплитудно-частотной характеристике в зарезонанснойобласти, В.этой области Ь = Ьус,При торможении ротора (фиг. 5) частотейъ соответствует начало регулирования, а15 сок - конец. До частоты вк происходитплавное снижение аь = 1(4 при поддержаНИИ Ь = Ьаад . ПрИ 1 = 1 мин ПрОИСХодИтСкаЧкообраэнОе уаеЛИченИе Шомин ф О)омакси соответственно снижение амплитуды, Затем при достижении интегралом нулевогозначения блок 16 приходит в исходное состояние.Аналогичные явления происходят приустановлении номинальных значений токовэлектромагнитов минимально возможными(фиг. 6 и 7); Здесь процессы при разгоне(фиг. 6) аналогичны процессам на фиг. 5 приторможении, а при торможении (фиг. 7) -3 О процессам на фиг, 4 при разгоне. В элементы 20, 23 и 27 блока 16 (фиг. 3) вводятся вэтом случае изменения в соответствии с логикой регулирования.Выражение (1) для расчета Ь полученона основании геометрических соотношенийиз фиг. 2,Следует отметить, что увеличение амплитуды изгибных колебаний может существенно влиять на характеристики привода4 О (электропривод, турбопривод), особеннопри расположении его в области пучности.При маломощном приводе это влияние может сказываться в виде снижения темпаразгона и даже его прекращения.Предложенный способ позволяетуменьшить не только первую форму изгибных колебаний ротора, но также и болеевысокие. Для этого только необходимо установить дополнительные датчики радиальО ных колебаний ротора в плоскостяхсоответствующих пучностей и несколько изменить алгоритм расчета амплитуд изгибных колебаний Ь в блоке 2 исходя изпростейших геометрических построений,55 соответствующих высшим формам изгибных колебаний. Изменение частоты изгибных колебанйй на весь перйод разгонаприводит к повышенному энергопотреблению. В предложенном способе токи электромагнитов 8 и 9 увеличиваютсл на короткийКном 9 1712691 10 промежуток прохождения собственной взависимостиотаксиальногосмещения на(критической) частоты изгибных колебаний пряжением или токами аксиальных электро- ротора 1, что.позволяет снизить энергопот- магнитов, расположенных у концов ротора, ребление электромагнитов. о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью.Данный способ является инвариантным Б повышения надежности и расширения функ величине дисбаланса, поскольку блок 16 кциональных возможностей магнитных осуществляет регулирование во (токов 11, опор ротора путем снижения амплитуды из) в функции амплитуды Ь, которая в свою гибных колебаний ротора в области его кри очередь определяется величиной дисбалан- тических частот вращения при разгоне или са. 10 торможении, устанавливают одно из преОдновременное с регулированием то- дельно допустимых максимального или ми-, ков 11,12 изменениекоэффициентаусидения нимального значений токов аксиальных токов в блоке 30 обеспечивает стабильность электромагнитов, измеряют радиальные кодинамических характеристик аксиальной . лебайия ротора в плоскости пучности его опоры. Коэффициент передачи ток. - сила 15 изгибных колебаний, вычисляют амплитуду электромагнитов 7 и 8 определяется следу- Ь изгибных колебаний по формуле ющим выражением: а 11 - 2+щ 2где а 1, а 2 - измеренные величины радиальгде = 11 = 12 - постоянные составляющие 20 ных колебаний концов ротора; токов электромагнитов 7 и 8; . аз - измеренная величина радиальныхб 1./б 2 Яо - значение производнойин- колебаний в плоскости пучности изгибных дуктивности аксиальных электромагнитов 7колебаний ротора; и 8 по осевой координате в,положении.рав-- длина ротора; . новесия 2 о. 2 - расстояние от конца вала с амплиДля соблюдения равенстватудойдо плоскости измерения пучности,КЗ К = Кном =сопз 1 Р)при превцшении Ь заданного значения где К - коэффициент передачи смещение формируют сигнал, пропорциональный ин - ток в блоке управления аксиальной опо- . тегралу по времени от рассогласования, и рой; на величину этого сигнала одновременноКном - номинальное значение общего изменяат токи в аксиальных электромагни. коэффициента передачи контура аксиаль- тах в сторону другого предельно допустимоной опоры, го значения, в случае достижения током по необходимо, чтобы. крайней мере одного аксиального электроКноммагнита предельно допустимого значения К 2 .. о 1-2токи обоих электромагнитов скачкообразноф 2 . изменяют до начальных предельно допустит.е. К = - 4) мых значений.2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я40 тем, что, с целью обеспечения стабильности Ф о р м у л а и 3 о б р е т е н и я . динамических характеристик подвеса рото, Способ управления магнитными.опо-,ра в аксиальном направлении, при измене- рами ротора, заключающийся в измеРен.щ нии токов аксиальных электромагнитов личин радиальных колебаний койцовосуществляютодновременноеобратно проротора, сравнении их с заданным значени порциональное токам изменение коэффием и изменении в зависимости от сигнала циента усиления токов блока управления рассогласования напряжения или тока Элек- . аксиальной опорой. . трбмагнитов радиальных опор, измеренииаксиального смещения ротора и управленФ;1712691 А Уеду ламп Составитель В.Трегубовор Н.Швыдкая Техред М,Моргентал Корректор М,Кучерявая изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 10 Заказ 524 ВНИИТираж Подписноесударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5