Что такое и как работает магнитные контроллеры ПМС?

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Магнитный контроллер

Магнитные контроллеры каждой величины имеют несколько исполнений, отличающихся напряжением главной цепи, токами катушек реле максимальной защиты. [31]

Магнитные контроллеры в пределах каждой серии имеют несколько типоисполнений, отличающихся номинальным током контакторов силовой цепи. В качестве силовых контакторов используются контакторы КТ 6000 и КТП 6000 в контроллерах ТСД и контакторы КТПВ 600 в контроллерах КСДБ. [32]

Магнитные контроллеры с цепями управления на постоянном токе имеют максимальную защиту. Контроллеры с цепями управления на переменном токе выполняются как с защитой, так и без нее. В последнем случае защита осуществляется общекрановой защитной панелью. В магнитных контроллерах с защитой устанавливаются механизмы максимальных реле. Катушки реле входят в комплект магнитного контроллера и поставляются отдельно в зависимости от мощности двигателя. [33]

Магнитные контроллеры , как и кулачковые, выпускаются для работы в силовых цепях постоянного и переменного токов. Обычные магнитные контроллеры постоянного тока ( типа П), переменного тока ( типов Т и ТА и типа К – металлургического исполнения) относятся к симметричным, а контроллеры типов ПС, ТС, ТСА и КС – к несимметричным контроллерам. Для управления приводами с двумя двигателями используются сдвоенные – дуплексные симметричные контроллеры типов ДП, ДТ и ДК и несимметричные типов ДОС, ДТС, ДКС; они имеют двойной комплект аппаратуры ( две панели управления) и дополнительный переключатель для управления одним или двумя двигателями. [34]

Магнитные контроллеры представляют собой коммутационное устройство, в состав которого входят командоконтроллер и силовые электромагнитные аппараты – контакторы. Командоконтроллер с помощью своих контактов управляет катушками контакторов, которые уже своими контактами коммутируют силовые цепи двигателей. Срок службы магнитных контроллеров при одних и тех же условиях существенно выше, чем кулачковых контроллеров, что определяется высокой коммутационной способностью и износостойкостью электромагнитных контакторов. [35]

Магнитные контроллеры предназначены для дистанционного управления электродвигателями. Управление магнитными контроллерами осуществляется независимо от мощности электродвигателя с помощью малогабаритного командоконтроллера без применения значительного мускульного усилия машиниста. Эти контроллеры обычно устанавливаются вне кабины ( у мостовых кранов ча мосту, у башенных на поворотной платформе), что улучшает условия рсботы машиниста, так как кабина становится про-сторчой, – а управление – бесшумным. [37]

Магнитные контроллеры укомплектованы двухполюсными контак-орами КПД-121А для коммутации статорных и роторных цепей элек-родвигателей, а также имеют пять реле времени. [38]

Магнитные контроллеры нашли основное применение в электроприводе крановых механизмов, работа которых характеризуется большой частотой включения двигателей. [39]

Магнитные контроллеры и шкафы управления устанавливаются на мосту крана на расстоянии не менее 150 мм от ограждения для возможности прокладки проводов сзади. Защитная панель размещается на стенке кабины с шириной прохода перед лицевой частью панели не менее 600 мм, рукоятка рубильника должна быть на высоте не более 1700 мм от уровня поля. Пусковые резисторы размещаются на расстоянии не менее 300 мм от магнитных контроллеров и не менее 150 мм от уровня поля. [40]

Магнитные контроллеры ( рис. 68) представляют собой панель ( раму) в открытом или защищенном исполнении, на которой размещены контакторы 9, реле управления 3 и 6, плавкие предохранители 2 и 8 и другие аппараты управления и электрической защиты. [42]

Магнитные контроллеры имеют значительно более сложную схему и большое число электроаппаратов, чем силовые. [43]

Магнитные контроллеры могут использоваться при любых режимах работы крановых механизмов, причем электроприводы с магнитными контроллерами переменного тока охватывают диапазон номинальных мощностей двигателей от 11 до 180 кВт в механизмах подъема и от 3 5 до 100 кВт в механизмах передвижения, а приводы с контроллерами постоянного тока – мощности двигателей последовательного возбуждения от 2 4 до 106 кВт ( при ПВ 40 %), причем все контроллеры постоянного тока снабжены индивидуальной защитой. [44]

Магнитные контроллеры применяются преимущественно для управления двигателями кранов с тяжелыми режимами работы Т и ВТ. [45]

Схемы управления с помощью магнитных контроллеров

Магнитные контроллеры серии ТА, ТСА, К, КС предназначены для управле­ния крановыми асинхронными двигателями с фазным ротором серии МТ, МТН. Контроллеры типов К, КС применяются в крановых электроприводах метал­лургического производства, работающих в режимах Л, С, Т, ВТ, ОТ; контрол­леры типов ТА, ТСА — в электроприводах кранов общего назначения, рабо­тающих в режимах Л и С.

Контроллеры серий ТСА, КС используются в электроприводах механиз­мов подъема, а также механизмов грейфера; контроллеры серий ТА и К — в основном в электроприводах механизмов горизонтального передвижения (передвижение моста крана и тележки). Контроллеры ДК, ДКС, ДТА пред­назначены для управления двумя двигателями одновременно (дуплексные, двухдвигательные приводы).

Рис 3.1.30. Схема кулачкового контроллера ККТ-61А

Взамен контроллеров серий КС и ТСА внедря­ются контроллеры серий ТСД, КСДБ, в которых использован принцип дина­мического торможения с самовозбуждением и использованы тиристорные ком­мутаторы в силовой цепи.

Для управления двигателями постоянного тока последовательного воз­буждения, работающими в режимах Л, С, Т, ВТ, ОТ, используются магнит­ные контроллеры серий П, ПС; контроллеры серий П — в электроприводах механизмов горизонтального передвижения и серии ПС — в электроприводах механизмов подъема.

Все схемы контроллеров обеспечивают автоматический пуск (в функции времени), реверсирование, торможение и ступенчатое регулирование скорости (реостатное). Диапазон регулирования скорости 3:1—4:1.

Главная цепь контроллеров переменного тока выполняется на напряжение 220 и 380 В; цепь управления — на постоянном токе напряжением 220 В или переменном напряжении, равном напряжению главной цепи (контроллеры ТА, ТСА).

Типовая схема магнитного контроллера типа К, предназначенного для управления механизмами передвижения, приведена на рис. 3.1.31. Напряжение к обмотке статора подводится через контакты рубильника QS1, линейного контактора КМ1 и контакты контакторов КМ2 и КМЗ, задающих направле­ние движения. Последовательно в эту цепь включены катушки реле макси­мального тока FА, а параллельно обмотке статора через контакты контакторов KM7, КМ8 подключается трехфазный электромагнит механического тормоза YМ. В роторную цепь двигателя включены пять ступеней пускорегулировочного реостата, четыре из которых могут быть замкнуты контактами контакто­ров КМ9—КМ12, а пятая ступень представляет собой невыключаемую доба­вочную ступень.

Цепи защиты и блокировок выполнены на переменном токе с помощью реле KV; здесь можно видеть нулевую блокировку (нулевой контакт командоконтроллера SA, шунтированный контактом реле КV), конечную защиту (контакты конечных выключателей SQ1 и SQ2, шунтированные контактами контакторов соответственно KM2, КМЗ и контактом КМ8), максимальную защиту (контакт FА). Панель предназначена для кранов с тяжелым режимом работы, поэтому схема управления выполнена на постоянном токе. Использование контакторов постоянного тока при этом обеспечивает более высокую надежность и долго­вечность работы электрооборудования. Питание цепей управления осуществля­ется от источника постоянного тока через предохранители FU3FU6, для контроля исправности которых в цепь реле КV введены замыкающие кон­такты КМ8 и КТ2. Ступенчатое реостатное регулирование скорости и момента электропривода осуществляется с помощью контактов К2—К6 командоконтроллера 5Л, причем контакты К2 и КЗ служат для задания направления движения, а остальные имеют симметричную диаграмму замыкания и используются для включения и отключения ступеней пускорегулировочного реостата с помощью контакто­ров КМ9—КМ12. Механические характеристики, соответствующие положениям командоконтроллера при движении вперед, показаны на рис. 31.32. Такое же се­мейство характеристик обеспечивается и при работе в противоположном на­правлении. Как показано на рис. 3.1.32, при характерных для механизмов передвижения пределах изменения нагрузки диапазон регулирования скорости D=2-2,5.

Схемой предусматривается автомати­ческое управление процессами реостатного пуска электропривода и его торможения противовключением. При этом приняты меры для обеспечения удовлетворительной плавности протекания переходных процес­сов и ограничения динамических нагрузок передач при выборе зазоров. В нулевом положении командоконтроллера предусмот­рен свободный выбег электропривода без наложения механического тормоза. Рас­смотрим эти важные особенности схемы.

Рис. 3.1.31. Схема магнитного контроллера К

Рис. 3.1.32 Механические характери­стики двигателя, управляемого магнитным контроллером К

При быстрой перестановке командоконтроллера из положения О в положение 4 «Вперед» включаются контакторы КМ2 и КМ1 и к статорной обмотке двигателя подводится напряжение сети. Вспомога­тельный замыкающий контакт контактора КМ1 подключает через резистор R5 катушку реле противовключения КU к питающему схему управления напряжению Uу. К точкам а и б резистора R5 подключен диодный мост VD1—VD4, питающийся от напряжения ротор­ной цепи. Благодаря этому между точками а и б создается пропорциональ­ное э. д. с. ротора Е2 падение напряжения Uаб, направленное встречно по отношению к Uу. Прм этом напряжение Uku прикладываемое к цепи ка­тушки KU:

Коэффициент k устанавливается таким, что при пуске (Sнач=1) напряже­ние Uки достаточно для включения реле KU. Включаясь, реле КU замыкаю­щим контактом через контакт командоконтроллера К4 подает напряжение на катушку контактора КМ9, который своими главными контактами выводит первую ступень реостата в цепи ротора, а вспомогательными включает кон­такторы КМ8 и КМ7 электромагнита тормоза и отключает катушку реле КТ1. Реле времени КТ1 отсчитывает выдержку времени, в течение которой электропривод ускоряется под действием момента, определяемого характе­ристикой 2 на рис.3.1.32. По истечении выдержки времени реле КТ1 его кон­такт в цепи катушки КМ10 замыкается. Контактор КМ10 включается, выво­дит вторую ступень роторного реостата, становится на самопитание, вклю­чает реле КТ2 и размыкает цепь катушки реле КТ1.

В течение выдержки времени реле КТ2 электропривод ускоряется, рабо­тая на характеристике 3 ( рис.3.1.32), затем включается контактор KM11, выводит третью ступень реостата и размыкает цепь катушки реле КТ1. Реле КТ1 вновь отсчитывает выдержку времени, в течение которой происходит пуск с промежуточной пусковой характеристикой 4А. Далее включением контак­тора КМ12 электропривод выводится на основную характеристику 4. В ротор­ной цепи при этом остается невыключаемая ступень реостата, обеспечивающая требуемые условия ограничения тока и момента при данном числе контакто­ров ускорения.

Пусковая диаграмма на рис. 3.1.32 показывает, что характеристика 2 обеспе­чивает пониженный пусковой момент, требуемый для плавного выбора зазо­ров, который осуществляется в течение выдержки времени реле КТ1. Затем происходит пуск электропривода с максимальным пусковым моментом М1 в две ступени под контролем реле КТ2 и КТ1. Таким образом, реле КТ1 используется при пуске дважды: его выдержка времени выбирается равной времени разгона на промежуточной характеристике 4А, поэтому она меньше, чем выдержка времени реле КТ2. Этой выдержки времени достаточно и для выбора зазоров, так как после выбора зазоров существенного увеличения скорости на этой ступени не требуется (отрезок аб на характеристике 2 рис.3.1.32).

Включившийся в начале пуска электромагнит тормоза при дальней­шей работе остается постоянно включенным, так как контактор КМ8 стано­вится на самопитание. Поэтому при установке командоконтроллера в нулевое положение механический тормоз не накладывается и снижение скорости про­исходит в режиме выбега под действием тормозного момента нагрузки. Отказ от использования механического тормоза для оперативного торможения устра­няет рывки, обусловленные его наложением, и повышает плавность торможе­ния. При этом тормоз накладывается только при срабатывании предусмотрен­ных защит или при нажатии аварийной кнопки SQ1.

Для увеличения интенсивности торможения оператор имеет возможность использовать торможение противовключением путем перестановки командо­контроллера, например, из крайнего положения «Вперед» в крайнее положе­ние «Назад». Контакторы КМ2 и КМ4 при этом отключаются, а контактор КМЗ включается и переводит двигатель в режим противовключения с пол­ностью включенным реостатом в цепи ротора (характеристика 1 на рис. 3.1.32).

Следует отметить, что рассмотренный магнитный контроллер при необхо­димости комплектуется тормозным электромагнитом постоянного тока. В этих случаях трехфазный тормозной электромагнит УМ из схемы исключается и последовательно с реле КА включается катушка УМ1 постоянного тока (пока­зано на рис. 3.1.32 штриховой линией). Форсирование процесса нарастания тока электромагнита УМ1 при его включении обеспечивается шунтированием рези­стора R6 замыкающим контактом КМ7. При токе, равном номинальному, сра­батывает реле КА и разрывает цепь катушки КМ7, контакт которого размы­каясь, вводит последовательно с обмоткой УМ1 резистор R6.

Читайте также:  Как подобрать пластинчатый теплообменник?

Поезда на магнитных подушках – Маглев. Как работает? Рекорд скорости. Из серии “Перспективный высокоскоростной транспорт.”

Сделать ее заметнее в лентах пользователей или получить ПРОМО-позицию, чтобы вашу статью прочитали тысячи человек.

  • Стандартное промо
  • 3 000 промо-показов 49
  • 5 000 промо-показов 65
  • 30 000 промо-показов 299
  • Выделить фоном 49
  • Золотое промо
  • 1 час промо-показов 5 ЗР
  • 2 часa промо-показов 10 ЗР
  • 3 часa промо-показов 15 ЗР
  • 4 часa промо-показов 20 ЗР

Статистика по промо-позициям отражена в платежах.

Поделитесь вашей статьей с друзьями через социальные сети.

Ой, простите, но у вас недостаточно континентальных рублей для продвижения записи.

Получите континентальные рубли,
пригласив своих друзей на Конт.

Поезда на магнитных подушках – это транспорт будущего? Как работает поезд на магнитной подушке?

Уже более двухсот лет прошло с того момента, когда человечество изобрело первые паровозы. Однако до сих пор железнодорожный наземный транспорт, перевозящий пассажиров и тяжеловесные грузы при помощи силы электричества и дизельного топлива, весьма распространен.

Стоит сказать о том, что все эти годы инженеры-изобретатели активно работали над созданием альтернативных способов перемещения. Результатом их труда стали поезда на магнитных подушках.

Сама идея создать поезда на магнитных подушках активно разрабатывалась еще в начале двадцатого века. Однако воплотить данный проект в то время по ряду причин так и не удалось. К изготовлению подобного поезда приступили лишь в 1969 г. Именно тогда на территории ФРГ начали укладывать магнитную трассу, по которой должно было пройти новое транспортное средство, которое впоследствии назвали так: поезд-маглев. Запущено оно было в 1971 г. По магнитной трассе прошел первый поезд-маглев, который назывался «Трансрапид-02».

Интересен тот факт, что немецкие инженеры изготавливали альтернативное транспортное средство на основании тех записей, которые оставил ученый Герман Кемпер, еще в 1934 г. получивший патент, подтверждавший изобретение магнитоплана.

«Трансрапид-02» сложно назвать очень быстрым. Он мог перемещаться с максимальной скоростью в 90 километров в час. Низкой была и его вместимость – всего четыре человека.

В 1979 г. создали более усовершенствованную модель маглева. Этот поезд, носящий название «Трансрапид-05», мог перевозить уже шестьдесят восемь пассажиров. Перемещался он по линии, расположенной в городе Гамбурге, протяженность которой составляла 908 метров. Максимальная скорость, которую развивал этот поезд, была равна семидесяти пяти километрам в час.

В том же 1979 г. в Японии была выпущена другая модель маглева. Ее назвали «МЛ-500». Японский поезд на магнитной подушке развивал скорость до пятисот семнадцати километров в час.

Скорость, которую могут развить поезда на магнитных подушках, можно сравнить со скоростью самолетов. В связи с этим данный вид транспорта может стать серьезным конкурентом тем воздушным авиалиниям, которые работают на расстоянии до тысячи километров. Повсеместному применению маглевов препятствует тот факт, что перемещаться по традиционным железнодорожным покрытиям они не могут. Поезда на магнитных подушках нуждаются в построении специальных магистралей. А это требует крупных вложений капитала. Считается также, что создаваемое для маглевов магнитное поле способно негативно влиять на организм человека, что отрицательно скажется на здоровье машиниста и жителей регионов, находящихся неподалеку от такой трассы.

Поезда на магнитных подушках представляют собой особую разновидность транспорта. Во время движения маглев словно парит над железнодорожным полотном, не касаясь его. Это происходит по той причине, что транспортное средство управляется силой искусственно созданного магнитного поля. Во время движения маглева отсутствует трение. Тормозящей силой при этом является аэродинамическое сопротивление.

Как же это работает? О том, какими базовыми свойствами обладают магниты, каждому из нас известно из уроков физики шестого класса. Если два магнита поднести друг к другу северными полюсами, то они будут отталкиваться. Создается так называемая магнитная подушка. При соединении различных полюсов магниты притянутся друг к другу. Этот довольно простой принцип и лежит в основе движения поезда-маглева, который буквально скользит по воздуху на незначительном расстоянии от рельсов.

В настоящее время уже разработано две технологии, при помощи которых приводится в действие магнитная подушка или подвес. Третья является экспериментальной и существует только на бумаге.

Эта технология носит название EMS. В ее основе лежит сила электромагнитного поля, изменяющаяся во времени. Она и вызывает левитацию (подъем в воздухе) маглева. Для движения поезда в данном случае необходимы Т-образные рельсы, которые выполняются из проводника (как правило, из металла). Этим работа системы похожа на обычную железную дорогу. Однако в поезде вместо колесных пар установлены опорные и направляющие магниты. Их располагают параллельно ферромагнитным статорам, находящимся по краю Т-образного полотна.

Основным недостатком технологии EMS является необходимость контроля над расстоянием между статором и магнитами. И это при том, что оно зависит от множества факторов, в том числе и от непостоянной природы электромагнитного взаимодействия. Для того чтобы избежать внезапной остановки поезда, на нем устанавливаются специальные батареи. Они способны подзаряжать линейные генераторы, встроенные в опорные магниты, и тем самым достаточно долго поддерживать процесс левитации.

Торможение поездов, созданных на базе технологии EMS, осуществляет синхронный линейный двигатель низкого ускорения. Он представлен опорными магнитами, а также дорожным полотном, над которым парит маглев. Скорость и тягу состава можно регулировать изменением частоты и силы создаваемого переменного тока. Для замедления хода достаточно изменить направление магнитных волн.

Существует технология, при которой движение маглева происходит при взаимодействии двух полей. Одно из них создается в полотне магистрали, а второе – на борту состава. Эта технология получила название EDS. На ее базе построен японский поезд на магнитной подушке JR–Maglev.

Такая система имеет некоторые отличия от EMS, где применяются обычные магниты, к которым от катушек подводится электрический ток только при подаче питания.

Технология EDS подразумевает постоянное поступление электричества. Это происходит даже в том случае, если источник питания отключен. В катушках такой системы установлено криогенное охлаждение, позволяющее экономить значительные объемы электроэнергии.

Преимущества и недостатки технологии EDS

Положительной стороной системы, работающей на электродинамическом подвесе, является ее стабильность. Даже незначительное сокращение или увеличение расстояния между магнитами и полотном регулируется силами отталкивания и притяжения. Это позволяет системе находиться в неизменном состоянии. При данной технологии отсутствует необходимость в установке электроники для контроля. Не нужны и приборы для регулировки расстояния между полотном и магнитами.

Технология EDS имеет некоторые недостатки. Так, сила, достаточная для левитации состава, может возникнуть только на большой скорости. Именно поэтому маглевы оснащают колесами. Они обеспечивают их движение при скорости до ста километров в час. Еще одним недостатком данной технологии является сила трения, возникающая в задней и передней части отталкивающих магнитов при низком значении скорости.

Из-за сильного магнитного поля в секции, предназначенной для пассажиров, необходима установка специальной защиты. В противном случае человеку с электронным стимулятором сердца путешествовать запрещено. Защита нужна и для магнитных носителей информации (кредитных карточек и HDD).

Третьей системой, которая в настоящее время существует лишь на бумаге, является использование в варианте EDS постоянных магнитов, которые для активации не нуждаются в подаче энергии. Еще совсем недавно считалось, что это невозможно. Исследователи полагали, что у постоянных магнитов нет такой силы, которая способна вызвать левитацию поезда. Однако этой проблемы удалось избежать. Для ее решения магниты поместили в «массив Хальбаха». Подобное расположение приводит к созданию магнитного поля не под массивом, а над ним. Это способствует поддержанию левитации состава даже на скорости около пяти километров в час.

Практической реализации данный проект пока не получил. Это объясняется высокой стоимостью массивов, выполненных из постоянных магнитов.

Наиболее привлекательной стороной поездов на магнитной подушке является перспектива достижения ими высоких скоростей, которые позволят маглевам в будущем конкурировать даже с реактивными самолетами. Данный вид транспорта довольно экономичен по уровню потребляемой электроэнергии. Невелики расходы и на его эксплуатацию. Это становится возможным в связи с отсутствием трения. Радует и низкий шум маглевов, что положительно скажется на экологической обстановке.

Отрицательной стороной маглевов является слишком большая сумма, необходимая для их создания. Высоки расходы и на обслуживание колеи. Кроме того, для рассмотренного вида транспорта требуется сложная система путей и сверхточные приборы, контролирующие расстояние между полотном и магнитами.

Реализация проекта в Берлине

В столице Германии в 1980 годах состоялось открытие первой системы типа маглев под названием M-Bahn. Длина полотна составляла 1,6 км. Поезд на магнитной подушке курсировал между тремя станциями метро по выходным дням. Проезд для пассажиров был бесплатным. После падения Берлинской стены население города увеличилось практически вдвое. Потребовалось создание транспортных сетей, обладающих возможностью обеспечения высокого пассажиропотока. Именно поэтому в 1991 г. магнитное полотно было демонтировано, а на его месте началось строительство метро.

В этом германском городе низкоскоростной маглев соединял с 1984 по 1995 гг. аэропорт и железнодорожную станцию. Длина магнитного пути составляла всего 600 м.

Дорога проработала десять лет и была закрыта в связи с многочисленными жалобами пассажиров на существующие неудобства. Впоследствии монорельсовый транспорт заменил маглев на этом участке.

Первая магнитная дорога в Берлине была построена немецкой компанией Transrapid. Неудача проекта не отпугнула разработчиков. Они продолжили свои исследования и получили заказ от китайского правительства, которое решило возвести в стране трассу-маглев. Шанхай и аэропорт «Пудун» связал этот высокоскоростной (до 450 км/ч) путь.

Дорогу длиной в 30 км открыли в 2002 г. В планах на будущее – ее продление до 175 км.

В этой стране в 2005 г. прошла выставка Expo-2005. К ее открытию была введена в эксплуатацию магнитная трасса длиной 9 км. На линии располагается девять станций. Маглев обслуживает территорию, которая прилегает к месту проведения выставки.

Маглевы считаются транспортом будущего. Уже в 2025 г. планируется открыть новую сверхскоростную трассу в такой стране, как Япония. Поезд на магнитной подушке будет перевозить пассажиров из Токио в один из районов центральной части острова. Его скорость составит 500 км/ч. Для реализации проекта понадобится около сорока пяти миллиардов долларов.

Японский поезд-магнитоплан вновь побил рекорд скорости

Расстояние в 280 километров поезд будет преодолевать всего 40 минут

Японский поезд на магнитной подушке, или маглев, побил собственный рекорд скорости, разогнавшись до 603 км/ч в ходе испытаний вблизи Фудзиямы.

Предыдущий рекорд – 590км/ч – был поставлен им на прошлой неделе.

Компания JR Central, которой принадлежат эти составы, намеревается выпустить их на маршрут Токио-Нагоя к 2027 году.

Расстояние в 280 километров поезд будет преодолевать всего за 40 минут.

При этом, по словам руководства компании, возить пассажиров на максимальной скорости не будут: он будет разгоняться “лишь” до 505 км/ч. Но и это заметно выше, чем скорость самого быстрого на сегодняшний день японского поезда “Синкансэн”, покрывающего за час расстояние в 320 км.

Читайте также:  Как выбрать фрезерный станок по металлу с чпу?

Пассажирам рекорды скорости демонстрировать не будут, но 500 с лишним км/ч им хватит за глаза

Стоимость строительства скоростной магистрали до Нагои составит почти 100 млрд долларов, это объясняется тем, что более 80% пути будет пролегать по тоннелям.

Ожидается, что к 2045 году поезда маглев будут преодолевать расстояние от Токио до Осаки всего за час, сократив время в пути вдвое.

Понаблюдать за испытаниями сверхскоростного поезда собралось около 200 энтузиастов.

“У меня аж мурашки по коже, так хочется поскорее прокатиться на этом поезде, – заявила телекомпании NHK одна из зрительниц. – Для меня как будто открылась новая страница истории”.

“Чем быстрее движется поезд, тем более он устойчив, так что качество поездки на мой взгляд улучшилось”, – поясняет глава исследовательского отдела компании JR Central Ясукадзу Эндо.

Новые поезда выйдут на маршрут Токио-Нагоя к 2027 году

В Японии уже давно существует сеть высокоскоростных дорог на стальных рельсах “Синкансэн”. Однако инвестируя в новую технологию поездов на магнитной подушке, японцы надеются, что смогут экспортировать ее за рубеж.

Ожидается, что в ходе визита в США премьер-министр Японии Синдзо Абэ выступит с предложением помощи в строительстве высокоскоростной магистрали между Нью-Йорком и Вашингтоном.

Другие посты в рамках серии “Перспективный высокоростной транспорт” и “Перспективный местный транспорт” см:

Принцип действия магнитострикционных датчиков линейных перемещений Micropulse и Temposonics

Магнитострикционные преобразователи линейных перемещений или, как их еще называют: измерители пути, датчики линейного положения и т.п. получили самое широкое распространение в различных отраслях промышленности для автоматизации производственных процессов. Определение положение объекта, движущегося вдоль одной оси – очень часто встречающаяся задача в автоматизации. При этом, положение необходимо чаще всего определять в самых тяжелых условиях эксплуатации: постоянной вибрации, ударных нагрузках, при высоком давлении, низких или высоких температурах, высокой влажности. Деревообрабатывающие станки, гидроцилиндры, инжекционное литье, термопластавтоматы, резка различных материалов, подвижная техника – вот неполный перечень конкретных примеров применения датчиков преобразователей линейных перемещений. И под все эти варианты прекрасно подходят измерители, функционирующие на магнитострикционном принципе измерения. На сегодня, самыми популярными на рынке являются датчики линейных перемещений от компаний Balluff (Германия), бренд Micropulse, Novotechnik (Германия) и MTS Sensors (США), бренд Temposonics. Как они работают, расскажем доступным языком в нашей статье ниже.

Основой принципа магнитострикции являются магнитомеханические свойства ферромагнитных материалов: железо, никель, кобальт, а так же их сплавов. При нахождении ферромагнетика в магнитном поле, оно вызывает микроскопическую деформацию его структуры, приводящее к изменению физических размеров ферромагнетика. Это является следствием структуры ферромагнитного материала, проще говоря, он состоит из огромного количества микроскопических элементарных магнитов, которые стремятся установиться параллельно друг другу в пределах ограниченных областей, так называемых «доменах». В обычном состоянии направление доменов хаотично, однако, при наложении магнитного поля они выстраиваются по его направлению и выравниваются параллельно друг другу. При этом, возникают собственные магнитные поля, которые могут превосходить внешнее магнитное поле в сотни раз. Вышеописанное приводит к тому, что если стержень из ферромагнитного сплава поместить в магнитное поле параллельное его оси, то стержень получит механическую деформацию, вследствие которой возникнет удлинение. Надо понимать, что на самом деле это удлинение очень мало (см. рисунок 1), однако, его возможно зарегистрировать. Кроме того, создавая специальные ферромагнитные сплавы и прилагая к ним постоянные направленные магнитные поля можно оптимизировать и управлять магнитострикционным эффектом.

Теперь мы подошли вплотную к тому, что происходит в датчиках преобразователях линейных перемещений, таких как Temposonics или Micropulse. В данных измерителях пути применяется эффект Видемана, который описывает механическую деформацию ферромагнитного стержня, находящегося под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток. В магнитострикционных датчиках линейных перемещений MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse внешнее магнитное поле создается специальным позиционным магнитом, которое при пересечении с внутренним концентрическим магнитным полем, создаваемым электрическим током, вызывает механическую деформацию в небольшой области измерительного элемента в форме стержня. Так же используется магнитоупругий эффект (эффект Виллари), связанный с изменением магнитных свойств ферромагнетика, например, намагниченности ферромагнитного бруска, которое вызывается продольной деформацией.

Физика процесса, изложенная выше, должна превратиться в надежную измерительную систему. И после долгих поисков и испытаний, магнитострикционные датчики получили общую конструкцию, схематично представленные на рисунке №3. Преобразователи линейных перемещений имеют несколько основных частей:

-измерительный элемент в виде волновода;
-блок электроники;
-позиционный магнит;
-преобразователь торсионного импульса;
-демпфер в конце стержня, в которой происходит гашение второй части торсионного импульса.

Измерительным элементом является ферромагнитный волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна, детектируемая преобразователем торсионного импульса. Позиция объекта измерения определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Позиционный магнит связан с объектом измерения, однако, магнитом и измерительным элементом – волноводом, полностью отсутствует механическая связь. По сути, это бесконтактный принцип измерения, а значит он обладает высокой надежностью и не имеет механического износа. Если говорить о габаритах волновода, то его наружный диаметр составляет около 0.7 мм, а внутренний около 0.5 мм Внутри волновода находится медный проводник. Сам измерительный процесс начинается с короткого токового импульса по медному проводнику из блока электроники. С перемещением импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода (рисунок №3). При пересечении с магнитным полем постоянного позиционного магнита, возникает, согласно эффекту Видемана, пластическая деформация магнитострикционного волновода, и ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода. В одном из концов которая полностью гасится, исключая помехи и искажения сигнала. Скорость распространения этой волны в волноводе составляет 2830 м/с, и на нее не практически не оказывает никакого влияния внешние факторы (загрязнения, температура, удары и т.д.). Детектирование и обработка торсионного импульса происходит на другом конце волновода в блоке электроники. Преобразователь торсионных импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита.

В преобразователе торсионного импульса, сверхзвуковая волна вызывает изменение намагниченности металлической полосы согласно эффекта Виллари, уже упоминавшемуся. Следующее из этого временное изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности. Этот возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика. Точное определение позиции получается измерением времени между стартом токового импульса и времени возникновения ответного электрического сигнала, которое определяется в преобразователе торсионных импульсов при детектировании ультразвуковой волны.

При кажущейся внешней сложности принципов измерения датчиков линейных перемещений Novotechnik, Temposonics и Micropulse, очевидны преимущества, которыми обладают эти преобразователи: измерение расстояния с максимальной точностью, долговременные и стабильные характеристики и параметры, высокая защищенность и стойкость к внешним воздействиям.

Надо понимать, воплощение принципов и физических эффектов в конечный надежный и точный прибор, готовый к работе в самых тяжелых условиях, ставит самые высокие требования к возможностям и компетенции

производителя. Инженеры должны обладать фундаментальными физическими знаниями, накопленными за годы исследований и испытаний. К примеру, прежде чем подобрать оптимальный вариант схемы преобразователя торсионных импульсов, были исследованы и испытаны различные варианты, представленные на рисунке №4. Оказалось, что оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте 3. Именно так получается наиболее уверенный и точный сигнал, так как регистрируется только торсионная часть механической волны, а продольные колебания не оказывают влияния на результат измерения. Применение торсионных волн и регистрирующей системы, которая реагирует только на торсионную волну, позволяет не бояться влияния вибрации на процесс измерения, так как торсионный импульс нельзя вызвать внешней механической вибрацией. Для того, чтобы все физические процессы принципа измерения могли протекать без влияния со стороны внешних воздействий, производитель использует специальные механическую конструкцию корпуса и электронную схему при обработке сигнала. Производители магнитострикционных датчиков линейных перемещений Novotechnik, MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse постоянно совершенствуют материалы используемые в своих продуктах, а так же улучшают схемы и конструкцию. Правильность выбранного направления производителей и оптимальность первоначальной конструкции магнитострикционных преобразователей Temposonics и Micropulse, подтверждают регулярно встречающиеся работоспособные датчики, старых поколений, установленные и прослужившие от пяти до десяти лет в условиях постоянной промышленной эксплуатации.

Контроллеры — это устройства управления в электронике и вычислительной технике. Контроллер: определение, схема, устройство и виды

Контроллеры – это устройства, позволяющие производить обработку цифровых сигналов. Буквально несколько десятилетий назад все логические системы строились на основе электромеханических реле. Они до сих применяются, но в большинстве сфер были вытеснены микроконтроллерами. Наибольшее распространение контроллеры получили в промышленности, именно в системах управления и автоматизации. Впервые на рынке электроники появилось устройство MODICON производства Bedford Associates в 1960-х годах.

Аналогичные устройства, разработанные другими компаниями, стали известны как ПЛК. А если точнее, то это программируемые логические контроллеры. Их работа зависит от программы, которую записывают при помощи персонального компьютера через специальный интерфейс. Именно благодаря использованию устройств на контроллерах получилось заменить большое количество электромеханических реле логическими элементами.

Особенности ПЛК

Для того чтобы понять, что такое контроллер, необходимо разобраться с его устройством и назначением. У программируемого элемента несколько входов – с их помощью происходит контролирование состояния выключателей и датчиков. И есть выходные клеммы, которые подают сигналы различного уровня на электроклапаны, контакторы, электроприводы, реле и другие исполнительные устройства.

Программирование ПЛК очень простое, потому что язык, на котором это делается, очень схож с логикой работы электромагнитных реле. Если инженер-электрик или обычный монтер умеет читать схемы релейных систем, то он без особых трудностей сможет выполнить программирование контроллеров. Это займет немного времени, все зависит от количества логических элементов и функций.

Нужно отметить, что, в зависимости от модели ПЛК, подключение к ним источников сигналов и особенности программирования будут незначительно отличаться. Но суть процедуры настройки остается неизменной.

Подключение элементов к ПЛК

Во всех моделях контроллеров есть клеммы для подключения питания – некоторые нуждаются в переменном напряжении вплоть до 120 В, а другие – в постоянном до 24 В. Напряжение питания зависит от модели устройства. Входные клеммы обозначаются буквой Х – на каждую подается отдельный сигнал. Общий провод обычно соединяется с нейтралью источника переменного тока или с минусом постоянного.

В корпусе контроллера есть оптический изолятор – простой светодиод. С его помощью происходит связь входной клеммы и общей. При подаче напряжения на ПЛК загорается светодиод – именно по нему можно судить о том, что устройство работает. На выходе происходит генерация сигнала при помощи компьютерной схемотехники – активируется устройство переключения. В качестве переключающего устройства могут использоваться электромагнитные реле, транзисторы, силовые ключи, тиристоры. Выходы обозначаются буквой Y. На каждом выходе устанавливается светодиод, сигнализирующий о том, что устройство работает.

Как происходит программирование

Контроллеры – это устройства, позволяющие обрабатывать электрический сигнал и преобразовывать его. На сегодняшний день в ПЛК ставится логика при помощи компьютерной программы. Именно она определяет, на каких выходных клеммах будет присутствовать напряжение при определенных условиях на входных клеммах. Отчасти эта логика схожа с той, которая применяется в релейной схемотехнике. Но в ней нет никаких реле, переключателей, контактов. Написание и просмотр программы происходит при помощи компьютера, который соединяется с портом программирования.

Читайте также:  Монтаж систем автоматизации

Логика простой программы

Допустим, у нас есть контроллер, лампа и выключатель. Контроллер подключается к источнику питания, со входом соединяется выключатель, а на выходе ставится лампа. При нажатии кнопки должна загораться лампа. Вариант простейшей программы для ПЛК:

  1. При разомкнутом выключателе на вход не подается напряжение, поэтому на выходе лампа не будет загораться.
  2. При нажатии на кнопку подается сигнал на вход. В программе контакты, соответствующие порту, будут активироваться. Все мнимые реле начнут работать внутри контроллера. Это образное обозначение, на деле никаких электромагнитных реле в нем нет. В результате появляется напряжение на выходе контроллера и лампа загорается.

Все действия, которые производятся с контроллерами, удобнее всего рассматривать на примере электромагнитных реле. Так нагляднее видна работа устройства.

Зачем нужен компьютер

При помощи компьютера происходит создание логической связи между входными и выходными клеммами. Программное обеспечение, с помощью которого осуществляется составление логики, позволяет направить в контроллер виртуальный сигнал и проследить, как он будет действовать при определенных условиях. После того как будет заложена логика внутрь ПЛК, компьютер отключается и контроллер работает самостоятельно. Все команды, которые ему были заданы на этапе программирования, он сможет выполнять без сторонней помощи.

Универсальность ПЛК

Чтобы понять всю силу и универсальность программируемых компонентов, необходимо рассмотреть несколько типов программ. Контроллер – это программируемый элемент, поэтому без вторичной настройки подключенных к нему элементов можно изменить все заданные команды. Допустим, вам нужно изменить программу, рассмотренную выше – при замыкании кнопки должна тухнуть лампа, а при размыкании загораться.

Для выполнения такой команды нужно просто поменять местами типы команд, которые были ранее. При нажатии на кнопку должно подаваться напряжение на вход ПЛК, а мнимое реле, которое находится в нем, имеет нормально-замкнутые контакты. Поэтому при подаче напряжения контакты размыкаются и лампа тухнет. Но когда в схеме контроллера пропадает сигнал, мнимое реле замыкает контакты и лампа загорается.

Преимущества контроллеров

Одно из преимуществ контроллеров – это возможность реализации в программном обеспечении логического контроля. Причем, в отличие от релейного оборудования, выходной сигнал может использоваться столько раз, сколько требуется для автоматизации. При помощи контроллера для систем автоматизации можно спроектировать систему запуска и останова электродвигателя. Чтобы построить аналогичную систему на электромеханических элементах, нужно использовать три реле.

При использовании контроллера на две входные клеммы подключаются кнопки. На выходе устанавливается электрический двигатель. Логика выглядит таким образом:

  1. При нажатии кнопки, соединенной с выводом Х1, происходит запуск мотора. При этом контакты мнимого реле запускаются и на выходе появляется напряжение питания.
  2. При нажатии кнопки, соединенной с Х2, мотор останавливается. При этом происходит игнорирование того факта, что ранее была нажата первая кнопка.

Причем все процессы, которые происходят в контроллерной системе, могут дублироваться для удаленного мониторинга. Именно с помощью такого свойства реализуется удаленное управление системами. Теперь вы знаете, что такое контроллеры и каковы их ключевые особенности. Программирование устройств может осилить любой человек, который разбирается в компьютерной и релейной технике.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Главное отличие между синхронным двигателем с постоянными магнитами (СДПМ) и асинхронным электродвигателем заключается в роторе. Проведенные исследования 1 показывают, что СДПМ имеет КПД примерно на 2% больше, чем высоко эффективный (IE3) асинхронный электродвигатель, при условии, что статор имеет одинаковую конструкцию, а для управления используется один и тот же частотный преобразователь. При этом синхронные электродвигатели с постоянными магнитами по сравнению с другими электродвигателями обладают лучшими показателями: мощность/объем, момент/инерция и др.

Конструкции и типы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор – неподвижная часть, ротор – вращающаяся часть.

Обычно ротор располагается внутри статора электродвигателя, также существуют конструкции с внешним ротором – электродвигатели обращенного типа.

Ротор состоит из постоянных магнитов. В качестве постоянных магнитов используются материалы с высокой коэрцитивной силой.

Электродвигатель с неявно выраженными полюсами имеет равную индуктивность по продольной и поперечной осям Ld = Lq, тогда как у электродвигателя с явно выраженными полюсами поперечная индуктивность не равна продольной Lq ≠ Ld.

    Также по конструкции ротора СДПМ делятся на:
  • синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
    (англ. SPMSM – surface permanent magnet synchronous motor);
  • синхронный двигатель со встроенными (инкорпорированными) магнитами
    (англ. IPMSM – interior permanent magnet synchronous motor).

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Наиболее распространены конструкции с двух- и трехфазной обмоткой.

    В зависимости от конструкции статора синхронный двигатель с постоянными магнитами бывает:
  • с распределенной обмоткой;
  • с сосредоточенной обмоткой.

Распределенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 2, 3. k.

Сосредоточенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 1. При этом пазы расположены равномерно по окружности статора. Две катушки, образующие обмотку, можно соединить как последовательно, так и параллельно. Основной недостаток таких обмоток – невозможность влияния на форму кривой ЭДС [2].

    Форма обратной ЭДС электродвигателя может быть:
  • трапецеидальная;
  • синусоидальная.

Форма кривой ЭДС в проводнике определяется кривой распределения магнитной индукции в зазоре по окружности статора.

Известно, что магнитная индукция в зазоре под явно выраженным полюсом ротора имеет трапециидальную форму. Такую же форму имеет и наводимая в проводнике ЭДС. Если необходимо создать синусоидальную ЭДС, то полюсным наконечникам придают такую форму, при которой кривая распределения индукции была бы близка к синусоидальной. Этому способствуют скосы полюсных наконечников ротора [2].

Принцип работы синхронного двигателя

Принцип действия синхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора. Концепция вращающегося магнитного поля статора синхронного электродвигателя такая же, как и у трехфазного асинхронного электродвигателя.

Принцип работы синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора.

Магнитное поле ротора, взаимодействуя с синхронным переменным током обмоток статора, согласно закону Ампера, создает крутящий момент, заставляя ротор вращаться (подробнее).

Постоянные магниты, расположенные на роторе СДПМ, создают постоянное магнитное поле. При синхронной скорости вращения ротора с полем статора, полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем статора. В связи с этим СДПМ не может сам запуститься при подключении его напрямую к сети трехфазного тока (частота тока в сети 50Гц).

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами

Для работы синхронного двигателя с постоянными магнитами обязательно требуется система управления, например, частотный преобразователь или сервопривод. При этом существует большое количество способов управления реализуемых системами контроля. Выбор оптимального способа управления, главным образом, зависит от задачи, которая ставится перед электроприводом. Основные методы управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами приведены в таблице ниже.

УправлениеПреимуществаНедостатки
СинусоидальноеСкалярноеПростая схема управленияУправление не оптимально, не подходит для задач, где нагрузка меняется, возможна потеря управляемости
ВекторноеПолеориентированное управлениеС датчиком положенияПлавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулированияТребуется датчик положения ротора и мощный микроконтроллер системы управления
Без датчика положенияНе требуется датчик положения ротора. Плавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулирования, но меньше, чем с датчиком положенияБездатчиковое полеориентированное управление во всем диапазоне скоростей возможно только для СДПМ с ротором с явно выраженными полюсами, требуется мощная система управления
Прямое управление моментомПростая схема управления, хорошие динамические характеристики, большой диапазон регулирования, не требуется датчик положения ротораВысокие пульсации момента и тока
ТрапециидальноеБез обратной связиПростая схема управленияУправление не оптимально, не подходит для задач, где нагрузка меняется, возможна потеря управляемости
С обратной связьюС датчиком положения (датчиками Холла)Простая схема управленияТребуются датчики Холла. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%.
Без датчикаТребуется более мощная система управленияНе подходит для работы на низких оборотах. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%.

Для решения несложных задач обычно используется трапециидальное управление по датчикам Холла (например – компьютерные вентиляторы). Для решения задач, которые требуют максимальных характеристик от электропривода, обычно выбирается полеориентированное управление.

Трапециидальное управление

Одним из простейших методов управления синхронным двигателем с постоянными магнитами является – трапецеидальное управление. Трапециидальное управление применяется для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС. При этом этот метод позволяет также управлять СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС, но тогда средний момент электропривода будет ниже на 5%, а пульсации момента составят 14% от максимального значения. Существует трапециидальное управление без обратной связи и с обратной связью по положению ротора.

Управление без обратной связи не оптимально и может привести к выходу СДПМ из синхронизма, т.е. к потери управляемости.

    Управление с обратной связью можно разделить на:
  • трапециидальное управление по датчику положения (обычно – по датчикам Холла);
  • трапециидальное управление без датчика (бездатчиковое трапециидальное управление).

В качестве датчика положения ротора при трапециидальном управлении трехфазного СДПМ обычно используются три датчика Холла встроенные в электродвигатель, которые позволяют определить угол с точностью ±30 градусов. При таком управление вектор тока статора принимает только шесть положений на один электрический период, в результате чего на выходе имеются пульсации момента.

Полеориентированное управление

Полеориентированное управление позволяет плавно, точно и независимо управлять скоростью и моментом бесщеточного электродвигателя. Для работы алгоритма полеориентированного управления требуется знать положение ротора бесщеточного электродвигателя.

    Существует два способа определения положения ротора:
  • по датчику положения;
  • без датчика – посредством вычисления угла системой управления в реальном времени на основе имеющейся информации.

Полеориентированное управление СДПМ по датчику положения

    В качестве датчика угла используются следующие типы датчиков:
  • индуктивные: синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), редуктосин, индуктосин и др.;
  • оптические;
  • магнитные: магниторезистивные датчики.

Полеориентированное управление СДПМ без датчика положения

Благодаря бурному развитию микропроцессоров с 1970-х годов начали разрабатываться бездатчиковые векторные методы управления бесщеточными электродвигателями переменного тока. Первые бездатчиковые методы определения угла были основаны на свойстве электродвигателя генерировать обратную ЭДС во время вращения. Обратная ЭДС двигателя содержит в себе информацию о положении ротора, поэтому вычислив величину обратной ЭДС в стационарной системе координат можно рассчитать положение ротора. Но, когда ротор не подвижен, обратная ЭДС отсутствует, а на низких оборотах обратная ЭДС имеет маленькую амплитуду, которую сложно отличить от шума, поэтому данный метод не подходит для определения положения ротора двигателя на низких оборотах.

    Существует два распространенных варианта запуска СДПМ:
  • запуск скалярным методом – запуск по заранее определенной характеристики зависимости напряжения от частоты. Но скалярное управление сильно ограничивает возможности системы управления и параметры электропривода в целом;
  • метод наложения высокочастотного сигнала – работает только с СДПМ у которого ротор имеет явно выраженные полюса.

На текущий момент бездатчиковое полеориентированное управление СДПМ во всем диапазоне скоростей возможно только для двигателей с ротором с явно выраженными полюсами.

Ссылка на основную публикацию