Конструкция, принцип работы и характеристики исполнительных двигателей постоянного тока

На рис.2.1 приведены основные типы двигателей постоянного тока. Наибольшее распространение имеют коллекторные двигатели постоянного тока.

Рис.2.1

Конструкция коллекторных машин.

Коллекторная машина постоянного тока характеризуется тем, что в обмотке якоря наводится переменная ЭДС, частота которой пропорциональна угловой скорости ротора, а между обмоткой якоря и внешней цепью постоянного тока включается механический преобразователь частоты – коллектор со щетками. В результате во внешней цепи машины ток ротекает постоянный, а по каждому проводнику обмотки якоря – переменный, частота изменения которого определяется угловой скоростью ротора.

Коллекторные машины постоянного тока выпускаются в основном с барабанным (массивным) ротором, отдельные серии машин микро и малой мощности выпускаются с полым немагнитным (серия ДПР) и дисковым (серия ПЯ) роторами. Коллекторные машины могут быть с электромагнитным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов.

Под способом возбуждения машины понимается схема соединения обмоток возбуждения главных полюсов статора и якоря. Соответственно различают машины независимого, параллельного, последовательного и смешанного (при наличии на полюсах нескольких обмоток) возбуждения. Конструктивно эти машины отличаются только параметрами обмоток главных полюсов: обмотки независимого и параллельного возбуждения выполняют с большим числом витков из провода малого сечения и относительно большим сопротивлением; обмотки последовательного возбуждения – с малым числом витков из провода большого сечения и относительно малым сопротивлением. Способ возбуждения весьма сильно влияет на основные характеристики машины.

Принцип работы. В качестве исполнительных двигателей систем автоматического управления наиболее часто используются двигатели независимого возбуждения. Схема включения такого двигателя показана на рис.2.2.

Рис.2.2

В цепь якоря может быть включено добавочное сопротивление Rд, например пусковой реостат. Для регулирования тока возбуждения в цепь обмотки возбуждения может быть включен регулировочный реостат Rр.

Принцип работы двигателя постоянного тока основан на электромагнитном взаимодействии неподвижного магнитного потока возбуждения Ф с током Iя ,протекающим по обмотке якоря. На каждый из проводников с током действует электромагнитная сила и создается результирующий электромагнитный момент

Mэм=k Ф I_я , (2.1)

где k – конструктивный коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины. Этот момент заставляет ротор вращаться, направление момента и скорости совпадают.

При вращении проводников якоря в поле возбуждения в каждом из них наводится ЭДС вращения и с щеток снимается результирующая ЭДС обмотки якоря

Ея = k ω Ф , (2.2)

где ω – угловая скорость якоря. В режиме двигателя эта ЭДС направлена навстречу к току якоря.

Механические характеристики.

Механическая характеристика двигателя это зависимость электромагнитного момента, развиваемого двигателем, от угловой скорости ротора. Механические характеристики двигателей принято подразделять на естественные и искусственные. Естественная характеристика соответствует номинальному напряжению питания и отсутствию добавочных сопротивлений в цепях обмоток двигателя. Если хотя бы одно из перечисленных условий не выполняется, характеристика называется искусственной.

Уравнение механической характеристики ω=f(Mэм) может быть найдено из уравнения равновесия ЭДС и напряжений для якорной цепи двигателя (рис.2.2), записанного на основании второго закона Кирхгофа:

U_я=E_я+I_я(R_я+R_д) , (2.3)

где Rя – активное сопротивление якоря.

Преобразуя (2.3) с учетом (2.1) и (2.2), получим уравнение механической характеристики

, (2.4)

Это уравнение можно представить в виде ω=ω _о.ид-Δω, где

ω_о._ид=U_я/kФ , (2.5)

- угловая скорость идеального холостого хода (при M_эм=0); Δω=M_эм[(R_я+R_д)/(kФ)2] – уменьшение угловой скорости, обусловленное нагрузкой на валу двигателя и пропорциональное сопротивлению якорной цепи.

Семейство механических характеристик при номинальном напряжении на якоре и потоке возбуждения и различных добавочных сопротивлениях в цепи якоря изображено на рис.2.3.

Рис.2.3

Механические характеристики двигателей принято оценивать по трем показателям: устойчивости, жесткости и линейности.

Естественная механическая характеристика, соответствующая (2.4) при Rд=0, изображена прямой линией 1. Механическая характеристика линейная; небольшое отклонение от линейного закона может быть вызвано потоком якоря, создаваемым током якоря и приводящим к изменению результирующего потока Ф. Эта характеристика жесткая, так как при изменении момента нагрузки и соответственно скорости поток возбуждения не изменяется. Жесткость характеристики уменьшается при введении добавочного сопротивления в цепь якоря (прямые линии 2 и 3 – искусственные реостатные характеристики). Характеристики устойчивые, т.е. двигатель автоматически возвращается в исходную точку характеристики после снятия возмущения. Формальным признаком устойчивости является знак производной dω/dMэм, на устойчивом участке характеристики производная должна быть отрицательной.

Увеличение статического момента сопротивления на валу двигателя приводит к уменьшению угловой скорости и ЭДС якоря. Ток якоря, выражение для которого можно записать на основании (2.3),

, (2.6)

возрастает. Соответственно растет электромагнитный момент.

Регулирование скорости.

Угловую скорость двигателя при неизменном моменте сопротивления можно регулировать (см. (2.4)) тремя способами:

- якорным – изменением напряжения на обмотке якоря U_я;

- полюсным – изменением магнитного потока возбуждения Ф;

- реостатным – изменением добавочного сопротивления Rд в цепи якоря.

Регулировочные характеристики двигателей независимого возбуждения при якорном управлении будут рассмотрены в следующих разделах. При этом возможны два основных вида управления:

- непрерывное – изменением во времени амплитуды напряжения;

- импульсное – изменением времени, в течение которого к двигателю подводится номинальное напряжение.

Полюсное управление применяется гораздо реже якорного, т.к. регулировочные характеристики получаются нелинейными и цепь управления обладает значительной индуктивностью, что может отрицательно сказаться на быстродействии. Преимуществом полюсного управления является значительно меньший ток возбуждения по сравнению с током якоря, и соответственно меньшая мощность управления.

При реостатном способе через реостаты Rд (см. рис.2.2) должен длительно пропускаться значительный ток, что вызывает большие потери мощности. Способ не обеспечивает широкого диапазона регулирования скорости, он неэкономичен и в системах автоматического управления применяется крайне редко.

Пуск. Пуск двигателя постоянного тока осложняется тем, что при ω=0 ЭДС Е_я=0 и пусковой ток якоря I_яп=U_я/R_я может в 10 – 20 раз превышать номинальный ток, что опасно как для двигателя (усиление искрения, динамические перегрузки), так и для источника питания. Поэтому важнейшими показателями пускового режима являются кратность пускового тока K_iп=I_п/I_ном и кратность пускового момента K_мп=М_п/М_ном. При пуске необходимо обеспечить требуемую кратность пускового момента при возможно меньшей кратности пускового тока.

Прямой пуск применяют обычно при кратности пускового тока K_iп<6. При большем значении K_iп применяют способы пуска, обеспечивающие снижение тока I_яп либо за счет подачи пониженного напряжения на обмотку якоря, либо за счет введения добавочного сопротивления в цепь якоря.

Реверсирование. Реверсирование двигателя осуществляется либо изменением полярности напряжения на обмотке якоря, либо на обмотке возбуждения. В обоих случаях изменяется знак момента двигателя М_эм и соответственно направление вращения ротора.

Торможение. У двигателей независимого возбуждения возможны три тормозных режима:

- рекуперативное торможение – перевод двигателя в режим генератора, работающего параллельно с сетью,

- торможение противовключением – за счет изменения направления тока якоря или потока возбуждения,

- динамическое – перевод двигателя в режим автономного генератора.

У двигателей исполнительных устройств применяется в основном торможение противовключением или динамическое.

Бесконтактные двигатели постоянного тока.

Коллекторные двигатели постоянного тока обладают хорошими регулировочными свойствами и экономичны, но наличие скользящего контакта коллектор – щетки ограничивает область их применения.

В настоящее время в связи с развитием силовой полупроводниковой электроники появились и начали получать все более широкое распространение бесконтактные двигатели постоянного тока. При замене механического коммутатора – коллектора с щетками полупроводниковым коммутатором двигатель постоянного тока становится более надежным и долговечным, создает меньше радиопомех, особенно при высоких частотах вращения, когда очень быстро изнашиваются щетки и значительно увеличиваются искрение и радиопомехи.

Дата добавления: 2014-03-11; просмотров: 644; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!