Двигатели постоянного тока
1. Двигатели постоянного тока
Двигатели постоянного тока используются в прецизионных приводах,
требующих плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.
Свойства двигателя постоянного тока, так же как и генераторов,
определяются способом возбуждения и схемой включения обмоток возбуждения.
По способу возбуждения можно разделить двигатели постоянного тока на
двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением.
Двигатели с электромагнитным возбуждением подразделяются на двигатели
с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением.
Электрические машины постоянного тока обратимы, то есть, возможна их
работа в качестве двигателей или генераторов.
Например, если в системе управления с использованием генератора в
обратной связи отсоединить генератор от первичного двигателя и подвести
напряжение к обмоткам якоря и возбуждения, то якорь начнет вращаться и
машина будет работать как двигатель постоянного тока, преобразуя
электрическую энергию в механическую. Двигатели независимого возбуждения
наиболее полно удовлетворяют основным требованиям к исполнительным
двигателям самоторможение двигателя при снятии сигнала управления, широкий
диапазон регулирования частоты вращения, линейность механических и
регулировочных характеристик, устойчивость работы во всем диапазоне
вращения, малая мощность управления, высокое быстродействие, малые габариты
и масса.
Однако двигатели постоянного тока имеют существенные недостатки,
накладывающие ограничение на область их применения малый срок службы
щеточного устройства из-за наличия скользящего контакта между щетками и
коллектором, скользящий контакт является источником радиопомех.
[pic]
Рис. 1.1. Структурная схема двигателя независимого возбуждения
Подставим в уравнение второго закона Кирхгофа для якорной цепи [pic] и
[pic] получим
[pic],
[pic],
где [pic]- якорное сопротивление, [pic]- добавочное сопротивление.
Электродвижущая сила (ЭДС) якоря - [pic]пропорциональна угловой
скорости - [pic], связь между ЭДС и угловой скоростью, а так же между
вращающим моментом [pic] и [pic] в системе единиц СИ определяется единым
электромагнитным коэффициентом
[pic],
где [pic] - число пар полюсов двигателя, [pic] - число проводников обмотки
якоря, [pic] - число пар параллельных ветвей обмотки якоря, [pic] -
магнитный поток.
Причем
[pic],
где [pic] - конструктивный коэффициент.
[pic],
[pic],
тогда E якоря
[pic],
а момент
[pic],
и напряжение, подаваемое на двигатель
[pic],
откуда
[pic],
механическая характеристика двигателя постоянного тока записывается в виде
[pic].
Следовательно, механическая характеристика при Ф = const представляет
собой прямую линию. Угловую скорость, соответствующую при М = 0 и
номинальном напряжении - Uном запишем в виде
[pic].
Эту скорость называют угловой скоростью идеального холостого хода.
[pic],
[pic]
Рис. 1.2. Механические характеристики в двигательном режиме
Рассмотрим установившиеся режимы работы двигателя постоянного тока для
случая соответствующего постоянному моменту сопротивления.
Такая схема нагружения двигателя постоянного тока соответствует
подъему или спуску постоянного груза.
[pic]
Рис. 1.3. Структурная схема нагружения двигателя постоянного тока для
постоянного момента нагружения
Рассмотрим обобщенные механические характеристики двигателя
постоянного тока
[pic]
Рис. 1.4. Механическая характеристика двигателя постоянного тока
В первом квадранте двигатель постоянного тока находится в двигательном
режиме и потребляет энергию из сети. При вращении якоря со скоростью (>(0
двигатель постоянного тока переходит из двигательного режима с моментом М>0
(первый квадрант) в генераторный режим (второй квадрант) с отрицательным
вращающим моментом (якорь вращается перпендикулярно, например, под
действием инерции исполнительного механизма). При этом момент М<0 и Iя<0,
т.е. двигатель постоянного тока отдает энергию в сеть.
Положив в выражение для механической характеристики (=0 и R=Rя,
U=Uном, получим пусковой момент
[pic].
Так как пусковой ток
[pic],
то
[pic].
При включении двигателя без добавочного резистора (естественная
характеристика - 1) груз поднимается со скоростью двигателя (1. При
включении добавочного резистора (искусственная характеристика - 2) груз не
подвижен ((2=0). При работе двигателя в режиме, определяемом
характеристикой 3, груз опускается со скоростью (1, искусственная
характеристика 4 соответствует режиму динамического торможения,
заключающемуся в отсоединении якорной цепи от источника и замыкании ее на
добавочный резистор, характеристика 5 аналогична характеристике 2, но
напряжение U=Uном, характеристика 6 параллельна характеристики 1 и
соответствует во втором квадранте противовключению при подаче напряжения
U=Uном.
