Управление исполнительными двигателями постоянного тока

В качестве исполнительных двигателей постоянного тока применяют двигатели с обмоткой независимого возбуждения или с возбуждением от постоянных магнитов. Наличие щеточного коллекторного узла усложняет эксплуатацию исполнительных двигателей и несколько усложняет управление этими двигателями.

Однако исполнительные двигатели постоянного тока имеют ряд достоинств: их механические и регулировочные характеристики практически прямолинейны; способы управления просты.

В исполнительных двигателях постоянного тока с обмоткой возбуждения применяют якорное и полюсное управление. В двигателях с возбуждением постоянными магнитами — только якорное управление.

При якорном управлении исполнительного двигателя с обмоткой возбуждения (5.64,а) к обмотке возбуждения ОВ подводится неизменное напряжение постоянного тока U_e = const. Обмотка якоря двигателя является в этом случае обмоткой управления. На обмотку якоря подается управляю;

Рис. 5.64. Принципиальные схемы исполнительных двигателей постоянного тока с якорным (я, б) и полюсным (в) управлением: БУ — блок управления; Ц2 — выпрямитель щий сигнал (напряжение якоря, которое называется далее напряжением управления) и_у-1}_я. Напряжение якоря.

U_я = U_у подаётся, например, от управляемого выпрямителя UZ, причём уровень напряжения якоря U_у зависит от величины сигнала с блока управления выпрямителем БУ-(и _{). Блок управления является элементом автоматической системы. Напряжение U = U_у подаётся в моменты времени, определяемые автоматической системой управления, когда требуется включение и работа исполнительного двигателя. В двигателях с возбуждением от постоянных магнитов обмотка возбуждения отсутствует, и к двигателю подводят лишь регулируемое напряжение якоря U = U_y (рис. 5.64,6). Таким образом, изменяя напряжение якоря двигателя согласно (5.54) и (5.55), изменяется частота вращения вала двигателя.

При полюсном управлении к обмотке якоря двигателя подводится постоянное напряжение U = const, а к обмотке возбуждения ОБ напряжение с выхода выпрямителя UZ (рис. 5.64,в) которое является управляющим U_у. Для ограничения тока якоря I в неподвижном якоре, когда противоЭДС? = 0 (рис. 5.37), и в обмотке якоря проходит ток короткого замыкания / = 1_Ю =U/R (при мощности двигателя более 10 Вт) в цепь якоря последовательно включают резистор сопротивлением R_dof). При изменении напряжения U_y

изменяется ток возбуждения 1_в двигателя, а значит изменяется магнитный поток двигателя согласно уравнению (5.52).

Изменение направления вращения вала (реверс) исполнительного двигателя постоянного тока осуществляется изменением полярности управляющего сигнала (напряжения якоря или напряжения возбуждения).

При расчете относительных параметров исполнительных двигателей постоянного тока за базовую величину при определении относительного электромагнитного момента принимают пусковой момент М_п ном при номинальных напряжениях на обмотках якоря и возбуждения:

Уровень управляющего сигнала оценивается коэффициентом сигнала

где  — номинальные напряжения питания обмотки возбуждения и цепи якоря двигателя.

Исполнительный двигатель с якорным управлением, или с изменением напряжения якоря. При якорном управлении самоход в двигателе не возникает, так как при снятии управляющего сигнала, равного напряжению якоря U_у -U = 0, ток якоря I = 1_у= 0, электромагнитный момент двигателя (5.51) М = к_мФ_в1_у = 0. Уравнение механической характеристики исполнительного двигателя при якорном управлении в относительных единицах получаем на основе уравнений (5.55), (5.70), (5.71):

где V = п/п_х — относительная частота вращения двигателя при.

 — текущее (регулируемое) и номинальное значение напряжения якоря.

Из уравнения (5.72) следует, что механическая характеристика исполнительного двигателя постоянного тока т = /(v) при а = const прямолинейна.

На рис. 5.65,а показаны механические характеристики двигателя при якорном управлении, построенные для различных значений коэффициента сигнала а. Анализ характеристик показывает, что механические характеристики прямолинейны и параллельны: двигатель развивает максимальный вращающий момент при пуске (v = 0); относительный пусковой момент равен коэффициенту сигнала (т_п = а). Из (5.72) получим уравнение регулировочной характеристики двигателя.

из которого следует, что регулировочная характеристика двигателя с якорным управлением v = /(а) при т = const прямолинейна (рис. 5.65,6).

Анализ характеристик, построенных для различных значений т, показывает, что частота вращения двигателя прямо пропорциональна коэффициенту сигнала а во всем диапазоне нагрузок двигателя. Наибольшая частота вращения двигателя соответствует а —1.

Механическая мощность исполнительного двигателя в относительных единицах p₂=mv. Используя (5.72), получим уравнение характеристики механической мощности:

Из (5.73) следует, что характеристика механической мощности исполнительного двигателя с якорным управлением р₂ = /(v) при а = const — квадратичная функция частоты вращения v. Анализ этих характеристик, построенных при различных а (рис. 5.75,б), показывает, что снижение коэффициента сигнала а резко уменьшает механическую (а, следовательно, и полезную) мощность двигателя. Это объясняется тем, что максимальное значение механической мощности р_2тах при заданном а пропорционально квадрату коэффициента сигнала.

Рис. 5.65. Характеристики исполнительного двигателя с якорным управлением: механическая (а), регулировочная (б), механической мощности (в) Следовательно, при работе исполнительного двигателя с малыми значениями коэффициента сигнала а плохо используется его механическая мощность. Максимальная механическая мощность р_2тах будет при относительной частоте вращения у'= 0,5а.

Мощность возбуждения исполнительного двигателя с якорным управлением равна электрическим потерям в обмотке возбуждения, Вт:

Так как ток возбуждения 1_в двигателей постоянного тока независимого возбуждения в несколько раз меньше тока якоря в номинальном режиме, то мощность возбуждения АР_в~1] составляет небольшую величину. Мощность возбуждения не зависит от нагрузки двигателя, а в двигателях с возбуждением от постоянных магнитов эта мощность равна нулю.

Мощность управления для двигателей с якорным управлением равна, Вт.

т.е. равна сумме полезной механической мощности Р₂ электрических потерь в обмотке якоря 1_уК, магнитных потерь в сердечнике якоря АР_м и механических потерь АР_мех. Эту мощность представим равной разности всей потребляемой двигателем мощности Р_{ и потерь на возбуждение двигателя.

Р., Вт:

Потери мощности возбуждения составляют от. 5% (в двигателях мощностью 10+250 Вт) и до 30% (в двигателях мощностью до 7 Вт). Таким образом, мощность управления исполнительных двигателей с якорным управлением равна соответственно 95−70% от всей подводимой к двигателю мощности. Это недостаток якорного управлении, так как необходимо применять управляемые выпрямители 1Л? мощностью практически равной номинальной мощности двигателя.

Исполнительный двигатель с полюсным управлением, или с изменением магнитного потока. Существенный недостаток полюсного управления — возможность самохода исполнительного двигателя. Это объясняется тем, что после снятия сигнала управления двигатель остается возбужденным за счёт небольшого магнитного потока остаточного магнетизма Ф_ост и на якорь продолжает действовать небольшой электромагнитный момент, Нм:

который при небольшой нагрузке на валу двигателя может вызвать самопроизвольное вращение якоря при а = 0. Для устранения самохода двигатель должен иметь на валу постоянно действующую механическую нагрузку М_с > М_вст.

Уравнение механической характеристики двигателя с полюсным управлением в относительных единицах получаем на основе (5.55) с учетом относительного момента и сигнала управления:

где  — напряжение возбуждения двигателя соответственно текущее и номинальное.

Из (5.74) следует, что механические характеристики двигателя с полюсным управлением прямолинейны, но в отличие от механических характеристик двигателя с якорным управлением они не параллельны друг другу (рис. 5.66,а), т. е. при разных коэффициентах сигнала а жёсткость характеристики неодинакова (с уменьшением а жёсткость характеристики возрастает).

При полюсном управлении частота вращения идеального холостого хода обратно пропорциональна коэффициенту сигнала:

так как частота вращения обратно пропорциональна магнитному потоку (5.56).

Для двигателей малой мощности такое влияние а на частоту вращения не опасно, так как механическая нагрузка М_с якоря таких двигателей, вызванная в основном трением в подшипниках, достаточна для ограничения частоты вращения двигателя. Но в двигателях мощностью более нескольких десятков Вт, (при отсутствии нагрузки на валу и малых значениях сигнала управления или после прекращения подачи сигнала) частота вращения может достигнуть опасного значения для механической прочности двигателя. Для предотвращения этого необходимо искусственно создать на валу двигателя постоянно действующий момент нагрузки такой величины, чтобы частота вращения якоря не достигла опасного значения.

Уравнение регулировочной характеристики исполнительного двигателя с полюсным управлением V = /(а) имеет вид:

что свидетельствует о нелинейности регулировочных характеристик исполнительных двигателей с полюсным управлением (рис. 5.66,6). Это серьезный недостаток полюсного управления. Кроме того, при малых нагрузочных моментах (т < 0,5) регулировочные характеристики неоднозначны (при двух различных значениях коэффициента сигнала, а можно получить одинаковую частоту вращения у). Этот недостаток ограничивает применение полюсного управления только для привода автоматических устройств, которые создают момент сопротивления на валу двигателя не меньше 0,5 М_п.

Используя (5.74), определим механическую мощность.

Из характеристик механической мощности р₂ = /(у) (рис. 5.68,в) видно, что максимум механической мощности соответствует частоте вращения у'=1/(2а). Подставляя у¹ = 1/(2а) в (5.75), получим выражение максимальной механической мощности

Из этого уравнения следует, что максимальная механическая мощность при полюсном управлении не зависит от коэффициента сигнала а. Это достоинство полюсного управления, позволяющее при небольших значениях а получить значительную механическую мощность.

Рис. 5.66. Характеристики исполнительного двигателя с полюсным управлением: механическая (а), регулировочная (б), механической мощности (в).

Мощность возбуждения при полюсном управлении равна сумме механической мощности, электрических потерь в цепи якоря, магнитных и механических потерь исполнительного двигателя:

Мощность возбуждения составляет до 70−90% всей потребляемой двигателем мощности. Остальные 30−10% от всей потребляемой двигателем мощности Р_], составляет мощность управления Р_у. Малая величина мощности управления является преимуществом полюсного управления исполнительными двигателями, так как позволяет в значительной степени уменьшить мощность усилителя в блоке управления.

Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением общепромышленного исполнения в различного рода механизмах осуществляется изменением напряжения якоря ДПТ (якорное управление), изменением тока возбуждения (или магнитного потока) двигателя (полюсное управление) или изменением добавочного сопротивления Я_д в цепи якоря (рис. 5.37). Механические характеристики ДПТ в первых двух случаях в относительных единицах соответствуют уравнениям (5.72) и (5.74) и представлены на рис. 5.65,а и 5.66,а.