Регулировка скорости. 
Двигатели постоянного тока: пуск, регулирование скорости, тормозные режимы

В качестве исполнительных двигателей систем автоматического управления используют в основном машины постоянного тока с независимым возбуждением. Для регулирования угловой скорости ротора исполнительных двигателей постоянного тока используют два основных вида управления:1) непрерывное — изменением во времени амплитуды напряжения; 2) импульсное — изменением времени, в течение которого к двигателю подводится номинальное напряжение.

Напряжением управления может быть напряжение на обмотке якоря (якорное управление) или на обмотке возбуждения главных полюсов (полюсное управление).

Якорный непрерывный способ управления. При анализе характеристик принимаем, что отсутствуют реакция якоря (магнитный поток машины Ф = Фв) и насыщение магнитопровода. Магнитный поток создается током, протекающим по обмотке возбуждения главных полюсов (рис. 2 а), либо постоянными магнитами (рис. 2 б).

Рис. 2.

В первом случае обмотка возбуждения постоянно подключается к независимому источнику питания с напряжением U, равным номинальному для двигателя (U=const, Ф=const). Угловая скорость ротора регулируется изменением напряжения управления Uy на обмотке якоря. Анализ начнем с получения уравнений механических и регулировочных характеристик. Эти уравнения принято рассматривать в относительных единицах:

• · коэффициент сигнала? = Uу/ Uу. ном;
• · относительная угловая скорость ?* = ?/?о.ид;
• · относительный момент M* = Mэм/Mп.

Здесь ?ид — угловая скорость идеального х.х. при? = 1, Mп — пусковой момент при? = 1.

Для исполнительного двигателя с якорным управлением при произвольном? уравнение с учетом при Rд = 0 принимает вид.

? = ?Uу.ном/кФ — Rя/(кФ)2Mэм = ?? о. ид — Rя/(кФ)2Mэм, Делим правую и левую части уравнения на? ид:

? /?ид = ?* =? -RяMэм/(кФ)2?о.ид.

Находим выражение пускового момента при? = 1 из, приравнивая? нулю:

Mn = (кФ)2?о.ид/Rя, Подставляем в и после преобразований получаем.

? * =? — M*.

Механические характеристики обеспечивают устойчивость работы двигателя при якорном управлении во всем диапазоне угловых скоростей ?* =0 — 1. Жесткость механических характеристик остается неизменной при любом коэффициенте сигнала ?. Максимальный вращающий момент двигатель развивает при пуске. Значение пускового момента в относительных единицах равно коэффициенту сигнала:

Mпа* = ?

т.е. пусковой момент прямо пропорционален напряжению управления. Прямо пропорциональна напряжению управления и скорость холостого хода: ?оа* = ?.

Якорный способ управления обеспечивает линейную зависимость угловой скорости ротора от напряжения управления при любом моменте нагрузки на валу. Следует отметить, что регулировочная характеристика ненагруженного двигателя начинается от нуля только в идеальном случае (M*=0), когда механические потери в двигателе равны нулю. У реальных исполнительных двигателей в режиме х.х. (пунктирная линия) ротор начинает вращаться при определенном напряжении трогания Uтр, отличном от нуля (соответствующий коэффициент сигнала обозначен? тр).

Значение ?тр зависит от момента трения в двигателе и определяет зону нечувствительности; у исполнительных двигателей постоянного тока? тр не превышает 0,05. Диапазон регулирования скорости в разомкнутом приводе составляет D = (20 — 10):I.

Рис. 3.

При якорном управлении мощность управления, потребляемая якорем, составляет 80−95% от всей потребляемой мощности (меньшие значения относятся к двигателям меньшей мощности).

Мощность управления Рy= UyIy возрастает пропорционально увеличению напряжения управления и момента нагрузки на валу. Значительная мощность управления — недостаток якорного способа, поскольку возникает необходимость в мощных источниках сигнала управления (электронных, магнитных усилителях и т. д.).

Якорный способ управления исполнительными двигателями постоянного тока обеспечивает отсутствие самохода. При снятом сигнале управления ток якоря, а следовательно, и вращающий момент, равны нулю и ротор останавливается.

Полюсный непрерывный способ управления. При этом способе на обмотку якоря постоянно подается номинальное напряжение Uя. ном от независимого источника питания U. Управление угловой скоростью якоря осуществляется за счет изменения напряжения управления Uy на обмотке главных полюсов.

Магнитный поток машины Ф при отсутствии насыщения изменяется пропорционально напряжению управления. Для произвольного коэффициента сигнала поток Ф=?Фном (где Фном — значение потока при ?=1). Тогда на основании и получим уравнение механической характеристики при полюсном способе управления:

? =Uя.ном/?КФном — Rя/(?КФном)2Mэм = ?0.ид/? ;

Rя/(?КФном)2Mэм.

Разделим правую и левую части уравнения (5.47) на ?0.ид и преобразуем полученное выражение с учетом:

? *=(?-M*)/?2.

При ?=const выражение является уравнением механической характеристики, а при М=const — уравнением регулировочной характеристики исполнительного двигателя с полюсным управлением.

В режиме идеального холостого хода (М * =0) угловая скорость изменяется обратно пропорционально сигналу управления и при угловая скорость стремится к бесконечности. В реальном двигателе эта скорость ограничена, так как к валу всегда приложен момент трения. Если напряжение управления равно нулю, то вращающий момент создается за счет взаимодействия потока остаточного магнетизма полюсов и тока в якоре. Следовательно, в прецизионных двигателях с малым моментом трения при полюсном управлении теоретически возможен самоход. Если момент сопротивления на валу окажется больше, чем вращающий момент от потока остаточного магнетизма, то ротор остановится.

При малой нагрузке (М *<0.5) c увеличением сигнала управления угловая скорость вначале растет, а затем, достигнув максимума, начинает уменьшаться, т. е. одна угловая скорость соответствует двум значениям коэффициента сигнала. Неоднозначность исчезает, и закон изменения скорости становится монотонно возрастающим только при значениях момента М *? 0.5.

Проведенный анализ характеристик позволяет сравнить непрерывные способы управления. Преимущества якорного способа:

• 1) линейность и однозначность регулировочных характеристик при любом значении момента;
• 2) постоянная жесткость механических характеристик при различных значениях сигнала управления;
• 3) ток через щеточный контакт проходит только при вращении ротора, что предотвращает пригорание коллектора от местного нагрева при отсутствии вращения;
• 4) индуктивность обмотки якоря значительно меньше индуктивности обмотки главных полюсов (меньше число витков), что обеспечивает более высокую скорость электромагнитных переходных процессов.

Преимуществом полюсного способа управления является только значительно меньшая мощность управления, — в главных полюсах выделяется обычно не более 5−20% от полной мощности, потребляемой двигателем. Благодаря значительным преимуществам якорный способ управления используют в большинстве схем.

Как отмечалось, уравнения механических и регулировочных характеристик исполнительных двигателей постоянного тока были получены без учета реакции якоря. У реальной машины под воздействием реакции якоря механические и регулировочные характеристики могут быть нелинейными.

Импульсный способ управления. Наиболее широкое применение из всех видов импульсного регулирования для управления двигателями постоянного тока нашло широтно-импульсное регулирование напряжения (ШИР). Импульсное регулирование возможно как со стороны якоря, так и со стороны обмотки возбуждения главных полюсов, однако наиболее распространено импульсное якорное управление. Сущность импульсного способа состоит в том, что регулирование угловой скорости ротора достигается не за счет изменения напряжения управления, непрерывно подводимого к якорю двигателя, а путем изменения времени, в течение которого подводится номинальное напряжение.

Иначе говоря, при импульсном способе микродвигателю подводятся импульсы неизменного по амплитуде напряжения управления U у. ном, в результате чего его работа состоит из чередующихся периодов разгона и торможения. Если эти периоды малы по сравнению с полным временем разгона и остановки ротора, то угловая скорость ротора не успевает к концу каждого периода достигать установившихся значений и установится некоторая средняя угловая скорость. Значение при неизменных моменте нагрузки и напряжении возбуждения однозначно определяется относительной продолжительностью импульсов ?:

? =tи/Ти где t идлительность импульса; Т и — период. С увеличением относительной продолжительности импульсов угловая скорость ротора растет (?'ср>?ср).В период паузы tп ротор обязательно должен тормозиться. Если это условие не будет выполняться, то угловая скорость ротора при любом значении? будет непрерывно увеличиваться, пока не достигнет значения угловой скорости х.х., так как во время импульса угловая скорость будет возрастать, а во время паузы — оставаться практически неизменной.

С ростом частоты управляющих импульсов амплитуда колебаний скорости уменьшается; среднее значение угловой скорости остается при этом неизменным.

В зависимости от параметров двигателя схемы управления и момента нагрузки возможны два основных режима работы двигателя: режим прерывистого тока и режим непрерывного тока.