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.

Рисунок 1.2 — структурная схема двигателя независимого возбуждения Подставим в уравнение второго закона Кирхгофа для якорной цепи Iя и Ея получим.

.

.

где Rяякорное сопротивление,.

Rддобавочное сопротивление.

Электродвижущая сила (ЭДС) якоря — Ея пропорциональна угловой скоростищ, связь между ЭДС и угловой скоростью, а так же между вращающим моментом М и Iя в системе единиц СИ определяется единым электромагнитным коэффициентом.

где р — число пар полюсов двигателя,.

Nчисло проводников обмотки якоря,.

a — число пар параллельных ветвей обмотки якоря,.

Ф — магнитный поток.

Причем,.

.

где, а — конструктивный коэффициент.

.

.

тогда E якоря, а момент.

.

и напряжение, подаваемое на двигатель.

.

Откуда.

механическая характеристика двигателя постоянного тока записывается в виде.

.

Следовательно, механическая характеристика при Ф = const представляет собой прямую линию. Угловую скорость, соответствующую при М = 0 и номинальном напряжении — Uном запишем в виде.

.

Эту скорость называют угловой скоростью идеального холостого хода.

Рисунок 1.3 — 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.

Рисунок 1.4 — структурная схема нагружения двигателя постоянного тока для постоянного момента нагружения В первом квадранте двигатель постоянного тока находится в двигательном режиме и потребляет энергию из сети. При вращении якоря со скоростью w>w0 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 w=0 и R=Rя, U=Uном, получим пусковой момент.

Так как пусковой ток.

.

.

При включении двигателя без добавочного резистора (естественная характеристика — 1) груз поднимается со скоростью двигателя w1. При включении добавочного резистора (искусственная характеристика — 2) груз не подвижен (w2=0). При работе двигателя в режиме, определяемом характеристикой 3, груз опускается со скоростью w1, 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.