Системы электроприводов постоянного тока

Двигатели постоянного тока нашли широкое применение в сле­дящих приводах вследствие их хороших регулировочных характери­стик.

Двигатели классифицируют по типу возбуждения и конструкции якоря. По типу возбуждения двигатели бывают электромагнитного (с помощью обмотки возбуждения) и магнитоэлектрического (с по­мощью постоянного магнита) возбуждения. Двигатели электромагнит­ного возбуждения подразделяются по способу подключения обмотки возбуждения (ОВ) по отношению к обмотке якоря (ОЯ) на двигатели независимого (рис. 3.1, а), параллельного (рис. 3.1, б), последователь­ного (рис. 3.1, в) и смешанного (рис. 3.1,г) возбуждения.

В качестве исполнительных двигателей (ИД) постоянного тока в следящих электроприводах чаще всего используют двигатели неза­висимого и магнитоэлектрического возбуждения. Реже применяют двигатели последовательного возбуждения.

По конструкции якоря двигатели постоянного тока подразделяются на двигатели с "обычным" (зубцовым) якорем, с гладким (беззубцовым) якорем, с печатным дисковым и цилиндрическим якорем и двига­тели с полым ротором.

Зубцовое исполнение якоря является традиционным. К недостат­кам такой конструкции относится возможность насыщения зубцов шихтованного железа якоря при больших токах в обмотке якоря, а следовательно, ограничение вращающего момента двигателя. Досто­инство такой конструкции якоря в его механической прочности. При­мерами ИД с зубцовым якорем являются двигатели серий Д, МИ, ДПМ. Другие конструктивные исполнения якоря позволили улучшить динамические характеристики двигателей, т.е. уменьшить их механи­ческую и электромагнитную постоянные времени.

Двигатели с гладким якорем могут иметь более высокую электромагнитную индукцию в воздушном зазоре.

Рис. 3.1

Это обстоятельство вместе с возможностью уменьшить диаметр якоря (момент инерции ротора) по сравнению с ИД с зубцовым якорем обеспечивает уменьшение механической постоянной времени ИД. Так как обмотка якоря в таких двигателях наклеивается на тело якоря снаружи, то воздушный зазор между статором и железом якоря становится большим. Это сущест­венно уменьшает электромагнитную постоянную времени двигателя, но одновременно увеличивает размеры ИД вследствие увеличения раз­меров индуктора. Примерами ИД с гладким беззубцовым якорем яв­ляются двигатели серий МИГ, ПГТ.

Возможность уменьшения момента инерции якоря ИД и, следо­вательно, уменьшения механической постоянной времени появляется, если обмотку якоря "развязать" от магнитопровода. К таким ИД относятся двигатели с печатным якорем и полым ротором. В обоих случаях из-за того, что обмотка якоря выносится в воздушный за­зор, существенно уменьшается и электромагнитная постоянная времени этой обмотки. Недостатком ИД с печатным якорем является его ма­лая механическая прочность (возможность его коробления при боль­ших моментах на валу ИД). Примерами ИД с печатным якорем явля­ются двигатели серий ПЯ, МРМ. Исполнительные двигатели с полым ротором выпускаются пока только серии ДПР.

Ниже будут рассмотрены характеристики ИД постоянного тока независимого и магнитоэлектрического возбуждения.

К статическим характеристикам ИД обычно относят механические и регулировочные характеристики.

Механическимихарактеристиками называют зависимости угловой скорости W_дв от вращающего момента М_дв двигателя при постоян­ном значении напряжения на его обмотке якоря U_дв , т.е. зависимости

(3.1)

Регулировочными характеристиками называют зависимости угловой скорости W_дв от напряжения на обмотке якоря ИД при постоянном значении вращающего момента М _дв или статического момента сопро­тивления нагрузки М_с.н.с. (так как в статическом режиме М_двравен моменту сопротивления нагрузки).

Электрическая схема ИД постоянного тока в статическом режиме представлена на рис. 3.2.

Уравнение равновесия напряжений на обмотке якоря для идеали­зированного двигателя, для которого не учитывается влияние реакции якоря, возможное насыщение участков магнитопровода якоря, пере­менность сопротивления контакта щеток и пластин коллектора и т.п., имеет вид

, (3.2)

где R_дв- активное сопротивление обмотки якоря; с_е- коэффициент противо-ЭДС двигателя, зависящий от его конструктивных параметров и магнитного потока возбуждения Ф_в; I _я — ток, протекающий по обмотке якоря.

Если Ф_в = const, то и с_е = const, то вращающий момент, развиваемый двигателем,

, (3.3)

где с_м — коэффициент момента двигателя.

В системе СИ численно .

Определив из выражения (3.3) значение I_я и подставив его в (3.2), получим выражение для механических характерис­тик двигателя

. (3.4)

Здесь - угловая скорость двигателя в режиме идеального холостого хода (при I_я = 0);

- жесткость механических характеристик двигателя. В общем виде жесткость механических характеристик двигателя определяется вы­ражением

(3.5)

Иногда механическую характеристику представляют в виде

(3.6)

где - вращающий момент двигателя в режиме пуска (пусковой момент), т.е. момент, развиваемый двигателем при W_дв = 0.

Рис. 3.2 Рис. 3.3

Выражение (3.4) показывает, что механические характеристики ИД постоянного тока независимого возбуждения представляют собой семейство параллельных прямых. Эти характеристики показаны на рис. 3.3. Жесткость механической характеристики ИД может быть также определена по формуле

. (3.7)

Выражение (3.7) применимо при условии линейности характери­стики (или ее линеаризации) для любого типа ИД и поэтому является более общим.

На плоскости механических характеристик можно отметить области, соответствующие возможным режимам работы ИД.

Различают следующие режимы работы ИД:

1. Двигательный режим, для которого sign U_дв = - sign(c_еW_дв) и значение противо-ЭДС исполнительного двигателя c_еW_дв меньше напряжения на обмотке якоря ИД (области 1 на рис. 3.3). В этом режиме направление электрического тока в обмотке якоря определя­ется полярностью напряжения внешнего источника U_дв и ИД потребляет энергию от этого источника.

2. Режим генераторного (рекуперативного) торможения (облас­ти 2 на рис. 3.3) . В этом режиме sign U_дв= - sign (c_еW_дв), но значение противо-ЭДС двигателя превышает значение U_дв. Поэтому направле­ние электрического тока в обмотке якоря определяется полярностью противо-ЭДС двигателя и ИД отдает энергию источнику питания.

3. Режим торможения противовключением (области 3 на рис. 3.3).
Для этого режима sign(c_еW_дв) = signU_дв, поэтому электрический ток в обмотке якоря обусловлен суммой напряжений внешнего ис­точника питания U_дв и противо-ЭДС двигателя. Величина тока в обмотке якоря в этом случае может быть значительной и вызывать сильный на­грев обмотки якоря и выход ее из строя. Поэтому для статического режима режим противовключения считается, как правило, недо­пустимым.

4. Режим электродинамического торможения (линия 4 на рис. 3.3). В этом режиме U_дв= 0 и поэтому этот режим является частным слу­чаем режима генераторного торможения. Электрическая энергия, по­лучаемая от источника с напряжением, равным противо-ЭДС двигателя, рассеивается в тепло на активном сопротивлении обмотки якоря (в об­щем случае, конечно, и во внешней цепи, закорачивающей якорную обмотку).

На рис. 3.4 показаны эквивалентные схемы ИД, соответствующие всем рассмотренным режимам.

Рис. 3.4

При работе ИД в следящем приводе его состояние может изменять­ся в соответствии с описанными режимами работы.

Уравнение регулировочных характеристик

W_дв = f(U_дв) (3.8)

при М_дв= const практически есть уравнение (3.4), в котором W_Х.Х изменяется в соответствии с соотношением

W_Х.Х = . (3.9)

Регулировочные характеристики ИД показаны на рис. 3.5.

Рис. 3.5

Штриховыми линиями пока­зано продолжение регулировочных характеристик в область отрица­тельных значений п для активного момента нагрузки.

Линейность механических и регулировочных характеристик ИД постоянного тока независимого и магнитоэлектрического возбуждения является главным достоинством этих двигателей с точки зрения их применения в следящих приводах. Недостатки этих двигателей связаны с наличием щеточно-коллекторного узла.