Керування виконавчими двигунами постійного струму

У якості виконавчих двигунів постійного струму застосовують двигуни з електромагнітним незалежним збудженням або зі збудженням постійними магнітами. Наявність щітково-колекторного вузла ускладнює експлуатацію виконавчих двигунів і робить неможливим їх застосування у вибухонебезпечних і пожежонебезпечних середовищах. Механічне тертя щіток об колектор ускладнює керування такими двигунами.

Проте виконавчі двигуни постійного струму мають ряд переваг: їх механічні і регулювальні характеристики практично прямолінійні, способи керування прості, габаритні розміри і маса менші, ніж в асинхронних двигунів.

У виконавчих двигунах постійного струму з електромагнітним збудженням застосовують якірне і полюсне керування. У двигунах із збудженням постійними магнітами — тільки якірне керування.

При якірному керуванні виконавчого двигуна з електромагнітним збудженням (рис.1.3.1, а) обмотка полюсів є обмоткою збудження 0З, а обмотка якоря- обмоткою керування ОК. Під час роботи виконавчого двигуна до обмотки збудження підводиться незмінна напруга постійного струму Uз, на обмотку керування подається керуючий сигнал (напруга керування) Uк від блока керування БК, що є елементом автоматичної системи. Напруга Uк подається в моменти часу, що визначаються автоматичною системою керування, коли необхідне ввімкнення виконавчого двигуна. У двигунах із збудженням постійними магнітами обмотка збудження відсутня і до двигуна підводять лише керуючий сигнал ( рис.1.3.1,б).

При полюсному керуванні обмотка якоря є обмоткою збудження 0З, а обмотка полюсів — обмоткою керування ОК (рис.1.3.1, в). Для обмеження струму збудження Із в нерухомому якорі, коли проти-ЕРС Ез = 0, і в обмотці якоря проходить струм короткого замикання Із = Ік = Uз/rз; при потужності двигуна більше 10 Вт у коло якоря послідовно вмикають додатковий опір Rдод.

image002

Рис.1.3.1. Принципові схеми виконавчих двигунів постійного струму з якірним (а, б)

і полюсним (в) керуванням

Зміна напрямку обертання (реверс) виконавчого двигуна постійного струму здійснюється зміною полярності керуючого сигналу.

При розрахунку відносних параметрів виконавчих двигунів постійного струму за базову величину при визначенні відносного електромагнітного моменту приймають початковий пусковий момент Мп.ном при номінальних напругах на обмотках 0З і ОК: m = M/Mп.ном. Рівень керуючого сигналу оцінюється коефіцієнтом сигналу

a = Uк/Uз (1.3.1)

Виконавчий двигун з якірним керуванням. При якірному керуванні самохід у двигуні не виникає, тому що при знятті керуючого сигналу Uк = 0, Ік = 0, електромагнітний момент двигуна М = смФвІк = 0.

Рівняння механічної характеристики виконавчого двигуна при якірному керуванні

m = a — n, (1.3.2)

де m = М/Мп.нон - відносний момент двигуна; Мп.ном - пусковий момент при a = 1; n = n/no відносна частота обертання двигуна; no – частота обертання двигуна при M = 0.

image004

Рис.1.3.2. Характеристики виконавчого двигуна з якірним керуванням:

механічна (а), регульована (б), механічної потужності (в)

З (1.3.2) випливає, що механічна характеристика виконавчого двигуна постійного струму m = f(n) при a = const прямолінійна. На рис.1.3.2,а зображені механічні характеристики двигуна при якірному керуванні, побудовані для різнних значень коефіцієнта сигналу a. Аналіз характеристик показує, що механічні характеристики прямолінійні і паралельні: двигун розвиває максимальний обертальний момент при пуску n = 0; відносний пусковий момент дорівнює коефіцієнту сигналу (mп = a). З (1.3.2) одержимо рівняння регулюючої характеристики двигуна

n = a — m, (1.3.3)

звідки випливає, що регулююча характеристика двигуна з якірним керуванням n=f(a) при m=const прямолінійна.

Аналіз цих характеристик (рис.1.3.2,б), побудованих для різноманітних значень m, показує, що частота обертання двигуна прямо пропорційна коефіцієнту сигналу a у всьому діапазоні навантажень двигуна; найбільша частота обертання двигуна відповідає a = 1.

Механічна потужність виконавчого двигуна у відносних одиницях р2=mn. Використовуючи (1.3.2) отримаємо рівняння характеристики механічної потужності

p2 = an — n2. (1.3.4)

З (1.3.4) випливає, що характеристика механічної потужності виконавчого двигуна з якірним керуванням p2 = f(n) при a = const — квадратична функція частоти обертання n. Аналіз цих характеристик, побудованих при різних a (рис.1.3.2,б), показує, що зниження коефіцієнта сигналу a різко зменшує механічну (а отже, і корисну) потужність двигуна. Це пояснюється тим, що максимальне значення механічної потужності р2max при заданому a пропорційне квадрату коефіцієнта сигналу

p2max = a2/A. (1.3.5)

Тому, при роботі виконавчого двигуна з малими значеннями коефіцієнта сигналу a погано використовується механічна потужність двигуна. Максимальна механічна потужність p2max буде при відносній частоті обертання n= 0.5a.

Потужність збудження виконавчого двигуна з якірним керуванням до-рівнює електричним втратам в обмотці збудження (обмотці полюсів), Вт:

Pз = Із2rз. (1.3.6)

Так як струм збудження Із двигунів постійного струму незалежного збудження в декілька разів менший струму якоря в номінальному режимі, то потужність збудження Рз ~ Із2 складає невелику величину. Потужність збудження не залежить від навантаження двигуна, а в двигунах з збудженням від постійних магнітів ця потужність дорівнює нулю.

Потужність керування для двигунів з якірним керуванням, Вт,

Рк = UкІк = Р2 + Ік2rк + Рм + Рмех, (1.3.7)

тобто вона рівна сумі корисної механічної потужності Р2 і сумі електричних втрат в обмотці керування (якоря) Ік2rк, магнітних втрат в осерді якоря Рм і механічних втрат Рмех. Цю потужність представимо рівну різниці всієї споживаної двигуном потужності Р1 і втрат на збудження двигуна, Вт:

Рк = Р1 — Рз . (1.3.8)

Потужність збудження складає від 5% (у двигунах потужністю 250 Вт) до 30% (у двигунах потужністю до 7 Вт). Таким чином, потужність керування виконавчих двигунів з якірним керуванням рівна відповідно 95-70% від усієї підведеної до двигуна потужності. Це недолік якірного керування, так як необхідно застосовувати блоки керування значної потужності.

Виконавчий двигун з полюсним керуванням. Суттєвий недолік полюсного керування — можливість самоходу виконавчого двигуна. Це пояснюється тим, що після припинення сигналу керування двигун залишається збудженим за рахунок невеликого магнітного потоку залишкового магнетизму Фзал і на якір продовжує діяти невеликий електромагнітний момент, Н·м:

Мзал = смФзалІз, (1.3.9)

який при невеликому навантаженні на валу двигуна може викликати самовільне обертання якоря при a = 0. Для усунення самоходу двигун повинен мати на валу постійно діюче механічне навантаження Мн > Мзал.

Рівняння механічної характеристики двигуна з полюсним керуванням

m = a(1 — an). (1.3.10)

З (1.3.10) випливає, що механічні характеристики двигуна з полюсним керуванням прямолінійні, але на відміну від механічних характеристик двигуна з якірним керуванням вони не паралельні один одному (рис.1.3.3, а), тобто при різних коефіцієнтах сигналу жорсткість характеристик неоднакова (з зменшенням a жорсткість характеристик збільшується).

При полюсному керуванні частота обертання ідеального холостого ходу обернено пропорційна коефіцієнту сигналу:

nо = 1/a, (1.3.11)

так як частота обертання обернено пропорційна магнітному потоку.

Для двигунів малої потужності такий вплив a на частоту обертання безпечний, тому що механічне навантаження на якір таких двигунів, викликане тертям у підшипниках і обертового якоря об повітря, достатня для забезпечення обмеження частоти обертання двигуна. Але в двигунах потужністю в декілька десятків і більше ват при відсутності навантаження на валу і малих значеннях сигналу керування, а тим більше після припинення подачі сигналу частота обертання ротора може досягти небезпечного значення для механічної міцності двигуна. Для запобігання цього необхідно створити на валу двигуна постійно діючий момент навантаження такої величини, щоб частота обертання якоря не досягла небезпечного значення.

Рівняння регулюючої характеристики виконавчого двигуна з полюсним керуванням n = f(a) має вигляд

n = (a — m)/a2, (1.3.12)

що свідчить про криволінійність регулюючих характеристик виконавчих двигунів з полюсним керуванням (рис.1.3.3,б). Ця обставина — серйозний недолік полюсного керування, тим більше що при малих навантажувальних моментах (m £ 0.5) регулюючі характеристики неоднозначні, тобто при двох різних значеннях коефіцієнта сигналу можна одержати однакову частоту обертання. Цей недолік обмежує використання полюсного керування тільки для приводу пристроїв, що створюють момент опору на валу двигуна не менше 0.5Мп.

image006

Рис.1.3.3. Характеристики виконавчого двигуна з полюсним керуванням:

механічна (а), регулююча (б), механічної потужності(в)

Використовуючи (1.3.10), визначимо механічну потужність

Р2 = an — a2 n2. (1.3.13)

З характеристик механічної потужності Р2 = f(n) (рис.1.3.3, в) видно, що максимум механічної потужності відповідає частоті обертання n= 1/(2a). Підставляючи n = 1/(2a) в (1.3.13), отримаємо вираз максимальної механічної потужності

Р2max = a[1/(2a)] — a2[1/(4a2] = 1/4. (1.3.14)

З (1.3.14) випливає, що максимальна механічна потужність при полюсному керуванні не залежить від коефіцієнта сигналу a. Це перевага полюсного керування, що дозволяє при невеликих значеннях a отримувати значну механічну потужність.

Потужність збудження при полюсному керуванні дорівнює сумі механічної потужності, електричних втрат у колі якоря, магнітних і механічних втрат виконавчого двигуна:

Рз = UзІз = Р2 + Із2(rз+Rдод) + Рм + Рмех. (1.3.15)

Ця потужність складає до 70-90% всієї споживаної двигуном потужності. Інші 30-10% від усієї споживаної двигуном потужності Р1 складає потужність керування Рк.

Невелика величина потужності керування є перевагою полюсного керування виконавчими двигунами, тому що дозволяє в значній мірі зменшити потужність підсилювача в блоці керування.

Васюра А.С. – книга “Електромашинні елементи та пристрої систем управління і автоматики”

Один комментарий к “Керування виконавчими двигунами постійного струму”

  1. ЕГОР Says:

    Сайт норм :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen:



Оставьте комментарий к статье