Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3
1 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО
ТОКА 4
2 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ДВИГАТЕЛЕЙ 7
3 ТИПЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА 9
4 ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА 11
4.1. Рабочие характеристики 11
4.2 Механическая характеристика 14
5 ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ДПТ 18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 20

ВВЕДЕНИЕ
Электрические машины постоянного тока широко применяются в различных отраслях промышленности.
Значительное распространение электродвигателей постоянного тока объясняется их ценными качествами: высокими пусковым, тормозным и перегрузочным моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты вращения.
Электродвигатели постоянного тока используют для регулируемых приводов, например, для приводов различных станков и механизмов. Мощности этих электродвигателей достигают сотен киловатт. В связи с автоматизацией управления производственными процессами и механизмами расширяется область применения маломощных двигателей постоянного тока общего применения мощностью от единиц до сотен ватт.
В зависимости от схемы питания, обмотки возбуждения машины постоянного тока разделяются на несколько типов (с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением).
Вначале создавались машины постоянного тока. В дальнейшем они в значительной степени были вытеснены машинами переменного тока. Благодаря возможности плавного и экономичного регулирования скорости вращения двигатели постоянного тока сохраняют свое доминирующее значение на транспорте, для привода металлургических станков, в крановых и подъемно-транспортных механизмах. В системах автоматики машины постоянного тока широко используются в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных усилителей.
1 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Устройство машин постоянного тока (генераторов и двигателей) в упрощенном виде показано на рис.1.1. К стальному корпусу 1 статора машины прикреплены главные 2 и дополнительные 4 полюса. На главных полюсах расположена обмотка возбуждения 3, на дополнительных – обмотка дополнительных полюсов 5. Обмотка возбуждения создает магнитный поток Ф машины.
Рисунок 1.1 - Устройство машины постоянного тока
На валу 10 двигателя закреплен цилиндрический магнитопровод 6, в пазах которого расположена обмотка якоря 7. Секции обмотки якоря присоединены к коллектору 9. К нему же прижимаются пружинами неподвижные щетки 8. Закрепленный на валу двигателя коллектор состоит из ряда изолированных от него и друг от друга медных пластин. С помощью коллектора, и щеток осуществляется соединение обмотки якоря с внешней электрической цепью. У двигателей они, кроме того, служат для преобразования постоянного по направлению тока внешней цепи в изменяющийся по направлению ток в проводниках обмотки якоря.
Дополнительные полюса с расположенной на них обмоткой уменьшают искрение между щетками и коллектором машины. Обмотку дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря и на электрических схемах часто не изображают.
Для уменьшения потерь мощности магнитопровод якоря выполнен из отдельных стальных листов. Все обмотки изготовлены из изолированного провода. Кроме двигателей, имеющих два главных полюса, существуют машины постоянного тока с четырьмя и большим количеством главных полюсов. При этом соответственно увеличивается количество дополнительных полюсов и комплектов щеток.
Если двигатель включен в сеть постоянного напряжения, то при взаимодействии магнитного поля, созданного обмоткой возбуждения, и тока в проводниках якоря возникает вращающий момент, действующий на якорь:
(1)
(2)
где КМ – коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины;
Ф – магнитный поток одного полюса;
IЯ – ток якоря.
Если момент двигателя при n = 0 превышает тормозящий момент, которым нагружен двигатель, то якорь начнет вращаться. При увеличении частоты вращения n возрастает индуцируемая в якоре ЭДС. Это приводит к уменьшению тока якоря:
(3)
где rЯ - сопротивление якоря.
Следствием уменьшения тока IЯ является уменьшение момента двигателя. При равенстве моментов двигателя и нагрузки частота вращения перестает изменяться.
Направление момента двигателя и, следовательно, направление вращения якоря зависят от направления магнитного потока и тока в проводниках обмотки якоря. Чтобы изменить направление вращения двигателя, следует изменить направление тока якоря либо тока возбуждения.
2 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ДВИГАТЕЛЕЙ
В паспорте двигателя и справочной литературе на двигатели постоянного тока указаны следующие технические данные: номинальные напряжение Uи, мощность Pн, частота вращения nн, ток Iн, КПД.
Под номинальным Uн понимают напряжение, на которое рассчитаны обмотка якоря и коллектор, а также в большинстве случаев и параллельная обмотка возбуждения. С учетом номинального напряжения выбирают электроизоляционные материалы двигателя.
Номинальный ток Iн – максимально допустимый ток (потребляемый из сети), при котором двигатель нагревается до наибольшей допустимой температуры, работая в том режиме (длительном, повторно-кратковременном, кратковременном), на который рассчитан:
где Iян — ток якоря при номинальной нагрузке;
Iвн – ток обмотки возбуждения при номинальном напряжении.
Следует отметить, что ток возбуждения Iвн двигателя параллельного возбуждения сравнительно мал, поэтому при номинальной нагрузке обычно принимают
Номинальная мощность Рн - это мощность, развиваемая двигателем на валу при работе с номинальной нагрузкой (моментом) и при номинальной частоте вращения nн.
Частота вращения nн, и КПД соответствуют работе двигателя с током Iн, напряжением Uн без дополнительных резисторов в цепях двигателя.
В общем случае мощность на валу P2, момент М и частота вращения n связаны соотношением:
Потребляемая двигателем из сети мощность Р1, величины P2, КПД, U, I связаны соотношениями:
где
Очевидно, что эти соотношения справедливы также и для номинального режима работы двигателя.
3 ТИПЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Двигатель постоянного тока, является наиболее часто используемым приводом для создания непрерывного движения, скорость вращения которого легко регулируется, что делает их идеальными для использования в устройствах, таких как регулирование скорости, управление сервоприводом и/или требуется позиционирование. Двигатель постоянного тока состоит из двух частей: статор, который является неподвижной частью, и ротор, который является вращающейся частью. В результате доступно три типа двигателей постоянного тока.
Коллекторный двигатель – этот тип двигателя создает магнитное поле в намотанном роторе (вращающаяся деталь), пропуская электрический ток через узел коммутатора и угольной щетки, отсюда и термин «щеточный». Магнитное поле статоров (неподвижная часть) создается с помощью обмотки статора или постоянных магнитов. Обычно моторы с щеткой постоянного тока дешевые, маленькие и легко управляемые.
Бесколлекторный двигатель – этот тип двигателя создает магнитное поле в роторе, используя постоянные магниты, прикрепленные к нему, и коммутация достигается с помощью электроники. Они, как правило, меньше, но дороже, чем обычные двигатели постоянного тока щеточного типа, потому что они используют переключатели «эффекта Холла» в статоре для получения требуемой последовательности вращения поля статора, но они имеют лучшие характеристики крутящего момента / скорости, более эффективны и имеют более длительный срок эксплуатации. чем эквивалентные коллекторные типы.
Серводвигатель – этот тип двигателя в основном представляет собой коллекторный двигатель постоянного тока с некоторой формой управления позиционной обратной связью, подключенной к валу ротора. Они подключены к контроллеру типа ШИМ и управляются им, и в основном используются в системах позиционного управления и радиоуправляемых моделях.
Обычные двигатели постоянного тока имеют почти линейные характеристики, скорость вращения которых определяется приложенным напряжением постоянного тока, а их выходной крутящий момент определяется током, протекающим через обмотки двигателя. Скорость вращения любого двигателя постоянного тока может варьироваться от нескольких оборотов в минуту (об/мин) до многих тысяч оборотов в минуту, что делает их пригодными для применения в электронике, автомобилестроении или робототехнике. При подключении их к коробкам передач или зубчатым передачам их выходная скорость может быть уменьшена, в то же время увеличивая крутящий момент двигателя на высокой скорости.
4 ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
4.1. Рабочие характеристикиРабочими называются регулировочная, скоростная, моментная и к.п.д. характеристики.
Регулировочная характеристика представляет зависимость скорости вращения П от тока Iв возбуждения в случае, если ток Iа якоря и напряжение U сети остаются неизменными, т. е. n=f(Iв) при Ia=const и U=const.
До тех пор, пока сталь магнитопривода машины не насыщена, поток Ф изменяется пропорционально току возбуждения Iв. В этом случае регулировочная характеристика является гиперболической. По мере насыщения при больших токах Iв характеристика приближается к линейной (рис. 4.1). При малых значениях тока Iв скорость вращения резко возрастает. Поэтому при обрыве цепи возбуждения двигателя (Iв = 0) с параллельным возбуждением скорость его вращения достигает недопустимых пределов, как говорят: «Двигатель идет вразнос». Исключение могут составлять микродвигатели, которые имеют относительно большой момент М0 холостого хода.
Рисунок 4.1 – Регулировочная характеристика двигателя
В двигателях последовательного возбуждения Iв = Iа. При малых нагрузках ток якоря Iа мал и скорость вращения может быть слишком большой, поэтому пуск и работа при малых нагрузках недопустимы. Микродвигатели так же, как и. в предыдущем случае, могут составлять исключение.
Скоростные характеристики дают зависимость скорости вращения п от полезной мощности Р2 на валу двигателя в случае, если напряжение U сети и сопротивление rв регулировочного реостата цепи возбуждения остаются неизменными, т. е. n=f(P2), при U=const и rв = const.
Рисунок 4.2 – Скоростные характеристики
С возрастанием тока якоря при увеличении механической нагрузки двигателя параллельного возбуждения одновременно увеличивается падения напряжения в якоре и появляется реакция якоря, которая обычно действует размагничивающим образом. Первая причина стремится уменьшить скорость вращения двигателя, вторая – увеличить. Действие падения напряжения в якоре обычно оказывает большее влияние. Поэтому скоростная характеристика двигателя параллельного возбуждения имеет слегка падающий характер (кривая 1, рис. 4.2).
В двигателе последовательного возбуждения ток якоря является током возбуждения. В результате скоростная характеристика двигателя с последовательным возбуждением имеет характер, близкий к гиперболическому. При увеличении нагрузки по мере насыщения магнитной цепи характеристика приобретает более прямолинейный характер (кривая 3 на рис. 4.2).
В компаундном двигателе при согласном включении обмоток скоростная характеристика занимает промежуточное положение между характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения (кривая 2).
Моментные характеристики показывают, как изменяется момент М при изменении полезной мощности Р2 на валу двигателя, если напряжение U сети и сопротивление rв регулировочного реостата в цепи возбуждения остаются неизменными, т. е. М = f(P2), при U=const, rв=const.
Полезный момент на валу двигателя
Ммех=P2ω=602π∙P2nЕсли скорость вращения двигателя параллельного возбуждения не изменялась бы с нагрузкой, то зависимость момента Ммех от полезной мощности графически представляла бы прямую линию, проходящую через начало координат. В действительности скорость вращения с увеличением нагрузки падает. Поэтому характеристика полезного момента несколько загибается кверху (кривая 2, рис. 4.3). При этом кривая электромагнитного момента М проходит выше кривой полезного момента Ммех на постоянную величину, равную моменту холостого хода М0 (кривая 1).
Рисунок 4.3 – Моментные характеристики
В двигателе последовательного возбуждения вид моментной характеристики приближается к параболическому, так как изменение момента от тока нагрузки происходит, по закону параболы, пока сталь не насыщена. По мере насыщения зависимость приобретает более прямолинейный характер (кривая 4). В компаундном двигателе моментная характеристика (кривая 3) занимает промежуточное положение между характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения.
Кривая зависимости к. п. д. от нагрузки имеет характерный для всех двигателей вид (рис. 4.4). Кривая проходит через начало координат и быстро растет при увеличении полезной мощности до 1/4 номинальной. При мощности Р2, равной примерно 2/3 номинальной, к. п. д. обычно достигает максимального значения. При увеличении нагрузки до номинальной к. п. д. остается постоянным или незначительно падает.
Рисунок 4.4 – Изменение к. п. д. двигателя
4.2 Механическая характеристикаВажнейшей характеристикой двигателя является механическая n(M). Она показывает, как зависит частота вращения двигателя от развиваемого момента. Если к обмоткам двигателя подведены номинальные напряжения и отсутствуют дополнительные резисторы в его цепях, то двигатель имеет механическую характеристику, называемую естественной. На естественной характеристике находится точка, соответствующая номинальным данным двигателя (Мн, Ря и т.д.). Если же напряжение на обмотке якоря меньше номинального, либо Iв < Iвн, то двигатель будет иметь различные искусственные механические характеристики. На этих характеристиках двигатель работает при пуске, торможении, реверсе и регулировании частоты вращения.
Относительно частоты вращения, получим уравнение электромеханической характеристики n(Iя):
После замены в предыдущем уравнении тока Iя, получим уравнение механической характеристики n(М):
При Ф = соnst, электромеханическая n(Iя) и механическая n(М) характеристики двигателя параллельного возбуждения представляют собой прямые линии. Так как за счет реакции якоря магнитный поток немного изменяется, то характеристики в действительности несколько отличаются от прямых.
При работе вхолостую (М=0) двигатель имеет частоту вращения холостого хода, определяемую первым членом уравнения. С увеличением нагрузки n уменьшается. Как следует из уравнения, это объясняется наличием сопротивления якоря rя.
Поскольку rя не велико, частота вращения двигателя при увеличении момента изменяется мало, и двигатель имеет жесткую естественную механическую характеристику (рис. 4.5, характеристика 1).
Из уравнения следует, что регулировать частоту вращения при заданной постоянной нагрузке (М = const) можно тремя способами:
а) изменением сопротивления цепи якоря;
б) изменением магнитного потока двигателя;
в) изменением напряжения на зажимах якоря.
Рисунок 4.5 – Механические характеристики
Для регулирования частоты вращения первым способом в цепь якоря. должно быть включено добавочное сопротивление rд. Тогда сопротивление необходимо заменить на rя + rд.
Как следует из уравнения, частота вращения n связана с сопротивлением цепи якоря rя + rд при постоянной нагрузке (М = const) линейной зависимостью, т.е. при увеличении сопротивления частота вращения уменьшается. Разным сопротивлениям rд соответствуют различные искусственные механические характеристики, одна из которых приведена на рис.4.1 (характеристика 2). С помощью характеристики 2 при заданном моменте М1 можно получить частоту вращения n2.
Изменение частоты вращения вторым способом осуществляется с помощью регулируемого источника напряжения UD2. Изменяя его напряжение регулятором R2, можно изменить ток возбуждения IВ и тем самым магнитный поток двигателя. Как видно из уравнения, при постоянной нагрузке (М = соnst) частота вращения находится в сложной зависимости от магнитного потока Ф. Анализ уравнения показывает, что в некотором диапазоне изменения магнитного потока Ф уменьшение последнего приводит к увеличению частоты вращения. Именно этот диапазон изменения потока используют при регулировании частоты вращения.
Каждому значению магнитного потока соответствует искусственная механическая характеристика двигателя, одна из которых приведена на рис.4.1 (характеристика 4). С помощью характеристики 4 при моменте М1 можно получить частоту вращения n4.
Чтобы регулировать частоту вращения изменением напряжения на зажимах якоря, необходимо иметь относительно мощный регулируемый источник напряжения. Каждому значению напряжения соответствует искусственная механическая характеристика двигателя, одна из которых приведена на рис. 4.2 (характеристика 3). С помощью характеристики 3 при заданном моменте М1 можно получить частоту вращения n3.
5 ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ДПТ
Достоинства:
простота устройства и управления;
практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя;
легко регулировать частоту вращения;
хорошие пусковые свойства (большой пусковой момент);
так как ДПТ являются обратимыми машинами, появляется возможность использования их как в двигательном, так и в генераторном режимах.
Недостатки:
дороговизна изготовления;
необходимость профилактического обслуживания коллекторно-щёточных узлов;
ограниченный срок службы из-за износа коллектора.
(Последние два недостатка на современном этапе развития ДПТ почти не ощутимы).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кацман М.М. Электрические машины. -М.: Высш. шк., 1993.
2. Копылов И.П. Электрические машины. -М.: Энергоатомиздат, 1986
3. «Общий курс электропривода» М.Г. Чиликин, «Энергия» Москва 1971 г.
4.«Технические средства АСУ ТП» В.Д. Родионов, В.А. Терехов, В.Б. Яковлев. Москва, «Высшая школа» 1989 г.
5. Рихтер Р. Электрические машины. Т. 1. Расчетные элементы общего значения. Машины постоянного тока. — М,; Л.: ОНТИ : Госэнергоиздат, 1961.