Функциональная схема двигателя постоянного тока

Устройство и принцип действия ДПТ

Исследование двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Электрические двигатели постоянного тока (ДПТ) отличает от других двигателей наличие специального механического коммутатора – коллектора. Несмотря на то, что из-за этого ДПТ менее надежны и дороже двигателей переменного тока, имеют большие габариты, они находят применение, когда их особые свойства имеют решающее значение. Часто ДПТ обладают преимуществами перед двигателями переменного тока по диапазону и плавности регулирования частоты вращения, по перегрузочной способности и экономичности, по возможности получения характеристик специального вида, и т.д.

В настоящее время ДПТ применяют в электроприводах прокатных станов, различных подъемных механизмов, металлообрабатывающих станков, роботов, на транспорте и т.д. ДПТ небольшой мощности используют в различных автоматических устройствах.

Устройство и принцип действия ДПТ

Внешний вид двигателя постоянного тока показан на рис. 1, а его поперечный разрез в упрощенном виде – на рис. 2. Как и любая электрическая машина, он состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор неподвижен, ротор вращается. Статор состоит из массивного стального корпуса 1, к которому прикреплены главные полюсы 2 и дополнительные полюсы 4. Главные полюсы 2 имеют полюсные наконечники, служащие для равномерного распределения магнитной индукции по окружности якоря. На главных полюсах размещают обмотки возбуждения 3, а на дополнительных – обмотки дополнительных полюсов 5.

Рис. 1. Внешний вид двигателя постоянного тока

Рис. 2. Поперечный разрез ДПТ (условное изображение): 1 – корпус; 2 – главные полюсы; 3 – обмотка возбуждения; 4 – дополнительные полюсы; 5 – обмотка дополнительных полюсов; 6 – якорь; 7 – обмотка якоря; 8 – щетки; 9 – коллектор; 10 – вал.

В пазах, расположенных на поверхности якоря 6, размещается обмотка якоря 7, выводы от которой присоединяют к расположенному на валу 10 коллектору 9. К коллектору с помощью пружин прижимаются графитные, угольно-графитные или медно-графитные щетки 8.

Обмотка возбуждения машины питается постоянным током и служит для создания основного магнитного поля, показанного на рис. 2 условно с помощью двух силовых линий, изображенных пунктиром. Дополнительные полюсы 4 уменьшают искрение между щетками и коллектором. Обмотку дополнительных полюсов 5 соединяют последовательно с обмоткой якоря 7 и на электрических схемах часто не изображают. На рис. 2 показана машина постоянного тока с двумя главными полюсами. В зависимости от мощности и напряжения машины могут иметь и большее число полюсов. При этом соответственно увеличивается число комплектов щеток и дополнительных полюсов.

У ДПТ с независимым возбуждением, как показано на рис. 3, электрические цепи обмоток якоря 1 и возбуждения 2 электрически не связаны и подключаются к различным источникам питания с напряжениями и . Как правило, . В общем случае последовательно с якорной обмоткой и обмоткой возбуждения могут быть включены дополнительные резисторы r_д и r_р (см. рис.3). Их назначение будет пояснено далее.

Двигатели относительно небольшой мощности обычно изготавливают на одинаковые напряжения и . В этом случае цепи обмоток якоря и возбуждения соединяют между собой параллельно и подключают к общему источнику питания с напряжением . Такие ДПТ называют двигателями параллельного возбуждения. Если мощность источника питания значительно превышает мощность двигателя, то процессы в якорной обмотке и в обмотке возбуждения протекают независимо. Поэтому такие двигатели являются частным случаем ДПТ независимого возбуждения и их свойства одинаковы.

Рис. 3. Электрическая схема подключения ДПТ независимого возбуждения: 1 – цепь обмотки якоря; 2 – цепь обмотки возбуждения.

При подключении двигателя к источнику питания в обмотке якоря протекает ток I_я, который взаимодействует с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения. В результате этого возникает электромагнитный момент, действующий на якорь

, (1)

где k – коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины; Ф – магнитный поток одного полюса.

При превышении моментом М момента сопротивления нагрузки М_с якорь начинает вращаться с угловой скоростью w и в нем наводится ЭДС

(2)

У двигателей полярность ЭДС Е противоположна полярности напряжения источника U, поэтому с ростом скорости w ток I_я уменьшается

(3)

где r_я – сопротивление якорной цепи двигателя при r_д = 0.

Из соотношения (1) следует, что это приводит к снижению электромагнитного момента. При равенстве моментов и скорость вращения якоря перестает изменяться. Чтобы изменить направление вращения двигателя следует изменить полярность напряжения . Это приведет к изменению направления тока и направления момента . Двигатель начнет замедляться, а затем разгонится в обратную сторону.

Пуск двигателя

В первое мгновение при пуске скорость двигателя w = 0 и в соответствии с формулой (2) ЭДС якоря Е = 0. Поэтому при подключении якоря двигателя к напряжению пусковой ток якоря , как следует из формулы (3), ограничивается только сопротивлением якорной цепи r_я (при r_д=0)

(4)

Значение сопротивления относительно невелико (обычно в пределах 1 Ом), поэтому если напряжение близко по значению к номинальному напряжению, значение пускового тока может в (10–30) раз превышать номинальное значение тока двигателя . Это недопустимо, поскольку ведет к сильному искрению и разрушению коллектора, а при частых пусках возможен перегрев обмотки якоря.

Как следует из формулы (4), одним из вариантов ограничения пускового тока является увеличение суммарного сопротивления якорной цепи ДПТ при неизменном значении напряжения U. Для этого последовательно с якорем включают дополнительный пусковой реостат (на рис. 3 не показан), который обычно выполняют в виде нескольких ступеней. Ступени пускового реостата выключают поэтапно по мере увеличения скорости двигателя. При этом в якоре двигателя за время пуска могут выделяться значительные потери мощности.

Более экономичным способом снижения пускового тока является пуск ДПТ при плавном увеличении напряжения на якоре U по мере разгона двигателя и увеличения ЭДС Е. Как следует из выражения (3), можно подобрать такой темп увеличения напряжения U, при котором ток на протяжении всего времени пуска не будет превышать допустимого значения. В лабораторной установке, используемой при выполнении данной работы, используется именно этот более экономичный способ ограничения пускового тока.

Дата добавления: 2016-06-29 ; просмотров: 9475 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Схема включения и статические характеристики двигателей постоянного тока с независимым возбуждением, работающих в электроприводах

Статические характеристики электроприводов зависят от технологического процесса, выполняемого производственным механизмом, а уже по статическим характеристикам выбирают тип электродвигателя, который необходим для выполнения технологических процессов данного производственного механизма .

Статические характеристики зависят от типа двигателя, а у двигателей постоянного тока – от способа возбуждения.

Схема включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

Для того чтобы двигатель привести во вращение на обмотку возбуждения надо подать напряжение, по обмотке возбуждения потечет ток i_δ и в машине создастся основной магнитный поток Ф_δ. Затем на обмотку якоря нужно подать напряжение, по обмотке якоря потечет ток I_а и в якоре возникнет ЭДС E_а. На валу двигателя возникнет момент M и вращаться он будет со скоростью ω. Собственное сопротивление двигателя r_а состоит из сопротивления обмотки якоря r_оя,сопротивления дополнительных полюсов r_дп, сопротивления компенсационной обмотки для машин мощностью больше 7 кВт и сопротивления в щеточном аппарате.

Вообще и якорь и обмотка возбуждения обладают индуктивным сопротивлением, но оно настолько мало, что обычно не учитывается при расчетах.

Связь между скоростью вращения и током якоря выражается зависимостью (1) и называется уравнением электромеханической характеристики двигателя постоянного тока.

Зависимость (2) называется уравнением механической характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

Как видно из уравнений (1) и (2) и электромеханическая и механическая характеристики представляют собой линейные зависимости между скоростью и током, скоростью и моментом.

Электромеханическая и механическая характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

Электромеханическая и механическая характеристики имеют одинаковый вид в разном масштабе.

Уравнение механической характеристики:

Δω называется перепадом скорости относительно скорости идеального холостого хода под действием нагрузки.

Характеристики 1 и 2 отличаются только полярностью на якоре двигателя. Характеристика 3 может быть получена по следующией схеме:

Схема двигателя постоянного тока с независимым возбуждением для получения характеристики динамического (реостатного) торможения.

3 – характеристика реостатного торможения.

Если напряжение равно нулю, то ω = -Δω.

ω = -[(M·R_а) / (C_M·Ф_δ) 2 ] – уравнение 3-й характеристики.

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана». Эл № ФС 77 — 48211. ISSN 1994-0408

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Одной из важных задач в курсе «Проектирование приводов станков» является процесс перехода от теоретических моделей к управлению реальным двигателем. Этот вопрос удобно осветить на основе схемы управления двигателем постоянного тока.

Двигатели постоянного тока широко использовались в отечественных станках с ЧПУ (например, двигатель ДТ550ПГ в станке МС12-250). Современная элементная база позволяет спроектировать надежное и недорогое устройство управления этими двигателями. В данной статье описаны методики разработки схем управления высокомоментными двигателями постоянного тока на биполярных и полевых транзисторах.

Как правило, управление двигателем постоянного тока осуществляется изменением напряжения, подаваемого на концы обмотки якоря. Для реверсирования двигателя необходимо менять полярность этого напряжения. Для этого используется мостовая схема (Н-мост), состоящая из четырех силовых ключей и различных управляющих элементов. Управляющий сигнал, подаваемый на силовую часть схемы, в обоих случаях генерировался с помощью микроконтроллера ATmega8 фирмы ATMEL . Для изменения напряжения (аналогового сигнала) используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Микроконтроллер генерирует на выводе OC1A ШИМ-сигнал с определенным коэффициентом заполнения (см. рис. 1).

Рисунок 1. ШИМ – сигнал.

Коэффициент заполнения определяет среднее значение напряжения, которое может составлять от 0 до 5 В на выводе микроконтроллера, что соответствует 0..43 В, подаваемым на обмотку якоря двигателя. На графике показаны сигналы с коэффициентом заполнения 0,25 и 4. Пунктирная линия соответствует средним значениям напряжения – 1 В и 4 В соответственно. Коэффициент заполнения устанавливается с помощью установки значения регистра OCR1AL (для 8-битного ШИМ, который используется для управления двигателем). Это позволяет установить 256 различных скоростей вращения электродвигателя. Значению OCR1AL = 0 соответствует среднее напряжение на выводе OC1A 0 В (скорость двигателя 0 мин -1 ), значению OCR1AL = 255 соответствует напряжение 5 В (номинальная скорость двигателя – 1500 мин -1 без нагрузки). Частота ШИМ-сигнала составляет 4 000 000 / 256 = 15 625 Гц.

Силовая часть мостовой схемы, спроектированной на биполярных транзисторах, приведена на рисунке 2. Она состоит из четырех силовых транзисторов, двух управляющих транзисторов, резисторов, ограничивающих базовые токи, шунтирующих диодов и гальванической развязки в виде двух оптопар. Питание Н-моста происходит от блока питания, подающего постоянное напряжение +50 В относительно земли.

Рисунок 2. Блок управления двигателем на биполярных транзисторах

Входным сигналом являются напряжения на каналах А и Б. Возможны три режима работы:

1) На канал А подается ШИМ-сигнал (или постоянное положительное напряжение +5 В), на канал Б – 0 В. Управляющий транзистор V T 5 открыт, V T 6 – закрыт. Через сопротивление 1 КОм в цепи коллектора транзистора V T 5 протекает ток, открывающий транзисторы силовые V T 1 и V T 4; транзисторы V T 2 и V T 3 закрыты. Таким образом на конце обмотки Я1 потенциал составляет +50 В, на конце обмотки Я2 – 0В. Вал двигателя вращается по часовой стрелке.

1) На канал Б подается ШИМ-сигнал (или постоянное положительное напряжение +5 В), на канал А – 0 В. Управляющий транзистор V T 6 открыт, V T 5 – закрыт. Через сопротивление 1 КОм в цепи коллектора транзистора V T 6 протекает ток, открывающий транзисторы силовые V T 2 и V T 3; транзисторы V T 1 и V T 4 закрыты. Таким образом на конце обмотки Я1 потенциал составляет 0 В, на конце обмотки Я2 – +50 В. Вал двигателя вращается по часовой стрелке.

в) На оба канал подается 0 В. Все тразисторы закрыты, на концах обоих обмоток потенциал 0 В. Вал двигателя не вращается.

В случае подачи положительного напряжения на оба канала А и Б произойдет короткое замыкание; этот случай предотвращается управляющей частью схемы.

Все транзисторы работают в ключевом режиме, т.е. при подаче тока на базу «открываются» (переходят в режим насыщения), в противном случае «закрыты» (режим отсечки). В таком режиме работы мощность, выделяющаяся на транзисторах минимальна.

Транзисторы VT1 и VT2 должны обеспечивать подачу потенциала +50 В к ДПТ; поскольку максимальное напряжение в схеме +50 В, были выбраны биполярные транзисторы pnp-типа. Транзисторы VD3 и VD4 должны заземлять концы обмоток якоря ДПТ, поэтому были выбраны биполярные транзисторы npn -типа. Управляющие транзисторы также представляют собой биполярные транзисторы npn -типа в силу их невысокой стоимости.

Резисторы в цепях баз силовых и управляющих транзисторах рассчитаны так, чтобы обеспечивать полное открытие (переход в режим насыщения) в широком температурном диапазоне, и при этом не создавать излишне высоких токов в цепях баз транзисторов.

Характерной особенностью ДПТ является резкое увеличение тока базы в момент пуска; измеренный ток составляет 10 А.

Поскольку нагрузка силовой части схемы представляет собой индуктивность (обмотка якоря ДПТ), в момент закрытия силовых транзисторов между их эмиттерами и коллекторами происходит резкое увеличение обратного напряжения, что может привести к выходу из строя транзисторов. Для предотвращения этого в схеме предусмотрены шунтирующие диоды.

Для гальванической развязки силовой и управляющей частей схемы используются две оптопары (по одной на каждый канал – А и Б), что обеспечивает надежную защиту микроконтроллера от непредвиденных ситуаций.

Требования к силовым транзисторам:

– максимальное напряжение между коллектором и эмиттером U_{кэr max} не меньше 50 В;

– максимально допустимый коллекторный ток I_{к max} не меньше 10 А;

– частота срабатывания не меньше 1 МГц.

С учетом этих требований были выбраны следующие транзисторы:

VT 1, VT 2 – КТ825Г. Их параметры приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры транзисторов КТ825Г

Принцип действия двигателя постоянного тока

Устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, может использоваться как двигатель или генератор, так как конструкция и принцип действия двигателя постоянного тока (ДПТ) аналогична конструкции генератора. Особенностью ДПТ является механический инвертор (коммутатор). Этот коммутатор имеет скользящие контакты в виде щёток, которые расположены так, что они изменяют полярность обмоток якоря (катушек) во время вращательного движения.

• Особенности и устройство ДПТ
  • История изобретения
  • Конструкция двигателя
• Принцип действия и использование
  • Настройка скорости
  • Современное применение

Особенности и устройство ДПТ

ДПТ представляет собой вращающуюся электрическую машину, работающую от постоянного тока. В зависимости от направления потока мощности проводится различие между двигателем (электродвигатель с электрической и механической мощностью) и генератором (электрический генератор, на который подаётся механическая мощность, а также электроэнергия). ДПТ могут запускаться под нагрузкой, их скорость легко изменить. В режиме генератора ДПТ преобразует напряжение переменного тока, подаваемое ротором, в пульсирующее постоянное напряжение.

История изобретения

Основываясь на развитии первых гальванических элементов в первой половине XIX века, первыми электромеханическими преобразователями энергии были машины постоянного тока. Первоначальная форма электродвигателя была разработана в 1829 году, а в 1832 году француз Ипполит Пиксии построил первый генератор. Антонио Пачинотти построил в 1860 году электродвигатель постоянного тока с многокомпонентным коммутатором. Фридрих фон Хефнер-Алтенек разработал барабанный якорь в 1872 году, который открыл возможность промышленного использования в области крупномасштабного машиностроения.

В последующие десятилетия такие машины из-за развития трехфазного переменного тока потеряли свою значимость в крупномасштабном машиностроении. Синхронные машины и системы с низким уровнем обслуживания асинхронного двигателя заменили их во многих устройствах.

Конструкция двигателя

Чтобы понять принцип действия ДПТ, нужно сначала изучить его конструктивные особенности, одной из которых является то, что в магнитном поле постоянного магнита установлен вращающийся проводящий контур.

Упрощая эту структуру, можно сказать, что двигатель состоит из двух основных компонентов:

1. Основной магнит (постоянный магнит), который прикреплён к статору. Магнитное поле также может быть электрически сгенерировано. На статоре находятся так называемые возбуждающие обмотки (катушки).
2. Проводящая петля (арматура) на сердечнике якоря, обычно состоящая из слоистых металлических листов.

Обе конструкции называются двигателями постоянного тока с внешним возбуждением. Электродинамический закон указывает, что токопроводящая петля проводника в магнитном поле представляет собой силу [F], зависящую от тока [I] и напряжённости магнитного поля [B]. Токопроводящий проводник окружен круговым магнитным полем. Если объединить магнитное поле магнитного поля с магнитным полем проводящей петли, можно обнаружить суперпозицию двух полей, а также результирующий силовой эффект.

Обмотка якоря состоит из двух половин катушки. Если применить напряжение постоянного тока к двум концам обмотки якоря, можно представить, что движущиеся носители заряда поступают в нижнюю половину катушки из верхней половины катушки.

Каждая токопроводящая катушка развивает собственное магнитное поле, и магнитное поле постоянного магнита накладывается на магнитное поле нижней половины катушки и поле верхней половины катушки. Линии поля постоянного магнитного поля всегда одного направления, они всегда показывают с севера на южный полюс. Напротив, поля двух половин катушки имеют противоположные направления.

В левой части поля половины катушки полевые линии поля возбудителя и поля катушки имеют одно и то же направление. Благодаря этому силовому эффекту в противоположном направлении на нижнем и верхнем концах арматуры создаётся крутящий момент, который вызывает вращательное движение якоря.

Якорь представляет собой так называемый двутавровый якорь. Эта конструкция получила название из-за своей формы, которая напоминает два составных «Т». Катушки якоря соединены с платами коммутатора (коллектора). Подача тока в обмотке якоря обычно осуществляется через угольные щётки, которые обеспечивают скользящий контакт с вращающимся коммутатором и подают катушкам электричество. Щётки изготавливаются из самосмазывающихся графитов, частично смешанных с медным порошком для небольших двигателей.

Принцип действия и использование

Это устройство представляет собой электромашину, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что всякий раз, когда проводник, переносимый током, помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу.

Постоянный магнит преобразовывает электрическую энергию в механическую через взаимодействие двух магнитных полей. Одно поле создаётся сборкой постоянными магнитами, другое — электрическим током, протекающим в обмотках двигателя. Эти два поля приводят к крутящему моменту, который имеет тенденцию вращать ротор. Когда ротор вращается, ток в обмотках коммутируется, обеспечивая непрерывный выход крутящего момента.

Коммутатор состоит из проводящих сегментов (стержней) из меди, которые представляют собой завершение отдельных катушек проволоки, распределённых вокруг арматуры. Вторая половина механического выключателя комплектуется щётками. Эти щётки обычно остаются неподвижными с корпусом двигателя.

По мере прохождения электрической энергии через щётки и арматуру создаётся крутильная сила в виде реакции между полем двигателя и якорем, вызывающим поворот якоря двигателя. Когда арматура поворачивается, щётки переключаются на соседние полосы на коммутаторе. Это действие переносит электрическую энергию на соседнюю обмотку и якорь.

Движение магнитного поля достигается переключением тока между катушками внутри двигателя. Это действие называется коммутацией. Очень многие двигатели имеют встроенную коммутацию. Это означает, что при вращении двигателя механические щётки автоматически коммутируют катушки на роторе.

Настройка скорости

ДПТ можно легко регулировать. Скорость можно изменить с помощью следующих переменных:

1. Напряжение якоря U_A (управление напряжением).
2. Основной поток поля (полевое управление), сила магнитного поля.
3. Анкерное сопротивление.

Простейшим методом управления скоростью вращения является управление приводным напряжением. Чем выше напряжение, тем выше скорость, которую двигатель пытается достичь. Во многих приложениях простое регулирование напряжения может привести к большим потерям мощности в цепи управления, поэтому широко используется метод широтно-импульсной модуляции.

В основном способе с широтно-импульсной модуляцией рабочая мощность включается и выключается для модуляции тока. Отношение времени включения к «выключенному» времени определяет скорость двигателя.

Электродвигатель с внешним возбуждением легко контролировать, поскольку токи через обмотки якоря и статора можно контролировать отдельно. Поэтому такие двигатели имели определённое значение, особенно в области высоко динамичных приводных систем, например, для привода станков с точной регулировкой скорости и крутящего момента.

Современное применение

ДПТ используются в различных областях.

Он является важным элементом в различных продуктах:

1. игрушках;
2. сервомеханических устройствах;
3. приводах клапанов;
4. роботах;
5. автомобильной электронике.

Высококачественные предметы повседневного назначения (кухонные приборы) используют серводвигатель, известный как универсальный двигатель. Эти универсальные двигатели являются типичными ДПТ, в которых стационарные и вращающиеся катушки представляют собой последовательные провода.