Устройство и работа двигателя постоянного тока кратко

О приводе постоянного тока

Устройство двигателей постоянного тока

Двигатель постоянного тока (ДПТ) является электрической машиной, преобразующей электрическую энергию в механическую для осуществления технологических процессов в различных областях человеческой деятельности. Основными применениями в промышленности для ДПТ являются процессы, в которых необходимо поддерживать и регулировать скорость вращения вала двигателя независимо от величины нагрузки, например, в металлургии, станкостроении.

В соответствии с принципом действия, двигатели постоянного тока имеют три основных функциональных элемента: магнитную систему с постоянным или регулируемым магнитным полем, обмотку, в которой происходит преобразование энергии и расположенную на вращающейся части двигателя (якоре), и щеточно-коллекторный узел, преобразующий знакопостоянное напряжение на внешних зажимах в переменную ЭДС обмотки якоря.

Магнитная система двигателей постоянного тока включает в себя станину, главные полюса и якорь. Магнитная система может быть с постоянными магнитами и с электромагнитами. Массовое применение в промышленности нашли ДПТ с электромагнитами. Ниже речь идет о таких двигателях.
Станина имеет вид полого цилиндра и выполняется из чугуна или стали.
Главные полюса имеют вид буквы «Т» с вогнутой северху горизонтальной частью, повторяющей форму цилиндрического ротора. Причем эта часть называется полюсным наконечником, а вертикальная ножка – сердечником. На сердечнике наматывается обмотка возбуждения. Главные полюса выполняются шихтованными и набираются из листовой электротехнической стали толщиной в доли миллиметра. Они расположены внутри станины и прикреплены к ней с помощью болтов. Для повышения энергоэффективности и улучшения КПД станина и полюса могут выполняться шихтованными и представлять собой набор фасонных пластин.
Якорь имеет вид цилиндра и выполняется шихтованным. Пакет стали якоря напрессовывается на вал. По наружной цилиндрической поверхности якоря выполняются пазы, в которые укладываются проводники обмотки якоря.
Коллектор имеет вид цилиндра, набранного из медных пластин трапецеидального сечения. К пластинам припаиваются или привариваются концы секций обмотки якоря. Щетки представляют собой прямоугольные параллелепипеды и выполняются из проводящих материалов на основе графита. Щетки закреплены на станине и соединены электрически с выводами, расположенными в коробке на корпусе двигателя.
Двигатели постоянного тока бывают с независимым, последовательным, параллельным и смешанным возбуждением. Примером ДПТ с независимым возбуждением являются двигатели серий MM и MAG производства MAGNETIC.

Способы регулирования скорости ДПТ с независимым возбуждением

На рис. 1… 3 представлены электромеханические характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением – зависимость скорости вращения от тока якоря. Распространенной задачей при выполнении технологических операций является регулирование скорости ДПТ. Скорость двигателя постоянного тока с независимым возбуждением может регулироваться следующими тремя способами:

1. Изменение питающего напряжения позволяет изменить скорость идеального холостого хода, не меняя наклона электромеханической характеристики. При этом способе электромеханическая характеристика смещается параллельно самой себе, обеспечивая наибольший диапазон регулирования и наилучшие энергетические характеристики. Для изменения напряжения якоря нужен источник регулируемого напряжения.

2. Изменение сопротивления якорной цепи добавлением последовательно включенного реостата изменяет наклон характеристики при сохранении скорости идеального холостого хода. Данный способ вытесняется первым в связи со ступенчатостью регулирования и низкими энергетическими характеристиками из-за рассеивания энергии в сопротивлении реостата.

3. Увеличение магнитного потока вызывает насыщение магнитной системы, поэтому не применяется. Ослабление магнитного потока вызывает увеличение скорости идеального холостого хода и может быть использовано для работы на низких моментах нагрузки. Преимуществом регулирования тока возбуждения является то, что величина этого тока на двигателях средней и большой мощности в десятки раз меньше тока якоря, что позволяет использовать для регулирования скорости приводы меньшей мощности. Однако, диапазон регулирования скорости при этом способе меньше, чем при первом. Ослабление магнитного потока используют для расширения диапазона регулирования скорости совместно с изменением питающего напряжения.

Устройства для регулирования скорости ДПТ

Для регулирования скорости ДПТ разработаны различные электронные устройства, выполняющие не только основную задачу, но и обеспечивающие дополнительный функционал: защиты двигателя, автоматическую настройку под конкретный двигатель, измерение параметров, контроль режимов, выдачу предупредительной и аварийной сигнализации, управление вспомогательными устройствами. Хорошо освоенными являются тиристорные приводы с аналоговой или цифровой управляющей частью. Примерами первых являются приводы SLE, вторых – PL (двухквадрантный) и PLX (четырехквадрантный) производства Sprint-Electric.

Применение аналоговой управляющей части обеспечивает экономически эффективное решение для простых применений, где не требуется реверса двигателя приводного механизма. В этом случае импульсы управления формируются на основании сигналов задания и обратной связи, проходящих только через аналоговый тракт привода. Похожим образом обрабатываются сигналы для различных защит двигателя. Быстродействие привода обусловливается постоянными времени внутренних фильтров сигнала, а отсутствие встроенной программы позволяет использовать его в приложениях с повышенными требованиями к надежности.

Цифровая управляющая часть добавляет функционал, но и цена привода увеличивается. В этом случае обработку внешних сигналов в цифровой форме выполняет встроенный контроллер с интегрированным программным обеспечением, которое может быть более гибко сконфигурировано под конкретную задачу. Зачастую производители совершенствуют программное обеспечение своих изделий, выпуская так называемые «прошивки», расширяющие функционал готовых устройств. В аналоговых приводах расширить функционал готового устройства можно только изменением внешнего по отношению к приводу оборудования.

Типы датчиков обратной связи по скорости

Для регулирования скорости служат так называемые датчики обратной связи. Сигнал с них при необходимости заводится в привод, представляя реальную скорость механизма. Это позволяет системе управления внести коррекцию в работу привода в случае отклонения желаемой скорости от заданной. Датчики скорости бывают аналоговыми, цифровыми и аналого-цифровыми или комбинированными.
Аналоговые датчики скорости – это тахогенераторы и резольверы. Тахогенератор представляет собой электрическую машину постоянного тока, ЭДС которой в рабочем диапазоне параметров пропорциональна скорости вращения вала. Внешнее питание тахогенератору не требуется. Резольвер является вращающимся трансформатором, амплитуда выходного напряжения которого зависит от входного напряжения и угла поворота ротора.
Цифровые датчики положения (энкодеры), используемые в качестве датчиков скорости, могут быть абсолютными и относительными. Абсолютные энкодеры и при пропадании и последующем восстановлении питания позволяют узнать текущее положение ротора. Относительные (инкрементальные) энкодеры позволяют определить только относительное положение при вращении ротора, выходным сигналом относительного энкодера являются два сдвинутых на четверть периода импульса и импульс нулевого положения. Сдвиг на четверть периода позволяет определить направление вращения, а импульс нулевого положения используется, например, для подсчета числа оборотов.
Абсолютные энкодеры бывают с выходным протоколом, который позволяет, кроме получения информации о положении ротора, изменять характеристики энкодера, проводить его диагностику и калибровку. Различными производителями поддерживается часть или все из представленных протоколов: SSI, BiSS interface, ISI, Profibus, Profinet, Ethernet Powerlink, EtherNet TCP/IP, Modbus, DeviceNet, CANopen, EtherCAT, Endat and Hiperface. Наиболее распространены SSI и Endat.
Комбинированные энкодеры помимо сигналов протокола выдают также импульсы относительного положения или сигналы фаз для работы сервосистем.

Построение системы управления двигателем постоянного тока на базе PLPLX

Рассмотрим пример построения системы управления ДПТ на примере привода постоянного тока PLPLX. На рис. 4 представлена схема подключения.

Рис. 4. Пример построения системы управления ДПТ на примере привода постоянного тока PLPLX

Основными компонентами системы управления ДПТ являются:

1.Привод постоянного тока, который обеспечивает регулирование тока якоря, скорости двигателя, защиты двигателя, управление внешними цепями и обеспечение возбуждения. Существет набор программных функциональных блоков, позволяющих гибко настроить привод под конкретные применения. Привод может быть оснащен модулями поддержки распространенных сетевых протоколов и поддерживает различные типы сигналов обратной связи. При пусконаладке и диагностике устройств на базе PLPLX удобно использовать встроенную систему диагностики и осциллограф.

2.Главный контактор, назначение которого — физическое отсоединение якоря двигателя от источника питания. К контактору и его цепям управления предъявляются следующие требования: должна быть возможность отключения контактора без использования электроники, контактор не должен размыкать ток и цепь управления контактора должна соответствовать всем требованиям конкретной электроустановки. Блоки PL и PLX спроектированы для выполнения всех этих правил управления главным контактором. Обмотка реле подключена непосредственно к клемме CSTOP (останов по выбегу) T34 и зашунтирована конденсатором, в результате время отключения составляет около 100 миллисекунд. За счет этого у PLPLX есть время снизить ток якоря до нуля перед размыканием контактов. Убедитесь, что обмотка контактора оснащена гасящим устройством.

3.Главные полупроводниковые предохранители. Они служат для защиты сети от пробоя тиристоров и для защиты привода от замыкания на стороне выпрямленного напряжения. Предохранители в цепи якоря нужны для защиты привода, у которого есть возможность рекуперации энергии в сеть – PLX. Необходимо учитывать рекомендации по приводам для правильного выбора предохранителей по величине I²T.

4.Линейный реактор, который сглаживает ток и уменьшает гармонические искажения напряжения питающей сети. Кроме того, индуктивность реактора позволяет компенсировать низкую индуктивность обмотки якоря и улучшить таким образом коммутацию тиристоров. Еще одной немаловажной функцией реактора является ограничение тока при коротких замыканиях на стороне якоря.

Распространенные вопросы при проектировании систем с приводами постоянного тока

1.Можно ли размыкать цепь питания катушки управления главного контактора кнопкой аварийного останова?
— Нет. Важно, чтобы привод сам контролировал главный контактор и не было другого внешнего воздействия на эту цепь. Аварийный останов должен быть подключен к клемме 34, останов выбегом (coast stop). Однако, если местные указания безопасности требуют необходимости разрыва цепи питания катушки главного контактора кнопкой аварийного останова, необходимо по крайней мере подать сигнал с блок-контакта контактора на клемму 31, пуск (run), чтобы привод имел возможность снизить ток перед отключением питания силового моста.

2.Необходимо ли использовать полупроводниковые предохранители?
— Безусловно, да. Это единственный способ защитить мост привода в случае сбоя в любом месте системы, и это гарантийное условие для привода. На рынке существуют определенные типы выключателей, которые, как утверждается, достаточно быстры для защиты полупроводников, но нам еще предстоит найти тот, который обеспечивает такую же защиту, как и корректно подобранный предохранитель. Стоит отметить, что максимальный номинальный ток предохранителя имеет второстепенное значение, в то время как он довольно велик, — предел тока привода и алгоритм блокировки достаточно сложны, чтобы защитить от повреждения при длительной перегрузке. Важной характеристикой предохранителей является величина I²T. Выраженный в A²с (амперы в квадрате, помноженные на секунды), это мера пропускания энергии, и максимально допустимое значение для любого привода приведено в таблице номиналов предохранителей в руководстве на привод. По сути, если величина I²T не указана в спецификации производителя плавких предохранителей, они вряд ли будут достаточными, даже если в описании производителя используется альтернативное имя, такое как «сверхбыстрый». Предохранитель по стороне переменного тока является обязательным во всех случаях, в то время как предохранители по стороне постоянного тока необходимо устанавливать только в системах, где возможна рекуперация энергии в сеть. Что касается предохранителей в цепи постоянного тока, следует соблюдать особую осторожность, т.к. применение для этих цепей предохранителей переменного тока даже с правильным значением I²T недопустимо.

3.Как сделать ослабление поля?
— Этот вопрос обычно сопровождается утверждением о том, что он оказался трудным и / или занимающим много времени на старых приводах. С цифровым приводом это сделать просто. Если вы правильно установили параметры BASE SPEED и TOP SPEED в CHANGE PARAMETERS, CALIBRATION и помните, что вы должны использовать либо тахогенератор, либо обратную связь с энкодером (ослабление поля не может работать только с обратной связью напряжения якоря), все, что вам нужно сделать, это перейти к CHANGE PARAMETERS, FIELD CONTROL, FIELD WEAKENING MENU, FIELD WEAKENING ENABLE и установить его в ENABLED. Этого будет достаточно в большинстве случаев. Для некоторых двигателей требуется профилирование тока якоря, чтобы улучшить коммутацию в области слабого поля, эту информацию следует запрашивать у производителей двигателей. Относящиеся к этому случаю параметры находятся в CHANGE PARAMETERS, CURRENT CONTROL, I DYNAMIC PROFILE.

Ведущий технический специалист ООО «Драйвика» Образцов П.С.

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: 9493 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Управление двигателями постоянного тока. Часть 1

Владимир Рентюк, Запорожье, Украина

В статье дается краткий обзор и анализ популярных схем, предназначенных для управления коллекторными двигателями постоянного тока, а также предлагаются оригинальные и малоизвестные схемотехнические решения

Электродвигатели являются, наверное, одним из самых массовых изделий электротехники. Как говорит нам всезнающая Википедия, электрический двигатель – электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Началом его истории можно считать открытие, которое сделал Майкл Фарадей в далеком 1821 году, установив возможность вращения проводника в магнитном поле. Но первый более-менее практический электродвигатель с вращающимся ротором ждал своего изобретения до 1834 года. Его во время работы в Кёнигсберге изобрел Мориц Герман фон Якоби, более известный у нас как Борис Семенович. Электродвигатели характеризуют два основных параметра – это скорость вращения вала (ротора) и момент вращения, развиваемый на валу. В общем плане оба этих параметра зависят от напряжения, подаваемого на двигатель и тока в его обмотках. В настоящее время имеется достаточно много разновидностей электродвигателей, и поскольку, как заметил наш известный литературный персонаж Козьма Прутков, нельзя объять необъятное, остановимся на рассмотрении особенностей управления двигателями постоянного тока (далее электродвигателями).

К двигателям постоянного тока относятся два типа – это привычные для нас коллекторные двигатели и бесколлекторные (шаговые) двигатели. В первых переменное магнитное поле, обеспечивающее вращение вала двигателя, образуется обмотками ротора, которые запитываются через щеточный коммутатор – коллектор. Оно и взаимодействует с постоянным магнитным полем статора, вращая ротор. Для работы таких двигателей внешние коммутаторы не требуются, их роль выполняет коллектор. Статор может быть изготовлен как из системы постоянных магнитов, так и из электромагнитов. Во втором типе электродвигателей обмотки образуют неподвижную часть двигателя (статор), а ротор сделан из постоянных магнитов. Здесь переменное магнитное поле образуется путем коммутации обмоток статора, которая выполняется внешней управляющей схемой. Шаговые двигатели («stepper motor» в английском написании) значительно дороже коллекторных. Это достаточно сложные устройства со своими специфическими особенностями. Их полное описание требует отдельной публикации и выходит за рамки данной статьи. Для получения более полной информации по двигателям этого типа и их схемам управления можно обратиться, например, к [1].

Коллекторные двигатели (Рисунок 1) более дешевы и, как правило, не требуют сложных систем управления. Для их функционирования достаточно подачи напряжения питания (выпрямленного, постоянного!). Проблемы начинают возникать, когда появляется необходимость в регулировке скорости вращения вала такого двигателя или в специальном режиме управления моментом вращения. Основных недостатков таких двигателей три – это малый момент на низких скоростях вращения (поэтому часто требуется редуктор, а это отражается на стоимости конструкции в целом), генерация высокого уровня электромагнитных и радиопомех (из-за скользящего контакта в коллекторе) и низкая надежность (точнее малый ресурс; причина в том же коллекторе). При использовании коллекторных двигателей необходимо учитывать, что ток потребления и скорость вращения их ротора зависят от нагрузки на валу. Коллекторные двигатели более универсальны и имеют более широкое распространение, особенно в недорогих устройствах, где определяющим фактором является цена.

Поскольку скорость вращения ротора коллекторного двигателя зависит, в первую очередь, от подаваемого на двигатель напряжения, то естественным является использование для его управления схем, имеющих возможность установки или регулировки выходного напряжения. Такими решениями, которые можно найти в Интернете, являются схемы на основе регулируемых стабилизаторов напряжения и, поскольку век дискретных стабилизаторов давно прошел, для этого целесообразно использовать недорогие интегральные компенсационные стабилизаторы, например, LM317 [2]. Возможные варианты такой схемы представлены на Рисунке 2.

Схема примитивная, но кажется очень удачной и, главное, недорогой. Посмотрим на нее с точки зрения инженера. Во-первых, можно ли ограничить момент вращения или ток двигателя? Это решается установкой дополнительного резистора. На Рисунке 2 он обозначен как R_LIM. Его расчет имеется в спецификации, но он ухудшает характеристику схемы как стабилизатора напряжения (об этом будет ниже). Во-вторых, какой из вариантов управления скоростью лучше? Вариант на Рисунке 2а дает удобную линейную характеристику регулирования, поэтому он и более популярен. Вариант на Рисунке 2б имеет нелинейную характеристику. Но в первом случае при нарушении контакта в переменном резисторе мы получаем максимальную скорость, а во втором – минимальную. Что выбрать – зависит от конкретного применения. Теперь рассмотрим один пример для двигателя с типовыми параметрами: рабочее напряжение 12 В; максимальный рабочий ток 1 А. ИМС LM317, в зависимости от суффиксов, имеет максимальный выходной ток от 0.5 А до 1.5 А (см. спецификацию [2]; имеются аналогичные ИМС и с бóльшим током) и развитую защиту (от перегрузки и перегрева). С этой точки зрения для нашей задачи она подходит идеально. Проблемы скрываются, как всегда, в мелочах. Если двигатель будет выведен на максимальную мощность, что для нашего применения весьма реально, то на ИМС, даже при минимально допустимой разнице между входным напряжением V_IN и выходным V_OUT, равной 3 В, будет рассеиваться мощность не менее

Таким образом, нужен радиатор. Опять вопрос – на какую рассеиваемую мощность? На 3 Вт? А вот и нет. Если не полениться и рассчитать график нагрузки ИМС в зависимости от выходного напряжения (это легко выполнить в Excel), то мы получаем, что при наших условиях максимальная мощность на ИМС будет рассеиваться не при максимальном выходном напряжении регулятора, а при выходном напряжении равном 7.5 В (см. Рисунок 3), и она составит почти 5.0 Вт!

Рисунок 3.	График зависимости мощности, рассеиваемой на ИМС регулятора, от выходного напряжения.

Как видим, получается что-то уже не дешевое, но очень громоздкое. Так что такой подход годится только для маломощных двигателей с рабочим током не более 0.25 А. В этом случае мощность на регулирующей ИМС будет на уровне 1.2 Вт, что уже будет приемлемо.

Выход из положения – использовать для управления метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Он, действительно, самый распространенный. Его суть – подача на двигатель промодулированных по длительности однополярных прямоугольных импульсов. Согласно теории сигналов, в структуре такой последовательности имеется постоянная составляющая, пропорциональная отношению τ/T, где: τ – длительность импульса, а T – период последовательности. Вот она-то и управляет скоростью двигателя, который выделяет ее как интегратор в этой системе. Поскольку выходной каскад регулятора на основе ШИМ работает в ключевом режиме он, как правило, не нуждается в больших радиаторах для отвода тепла, даже при относительно больших мощностях двигателя, и КПД такого регулятора несравненно выше предыдущего. В ряде случаев можно использовать понижающие или повышающие DC/DC-преобразователи, но они имеют ряд ограничений, например, по глубине регулировки выходного напряжения и минимальной нагрузке. Поэтому, как правило, чаще встречаются иные решения. «Классическое» схемное решение такого регулятора представлено на Рисунке 4 [3]. Оно использовано в качестве дросселя (регулятора) в профессиональной модели железной дороги.

Рисунок 4.	«Классическая» схема управления коллекторным двигателем на основе ШИМ (согласно оригиналу [3]).

На первом операционном усилителе собран генератор, на втором компаратор. На вход компаратора подается сигнал с конденсатора C1, а путем регулирования порога срабатывания формируется уже сигнал прямоугольной формы с нужным отношением τ/T (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Диаграмма управления коллекторным двигателем на основе ШИМ. Верхняя трасса – напряжение на конденсаторе С1; средняя (пересекает верхнюю) – сигнал управления (напряжение на движке резистора RV2); нижняя – напряжение на двигателе.

Диапазон регулировки устанавливается подстроечными резисторами RV1 (быстрее) и RV3 (медленнее), а сама регулировка скорости осуществляется резистором RV2 (скорость). Обращаю внимание читателей, что в Интернете на русскоязычных форумах гуляет похожая схема с ошибками в номиналах делителя, задающего порог компаратора. Управление непосредственно двигателем осуществляется через ключ на мощном полевом транзисторе типа BUZ11 [4]. Особенности этого транзистора типа MOSFET – большой рабочий ток (30 А постоянного, и до 120 А импульсного), сверхмалое сопротивление открытого канала (40 мОм) и, следовательно, минимальная мощность потерь в открытом состоянии.

На что нужно в первую очередь обращать внимание при использовании таких схем? Во-первых, это исполнение цепи управления. Здесь в схеме (Рисунок 4) есть небольшая недоработка. Если со временем возникнут проблемы с подвижным контактом переменного резистора, мы получим полный почти мгновенный разгон двигателя. Это может вывести из строя наше устройство. Какое противоядие? Установить добавочный достаточно высокоомный резистор, например, 300 кОм с вывода 5 ИМС на общий провод. В этом случае при отказе регулятора двигатель будет остановлен.

Еще одна проблема таких регуляторов – это выходной каскад или драйвер двигателя. В подобных схемах он может быть выполнен как на полевых транзисторах, так и на биполярных; последние несравненно дешевле. Но и в первом и во втором варианте необходимо учитывать некоторые важные моменты. Для управления полевым транзистором типа MOSFET нужно обеспечить заряд и разряд его входной емкости, а она может составлять тысячи пикофарад. Если не использовать последовательный с затвором резистор (R6 на Рисунке 4) или его номинал будет слишком мал, то на относительно высоких частотах управления операционный усилитель может выйти из строя. Если же использовать R6 большого номинала, то транзистор будет дольше находиться в активной зоне своей передаточной характеристики и, следовательно, имеем рост потерь и нагрев ключа.

Еще одно замечание к схеме на Рисунке 4. Использование дополнительного диода D2 лишено смысла, так как в структуре транзистора BUZ11 уже имеется свой внутренний защитный быстродействующий диод с лучшими характеристиками, чем предлагаемый. Диод D1 также явно лишний, транзистор BUZ11 допускает подачу напряжения затвор-исток ± 20 В, да и переполюсовка в цепи управления при однополярном питании, как и напряжение выше 12 В, невозможны.

Если использовать биполярный транзистор, то возникает проблема формирования достаточного по величине базового тока. Как известно, для насыщения ключа на биполярном транзисторе ток его базы должен быть, по крайней мере, не менее 0.06 от тока нагрузки. Понятно, что операционный усилитель такой ток может не обеспечить. С этой целью в аналогичном, по сути, регуляторе, который используется, например, в популярном мини-гравере PT-5201 компании Pro’sKit, применен транзистор TIP125, представляющий собой схему Дарлингтона. Тут интересный момент. Эти мини-граверы иногда выходят из строя, но не из-за перегрева транзистора, как можно было бы предположить, а из-за перегрева ИМС LM358 (максимальная рабочая температура +70 °С) выходным транзистором (максимально допустимая температура +150 °С). В изделиях, которыми пользовался автор статьи, он был вплотную прижат к корпусу ИМС и посажен на клей, что недопустимо нагревало ИМС и почти блокировало теплоотвод. Если вам попалась такое исполнение, то лучше «отклеить» транзистор от ИМС и максимально отогнуть. За это know-how автор статьи был премирован компанией Pro’sKit набором инструментов. Как видите все нужно решать в комплексе – смотреть не только на схемотехнику, но и внимательно относится к конструкции регулятора в целом.

Есть еще несколько интересных схем более простых ШИМ-регуляторов. Например, две схемы на одиночном операционном усилителе с драйвером опубликованы в [5] (Одна из них приведена на Рисунке 6а). Есть схемы и на базе популярного таймера серии 555 [6] (Рисунок 6б). Эти дешевые решения не должны вводить вас в заблуждение своей кажущейся простотой. Вспомним А.С. Пушкина: «Не гонялся бы ты, поп, за дешевизной». Или французов: «За каждое удовольствие нужно платить». Обе эти схемы формируют суррогатный сигнал ШИМ с изменением опорной частоты. Так схемы на ОУ из [5] меняют частоту управления во время регулирования от 170 Гц до 500 Гц, а схема на таймере – от 150 Гц до 1000 Гц, и ее диапазон регулировки (верхний диапазон) ограничен скважностью 9.5. Для некоторых применений это может быть недопустимо, так как на больших частотах двигатель может и не заработать, или не дать нужный момент вращения. Это происходит из-за того, что ток в обмотке двигателя, которая представляет собой индуктивность, устанавливается не мгновенно, а нарастает и спадает по экспоненте. Более корректные схемы на базе таймера и одиночного ОУ приведены на Рисунке 7.

Аналогичные по структуре регуляторы можно построить и на цифровых логических элементах, но они имеют малую нагрузочную способность и требуют отдельного источника питания, поэтому в данной статье не рассматриваются. Применение же таймера 555 интересно тем, что частота генератора, выполненного на его базе, практически не зависит от напряжения питания. Кроме того, большинство ныне выпускаемых зарубежных аналогов, выполненных по биполярной технологии, допускает выходной ток до 200 мА и более. То есть, они могут легко справиться и с емкостью затвора MOSFET и с мощными ключами на биполярных транзисторах. Близкий к таймеру 555 советско-российский аналог – это ИМС (КР)1006ВИ1. Максимальный выходной ток для КР1006ВИ1 и КМОП-версий таймера составляет 100 мА.

Устройство и работа двигателя постоянного тока кратко

Доброго времени суток, дорогие читатели!

В этой статье я расскажу о том, что такое возбуждение в двигателях постоянного тока и «с чем его едят».

Наверное, каждый из нас в детстве имел игрушки с электроприводом. Те же, кто в те годы отличался любопытностью, не упустили возможность разобрать эти игрушки, дабы посмотреть, а что там внутри.

Заглянув внутрь такой игрушки, нами был найден маленький электромоторчик постоянного тока. Естественно, тогда мы и не задумывались над тем, почему он работает. Некоторые из нас, найдя в игрушке моторчик, решались разобрать и его. Вот эти-то любопытные товарищи, разобрав моторчик, находили там постоянный магнит (иногда не один), щетки и якорь с коллектором.

Что такое возбуждение в двигателях постоянного тока

Так вот, как раз постоянный магнит и является простейшей системой возбуждения для моторов постоянного тока. Ведь якорь моторчика вращается только тогда, когда вокруг него присутствует постоянное магнитное поле, которое и создается при помощи постоянного магнита.

Двигатели постоянного тока промышленных масштабов в качестве возбудителей используют специальные обмотки, именуемые обмотками возбуждения.

Подключение же этих обмоток может быть самым различным. Они могут включаться параллельно якорю, последовательно с ним, смешано и, даже, независимо от них.

Возбуждающая обмотка состоит из значительно большего числа витков, нежели якорная. В связи с этим ток якорной обмотки в десятки раз превосходит ток возбуждающей. Скорость вращения такого движка может меняться в зависимости от нагрузки и магнитного потока. Благодаря свойствам подключения, движки параллельного включения довольно мало подвержены перемене частоты вращения.

Теперь рассмотрим вариант раздельного подключения рабочей и возбуждающей обмоток. Такой движок именуется мотором с независимым возбуждением.

Скорость такого движка может регулироваться при помощи смены сопротивления якорной цепи, или магнитного потока.

Тут есть небольшой нюансик: не стоит слишком уменьшать ток возбуждения при таком включении двигателя, поскольку это чревато очень большим подъемом якорного тока. Тем же самым опасен и обрыв цепи возбуждения этих двигателей. Кроме того, если нагрузка мотора с таким включением мала, либо при его включении на холостой ход может произойти такой сильный его разгон, что возникнет опасность для движка.

Как я уже говорил, разновидностью ДПТ независимого возбуждения считаются устройства, имеющие в качестве возбудителя постоянные магниты. Скажу несколько слов и о них.

Поскольку ДПТ и машины синхронного типа могут использовать вместо возбудителей постоянные магниты, то подобный вариант считается достаточно привлекательным. И вот почему:

• у такого устройства снижено потребления тока за счет уменьшения числа обмоток, в результате чего такие показатели подобных машин, как КПД оказываются выше.
• С использованием вместо возбудителя постоянных магнитов упрощается конструкция возбуждающих цепей движка, что повышает его надежность, ведь постоянный магнит не требует питания, следовательно у такого мотора нет токосъемного узла на роторе.

Теперь о последовательном включении обмоток (двигатели с последовательным возбуждением).

В этом варианте подключения якорный ток будет являться и возбуждающим. Это становится причиной изменения магнитного потока в сильной зависимости от нагрузки. Это является причиной большой нежелательности пуска их на холостом ходу и при маленькой нагрузке.

Применение же такое включение нашло там, где требуется значительный момент пуска, либо возможность выдерживания кратковременных перегрузок. В связи с этим их применяют, как средства тяги для трамваев, троллейбусов, электровозов, метро и подъемных кранов. Кроме того, их применяют, как средство запуска для ДВС (в качестве стартеров).

Последним вариантом включения движков постоянного тока считается их смешанное включение.

Каждый из полюсов этих моторов оснащен парой обмоток, одна из которых параллельная, а другая – последовательная. Подключать их возможно двумя способами:

• Согласный метод (в этом случае токи складываются)
• Встречный вариант (вычитание токов)

Соответственно, в зависимости от варианта подключения (от чего меняется и соотношение магнитных потоков) такой мотор может оказаться приближен либо к устройству, имеющему последовательное возбуждение, либо к движку с параллельным возбудом.

В большинстве случаев основной обмоткой у них считают последовательную обмотку, а параллельную – вспомогательной. За счет параллельной обмотки у таких моторов скорость при небольших нагрузках, практически не растет.

Если требуется получение значительного момента при пуске и возможность регулирования скорости на переменных нагрузках, используется подключение согласного типа. Встречное же подключение используется при необходимости получения постоянной скорости при изменяющейся нагрузке.

Если возникает необходимость реверсирования ДПТ (смены направления его вращения), то меняют направление тока в одной из его рабочих обмоток.

Методом смены полярности подключения клемм двигателя возможно поменять направление только тех моторов, которые включены по независимой схеме, либо движков с постоянным магнитом в качестве возбудителя. Во всех иных устройствах необходима смена направления тока в одной из рабочих обмоток.

Кроме того, движки постоянного тока нельзя включать методом подключения полного напряжения. Это связано с тем, что величина их пускового тока, примерно в 2 десятка раз выше номинального (это зависит от размеров и скорости двигателя). Токи пуска движков больших размеров могут и в полсотни раз превосходить их номинальный рабочий ток.

Токи больших величин способны вызвать эффект кругового искрения коллектора, в результате чего коллектор разрушается.

Чтобы выполнить включение ДПТ, используется методика плавного включения, либо применение пусковых реостатов. Включение прямого типа возможно лишь на небольших напряжениях и для маленьких движков, имеющих большое сопротивление якорной обмотки.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил.

Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Всего доброго.

Короткая заметка:Без встраиваемых светодиодных потолочных светильников, вы не добьетесь оригинального светового дизайна на кухне. Перейдя по ссылке, вы сможете узнать, как просто, можно организовать интерьер света.