1. Двигатели постоянного тока
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.
/>
Рис. 1.1. Структурная схема двигателя независимого возбуждения
Подставим в уравнение второго закона Кирхгофа для якорной цепи />и />получим
/>,
/>,
где /> — якорное сопротивление, /> — добавочное сопротивление.
Электродвижущая сила (ЭДС) якоря — />пропорциональна угловой скорости — />, связь между ЭДС и угловой скоростью, а так же между вращающим моментом />и />в системе единиц СИ определяется единым электромагнитным коэффициентом
/>,
где /> — число пар полюсов двигателя, /> — число проводников обмотки якоря, /> — число пар параллельных ветвей обмотки якоря, /> — магнитный поток.
Причем
/>,
где /> — конструктивный коэффициент.
/>,
/>,
тогда E якоря
/>,
а момент
/>,
и напряжение, подаваемое на двигатель
/>,
откуда
/>,
механическая характеристика двигателя постоянного тока записывается в виде
/>.
Следовательно, механическая характеристика при Ф = const представляет собой прямую линию. Угловую скорость, соответствующую при М = 0 и номинальном напряжении — Uном запишем в виде
/>.
Эту скорость называют угловой скоростью идеального холостого хода.
/>,
/>
Рис. 1.2. Механические характеристики в двигательном режиме
Рассмотрим установившиеся режимы работы двигателя постоянного тока для случая соответствующего постоянному моменту сопротивления.
Такая схема нагружения двигателя постоянного тока соответствует подъему или спуску постоянного груза.
/>
Рис. 1.3. Структурная схема нагружения двигателя постоянного тока для постоянного момента нагружения
Рассмотрим обобщенные механические характеристики двигателя постоянного тока
/>
Рис. 1.4. Механическая характеристика двигателя постоянного тока
В первом квадранте двигатель постоянного тока находится в двигательном режиме и потребляет энергию из сети. При вращении якоря со скоростью >0двигатель постоянного тока переходит из двигательного режима с моментом М>0 (первый квадрант) в генераторный режим (второй квадрант) с отрицательным вращающим моментом (якорь вращается перпендикулярно, например, под действием инерции исполнительного механизма). При этом момент МIя
Положив в выражение для механической характеристики =0 и R=Rя, U=Uном, получим пусковой момент
/>.
Так как пусковой ток
/>,
то
/>.
При включении двигателя без добавочного резистора (естественная характеристика — 1) груз поднимается со скоростью двигателя 1. При включении добавочного резистора (искусственная характеристика — 2) груз не подвижен (2=0). При работе двигателя в режиме, определяемом характеристикой 3, груз опускается со скоростью 1, искусственная характеристика 4 соответствует режиму динамического торможения, заключающемуся в отсоединении якорной цепи от источника и замыкании ее на добавочный резистор, характеристика 5 аналогична характеристике 2, но напряжение U=Uном, характеристика 6 параллельна характеристики 1 и соответствует во втором квадранте противовключению при подаче напряжения U=Uном.
0>