0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Условия устойчивой работы двигателя постоянного тока

Лекции / Лекция 32 Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в тех случаях, когда по условиям работы исполнительного механизма требуется широкое изменение частоты вращения. При этом во многих случаях двигатели постоянного тока имеют преимущества по сравнению с двигателями переменного тока. Они используются в металлургической промышленности, станкостроении, в системах автоматического регулирования и т.д. Широкое применение двигатели постоянного тока находят на электрическом транспорте, в авиации и в автомобилестроении. Мощности, на которые выпускаются эти двигатели, лежат в пределах от нескольких ватт до нескольких тысяч киловатт.

Как и генераторы, двигатели постоянного тока классифицируются по способу включения обмотки возбуждения. Различают двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Электрические схемы этих двигателей имеют такой же вид, как и схемы соответствующих генераторов. Отличие заключается в

том, что ток якоря I a в двига-

телях независимого и последовательного возбуждения равен току сетевому току I , а в двигателях параллельного и смешанного возбуждения из сети потребляется и ток возбуждения I в .

Энергетическая диаграмма двигателя параллель-

Рис. 5.1. Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока независимого возбуждения

ного возбуждения изображена на рис. 5.1. Первичная мощность Р 1 является электрической и потребляется из питающей сети. За счет этой мощности покрываются потери на возбуждение р в и электрические

потери р эл. a I a 2 R a в цепи якоря, а оставшаяся часть составляет элек-

тромагнитную мощность якоря P эм E a I a , которая превращается в механическую мощность P эм P мх . Потери магнитные р мг , добавоч-

ные р д и механические р мх покрываются за счет механической мощ-

ности, а остальная часть этой мощности представляет собой полезную механическую мощность P 2 на валу.

Аналогичные энергетические диаграммы, иллюстрирующие преобразование энергии в двигателе, можно построить и для других типов двигателей.

Уравнение равновесия напряжений для цепи якоря. Для режима двигателя уравнение цепи якоря имеет вид:

U E I a r a U щ .

Упрощение уравнения (5.1) производится так же, как в генераторах и для приближенных расчетов его можно записать аналогично уравнению (4.3) в виде:

Уравнения равновесия напряжений для цепи возбуждения не отличаются от аналогичных уравнений для генератора.

Уравнение баланса токов (для двигателей параллельного и смешанного возбуждения)

Уравнение равновесия моментов. Электромагнитный момент двигателя

M эм P эм C м I a ,

который является вращающим, он уравновешивает тормозящие моменты:

— момент М 0 , соответствующего потерям р мг , р д и р мх , по-

крываемым за счет механической мощности;

— М 2 – полезный момент на валу, создаваемый рабочей машиной или механизмом;

— М дин – динамического момента.

М эм М 0 М 2 М дин

М эм М ст М дин ,

где М ст М 0 М 2 – статический момент сопротивления.

При установившемся режиме работы, когда n const , М дин 0,

М 0 ( p мех р мг р доб )/ .

Определение суммы механических потерь и потерь в стали в режиме двигателя и разделение её на эти составляющие возможно из опыта холостого хода. При этом следует измерять напряжение на якоре и ток якоря.

Из измеренной таким образом мощности холостого хода

следует вычесть по-

P 0 P 0 I 0 2 R a . Первый

можно сделать при номиналь-

напряжении а следующие

при уменьшении примерно че-

Для разделения потерь хо-

Рис. 5.2. Разделение потерь холостого хода

лостого хода на составляющие,

если оно требуется, следует от-

ложить на графике полученные таким образом потери P 0 в зависимо-

сти от напряжения на выводах и экстраполировать их на нулевое значение последнего. Однако зачастую это представляет затруднение, особенно когда число отсчетов при малых напряжениях невелико; поэтому разделение потерь следует проводить методом, именуемым в литературе методом Деттмара, а именно откладывать потери в зависимости не от первой степени, а от квадрата ЭДС или напряжения холостого хода (рис. 5.2.). Благодаря этому точки, соответствующие отсче-

там при наиболее низких значениях напряжения, оказываются сильно приближенными к оси ординат, а так как при малых насыщениях магнитной цепи потери в стали примерно пропорциональны квадрату напряжения, то эти точки хорошо укладываются на прямую. Экстраполяция прямой при малых напряжениях до пересечения с осью ординат отсекает на последней механические потери.

Потери на трение щеток на коллекторе машин постоянного тока при холостом ходе больше, чем при нагрузке, так как их коэффициент трения убывает по мере увеличения плотности тока, однако никаких поправок для учета этого обстоятельства стандарты не предусматривают.

Уравнение частоты вращения двигателя можно получить из совместного решения уравнений (1.13) и (5.2). Из уравнения (5.2) следует, что

Подставляя сюда выражение частоты вращения из уравнения

Характеристики двигателей независимого и параллельного возбуждения . Основными характеристиками, по которым оцениваются рабочие свойства двигателей, являются:

— скоростная характеристика, которая представляет зависимость частоты вращения от тока якоря, n f I a ;

— моментная характеристика, которая представляет зависимость электромагнитного момента от тока якоря, M f I a ;

— механическая характеристика, которая представляет зависимость частоты вращения от электромагнитного момента, n f M .

Все эти характеристики получают при постоянных значениях напряжения сети и тока возбуждения, обычно соответствующим своим номинальным значениям U U ном , I в I вном .

Скоростная характеристика n f I a . Выражением для скоростной характеристики служит уравнение (5.5). Как следует из этого

и магнитный поток

с ростом тока якоря

частота вращения уменьшается. Этому случаю соответствует сплошная линия на рис. 5.3. Если поток якоря вызывает уменьшение потока возбуждения 0 , то в этом случае уравнение для скорости приобретает вид

где 0 – магнитный поток, соответствующий номинальному току возбуждения I вном при холостом ходе двигателя; — уменьшение магнитного потока из-за размагничивающего действия реакции якоря.

(5.6), при возрастании тока якоря

уменьшает частоту вращения n ,

а уменьшение потока увеличива-

ет ее. Характеристика в этом

случае будет идти выше, чем в

предыдущем случае, она показа-

на на рис. 5.3 штриховой линией.

суммарного сопротивления цепи

Рис. 5.3. Скоростная (механическая)

характеристика двигателя незави-

R a * , то частота враще-

ния с ростом тока якоря будет уменьшаться. Если R a * , то

частота вращения с ростом тока якоря будет увеличиваться и, как будет показано далее, такая характеpистика является неустойчивой.

Размагничивающее действие реакции якоря обычно начинается при токах якоря, превышающих 50..70 % номинального и скоростная

характеристика может иметь возрастающий характер (штриховая линия на рис. 5.3), начиная с этих значений токов.

Моментная характеристика M f I a . Зависимость электромагнитного момента от тока якоря выражается формулой

Как следует из этого уравнения, если магнитная цепь ненасыщена и магнитный поток const, то зависимость M I a — линейная, и с ростом тока якоря пропорционально ему увеличивается электромагнитный момент. Моментная характеристика в этом случае представляет собой прямую линию выхо-

(сплошная линия на рис. 5.4).

уменьшения магнитного потока

из-за размагничивающего дей-

будет отклоняться от линейной

зависимости (штриховая линия

Рис. 5.4. Моментная характеристика

стика n f M . Аналитическое

двигателя независимого (парал-

из уравнения (5.6), если выразить в нем ток якоря

I a через электро-

магнитный момент из формулы (5.6). Тогда

Из уравнения (5.8) следует, что механическая характеристика двигателя имеет такой же вид, как и скоростная характеристика. Поэтому на рис. 5.3 скоростная характеристика в другом масштабе является механической характеристикой.

Работа двигателя при M 0 и I a 0 называется идеальным хо-

лостым ходом. Согласно уравнению (5.6) частота вращения при идеальном холостом ходе равна

В двигателях независимого возбуждения изменение частоты

вращения при переходе от холостого хода

M M 0 к номинальной

нагрузке M M ном мало и составляет 2..5 %. Такие слабо падающие механические и скоростные характеристики называются жесткими.

Характеристики двигателя последовательного возбуждения .

Особенностью двигателя последовательного возбуждения является то, что его ток возбуждения равен току якоря I в I a , и поэтому для

вывода выражений, определяющих вид его характеристик, предварительно необходимо определить связь между магнитным потоком и током якоря I в I a . Эта зависимость — f I a — носит название

магнитной характеристики и она приведена на рис. 5.5 Идеальная магнитная характеристика (без учета размагничи-

Читать еще:  Двигатель deutz 2011 l03 не заводится

вающего действия реакции якоря и насыщения) показана на рис. 5.5 сплошной линией, а реальная (с учетом реакции якоря и насыщения) – штриховой.

Рис. 5.5. Магнитная характеристика двигателя последовательного возбуждения

Все характеристики двигателя последовательного возбуждения получают при постоянном напряжении питания

Скоростная характеристика n f I a . Если в уравнение

(5.5) подставить зависимость потока от тока якоря в соответствии с магнитной характеристикой, то получим выражение для скоростной характеристики

двигателя. Сначала для упрощения анализа пренебрежем насыщением магнитной цепи и будем считать магнитную характеристику линейной:

Рис. 5.6. Скоростная характеристика

Рис. 5.7. Моментная характеристика

двигателя последовательного воз-

двигателя последовательного воз-

Подставляя это выражение в уравнение (5.5), получим

Из уравнения (5.11) следует, что скоростная характеристика имеет гиперболический характер (сплошная линия на рис. 5.6).

Особенностью скоростной характеристики двигателя последовательного возбуждения является ее большая крутизна в области малых значений тока якоря. Из уравнения (5.11) следует также, что ось ординат (ось скорости n ) является для этой характеристики асимптотой. Реальная скоростная характеристика при учете размагничивающего действия реакции якоря будет отклоняться от гиперболической зависимости вверх, как показано штриховой линией на рис. 5.6.

Моментная характеристика M f I a . Подставляя в формулу

для момента выражение (5.10), получим выражение для электромагнитного момента двигателя с последовательным возбуждением в виде

Из выражения (5.12) следует, что электромагнитный момент двигателя последовательного возбуждения пропорционален квадрату тока якоря, т.е. моментная характеристика имеет параболическую зависимость (сплошная линия на рис. 5.7).

С учетом размагничивающего действия реакции якоря момент в области больших токов будет меньше момента, получаемого по выражению (5.12), что вызвано уменьшением магнитного потока из-за размагничивающего действия реакции якоря. Это вызовет соответствующее уменьшение момента при больших токах (штриховая кривая на рис. 5.7).

Механическая характеристика n f M . Из выражения (5.12) ток якоря равен

Тогда, подставив (5.13) в (5.11), получим аналитическое выражение для механической характеристики:

Из выражения (5.14) следует, что механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения при U const так же как и его скоростная характеристика, имеет практически гиперболический характер (см.

Особенностью механической характеристики двигателя последовательного возбуждения является ее большая крутизна в области малых значений тока якоря. Как следует из уравнения (5.14), ось ординат (ось скорости n ) является асимптотой и для этой характеристики.

При M 0 частота вращения двигателя стремится к бесконечности. В этом случае говорят, что двигатель идет вразнос. Чрезмерное повышение частоты вращения опасно с точки зрения механической прочности якоря, так как из-за больших значений центробежных сил, возникающих в этом случае, может нарушиться целостность бандажей, удерживающих обмотку якоря в пазах, и может произойти разрушение коллектора. Поэтому нельзя допускать работу двигателя последовательного возбуждения при холостом ходе и при малых нагрузках. Обычно нагрузка не должна быть меньше 25..30 % номинальной. Лишь двигатели малой мощности (десятки ватт) допускают работу при

холостом ходе, так как их собственный момент потерь М 0 достаточно

Вследствие сильной зависимости частоты вращения от нагрузки механические и скоростные характеристики двигателей последовательного возбуждения называют мягкими.

Характеристики двигателей смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между соответствующими характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения. При слабой последовательной обмотке они будут приближаться к характеристикам двигателя параллельного возбуждения, а при сильной – к характеристикам двигателя последовательного возбуждения.

Условия устойчивой работы двигателей постоянного тока .

Важно, чтобы работа двигателя вместе с производственным механизмом протекала устойчиво. Под статически устойчивой работой двигателя понимается его способность вернуться в исходную точку равно-

Регулирование скорости вращения и устойчивость работы двигателей постоянного тока

Дата публикации: 09 марта 2013 .
Категория: Статьи.

Способы регулирования скорости вращения

Способы регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока следуют из соотношений (7) и (9), представленных в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока». Возможны три способа регулирования скорости вращения.

1. Наиболее удобным, распространенным и экономичным является способ регулирования скорости путем изменения потока Фδ, то есть тока возбуждения iв.

С уменьшением Фδ, согласно выражению (7), представленному в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», скорость возрастает. Двигатели рассчитываются для работы при номинальном режиме с наибольшим значением Фδ, то есть с наименьшей скоростью n. Поэтому практически можно только уменьшать Фδ.

Следовательно, рассматриваемый способ позволяет регулировать скорость вверх от номинальной. При таком регулировании коэффициент полезного действия (к. п. д.) двигателя остается высоким, так как мощность возбуждения мала, в частности мала мощность реостатов для регулирования тока возбуждения. К тому же при уменьшении iв мощность возбуждения U × iв уменьшается.
Верхний предел регулирования скорости вращения ограничивается механической прочностью машины и условиями ее коммутации.

При высоких скоростях коммутация ухудшается вследствие увеличения вибрации щеточного аппарата, неустойчивости щеточного контакта и возрастания реактивной электродвижущей силы (э. д. с.), а также вследствие увеличения максимального напряжения между коллекторными пластинами в результате ослабления основного поля и усиления при этом искажающего влияния поперечной реакции якоря.

Для увеличения диапазона регулирования n посредством ослабления поля в машинах малой и средней мощности с волновой обмоткой якоря иногда применяют раздельное питание катушек возбуждения отдельных полюсов. При этом в одной группе полюсов сохраняют iв = const и большой поток со значительным насыщением участков магнитной цепи, а в другой группе полюсов iв и поток уменьшают. Искажение влияния поперечной реакции якоря под первой группой полюсов в этом случае будет проявляться значительно слабее. Так как в волновой обмотке напряжение между соседними коллекторными пластинами складывается из э. д. с. p секций, расположенных под всеми полюсами, то в результате такого регулирования потока полюсов распределение напряжения между пластинами будет более равномерным.

2. Другой способ регулирования скорости заключается во включении последовательно в цепь якоря реостата или регулируемого сопротивления Rра.

Вместо выражения (7), представленного в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», при этом имеем

(1)

Этот способ дает возможность регулировать скорость вниз от номинальной и связан со значительными потерями в сопротивлении Rра и понижением к. п. д.

Действительно, при номинальном токе якоря Iа = Iан среднее значение числителя равенства (7), представленного в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», в относительных единицах равно

Если при Фδ = const необходимо уменьшить скорость вдвое, то нужно уменьшить этот числитель вдвое, то есть

то есть в реостате будет теряться 47,5% приложенного напряжения и столько же мощности, подводимой к цепи якоря. По этой причине данный способ применяется в основном для двигателей небольшой мощности, а для более мощных двигателей используется редко и только кратковременно (пуско-наладочные режимы и так далее).

3. Регулирование скорости осуществляется также путем регулирования напряжения цепи якоря. Так как работа двигателя при U > Uн недопустима, то данный способ, согласно выражениям (7) и (9), представленным в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока»), дает возможность регулировать скорость также вниз от номинальной. К. п. д. двигателя при этом остается высоким, так как никаких добавочных источников потерь в схему двигателя не вносится.

Однако в этом случае необходимо отдельный источник тока с регулируемым напряжением, что удорожает установку.

Отметим, что регулирование скорости путем изменения Iа невозможно, хотя такая возможность на первый взгляд вытекает из равенства (7), представленного в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока». Дело в том, что, согласно равенству (3), представленному в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», двигатель при каждой скорости вращения должен развивать определенный момент M, равный моменту сопротивления механизма Mст при данном значении n. Но при этом в соответствии с выражением (8), представленным в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», при заданном значении Фδ величина Iа в двигателе будет при каждом значении M тоже вполне определенной.

Читать еще:  Чем лучше при поперечном расположении двигателя

Условия устойчивости работы двигателя

При работе двигателя всегда возникают определенные возмущения режима работы (кратковременные колебания напряжения сети, случайные кратковременные изменения момента нагрузки на валу и так далее). Такие возмущения чаще всего бывают небольшими и кратковременными, однако при этом происходят, хотя также небольшие и кратковременные, нарушения равенства моментов установившегося режима работы [смотрите выражение (3) в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока»], вследствие чего возникает момент Mдин и изменяется скорость вращения.

Под устойчивостью работы двигателя понимается его способность вернуться к исходному, установившемуся режиму работы при малых возмущениях, когда действие этих возмущений прекратится. Иными словами, работа двигателя называется устойчивой, если бесконечно малые в пределе возмущения его работы вызывают лишь столь же малые изменения величин, характеризующих режим его работы, например скорости вращения, тока якоря и так далее. Двигатель неустойчив в работе, если подобные малые возмущения приводят к большим изменениям режима работы. При неустойчивой работе небольшие кратковременные возмущения вызывают либо непрерывное изменение режима (n, Iа и так далее) в каком-либо одном направлении, либо приводят к колебательному режиму с возрастанием амплитуд колебаний n, Iа и так далее. Естественно, что в условиях эксплуатации необходимо обеспечить устойчивый режим работы двигателя. При неустойчивости двигателя нормальная его работа невозможна, и обычно происходит авария.

Неустойчивая работа может быть также и у генераторов. В статье «Параллельная работа генераторов постоянного тока» была рассмотрена неустойчивость параллельной работы генераторов смешанного возбуждения при отсутствии уравнительного провода. Режим самовозбуждения генераторов постоянного тока (смотрите статью «Генераторы параллельного возбуждения») также, в сущности, представляет собой неустойчивый режим работы, так как iв и U непрерывно изменяются. Работа генератора параллельного возбуждения при Rн = Rв.кр также неустойчива, так как если несколько изменить величину Rв, то напряжение U значительно изменится, то есть возрастет до некоторого конечного значения или упадет почти до нуля.

Устойчивость работы двигателя зависит от вида его механической характеристики M = f(n) и от вида зависимости момента сопротивления на валу от скорости вращения Mст = f(n). Вид последней зависимости определяется свойствами рабочей машины, приводимой в движение двигателем. Например, у металлорежущих станков, если установка резца не изменяется, Mст ≈ const, то есть Mст не зависит от скорости вращения, а у вентиляторов и насосов Mстnв квадрате.

Рисунок 1. Устойчивый (а) и неустойчивый (б) режим работы двигателя

На рисунке 1, а и б изображены два характерных случая работы двигателя. Установившемуся режиму работы (M = Mст) со скоростью вращения n соответствует точка пересечения указанных двух характеристик.

Если зависимости M = f(n), и Mст = f(n) имеют вид, изображенный на рисунке 1, а, то при случайном увеличении n в результате возмущения на Δn тормозной момент Mст станет больше движущего M (Mст > M) и поэтому двигатель будет затормаживаться, что заставит ротор вернуться к исходной скорости n. Точно так же, если в результате возмущения скорость двигателя уменьшится на Δn, то будет Mст Mст, возникнет избыток движущего момента, скорость n начнет нарастать, причем избыточный момент MMст увеличится еще больше, n еще возрастет и так далее. Если в результате возмущения n = n – Δn, то M Mст, в соответствие с равенством (2), представленным в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», Mдин > 0, и скорость n начнет увеличиваться. Это вызовет, согласно тем же соотношениям, увеличение Eа и уменьшение Iа и M до тех пор, пока снова не наступит равновесие моментов M = Mст и Mдин = 0 (рисунок 2). При увеличении iв явления развиваются в обратном направлении. Необходимо отметить, что резких изменений iв при регулировании допускать нельзя, так как U и Eа [смотрите выражение 5 в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока»] являются близкими по значению и небольшое изменение Фδ и Eа ведет к большим изменениям Iа и M.

Аналогичным образом происходит переход к новому режиму при изменении других внешних условий (например, введение сопротивления в цепь якоря и так далее), а также в двигателях с другими способами возбуждения.

Из изложенного следует, что поведение двигателя при установившемся режиме работы и переходах к новому режиму работы всецело определяется уравнениями равновесия моментов и напряжения цепи якоря, выражения (2) и (4), представленные в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока»).

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока

Бесколлкторные двигатели постоянного тока (бдпт) являются разновидностью синхронных двигателей с постоянными магнитами, которые питаются от цепи постоянного тока через инвертор, управляемый контроллером с обратной связью. Контроллер подаёт на фазы двигателя напряжения и токи, необходимые для создания требуемого момента и работы с нужной скоростью. Такой контроллер заменяет щёточно-коллекторный узел, используемый в коллекторных двигателях постоянного тока. Бесколлекторные двигатели могут работать как с напряжениями на обмотках в форме чистой синусоиды, так и кусочно-ступенчатой формы (например, при блочной коммутации).

Появились бесколлекторные двигатели постоянного тока как попытка избавить коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами от их слабого места – щёточно-коллекторного узла. Этот узел, представляющий собой вращающийся электрический контакт, является слабым местом у коллекторных двигателей с точки зрения надёжности и в ряде случаев ограничивает их параметры.

Принцип работы и устройство бесколлекторного двигателя

Как и остальные двигатели, бесколлекторный двигатель состоит из двух основных частей – ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть). На статоре располагается трёхфазная обмотка. Ротор несёт на себе постоянный магнит, который может иметь одну или несколько пар полюсов. Когда к обмотке статора приложена трёхфазная система напряжений, то обмотка создаёт вращающееся магнитное поле. Оно взаимодействует с постоянным магнитом на роторе и приводит его в движение. По мере того как ротор поворачивается, вектор его магнитного поля проворачивается по направлению к магнитному полю статора. Управляющая электроника отслеживает направление, которое имеет магнитное поле ротора и изменяет напряжения, приложенные к обмотке статора, таким образом чтобы магнитное поле, создаваемое обмотками статора, повернулось, опережая магнитное поле ротора. Для определения направления магнитного поля ротора используется датчик положения ротора, поскольку магнит, создающий это поле жёстко закреплён на роторе. Напряжения на обмотках бесколлекторного двигателя можно формировать различными способами: простое переключение обмоток через каждые 60° поворота ротора или формирование напряжений синусоидальной формы при помощи широтно-импульсной модуляции.

Варианты конструкции двигателя

Обмотка двигателя может иметь различную конструкцию. Обмотка классической конструкции наматывается на стальной сердечник. Другой вариант конструкции обмотки – это обмотка без стального сердечника. Проводники этой обмотки равномерно распределяются вдоль окружности статора. Характеристики обмотки получаются различными, что отражается и на характеристиках двигателя. Кроме того, обмотки могут быть выполнены на различное число фаз и с различным количеством пар полюсов.

Бесколлекторные двигатели также могут иметь конструкции, различающиеся по взаимному расположению ротора и статора. Наиболее распространена конструкция, когда ротор охватывается статором снаружи – двигатели с внутренним ротором. Но также возможна, и встречается на практике конструкция в которой ротор расположен снаружи статора – двигатели с внешним ротором. Третий вариант – статор расположен параллельно ротору и оба располагаются перпендикулярно оси вращения двигателя. Такие двигатели называют двигателями аксиальной конструкции.

Датчик положения, который измеряет угловое положение ротора двигателя — это важная часть приводной системы, построенной на бесколлекторном двигателе. Этот датчик может быть самым разным как по типу, так и по принципу действия. Традиционно используемый для этой цели тип датчиков – датчики Холла с логическим выходом, устанавливаемые на каждую фазу двигателя. Выходные сигналы этих датчиков позволяют определить положение ротора с точностью до 60° — достаточной реализации самых простых способов управления обмотками. Для реализации способов управления двигателем, предполагающих формирование на обмотках двигателя системы синусоидальных напряжений при помощи ШИМ необходим более точный датчик, например, энкодер. Инкрементные энкодеры, очень широко используемые в современном электроприводе, могут обеспечить достаточно информации о положении ротора только при использовании их вместе с датчиками Холла. Если бесколлекторный двигатель оснащён абсолютным датчиком положения – абсолютным энкодером или резольвером (СКВТ), то датчики Холла становятся не нужны, так как любой из этих датчиков обеспечивает полную информацию о положении ротора.

Читать еще:  Второй запуск двигателя после стоянки

Можно управлять бесколлекторным двигателем, и не используя датчика положения ротора – бездатчиковая коммутация. В этом случае информация о положении ротора восстанавливается на основании показаний других датчиков, например, датчиков фазных токов двигателя или датчиков напряжения. Такой способ управления часто влечёт за собой ряд недостатков (ограниченный диапазон скоростей, высокая чувствительность к параметрам двигателя, специальная процедура старта), что ограничивает его распространение.

Преимущества и недостатки

Высокая надёжность вследствие отсутствия коллектора. Это основное отличие бесколлекторных двигателей от коллекторных. Щёточно-коллекторный узел, является подвижным электрическим контактом и сам по себе имеет невысокую надёжность и устойчивость к влиянию различных воздействий со стороны окружающей среды.

Отсутствие необходимости обслуживания коллекторного узла . Является особенно актуальным для двигателей среднего и крупного габарита. Для микроэлектродвигателей, проведение ремонта экономически оправдано далеко не во всех случаях, поэтому для них этот пункт не является актуальным.

Сложная схема управления. Прямое следствие переноса функции переключения токов обмотки во внешний коммутатор. Если в простейшем случае для управления коллекторным двигателем необходимо иметь только источник питания, то для бесколлекторного двигателя такой подход не работает – контроллер нужен даже для решения самых простых задач управления движением. Однако, когда речь идёт о решении для сложных случаев (например, задачи позиционирования), то контроллер становится необходим для всех типов двигателей.

Высокая скорость вращения. В коллекторных двигателях скорость перемещения щётки по коллектору ограничена, хотя и различна для различных конструкций этих двух деталей и различных используемых материалов. Предельная скорость перемещения щёток по коллектору сильно ограничивает скорость вращения коллекторных двигателей. Бесколлекторные двигатели не имеют такого ограничения, что позволяет выполнять их для работы на скоростях до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту – цифра недостижимая для коллекторных двигателей.

Большая удельная мощность. Возможность достичь большой удельной мощности является следствием высокой скорости вращения, доступной для бесколлекторного двигателя.

Хороший отвод тепла от обмотки. Обмотка бесколлекторных двигателей неподвижно закреплена на статоре и есть возможность обеспечить хороший тепловой контакт её с корпусом, который передаёт тепло, выделяемое в двигателе, в окружающую среду. У коллекторного двигателя обмотка установлена на роторе, и её тепловой контакт с корпусом гораздо хуже, чем у бесколлекторного двигателя.

Больше проводов для подключения. Когда двигатель расположен близко от контроллера, то это конечно не повод для огорчения. Однако если условия окружающей среды, в которых работает двигатель очень сложны, то вынесение управляющей электроники на значительное расстояние (десятки и сотни метров) от двигателя является подчас единственным доступным вариантом для разработчиков системы. В таких условиях каждая дополнительная цепь для подключения двигателя, будет требовать дополнительных жил в кабеле, увеличивая его размеры и массу.

Уменьшение электромагнитных помех, исходящих от двигателя . Щёточно-коллекторный контакт создаёт при работе достаточно сильные помехи. Частота этих помех зависит от частоты вращения двигателя, что осложняет борьбу с ними. У бесколлекторного двигателя единственным источником помех является ШИМ силовых ключей, частота которого обычно постоянна.

Присутствие сложных электронных компонентов. Электронные компоненты (датчики Холла, например) более остальных составных частей двигателя уязвимы для действия жёстких условий со стороны внешней среды, будь то высокая температура, низкая температура или ионизирующие излучения. Коллекторные двигатели не содержат электроники и у них подобная уязвимость отсутствует.

Где применяются бесколлекторные двигатели

К настоящему времени бесколлекторные двигатели получили широкое распространение, как благодаря своей высокой надёжности, высокой удельной мощности и возможности работать на высокой скорости, так и из-за быстрого развития полупроводниковой техники, сделавшей доступными мощные и компактные контроллеры для управления этими двигателями.

Бесколлекторные двигатели широко применяются в тех системах где их характеристики дают им преимущество перед двигателями других типов. Например, там, где требуется скорость вращения несколько десятков тысяч оборотов в минуту. Если от изделия требуется большой срок службы, а ремонт невозможен или ограничен из-за особенностей эксплуатации изделия, то и тогда бесколлекторный двигатель будет хорошим выбором.

Условия устойчивой работы двигателей постоянного тока

На практике важно, чтобы работа двигателя вместе с произ­водственным механизмом протекала устойчиво. Под статически устойчивой работой двигателя понимается его способность вер­нуться в исходную точку равновесия после кратковременного дей­ствия возмущающих сил, нарушивших это равновесие. Оценка ус­тойчивости производится путем совместного рассмотрения меха­нических характеристик двигателя и приводимого им в движение производственного механизма.

Рис. 24.7. К анализу устойчивости работы двигателя постоянного тока

Рассмотрим работу двигателя независимого возбуждения, меха­нические характеристики которого могут быть как возрастающими, так и падающими (см. рис. 24.7).

Пусть момент сопротивления не зависит от скорости враще­ния, т.е. Мс = const. Тогда точки 1 и 2 (рис. 24.7) пересечения ме­ханических характеристик с мо­ментом сопротивления будут яв­ляться точками равновесия мо­ментов (М — Мс = 0) и соответ­ствовать установившемуся режи­му работы двигателя.

Теперь предположим, что момент сопротивления Мс скач­ком увеличился на ΔМС, и рассмотрим работу двигателя сначала в точке 1. В соответствии с урав­нением движения (24.4) можно утверждать, что скорость двига­теля скачком измениться не может, и тогда для точки 1 справед­ливо неравенство . Иными словами, при увеличении мо­мента сопротивления скорость двигателя будет уменьшаться, т.е. ее значение будет перемещаться на механической характеристике в сторону точки 1`.

Предположим, что при достижении точки 1` характеристики момент сопротивления восстанавливает свое первоначальное зна­чение Мс.

Так как скорость не может измениться скачком, для этой точ­ки будет справедливо неравенство , т.е. скорость двига­теля начнет увеличиваться и ее значение на механической ха­рактеристике будет перемещаться в сторону точки 1. В этой точке М= Мс, и дальнейшего изменения скорости происходить не будет. Таким образом, после исчезновения возмущения двигатель воз­вращается в исходную точку работы. Следовательно, падающая механическая характеристика является статически устойчивой.

Условие устойчивой работы двигателя можно записать следую­щим образом:

Теперь рассмотрим работу двигателя в точке 2. Как и в преды­дущем случае, скорость двигателя скачком измениться не может, и тогда для точки 2 справедливо неравенство . Иными словами, при увеличении момента сопротивления скорость дви­гателя будет уменьшаться, т.е. ее значение на механической ха­рактеристике будет перемещаться в сторону точки 2′.

Предположим, что при достижении точки 2′ характеристики момент сопротивления восстанавливает свое первоначальное зна­чение Мс. В отличие от предыдущего случая в точке 2′ момент сопротивления по-прежнему остается больше электромагнитного момента, a , что приводит к дальнейшему уменьшению скорости вращения двигателя (в направлении ). Следовательно, восходящая механическая характеристика является статически неустойчивой.

В современных высокоиспользуемых двигателях сильно про­является размагничивающее действие реакции якоря и получить падающую механическую характеристику не удается. В этом случае для получения статически устойчивой характеристики на глав­ных полюсах размещают дополнительно последовательную об­мотку возбуждения, имеющую всего несколько витков и пред­назначенную только для компенсации размагничивающего дей­ствия реакции якоря. Эта обмотка называется стабилизирующей. При наличии такой обмотки магнитный поток двигателя прак­тически не будет меняться ( ) при изменении тока якоря, т.е. он будет стабилизирован, а механическая характеристика дви­гателя в этом случае будет падающей. Несмотря на то что такой двигатель имеет смешанное возбуждение, его называют двигате­лем параллельного (независимого) возбуждения со стабилизиру­ющей обмоткой.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector