Avtoargon.ru

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

Регулирование скорости вращения коллекторного двигателя постоянного тока

Регулирование скорости вращения коллекторного двигателя постоянного тока

Двигатели постоянного тока и мотор-редукторы, созданные на их основе, нуждаются в надежной системе управления скоростью вращения вала. Простым и удобным методом решения проблемы является применение широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Способ основан на преобразовании постоянного напряжения в импульсное. При этом управление частотой вращения осуществляют путем изменения длительности подающегося импульса.

Например, по такому же принципу используют ШИМ схему в осветительных приборах для регулировки яркости свечения светодиодных ламп. Так как у светодиода небольшое время затухания частота работы устройства регулирования имеет большое значение. Качественные приборы должны полностью исключать мерцание при пониженной яркости свечения.

Управление двигателями постоянного тока методом ШИМ стало возможным благодаря силе инерции. После прекращения подачи напряжения на обмотки вал электродвигателя останавливается не сразу, продолжая движение по инерции. Путем кратковременной подачи напряжения с определенным периодом можно добиться плавного регулирования скорости вращения вала. При этом главным регулирующим параметром является размер паузы между импульсами.

Применение устройства управления для двигателя постоянного тока

Этот метод управления двигателем постоянного тока позволяет плавно изменять скорость вращения вала в широких пределах. ШИМ делает возможным изменение параметров работы двигателя в автоматическом режиме в соответствии с установленными данными. Необходимую информацию регулятор оборотов коллекторного двигателя получает от пользователя или специального датчика, который определяет, температуру, скорость вращения или любой другой параметр. Например, в воздушных системах охлаждения регулятор оборотов изменяет скорость вращения вентилятора на основе данных, полученных от датчика температуры. Это позволяет автоматически замедлять скорость потока воздуха при низкой температуре и увеличивать при высокой.

Схема управления коллекторным двигателем постоянного тока

Простую схему управления двигателем постоянного тока можно собирать из полевого транзистора. Он играет роль электронного ключа, который переключает схему питания двигателя после подачи напряжения на базу. Электронный ключ остается открытым на время, соответствующее длительности импульса.

ШИМ сигнал характеризуют коэффициентом заполнения, который равен обратной величие скважности. Коэффициент заполнения равен отношению продолжительности импульса к периоду его подачи. Скорость движения вала двигателя будет пропорциональна значению коэффициента заполнения. Поэтому, если частота ШИМ сигнала слишком низкая для обеспечения стабильной работы, то вал двигателя будет вращаться заметными рывками. Чтобы гарантировать плавное регулирование и стабильную работу частота должна превышать сотни герц.

Оптимальные значения частоты ШИМ сигнала

Частота может варьироваться в широких пределах от нескольких десятков до нескольких сотен герц. Благодаря емкостной нагрузке происходит сглаживание импульсов. В итоге на двигатель подается «постоянное» напряжение средней величины в зависимости от параметров управляющей системы. Например, если двигатель получает питание от сети напряжением 10В, и к нему подключить регулятор с длительностью импульса равной половине периода подачи, то эффект будет таким же, как при подаче 5В на двигатель напрямую.

Сложности при ШИМ регулировании скорости двигателя постоянного тока

ШИМ является популярным методом регулирования аналоговым напряжением в различных схемах. При использовании этого способа регулирования пользователь может столкнуться с непредсказуемым поведением двигателя. Например, вал может начать вращение в обратную сторону. Это происходит при низких емкостных нагрузках. В коллекторных двигателях в процессе работы происходит постоянное переключение обмоток якоря. Когда подключают регулятор, начинает происходить отключение и включение питание с определенной частотой. Дополнительная коммутация в сочетании с коллекторной может привести к проблемам с эксплуатацией двигателя. Поэтому устройства управления с ШИМ регулированием двигателя должны быть тщательно продуманы и проработаны.

Также причиной нестабильной работы электродвигателя может стать факт влияния силы тока на скорость вращения ротора, которая находится в зависимости от уровня приложенного напряжения. Проблемы могут возникнуть при эксплуатации двигателей на малой скорости по отношению к номинальному значению.

Например, у пользователя есть двигатель, который при номинальном напряжение вращает ротор со скоростью 10об/сек. Чтобы понизить скорость до 1 об/сек недостаточно просто снизить напряжение до 1В. Подобрать подходящее значение подаваемого напряжения сложно и если пользователю и удастся, то при незначительном изменении условий эксплуатации скорость снова изменится.

Решением проблемы является применение системы автоматического регулирования или кратковременное включение электродвигателя на полную мощность. Движение ротора будет происходить рывками, но при правильно подобранной частоте и длительности подаваемых импульсов можно сделать вращение более стабильным. Так, добиваются устойчивого движения вала электродвигателя с любой скоростью, которая не будет меняться в зависимости от нагрузки.

Реализация ШИМ

Многие модели современных ПЛК контроллеров предоставляют возможность организации ШИМ. Но иногда доступных каналов оказывается недостаточно и приходится использовать программу обработки прерывай.

Алгоритм реализации ШИМ:

  1. В начале каждого импульса ставим единицу и ждем повышения значения до заданного уровня.
  2. Сбрасываем линию на ноль.

Длительность импульса легче отследить с определенной периодичностью или ступенями. Например, десять регулировочных ступеней соответствуют 10% от максимального значения. Прежде всего необходимо определиться с частотой импульсов и количеств ступеней регулирования. Далее, умножают полученные значения. Результат произведения даст необходимую частоту прерываний таймера.

При желании можно выбрать подходящую частоту таймера или количество ступеней регулирования и путем расчетов находят необходимую частоту импульсов.

Так же по теме регулирования скорости коллекторного двигателя предлагаем статью «Управление коллекторным двигателем постоянного тока методом ШИМ»

Приглашаем на выставку «МЕТАЛЛООБРАБОТКА-2018»

Пуск и регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока

Пуск двигателя постоянного тока осуществляется следующими основными способами:

Читать еще:  Ваз 2109 аккумулятор нет зарядки при работе двигателя

1). Прямой пуск, – при котором обмотка якоря включается непосредственно в сеть питания. Т. к. при прямом пуске ток якоря в 10-20 раз больше номинального тока двигателя, прямой пуск применяют только для двигателей малой мощности и редко для двигателей мощностью в несколько киловатт.

2). Реостатный пуск, – при котором обмотка якоря включается в сеть питания через пусковой реостат, имеющий несколько ступеней (секций), которые в процессе пуска замыкаются специальными выключателями (контакторами). Реостатный пуск применяют на электровозах и электропоездах постоянного тока. Электропоезда имеют приблизительно постоянную массу, поэтому в них выключение ступеней пускового реостата производится автоматически специальным реле ускорения (реле минимального тока). Электропоезда чаще всего имеют разную массу, поэтому выключение ступеней пускового реостата в них производится самим машинистом вручную контролером машиниста по мере увеличения скорости движения.

3). Пуск двигателей постоянного тока путём понижения питающего напряжения применяют для двигателей большой мощности, т. к. применение для них пусковых реостатов нецелесообразно из за значительных потерь мощности. Для этого необходимо иметь источник постоянного тока с плавно регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Такой пуск называют безреостатным и применяют его на электроподвижном составе переменного тока и тепловозах.

Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока оценивается плавностью регулирования, диапазоном регулирования (определяется отношением наибольшей частоты вращения к наименьшей) и экономичностью регулирования (определяется стоимостью регулирующей аппаратуры и потерями электроэнергии в ней).

Частота вращения двигателя постоянного тока n определяется по формуле:

n = [U-I×Cе×Ф],

где U – напряжение питающей сети, ток якоря, – сопротивление цепи якоря, Се – постоянная для данной машины (определяется её конструктивными особенностями), Ф – основной магнитный поток двигателя.

Из этой формулы следует, что регулировать скорость вращения двигателя можно следующими способами:

1). Изменением питающего напряжения U – при этом двигатель подключают к источнику регулируемого постоянного напряжения (генератор с независимым возбуждением или регулируемый выпрямитель). Этот способ применяют на тепловозах (от генератора), а также на электровозах и электропоездах (от выпрямителя). Несмотря на то, что он требует довольно сложного оборудования, его широко применяют на современных тепловозах и электропоездах, т. к. он обеспечивает плавное и экономичное регулирование частоты вращения в широких пределах.

2). Изменением сопротивления в цепи якоря , т. е. включением реостата в цепь обмотки якоря. Этот способ позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне, причём, чем больше сопротивление реостата, тем меньше частота вращения. Т. к. при этом способе регулирования частоты вращения возникают большие потери, его применяют только при кратковременных режимах работы, например при пуске.

3). Изменением основного магнитного потока Ф – при этом в цепь возбуждения включают регулировочный реостат, который регулирует ток возбуждения и, следовательно, основной магнитный поток . В двигателях с независимым и параллельным возбуждением регулировочный реостат включают последовательно с ОВ. В двигателях с последовательным возбуждением регулировочный реостат включают параллельно ОВ, вследствие чего через ОВ будет протекать только часть тока якоря (другая часть будет ответвляться в регулировочный реостат). Этот способ прост и экономичен и его широко применяют на локомотивах и тепловозах, но в этом случае регулирование частоты вращения можно осуществлять только в сравнительно небольшом диапазоне.

Автоматическая регулировка оборотов двигателя постоянного тока

Борис Калинин
+7 961 683-09-01

28.1. Управление скоростью двигателя постоянного тока

В электродвигателях постоянного тока крутящий момент порождается реакцией между двумя магнитными полями: одно поле устанавливается стационарной обмоткой возбуждения, а другое – обмотками во вращающемся якоре. У некоторых двигателей постоянного тока отсутствует обмотка возбуждения, вместо которой установлены большие постоянные магниты, сохраняющие стационарное магнитное поле постоянным при любых рабочих условиях.

В любом случае, принцип работы электродвигателя постоянного тока заключается в том, что ток, проходя через якорь, создает магнитное поле, пытающееся выровняться со стационарным полем. И поэтому якорь вращается:

Однако, коллектор (так называется набор сегментированных медных планок), разрывает электрический контакт с уже «выровненной» обмоткой и возбуждает другую обмотку (или как в простом примере, показанном выше, перевозбуждает ту же цепь в противоположном направлении), создавая другое не выровненное магнитное поле, которое продолжает вращать якорь. Электрический контакт между вращающимися сегментами коллектора и стационарным источником питания происходит через угольные щетки. Эти щетки изнашиваются через определенное время (как и сам коллектор) и поэтому требуют периодической замены.

Большинство промышленных электродвигателей постоянного тока изготавливаются с несколькими обмотками якоря, а не с одной, как показано на упрощенной иллюстрации сверху. Фотография большого (1250 л. с.) электромотора постоянного тока, используемого для приведения в движение парома, с обмотками и якорем показана здесь:

В электродвигателях постоянного тока проявляются следующие отношения между механическими и электрическими величинами:

Крутящий момент:

  • Момент прямо пропорционален силе магнитного поля якоря, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна току, проходящему через обмотки якоря;
  • Момент также прямо пропорционален силе постоянного магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально току, проходящему через возбуждающую обмотку (в двигателе без магнитов).

Скорость:

  • Скорость ограничена ЭДС, генерируемой якорем при вращении в постоянном магнитном поле. Эта ЭДС прямо пропорциональна скорости вращения якоря, и также прямо пропорциональна силе постоянного магнитного поля (которая прямо пропорциональна току возбуждающей обмотки в электродвигателе без магнитов);
  • Следовательно, скорость прямо пропорциональна напряжению якоря;
  • Также скорость обратно пропорциональна силе постоянного магнитного поля, которая прямо пропорциональна току, проходящему через возбуждающие обмотки (в двигателе без магнитов).
Читать еще:  Все датчики температуры двигателя на снегоходы

Очень простой способ управления скоростью и моментом двухобмоточного двигателя постоянного тока заключается в управлении величиной тока, проходящего через возбуждающую обмотку:

Уменьшающееся сопротивление токозадающего резистора, позволяет большему току протекать через возбуждающую обмотку, усиливая ее магнитное поле. Это окажет два эффекта на работу двигателя: во-первых, двигатель будет производить больший момент, чем был до этого (при той же величине тока якоря), так как более сильное магнитное поле якоря будет воздействовать на якорь; во-вторых, скорость двигателя уменьшится, так как большая противо-ЭДС будет генерироваться вращающимся якорем при той же скорости вращения, и эта противо-ЭДС естественно попытается сравняться с приложенным напряжением источника постоянного тока. С другой стороны, мы можем увеличить скорость электродвигателя постоянного тока (и уменьшить выходной момент) увеличением сопротивления управляющего резистора, ослабляя стационарное магнитное поле, которое вращает якорь.

Регулированием тока обмотки можно менять баланс между скоростью и моментом, но этого недостаточно для управления общей мощностью двигателя. Чтобы управлять выходной мощностью электродвигателя постоянного тока мы также должны управлять напряжением и током якоря. Переменные резисторы можно применить и для этой задачи, но этот метод не используется в настоящее время, так как приводит к потере мощности.

Лучшим решением будет применение электронной схемы регулирования мощности на транзисторных ключах быстро отключающих и включающих якорь двигателя в цепь. Такой тип управления называется широтно-импульсной модуляцией, или ШИМ.

Такая электронная схема регулирования мощности обычно называется приводом. Таким образом, привод с регулируемой скоростью (или VSD ) – это высокомощная схема, используемая для управления скоростью двигателя постоянного тока. Моторные приводы могут быть вручную настроены на пуск двигателя с заданной скоростью, или могут принимать электронные управляющие сигналы для изменения скорости двигателя таким же образом как электронные сигналы управляют движением регулирующего клапана. Оснащенный дистанционной системой передачи управляющих сигналов, привод функционирует подобно любому другому конечному исполнительному элементу: следуя командам контроллера, стабилизирует некий технологический параметр, приближая его к уставке.

По традиционной технологии для импульсного питания двигателя постоянного тока используют схему управляемого выпрямителя, в котором для преобразования переменного тока в постоянный вместо обычных выпрямляющих диодов используют тиристоры. Основным источником питания промышленных двигателей постоянного тока остается переменный ток, и этот переменный ток должен быть преобразован в постоянный в некотором узле системы; управление имеет смысл интегрировать прямо в этот выпрямительный узел:

Схема управляемого выпрямителя работает по принципу изменения времени «пускового» импульса относительно импульсов колебаний переменного тока. Чем раньше в каждом периоде переменного тока откроется тиристор, тем дольше он будет пропускать ток к двигателю. Схема фазового управления отвечает за генерацию импульсов и их длительность.

Привод постоянного тока просто регулирующий мощность, поступающую к двигателю, был бы непродуманным и трудно применимым для управления большинством процессов. Чего бы в идеале хотелось от регулируемого привода, так это точного управления скоростью двигателя. По этой причине большинство приводов рассчитано на получение обратной связи от тахометра, механически соединенного с валом мотора. Тахометр обычно представляет собой небольшой генератор, создающий постоянное напряжение, прямо пропорциональное скорости вращения вала (с выходом 0-10 В). По его показаниям регулируемый привод дросселирует электрическую мощность, подводимую к двигателю так, чтобы скорость вращения совпала с заданной управляющим сигналом. Имея встроенный контур обратной связи для регулирования скорости, регулируемый привод становится «ведомым контроллером» в системе управления. Привод может принимать выходной сигнал уставки скорости от любого контроллера:

Способ регулирования числа оборотов двигателей постоянного тока

ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

ОПИСАНИЕ способа регулирования числа оборотов двигателей постоянного тока.

К патенту ин-ной фирмы „Заводы Сименс-Шуккерт, общество с огр. отв». (Siemens-Schuckert Werke, G. m. b. Н.), в г. БерлинеСименсштадте, Германия, заявленному 24 августа 1926 года (ваяв. свид. Ма 10352).

Действительный изобретатель ин-ц Г. Шаровский (Gunther Scharowsky).

Приоритет от 28 декабря 1922 г. на основании ст. 4 Советско-Германского

Соглашения об охране промышленной собственности.

0 выдаче патента опубликовано 81 января 1929 года. Действие патента распространяется на 15 лет от 81 января 1929 года.

Известен способ поддержания числа оборотов двигателя постоянного тока влиянием электронного потока на его возбуждение. Действие подобного устройства основано на изменении электронного потока под влиянием электрического или магнитного поля, создаваемого некоторым напряжением, меняюшимся с числом оборотов. Этот метод может быть применен и для регулировки числа оборотов машин постоянного тока с отдаленного командного поста, при чем приходится считаться с непостоянством числа оборотов из-за колебаний напряжения при регулировке возбуждением, либо из-за колебаний возбуждения при регулировке напряжением; кроме того, на регулировке числа оборотов сказывается влияние электрических и магнитных процессов, происход «.цих в машине.

Необходимо та кже отметить, что управление при помощи электронных потоков не допускает точной регулировки двигателей, так как напряжение, влияющее на поток электронов, находится в строгой зависимости от числа оборотов регулируемой машины.

Предлагаемое изобретение, имеющее целью устранение указанных недостатков, представляет собой такое устройство, при котором напряжение, регулирующее электронный поток, влияющий на возбуждение машины, автоматически изменяется командным аппаратом так, что в результате получается заданное число оборотов.

Читать еще:  Двигатель газ 406 не работает на холостом ходу

На фиг. 1 двигатель постоянного тока 1 снабжен, кроме нормальной обмотки возбуждения 2 с регулятором 8, еще вспомогательной обмоткой возбуждения 3, приключаемой к напряжению сетки б катодной лампы. Последнее создается вспомогательным генератором 7, сидящим на валу двигателя 1, включенным последовательно с источником постоянного тока, присоединенным к регулятору 10, механически связанному с регулятором 8.

Соответственно приведенной на фиг. 2 характеристике катодной лампы, изображающей изменение тока сетки Хд в функции от сеточного напряжения Е6, напряжения Е и Eд подбираются равными друг другу по величине и взаимно противоположными по направлению, так что, при некотором числе оборотов и„ ток во вспомогательной обмотке возбуждения 3 равен среднему значению тока Хз, а сеточное напряжение Е равно нулю.

При перестановке командного аппарата 8 в положение, соответствующее числу оборотов п„необходимо изменить и напряжение Е» до величины, равной напряжению Ж-„развиваемаму вспомогательным генератором 7 при числе оборотов п, как это представлено на фиг. 3, после чего регулирующее устройство уже самостоятельно автоматически поддерживает число оборотов, равное ж .

При регулировке числа оборотов двигателя постоянного тока, согласно схеме фиг. 4, при неизменном возбуждении, изменением подводимого к щеткам напряжения.Е,, при помощи командного аппарата какойнибудь известной системы, напр. при помощи регулирующего реостата йли регулятора тока возбуждения генератора системы Леонарда, в качестве добавочного напряжения к напряжению вспомогательного генератора 7 используется напряжение Ж,, пропорциональное, как это видно из фиг. 5, числу оборотов двигателя, ибо оно автоматически регулируется аналогично напряжению .Е (фиг. 3). Правильное соотношение между напряжениями .Е, и E. подбирается помощью делителя на пря ж ения 11.

Если двигатель 1 включен, согласно фиг. б, по схеме Леонарда, ro напряжение Ж, не вполне соответствует положению рычага 20 командного аппарата, и добавочное напряжение для регулировки электронного потока катодной трубки берется от зажимов обмотки возбуждения 21 генератора 19. Если указанное напряжение включить навстречу напряжению Е„наподобие того, как включено напряжение Е, на фиг. 4, то получается устойчивое управление двигателем 1 при помощи командного аппарата, если пренебречь влиянием всех внутренних неточностей и колебаний в преобразователе Леонарда 19 и в двигателе постоянного тока 1. Показанная на фиг. б батарея 22 служит исключительно для накала катодной нити 4.

В зависимости от характеристики применяемой катодной лампы может понадобиться, кроме напряжения, зависящего от числа оборотов и уравновешивающего его, включить еще добавочное напряжение, что позволит устанавливать для средних значений сеточного напряжения любые положительные или отрицательные величины, независимо от значений напряжения обоих регулирующих источников тока.

Что касается соотношения между числами ампервитков обмоток 2 и 3, а, следовательно, быстроты и резкости регулирующих толчков, то описанное устройство аналогично устройству для поддержания постоянного числа оборотов в нерегулируемых двигателях постоянного тока с той лишь разницей, что при определении числа ампервитков в рассматриваемом случае решающее значение имеет также величина неточности командной передачи. Например, если число оборотов двигателя постоянного тока 1 значительно отступает от того числа, на которое установлен регулятор (командный аппарат 20), то регулирующая цепь, в которую включена катодная лампа, принимает на себя автоматическое выравнивание этой разницы. Ясно, что регулирование, достаточное для определенных пределов колебаний нагрузки, благодаря неточностям передачи, требует дальнейших поправок, и необходимо подбором возбуждений сделать возможной регулировку и при указанных неточностях. Например, на фиг. 4 регулятор 9 может быть установлен на меньшее сопротивление, чем будет достигнуто увеличение регулирующих возбуждающих толчков в обмотке 3, и колебания оборотов, происходящие не только от изменений нагрузки, но и от неточностей в командной передаче, будут сглажены.

Предлагаемое изобретение распространяется не только на двигатели постоянного тока, как таковые, но и на устройства, в которых имеется несколько машин и в которых на машины постоянного тока возлагается задача поддерживать постоянное число оборотов всей системы.

1. Способ регулирования числа оборотов двигателей постоянного тока, у которых регулируется влияющий на возбуждение двигателя электронный поток катодной лампы, характеризующийся тем, что получаемое от батареи Ж, добавочное напряжение и напряжение насаженного на вал двифртеля 1 вспомогательного электрического генератора 7, регулирующего электронный поток катодной лампы 4 — 5, включенной в цепь дополнительной обмотки 3 возбуждения двигателя, изменяются автоматически одновременно с изменением тока в главной обмотке возбуждения 2 двигателя так, чтобы получалось заданное число оборотов.

2. Видоизменение охарактеризованного в и. 1 способа, отличающееся тем, что, при регулировании числа оборотов двигателя 1 изменением подводимого к якорю напряжения Е,, добавочное напряжение к напряжению электрического генератора 7 берется от делителя напряжения 11 (фиг. 4).

3. Видоизменение охарактеризованного в и, и. 1 и 2 способа регулирования числа оборотов двигателя постоянного тока, отличаю. щееся тем, что при регулировании числа оборотов по системе Леонарда, добавочное напряжение для регулирования электронного потока катодной трубки берется от зажимов обмотки возбуждения 21 генератора 19 (фиг. 6).

4. Видоизменение охарактеризованного в и. и. 1 и 2 способа регулирования числа оборотов двигателя постоянного тока, отличающееся включением добавочного напряжения в цепь сетки катодной лампы, с целью регулировать напряжение в зависимости от характеристики кат одной л а мпы.

К патенту ин-ной фирмы „Заводы Сименс-Шуккерт, общество с огр. отв.» J4 7495 фиг, 4- фиГ. фиг. фи r.

Тиво-витографии еКраювый Печатвввз, Певивград, Хеждуиародвый, 75.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector