Проектирование мехатронных узлов Божко

Способ регулирования изменением сопротивления в цепи якоря называется реостатным регулированием. С этой целю в цепь якоря включается добавочное сопротивление Rд подобно пусковому реостату. С учетом сопротивления добавочного реостата ток якоря уменьшается:

Согласно выражению для электромагнитного момента двигателя

Mэм = CМ I яФв

это уменьшает момент, развиваемый двигателем.

Зависимость частоты вращения n от сопротивления в цепи якоря определяется выражением, в котором вместо сопротивления обмотки якоря стоит суммарное сопротивление цепи якоря:

Реостатные механические характеристики ДПТ

Как видно в выражении для n, слагаемое, определяющее частоту вращения холостого хода, не зависит от Rд. Значит точка холостого хода на графиках является общей для всех характеристик.

Пусковой момент согласно выражению Мпуск уменьшается с введением добавочного резистора:

Электромеханическое торможение электродвигателей постоянного тока. Примеры диаграмм.

Для точного позиционирования рабочего органа в мехатронных системах часто возникает особая необходимость своевременного торможения электродвигателей.

Для того чтобы быстро остановить механизм или уменьшить его скорость, наряду с механическими применяются и электрические способы.

Для понимания механизма электрического торможения обратимся к уравнениям

U = E + Iя∙(Rя + Rд)

M = CМ∙Ф∙Iя

из которых следует, что пока напряжение U источника питания больше ЭДС E индукции, ток Iя положительный, а момент M действует в направлении вращения. Как только напряжение U < E, ток Iя становится отрицательным, в результате чего меняет знак и момент M. Он становится тормозным.

Процессы разгона и торможения происходят в электрической машине всегда при условии, что якорь включен в сеть. Если для остановки двигателя просто отключить якорь от сети, то цепь окажется разомкнутой, ток якоря станет равным нулю и не сможет создать тормозной момент. Уменьшение частоты вращения будет происходить только за счет механических потерь различного рода в течение сравнительно большого интервала времени. Следовательно, для эффективного торможения необходимо тем или иным способом оставить якорь включенным в какую-либо электрическую цепь.

В машинах постоянного тока применяют три способа электрического торможения:

−рекуперативное;

−динамическое;

−противовключением.

При рекуперативном торможении электрическая машина работает в режиме генератора, параллельного сети, при динамическом – в режиме автономного генератора, при торможении противовключением – в режиме электрического тормоза.

При рекуперативном торможении электродвигатель не отключается от сети, а ЭДС E индукции тем или иным способом повышают до значений, превышающих напряжение U сети.

Регулировка магнитного потока шунтовой обмотки позволяет эффективно регулировать тормозной момент. При большом магнитном потоке в обмотках якоря вырабатывается высокая ЭДС даже на малой частоте вращения. Если эта ЭДС превышает напряжение сети, то электродвигатель пополняет сеть электрической энергией за счет кинетической энергии движущихся частей машины. Рекуперативное торможение прекращается при падении ЭДС меньше напряжения сети в результате уменьшения частоты вращения. При малом магнитном потоке шунтовой обмотки торможение происходит лишь при высокой частоте вращения.

Для электродвигателей с последовательным возбуждением применить рекуперативное торможение невозможно.

При динамическом торможении двигателя с параллельным возбуждением обмотку якоря отключают от сети и присоединяют к ней реостат Rдоб. При этом машина работает как генератор, создает тормозной момент, но выработанная электрическая энергия бесполезно гасится в реостате. Регулирование тока Iя = Е/(ΣRя + Rдоб), т. е. тормозного момента М, осуществляют путем изменения сопротивления Rдоб, подключенного к обмотке якоря.

Ток меняет знак и становится тормозным (и момент). Под действием тормозного момента (Мторм) двигатель постоянного тока интенсивно тормозится.

Для перехода в режим торможения противовключением

изменяют полярность подводимого к якорю напряжения, в результате чего ЭДС E и напряжение U становятся совпадающими по направлению. По сути, это режим пуска двигателя в противоположном направлении. Условия такого пуска существенно хуже обычных, так как при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря ток Iя может более чем в два раза превышать ток пуска из состояния покоя. Такой ток крайне нежелателен как для самого электродвигателя, так и для сети. Поэтому торможение противовключением целесообразно применять только при малой частоте вращения, когда остальные способы торможения малоэффективны.

Важным моментом при торможении противовключением является необходимость отключения двигателя от сети при достижении состояния покоя, так как в противном случае его вал начнет вращаться в противоположную сторону.

Во избежание нежелательного реверсирования операцию торможения противовключением автоматизируют, чтобы при нулевом значении частоты вращения цепь якоря отключалась от сети.

В мехатронных системах все операции торможения целесообразно осуществлять в автоматическом режиме с использованием информации от датчиков частоты вращения и импульсных реверсивных регуляторов напряжения, применяя различные способы торможения на различных его этапах.

Универсальные коллекторные двигатели

Коллекторные двигатели мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен ватт, которые могут работать от источника как постоянного, так и однофазного тока. Они аналогичны по конструкции двигателям постоянного тока с последовательным возбуждением за исключением того, что вся магнитная система (и статор, и ротор) выполняется шихтованной и обмотка возбуждения делается секционированной. Шихтованная конструкция и статора, и ротора обусловлена тем, что при работе на переменном токе их пронизывают переменные магнитные потоки, вызывая значительные магнитные потери.

Секционирование обмотки возбуждения вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с целью сближения рабочих характеристик при работе электродвигателя от сетей постоянного и переменного тока. Из-за падения напряжения в индуктивном сопротивлении двигателя номинальная частота вращения оказывается меньшей, чем при работе на постоянном токе: Для выравнивания частот вращения при работе на постоянном токе в цепь якоря включают все витки обмотки возбуждения, а при работе на переменном токе – только часть их, вследствие чего соответственно уменьшается магнитный поток машины.