1.2 Концепция аппаратной реализации стенда и его функциональное назначение

Конструктивно проектируемый стенд представляет собой совокупность трех базовых элементов:

– компьютер с установленной средой LabView;

– рабочая станция NI ELVIS II, сопрягаемая с компьютером черезUSB-разъем и имеющая независимый источник питания;

- макетная плата;

– электромотор постоянного тока.

Схематично идеология конструктивного исполнения проектируемого стенда проиллюстрирована на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 – Разрабатываемый стенд.

Электромотор размещается на макетной плате NIELVISII, обеспечивающей необходимый интерфейс для возможности цифрового управления величиной входного напряжения, подаваемого на обмотки ротора электромотора.

На вал электромотора может быть установлен нагрузочный диск, имитирующий инерционность внешних устройств и позволяющий создавать внешнюю нагрузку на валу электромотора.

Основным функциональным назначением проектируемого стенда является обеспечение возможность проведения исследований систем управления скоростью вращения ротора двигателя постоянного тока, а также исследования самого объекта управления.

1.3 Аппаратная реализация

1.3.1 Выбор элементной базы

Электродвигатели постоянного тока применяют в тех электроприводах, где требуется большой диапазон регулирования скорости, большая точность поддержания скорости вращения привода, регулирования скорости вверх от номинальной.

Работа электрического двигателя постоянного тока основана на явлении электромагнитной индукции. Из основ электротехники известно, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, определяемая по правилу левой руки: F = BIL, где I — ток, протекающий по проводнику, В — индукция магнитного поля; L — длина проводника.

При пересечении проводником магнитных силовых линий машины в нем наводится электродвижущая сила, которая по отношению к току в проводнике направлена против него, поэтому она называется обратной или противодействующей (противо-э. д. с). Электрическая мощность в двигателе преобразуется в механическую и частично тратится на нагревание проводника.

Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из индуктора и якоря, разделенных воздушным зазором. Индуктор электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного поля машины и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина служит для крепления основных и добавочных полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На главных полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины, на добавочных полюсах специальная обмотка, служащая для улучшения условий коммутации.

Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянного тока.

Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором.

Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях) рисунок 1.8[5].

Рисунок 1.8– Коллектор [5].

Когда магнитное поле пересекается только двумя проводниками, образующими рамку, коллектор будет представлять собой одно кольцо, разрезанное на две части, изолированные одна от другой. В общем случае каждое полукольцо носит название коллекторной пластины.

Начало и конец рамки присоединяются каждый к своей коллекторной пластине. Щетки располагаются таким образом, чтобы одна из них была всегда соединена с проводником, который будет двигаться у северного полюса, а другая — с проводником, который будет двигаться у южного полюса.

Щетки закреплены в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе, связанной с корпусом электродвигателя. Конструкцию двигателя постоянного тока можно наглядно увидеть на рисунке 1.9.

В процессе работы электродвигателя постоянного тока щетки, скользя по поверхности вращающегося коллектора, последовательно переходят с одной коллекторной пластины на другую. При этом происходит переключение параллельных секций обмотки якоря и изменение тока в них. Изменение тока происходит в то время, когда виток обмотки замкнут щеткой накоротко. Этот процесс переключения и явления, связанные с ним, называются коммутацией.

Рисунок 1.9 – Двигатель постоянного тока.

В момент коммутации в короткозамкнутой секции обмотки под влиянием собственного магнитного поля наводится э. д. с. самоиндукции. Результирующая э. д. с. вызывает в короткозамкнутой секции дополнительный ток, который создает неравномерное распределение плотности тока на контактной поверхности щеток. Это обстоятельство считается основной причиной искрения коллектора под щеткой. Качество коммутации оценивается по степени искрения под сбегающим краем щетки и определяется по шкале степеней искрения.

Для работы любого электродвигателя необходимо наличие электромагнитного поля, способного взаимодействовать с током ротора или якоря для создания электромагнитного момента.

И, по сути, получается, что цепь возбуждения абсолютно любой электрической машины – это магнит, источник магнитного поля. Поэтому совершенно логична замена этой цепи на обыкновенные постоянные магниты[5].

Для двигателей постоянного тока и для синхронных электрических машин идея использования постоянных магнитов в цепи возбуждения не только реализуема, но и весьма привлекательна. «Привлекательность» объясняется следующими причинами:

1. Привычная обмотка возбуждения на электромагнитах является пусть и совсем небольшим, а все же потребителем активной электроэнергии. Поэтому постоянные магниты в цепи возбуждения позволяют повысить энергетические показатели и, в частности, КПД.

2. Постоянные магниты упрощают конструкцию цепи возбуждения, повышают надежность электродвигателя в целом. В особенности это касается синхронных двигателей, система возбуждения которых конструктивно находится в составе ротора [6].

В классическом варианте с использованием электромагнитов в конструкцию синхронной машины включаются токосъемные кольца и щетки для питания обмотки возбуждения постоянным током. Но этот токосъемный узел серьезно снижает надежность двигателя и сокращает наработку на отказ.

В то же время, постоянные магниты не нуждаются в электрическом питании, поэтому при их использовании отсутствует необходимость в токосъемном узле для ротора.

В использовании постоянных магнитов для возбуждения электродвигателей есть своя специфика. Так, двигатель постоянного тока на таких магнитах может иметь лишь одну электромеханическую характеристику, которая схожа с характеристикой ДПТ независимого возбуждения.

Кроме того, для ДПТ с возбуждением на постоянных магнитах отсутствует возможность регулирования по цепи. Этому есть объяснение: ведь отсутствует цепь возбуждения как таковая.

Схожая проблема характерна и для синхронных двигателей с возбуждением на постоянных магнитах. В этих машинах уже невозможно регулировать коэффициент мощности по цепи. А это значит, что такие синхронные двигатели нельзя или очень сложно использовать для компенсации реактивной мощности.

Еще одна проблема эксплуатации электрических машин с возбуждением на постоянных магнитах – это влияние размагничивающей реакции якоря. Ток якоря тоже создает свое магнитное поле, которое оказывает влияние на эффективность возбуждения.

Однако если в обычных ДПТ это решается установкой дополнительных компенсационных обмоток, а в синхронных двигателях цепь можно включать в работу лишь на подсихронной скорости, то при использовании для возбуждения постоянных магнитов эта проблема не имеет радикального решения.

Если число пар полюсов ДПТ с возбуждением на постоянных магнитах равно двум, то для уменьшения влияния реакции якоря применяются магниты тангенциальной или даже кольцевой конструкции. Больший размер магнитов в направлении силовых линий поля уменьшает эффект размагничивания.

При большем числе пар полюсов в ДПТ с этой целью применяются постоянные магниты радиальной конструкции с полюсными наконечниками из магнитотвердого материала.

В синхронных электродвигателях для снижения размагничивающей реакции якоря расстояния между соседними полюсами постоянных магнитов делаются как можно меньшими, а размеры самих магнитов – как можно большими. Однако эти меры не решают проблему полностью [7].

Несмотря на указанные недостатки, постоянные магниты очень популярны для использования в цепях возбуждения маломощных электродвигателей, в которых размагничивающее влияние реакции якоря не является критичным.

При проектировании конструкции стенда был выбран двигатель постоянного тока (мотор-редуктор), обладающий следующими характеристиками:

• Напряжение питания - 9 В.

• Скорость вращения - 173,5 об/мин

• Потребление тока  - 0,465 А.

• Момент: 6 Нсм.

• Встроенный энкодер - 75 имп/об

Для реализации внешнегоэнкодера были использованы следующие компоненты:

• ИК светодиода (d=3мм; маркировкаBL-L314IRBB) – 1шт.

• Фототранзистор (маркировка Vishay(ГИЛ)BPW17N~op620..960нм) –1шт.

• Резистор 220 Ом (красный, красный, коричневый) – 1 шт.

• Резистор 470 Ом (желтый, фиолетовый, коричневый) – 1шт.

В качестве индикаторов скорости были использованы светодиоды: 1 зеленый, 1 желтый, 1 красный.