19. Управляемые исполнительные электродвигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока широко применяются в системах управления для преобразования постоянного электрического тока в механический крутящий момент на валу двигателя. Конструк­тивно эти двигатели состоят из статора с обмоткой возбуждения и якоря или ротора с обмоткой. Как к обмотке возбуждения, так и к якорю через щетки подводится постоянное напряжение. Взаимо­действие магнитных полей обмотки возбуждения и якоря вызыва­ет вращение последнего, причем направление вращения зависит от полярности включения обмоток.

Управление скоростью вращения вала двигателя осуществляется изменением тока в обмотках возбуждения и якоря на основе обратной связи по скорости вращения и обратной связи по поло­жению рабочего органа с использованием соответствующих дат­чиков положения или перемещения.

П ри работе двигателя на номинальном режиме почти вся по­требляемая двигателем энергия преобразуется в механическую энергию вращения вала. Однако при пуске двигателя, когда ско­рость вращения близка к нулю, сопротивление якоря мало и че­рез него течет большой пусковой ток, вызывающий перегрев об­мотки якоря, сильное искрение на щетках, приводящее к их раз­рушению, и чрезмерно большой момент на валу, эквивалентный удару и способный вызвать разрушение механических узлов при­вода. Во избежание этого применяют схемы, увеличивающие ток в обмотке постепенно с ростом скорости вращения. На рис. 3.43 приведена схема пуска двигателя параллельного возбуждения. Пос­ледовательно с якорем включены пусковые резисторы R1, R2, R3 в цепи 3, которые могут шунтироваться контактами контакторов У1, У2, УЗ в цепи 2. Включением рубильника В напряжение пита­ния подводится к схеме управления двигателем. При нажатии кноп­ки КнП контактор 17 своими главными контактами включает двигатель в сеть, а блокирую­щими шунтирует кнопку пус­ка КнП так, что в линии l бу­дет течь ток после отпускания кнопки КиП. Одновременно начинает течь ток через якорь двигателя и сопротивления R1, R2, R3 в цепи 3. В момент пус­ка реактивное сопротивление якоря минимально, но ток ог­раничен сопротивлениями. Ток через обмотки контакторов мал и не вызывает их срабатывания. По мере того, как якорь ускоря­ет свое вращение, его сопротив­ление растет, ток в цепи 3 и падение напряжения на R1 уменьшаются, что вызывает уве­личение тока через У1 в цепи б. При определенной скорости вращения сработает контактор У1, его контакты в линии 2 закоротят R1, что вызовет скачкообразное увеличение тока через якорь в цепи З. Дальнейший разгон якоря опять вызовет падение тока в цепи 3 и включение контактора У2 в цепи 5, а потом и контактора УЗ в цепи 4, после чего все сопротивления, ограни­чивающие ток в якоре, будут закорочены , а двигатель выйдет на рабочий режим.

При нажатии кнопки выключения двигателя КнС обесточива­ется катушка контактора Л, что вызовет размыкание его основ­ных контактов и обесточивание двигателя, а также размыкание блокирующих контактов, шунтирующих нормально разомкнутую кнопку пуска КнП.

Основными требованиями, предъявляемыми к двигателям по­стоянного тока при их использовании в системах управления, яв­ляются линейная зависимость угловой скорости вращения ротора от напряжения питания во всем рабочем диапазоне и стабиль­ность характеристик.

Для уменьшения инерционности двигателей, используемых в системах управления, применяют якорь малого диаметра при увели­ченной длине (отношение длины якоря к диаметру двигателя может достигать 4, когда у нормальных двигателей оно составляет 1... 2).

Достоинствами электродвигателей постоянного тока являются:

• большой крутящий момент при сравнительно небольших га­баритах;

• значительный диапазон варьирования частоты вращения;

• большой крутящий момент при пуске, что обеспечивает вы­сокое быстродействие привода;

• высокий КПД (до 90 %).

К недостаткам этих двигателей следует отнести следующие:

• механический и электрический вследствие эрозии износ ще­ток и коллектора;

• как следствие, невысокие надежность и долговечность;

• необходимость постоянного ухода за коллектором и щетками;

• излучение электромагнитных помех вследствие искрового раз­ряда между коллектором и щетками, затрудняющих работу элект­ронных схем;

• большая масса и инерционность якоря, снижающие быстро­действие.