Принцип действия машин постоянного тока.

Принцип действия генератора. Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4, а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e₁ и e₂,направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются, результирующая ЭДС е = е₁ – е₂.

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 1.5), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под дей­ствием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Рис.1.5

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил f,моментаМвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

13. Якорный непрерывный способ управления.
При анализе характеристик принимаем, что отсутствуют реакция якоря (магнитный поток машины Ф = Ф_в) и насыщение магнитопровода. Магнитный поток создается током, протекающим по обмотке возбуждения главных полюсов (рис. 5.24,а), либо постоянными магнитами (рис. 5.24,б).

Рис 5.24

В первом случае обмотка возбуждения постоянно подключается к независимому источнику питания с напряжением U, равным номинальному для двигателя (U=const, Ф=const). Угловая скорость ротора регулируется изменением напряжения управления U_y на обмотке якоря.
Анализ начнем с получения уравнений механических и регулировочных характеристик. Эти уравнения принято рассматривать в относительных единицах:

коэффициент сигнала α = U_у/ U_у.ном;

относительная угловая скорость ω_* = ω/ω_о.ид;

относительный момент M_* = M_эм/M_п.

Здесь ω_ид – угловая скорость идеального х.х. при α = 1, M_п – пусковой момент при α = 1.

ω _* = α - M_*. (5.46)

При постоянном коэффициенте сигнала α выражение (5.46) является уравнением механической характеристики ω_* = f(M_*) исполнительного двигателя с якорным управлением, а при постоянном моменте M_па* - уравнением регулировочной характеристики ω_* = f(α). Из (5.46) следует, что механические и регулировочные характеристики при якорном управлении линейны (рис.5.25).
Механические характеристики (рис. 5.25,а) обеспечивают устойчивость работы двигателя при якорном управлении во всем диапазоне угловых скоростей ω_* =0 – 1. Жесткость механических характеристик остается неизменной при любом коэффициенте сигнала α. Максимальный вращающий момент двигатель развивает при пуске. Значение пускового момента в относительных единицах равно коэффициенту сигнала (см. (5.46)): M_па* = α , т.е. пусковой момент прямо пропорционален напряжению управления. Прямо пропорциональна напряжению управления и скорость холостого хода: ω_оа* = α.
Якорный способ управления обеспечивает линейную зависимость угловой скорости ротора от напряжения управления при любом моменте нагрузки на валу (рис. 5.25,б). Следует отметить, что регулировочная характеристика ненагруженного двигателя начинается от нуля только в идеальном случае (M_*=0), когда механические потери в двигателе равны нулю. У реальных исполнительных двигателей в режиме х.х. (пунктирная линия) ротор начинает вращаться при определенном напряжении троганияU_тр, отличном от нуля (соответствующий коэффициент сигнала обозначен α_тр).
Значение α_тр зависит от момента трения в двигателе и определяет зону нечувствительности; у исполнительных двигателей постоянного тока α_тр не превышает 0,05. Диапазон регулирования скорости в разомкнутом приводе составляет D = (20 - 10):I.

Рис.5.25

При якорном управлении мощность управления, потребляемая якорем, составляет 80–95% от всей потребляемой мощности (меньшие значения относятся к двигателям меньшей мощности). Мощность управления Р_y= U_yI_y возрастает пропорционально увеличению напряжения управления и момента нагрузки на валу. Значительная мощность управления – недостаток якорного способа, поскольку возникает необходимость в мощных источниках сигнала управления (электронных, магнитных усилителях и т.д.).
Якорный способ управления исполнительными двигателями постоянного тока обеспечивает отсутствие самохода. При снятом сигнале управления ток якоря, а следовательно, и вращающий момент, равны нулю и ротор останавливается.

14Полюсный непрерывный способ управления.
При этом способе на обмотку якоря постоянно подается номинальное напряжение U_я.ном от независимого источника питания U (рис. 5.26,а). Управление угловой скоростью якоря осуществляется за счет изменения напряжения управления U_y на обмотке главных полюсов.

Рис.5.26

Магнитный поток машины Ф при отсутствии насыщения изменяется пропорционально напряжению управления. Для произвольного коэффициента сигнала поток Ф=αФ_ном (где Ф_ном – значение потока при α=1). Тогда на основании (5.37) и (5.38) получим уравнение механической характеристики при полюсном способе управления:

ω _*=(α-M_*)/α². (5.48)

При α=const выражение (5.48) является уравнением механической характеристики, а при М=const – уравнением регулировочной характеристики исполнительного двигателя с полюсным управлением.
Механические и регулировочные характеристики, соответствующие полюсному управлению и рассчитанные по (5.46), представлены на рис. 5.26,б,в.
Из анализа уравнения (5.48) следует, что механические характеристики (рис.5.26,б) при полюсном управлении линейны. Устойчивость работы двигателя обеспечена при любом напряжении управления во всем диапазоне угловых скоростей. С уменьшением коэффициента сигнала уменьшается и жесткость механических характеристик. Значение пускового момента M _па* равно, как и при якорном управлении, коэффициенту сигнала α, т.е. прямо пропорционально напряжению управления.
Регулировочные характеристики (рис. 5.26, в) при полюсном управлении нелинейны.
В режиме идеального холостого хода (М _*=0) угловая скорость изменяется обратно пропорционально сигналу управления и при угловая скорость стремится к бесконечности. В реальном двигателе эта скорость ограничена, так как к валу всегда приложен момент трения. Если напряжение управления равно нулю, то вращающий момент создается за счет взаимодействия потока остаточного магнетизма полюсов и тока в якоре. Следовательно, в прецизионных двигателях с малым моментом трения при полюсном управлении теоретически возможен самоход. Если момент сопротивления на валу окажется больше, чем вращающий момент от потока остаточного магнетизма, то ротор остановится.
При малой нагрузке (М _*<0.5) c увеличением сигнала управления угловая скорость вначале растет, а затем, достигнув максимума, начинает уменьшаться, т.е. одна угловая скорость соответствует двум значениям коэффициента сигнала. Неоднозначность исчезает, и закон изменения скорости становится монотонно возрастающим только при значениях момента М _* ≥ 0.5.
Такая неоднозначная зависимость скорости от сигнала управления объясняется тем, что при увеличении потока возбуждения главных полюсов Ф _в уменьшается ток якоря I _я. Следовательно, электромагнитный момент может как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от соотношения приращений Ф _в и I _я.На практике правые (по отношению к максимуму скорости) части регулировочных характеристик используются для расширения диапазона регулирования скорости при малом моменте нагрузки вверх от номинальной. Регулирование вверх от номинальной скорости ограничено механической прочностью и условиями коммутации двигателя; диапазон регулирования обычно не превышает D=2:1. Регулирование скорости вниз ограничено насыщением магнитопровода. При этом регулирование скорости от нуля до номинальной может осуществляться якорным способом (так называемое двухзонное регулирование).
Левые части регулировочных характеристик могут использоваться для управления двигателем при значительных моментах нагрузки (обычно M _* ≥ 0,5).
Проведенный анализ характеристик позволяет сравнить непрерывные способы управления. Преимущества якорного способа:
1) линейность и однозначность регулировочных характеристик при любом значении момента;
2) постоянная жесткость механических характеристик при различных значениях сигнала управления; 3) ток через щеточный контакт проходит только при вращении ротора, что предотвращает пригорание коллектора от местного нагрева при отсутствии вращения;
4) индуктивность обмотки якоря значительно меньше индуктивности обмотки главных полюсов (меньше число витков),что обеспечивает более высокую скорость электромагнитных переходных процессов.
Преимуществом полюсного способа управления являетсятолько значительно меньшая мощность управления, - в главных полюсах выделяется обычно не более 5-20% от полной мощности, потребляемой двигателем. Благодаря значительным преимуществам якорный способ управления используют в большинстве схем.
Как отмечалось, уравнения механических и регулировочных характеристик исполнительных двигателей постоянного тока были получены без учета реакции якоря. У реальной машины под воздействием реакции якоря механические и регулировочные характеристики могут быть нелинейными.