ГЛАВА II. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА С ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Среди исполнительных устройств, широко применяемых в системах автоматического регулирования и управления, особое место принадлежит электродвигателям постоянного тока. Это обусловлено рядом достоинств, благодаря которым они чаще применяются на практике, чем другие исполнительные элементы.

Электродвигатель постоянного тока имеет преимущества перед другими типами электрических приводов по величине диапазона плавного регулирования скорости при относительно небольших потерях энергии и больших пусковых моментах. Возможность плавного регулирования скорости в широком диапазоне позволяет успешно применять электродвигатель постоянного тока при автоматизации различных промышленных и специальных объектов, где нагрузка имеет ударный или толчкообразный характер и где необходим широкий диапазон плавного регулирования скорости. Кроме того, электродвигатели постоянного тока имеют достаточное быстродействие, высокий к. п. д., надежность в работе и др. Широкое их применение обусловливает и большой диапазон мощностей, на которые промышленность выпускает электродвигатели. Например, электродвигатели серии выпускаются мощностью от 0,66 до 4600 кВт.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электродвигатели постоянного тока классифицируются на двигатели с электромагнитным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов. Двигатели с электромагнитным возбуждением, в свою очередь, подразделяются на электродвигатели с независимым, последовательным и смешанным возбуждением.

Уравнение скоростной характеристики электродвигателя постоянного тока имеет вид

где — частота вращения;

— приложенное напряжение;

— ток в якорной цепи; — сопротивление якорной цепи; Ф — магнитный поток; — коэффициент, зависящий от конструктивных данных электродвигателя.

Из равенства (II. 1) следует, что возможны три способа регулирования угловой скорости электродвигателя: изменением сопротивления в цепи якоря, приложенного напряжения и потока возбуждения. В автоматике нашли применение два последних способа регулирования. Для этих двух основных способов применяют несколько типов исполнительных устройств: с управляемым якорным напряжением; с управляемым возбуждением; с одновременным управлением возбуждением и напряжением, подводимым к якорю электродвигателя. Конфигурация механических характеристик двигателя постоянного тока зависит от способа регулирования угловой скорости якоря.

Наибольшее распространение получил способ управления напряжением, подводимым к якорю электродвигателя. Этот способ позволяет получить достаточный во многих случаях диапазон регулирования скорости, плавность регулирования и другие показатели качества регулирования.

Уравнения семейства механических и скоростных характеристик электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением имеют следующий вид:

где — угловая скорость вращения якоря;

— вращающий момент на валу электродвигателя;

— напряжение, приложенное к якорю;

— сопротивление якоря;

— пусковой момент (момент короткого замыкания);

— статический момент нагрузки;

Ф — магнитный поток возбуждения;

— коэффициент противо-э. д. с.;

— коэффициент вращающего момента.

Из второго выражения (1.2) следует, что напряжение трогания электродвигателя

Способ регулирования с управлением возбуждением прост в осуществлении, но не позволяет получить диапазон регулирования скорости больше 3—4. Кроме того, при уменьшении тока возбуждения снижается быстродействие электродвигателя. Устройства с одновременным управлением возбуждением и напряжением позволяют получить более высокие показатели качества регулирования по сравнению

с устройствами, работающими в соответствии с первыми двумя способами.

Приводы постоянного тока с электрическими двигателями в зависимости от схемы управления подразделяются на системы типа генератор—двигатель (схема Леонарда) и системы с усилителями. В последних системах используются различные типы усилителей: электрома-шинные, ламповые и тиратронные, транзисторные, тиристорные, магнитные, релейные (электромеханические).

Режимы работы усилителей, управляющих угловой скоростью электродвигателей постоянного тока, — линейный и импульсный.

Для исполнительного электродвигателя, включенного по первой схеме, в качестве источников питания применяют генераторы постоянного тока с управляемым возбуждением. В такой схеме обмотка возбуждения генератора является управляющей и при постоянной частоте вращения якоря генератора позволяет регулировать величину напряжения, снимаемого с якоря генератора. В некоторых случаях применяют каскадное соединение генераторов, при этом генератор с меньшей мощностью является возбудителем для генератора с большей мощностью.

В качестве усилительных устройств для исполнительных электродвигателей постоянного тока, а также в качестве возбудителей для генераторов большой мощности применяют электромашинные усилители. Наличие вращающегося с постоянной скоростью ротора ЭМУ делает такую схему менее чувствительной к возмущающим воздействиям со стороны выходного вала исполнительного электродвигателя. Достоинства схем с ЭМУ в некоторых случаях являются определяющими в системах автоматического регулирования и управления. Поэтому в настоящее время их широко применяют на практике.

Схемы с тиратронными усилителями имеют малую инерционность, высокий к. п. д. Недостаток таких схем — требуют определенного времени на запуск, ограниченный срок службы, вносят искажения в форму кривой питающего напряжения, характеристики зависят от условий внешней среды.

Схемы с полупроводниковыми усилителями имеют сравнительно малые размеры, обладают значительной вибростойкостью и большим сроком службы. Недостаток таких схем — зависимость параметров от температуры окружающей среды и режима работы, а также существенный разброс параметров полупроводниковых приборов.

Схемы с магнитными усилителями обладают высокой надежностью и значительным ресурсом работы, но имеют большие габаритные размеры и низкий коэффициент мощности.

Использование схем, работающих в импульсном режиме, позволяет упростить аппаратуру управления, обеспечить высокий к. п. д., незначительные габариты и массу, высокую стабильность характеристик.

Схемы с ламповыми усилителями характеризуются высоким входным сопротивлением, большим усилением, сравнительно небольшими габаритными размерами, но чувствительны к вибрациям, лампы имеют ограниченный срок службы и разброс параметров. При использовании

мощных электродвигателей необходимо ламповый усилитель применять в сочетании с другими типами усилителей.

Схемы с релейными усилителями обеспечивают простоту, малые габаритные размеры и массу, но наличие контактов ограничивает их надежность.

Электродвигатель постоянного тока, как и всякая электрическая машина, должен удовлетворять государственному стандарту (ГОСТ 183-66). Этот ГОСТ определяет: режим работы; номинальные величины параметров машин (мощность, напряжение, скорость и т. п.); методы определения температур отдельных частей машины и предельные значения перегрузочных моментов, токов, перегревов, скоростей, прочности изоляции, коммутации (степени искрения); правила проверки коммутации и допуски на выходные и внутренние параметры машины, а также программу типовых и контрольных испытаний.

В зависимости от области применения на электрические машины выпускаются каталоги, в которых в соответствии с требованиями ГОСТа приведены необходимые данные о рассматриваемых в них электрических машинах, об окружающей среде, режиме работы, номинальных значениях мощности и т. д. Кроме того, для генераторов приведены данные о пределах регулирования возбуждения и потребляемой мощности, а для электродвигателей — о пределах регулирования скорости, максимально допустимой скорости, маховом моменте и относительной продолжительности включения.