Полезные советы 

Управление двигателем постоянного тока с помощью инвертора. Схемы автоматического управления пуском и торможением двигателей постоянного тока Управление двигателями постоянного тока

Управление двигателем постоянного тока в САУ подразумевает либо изменение скорости вращения пропорционально некоторому сигналу управления, либо поддержание этой скорости неизменной при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.

Используются 4 основные метода управления, реализующие перечисление выше принципы:

    реостатно-контакторное управление;

    управление по системе «генератор-двигатель» (Г-Д);

    управление по системе «управляемый выпрямитель –Д» (УВ-Д);

    импульсное управление.

Подробное исследование этих способов – предмет ТАУ и курса «Основы электропривода». Мы рассмотрим только основные положения, имеющие непосредственное отношение к электромеханике.

Обычно используются 3 схемы:

    при регулировке скорости n от 0 до nном в цепь якоря включают реостат (якорное управление);

    при необходимости получить n > nном реостат включают в цепь ОВ (полюсное управление);

    для регулирования скорости n < nном и n > nном реостаты включают как в цепь якоря, так и в цепь ОВ.

Перечисленные схемы применяются при ручном управлении. Для автоматического управления используют ступенчатое переключение R ра и R рв с помощью контакторов (реле, электронных коммутаторов).


Если требуется точное и плавное регулирование скорости, число коммутируемых резисторов и элементов коммутации должно быть большим, из-за чего увеличиваются габариты системы, стоимость и снижается надежность.

Регулирование частоты вращения от 0 до по схеме рис. производится регулировкой R в (U гизменяется от 0 до n ном). Для получения скорости двигателя больше nном - изменением R вд (уменьшение тока ОВ двигателя уменьшает его основной поток Ф, что и приводит к увеличению скорости n).

Переключатель S1 предназначен для реверса двигателя (изменения направления вращения его ротора).

Поскольку управление Д осуществляется путем регулирования сравнительно малых токов возбуждения Г и Д, оно легко адаптируется к задачам САУ.


Недостаток такой схемы – большие габариты системы, масса, низкий КПД, поскольку здесь имеется трехкратное преобразование преобразование энергии (электрической в механическую и обратно, и на каждом этапе имеются потери энергии).

Управление по системе «управляемый выпрямитель – двигатель»

Система «управляемый выпрямитель – двигатель» (см. рисунок) похожа на предыдущую, но вместо электромашинного источника регулируемого напряжения, состоящего из, например, трехфазного, двигателя переменного тока и Г=Т, используется управляемый, например, тоже трехфазный тиристорный электронный выпрямитель.

Сигналы управления формируются отдельным блоком управления и обеспечивают требуемый угол открывания тиристоров, пропорциональный сигналу управления Uу.

Достоинства такой системы - высокий КПД, малые габариты и масса.

Недостатком по сравнению с предыдущей схемой (Г-Д) является ухудшение условий коммутации Д из-за пульсаций его тока якоря, особенно при питании от однофазной сети.

На двигатель с помощью импульсного прерывателя подаются импульсы напряжения, модулированные (ШИМ, ВИМ) в соответствии с управляющим напряжением.

Таким образом, изменение скорости вращения якоря достигается не за счет изменения напряжения управления, а путем изменения времени, в течение которого к двигателю подводится номинальное напряжение. Очевидно, что работа двигателя состоит из чередующихся периодов разгона и торможения (см. рисунок).

Если эти периоды малы по сравнению с полным временем разгона и остановки якоря, то скорость n не успевает к концу каждого периода достигать установившихся значений nном при разгоне или n = 0 при торможении, и устанавливается некоторая средняя скорость nср, величина которой определяется относительной продолжительностью включения.

Поэтому в САУ требуется схема управления, назначение которой – преобразование постоянного или изменяющегося сигнала управления в последовательность управляющих импульсов с относительной продолжительностью включения, являющейся заданной функцией величины этого сигнала. В качестве элементов коммутации используются силовые полупроводниковые приборы – .

      Схема пуска двигателя постоянного тока с независимым возбуждением по принципу времени

Эта схема представлена на рис. 1.1, а . Она содержит кнопки управления SB 1 (пуск) и SB 2 (останов) двигателя, линейный контактор КМ 1, обеспечивающий подключение двигателя к сети, и контактор ускорения КМ 2 для шунтирования пускового резистора R д. В качестве датчика времени в схеме используется электромагнитное реле времени КТ . При подключении схемы к источнику напряжения U происходит возбуждение двигателя и срабатывает реле КТ , размыкая свой размыкающий контакт в цепи катушки контактора КМ 2 и подготавливая двигатель к пуску.

Рис. 1.1. Схема пуска двигателя по принципу времени (а ), характеристики двигателя (б) и кривые переходного процесса (в)

Пуск двигателя начинается после нажатия кнопки S В1, в результате чего получает питание контактор КМ 1, который своим главным силовым контактом подключает двигатель к источнику питания. Двигатель начинает разбег с резистором R д в цепи якоря, с помощью которого ограничивается пусковой ток двигателя. Одновременно замыкающий блок-контакт контактора КМ 1 шунтирует кнопку S В1, и она может быть отпущена, а размыкающий блок-контакт КМ 1 разрывает цепь питания катушки реле времени КТ. Через интервал времени Δt к.т после прекращения питания катушки реле времени, называемый выдержкой времени, размыкающий контакт КТ замкнется в цепи катушки контактора КМ 2, последний включится и главным контактом закоротит пусковой резистор R д в цепи якоря. Таким образом, при пуске двигатель в течение времени Δt к.т разгоняется по искусственной характеристике 1 (рис. 1.1, б), а после шунтирования резистора R д – по естественной 2 . Значение сопротивления резистора R д выбирается таким образом, чтобы в момент включения двигателя ток I 1 в цепи и соответственно момент М 1 , не превосходили бы допустимого уровня.

За время Δt к.т после начала пуска частота вращения двигателя достигает значения ω 1 , а ток в цепи якоря снижается до уровня I 2 (рис. 1, в). После шунтирования R д, происходит бросок тока в цепи якоря от I 2 до I 1 который не превышает допустимого уровня. Изменение частоты вращения, тока и момента во времени происходит по экспоненте.

Останов двигателя осуществляется нажатием кнопки S В 2, что приведет к отключению якоря двигателя от источника питания и его торможению под действием момента сопротивления на валу. Такой способ останова двигателя получил название «торможение выбегом».

      Схема пуска двигателя в две ступени по принципу ЭДС и динамического торможения по принципу времени.

В этой схеме (рис. 1.2, а) в качестве датчика ЭДС использован якорь двигателя, к которому подключены катушки контакторов ускорения КМ 1 и КМ 2, обеспечивающих шунтирование пусковых резисторов R д1 и R д2 . С помощью регулировочных резисторов R у1 , и R у2 , которые могут быть на­строены на срабатывание при определенных частотах вращения двигателя.

Рис. 1.2. Схема пуска двигателя по принципу ЭДС и динамического торможения по принципу времени (а) и характеристики двигателя (б )

Для осуществления торможения в схеме предусмотрен резистор R 3 , подключение и отключение которого осуществляется контактором торможения КМ З. Для обеспечения выдержки времени используется электромагнитное реле времени КТ, размыкающий контакт которого включен в цепь катушки контактора торможения КМ 2.

После подключения схемы к источнику питания происходит возбуждение двигателя, а аппараты схемы остаются в исходном положении. Пуск двигателя осуществляется нажатием кнопки S В 1, что приводит к срабатыванию линейного контактора КМ и подключению двигателя к источнику питания. Двигатель начинает разбег с включенными резисторами R д1 + R д2 в цепи якоря по характеристике 1 (рис. 1.2, б). По мере увеличения частоты вращения двигателя растет его ЭДС и соответственно напряжение на катушках контакторов КМ 1 и КМ 2. При частоте вращения ω 1 срабатывает контактор КМ 1, закорачивая своим контактом первую ступень пускового резистора R д1, и двигатель переходит на характеристику 2 . При частоте вращения ω 2 срабатывает контактор КМ 2,шунтируя своим контактом вторую ступень пускового резистора R д2. Двигатель переходит на естественную характеристику 3 и заканчивает свой разбег в точке установившегося режима с координатами ω с – М с, определяемой пересечением естественной характеристики 3 двигателя и характеристики нагрузки.

Для перехода к режиму торможения нажимается кнопка SB 2. Катушка контактора КМ теряет питание, размыкается замыкающий силовой контакт КМ в цепи якоря двигателя, и он отключается от источника питания. Размыкающий блок-контакт КМ 3 замыкается, последний срабатывает и своим главным контактом подключает резистор R д3 к якорю М, переводя двигатель в режим динамического торможения по характеристике 4 (рис. 1.2, б ). Одновременно размыкается замыкающий контакт контактора КМ в цепи реле времени КТ, оно теряет питание и начинает отсчет времени. Через интервал времени, который соответствует снижению частоты вращения двигателя до нуля, реле времени отключается и своим контактом разрывает цепь питания контактора КМ З. Резистор R д3 отключается от якоря М двигателя, торможение заканчивается, и схема возвращается в свое исходное положение.

Применение динамического торможения обеспечивает более быстрый останов двигателя и тем самым быстрое прекращение движения исполнительного органа рабочей машины.

      Схема пуска двигателя в одну ступень по принципу времени и динамического торможения по принципу ЭДС.

Управление двигателем при пуске происходит по аналогии со схемой рис. 1.1. При включении двигателя в этой схеме (рис. 1.3) и работе от источника питания размыкающий контакт линейного контактора КМ в цепи контактора торможения КМ 2 разомкнут, что предотвращает перевод двигателя в режим торможения.

Рис. 1.3. Схема пуска двигателя по принципу времени и динамического торможения по принципу ЭДС

Торможение осуществляется нажатием кнопки S В2. Контактор КМ, потеряв питание, отключает якорь двигателя от источника питания и замыкает своим контактом цепь питания катушки контактора КМ 2. Последний от действия наведенной в якоре ЭДС срабатывает и замыкает якорь М на резистор торможения R д1 . Процесс динамического торможения происходит до тех пор, пока при небольшой частоте вращения двигателя его ЭДС не станет меньше напряжения отпускания контактора КМ 2, который отключится, и схема вернется в исходное положение.

      Схема управления пуском двигателя по принципу времени, реверсом и торможением противовключением по принципу ЭДС

В этой схеме (рис. 1.4, а) предусмотрено два линейных контактора КМ 1 и КМ 2, обеспечивающих его вращение соответственно в условных направлениях «Вперед» и «Назад». Главные контакты этих аппаратов образуют реверсивный контактный мостик, с помощью которого можно изменить полярность напряжения на якоре М и тем самым осуществлять торможение противовключением и реверс (изменение направления вращения) двигателя. В якорной цепи помимо пускового резистора R д1 включен резистор противовключения R д2 , который управляется контактором противовключения КМ З.

Рис. 1.4. Схема управления пуском и реверсом двигателя (а ) и характеристики двигателя (б)

Управление двигателем при торможении противовключением и реверсе осуществляется с помощью двух реле противовключения К V 1 и К V 2. Их назначение в том, чтобы в режиме противовключения для ограничения тока в якоре до допустимого уровня обеспечить ввод в цепь якоря в дополнение к пусковому резистору R д1 , резистор противовключения R д2 , что достигается выбором точки присоединения катушек реле К V 1 и К V 2 к резистору (R д1 + R д2).

Пуск двигателя в любом направлении осуществляется в одну ступень в функции времени. При нажатии, например, кнопки S В 1 срабатывает контактор КМ 1 и подключает якорь М к источнику питания. За счет падения напряжения на резисторе R д1 , от пускового тока срабатывает реле времени КТ, размыкающее свой контакт в цепи контактора КМ.

Включение КМ 1 приведет также к срабатыванию реле К V 1, которое замкнет свой замыкающий контакт в цепи контактора противовключения КМ З. Это вызовет включение КМ З, что приведет к закорачиванию ненужного при пуске резистора противовключения R д2 и одновременно катушки реле времени КТ. Двигатель начнет разбег по характеристике 2 (рис. 1.4, б), а реле времени КТ – отсчет выдержки времени.

По истечении выдержки времени реле КТ замкнет свой контакт в цепи катушки контактора КМ, он включится, закоротит пусковой резистор R д1 и двигатель выйдет на свою естественную характеристику 1.

Для осуществления торможения нажимается кнопка S В 2, в результате чего отключаются контактор КМ 1, реле К V 1, контакторы КМ З и КМ 4 и включается контактор КМ 2. Напряжение на якоре двигателя изменяет свою полярность, и двигатель переходит в режим торможения противовключением с двумя резисторами в цепи якоря R д1 и R д2 . Несмотря на замыкание контакта КМ 2 в цепи реле К V 2, оно в результате оговоренной выше настройки не включается и тем самым не дает включиться аппаратам КМ З и КМ 4 и зашунтировать резисторы R д1 и R д2 .

Перевод двигателя в режим противовключения соответствует его переходу с естественной характеристики 1 на искусственную характеристику 4 (рис. 1.4, б). Во всем диапазоне частот вращения 0 < ω < ω 0 на этой характеристике двигатель работает в режиме противовключения.

По мере снижения частоты вращения двигателя растет напряжение на катушке реле К V 2, и при частоте вращения, близкой к нулю, оно достигнет напряжения срабатывания. Если к этому моменту времени кнопка S В 2 будет отпущена, то отключается контактор КМ 2, схема возвращается в исходное положение и на этом процесс торможения заканчивается.

Если же при достижении малой частоты вращения кнопка S В 2 остается нажатой, то включается реле К V 2 и процесс пуска двигателя повторяется, но уже в противоположную сторону. Таким образом, реверсирование двигателя включает в себя два этапа: торможение противовключением и пуск в противоположном направлении. Второй этап реверса изображен на рис. 1.4, б переходом двигателя с характеристики 4 на характеристику 3, соответствующую обратной полярности напряжения на якоре двигателя и наличию в якоре добавочного резистора R д1 .

      Схема пуска двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением по принципу тока

В этой схеме (рис. 1.5) используется реле тока КА, катушка которого включена в цепь якоря М, а размыкающий контакт – в цепь питания контактора ускорения КМ 2. Реле тока настраивается таким образом, чтобы его ток отпускания соответствовал току I 2 (см. рис. 1.1, б). В схеме исполь­зуется также дополнительное блокировочное реле К V с временем срабатывания большим, чем у реле КА.

Рис. 1.5. Схема пуска двигателя по принципу тока

Работа схемы при пуске происходит следующим образом. После нажатия на кнопку S В 1 срабатывает контактор КМ 1, двигатель подключается к источнику питания и начинает свой разбег. Бросок тока в якорной цепи после замыкания главного контакта контактора КМ 1 вызовет срабатывание реле тока КА, которое разомкнет свой размыкающий контакт в цепи контактора КМ 2. Через некоторое время после этого срабатывает К V и замыкает свой замыкающий контакт в цепи контактора КМ 2, подготавливая его к включению.

По мере разбега двигателя ток якоря снижается до значения тока переключения I 2 . При этом токе отключается реле тока и замыкает свой размыкающий контакт в цепи катушки контактора КМ 2. Последний срабатывает, его главный контакт закорачивает пусковой резистор R д, в цепи якоря, а вспомогательный контакт шунтирует контакт реле тока КА. Поэтому вторичное включение реле тока КА после закорачивания R д и броска тока не вызовет отключения контактора КМ 2 и двигатель продолжит разбег по своей естественной характеристике.

      Схема типовой панели управления двигателем, обеспечивающая пуск, динамическое торможение и регулирование частоты вращения ослаблением магнитного потока

Типовые релейно-контакторные схемы управления ЭП содержат элементы блокировок, защит, сигнализации, а также связи с технологическим оборудованием. Для унификации схемных решений электротехническая промышленность выпускает стандартные станции, блоки и панели управления, специализированные по видам ЭП рабочих механизмов, функциональным возможностям, условиям эксплуатации, роду тока и т.д. Ниже в качестве примера рассмотрена схема одного из таких типовых устройств (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Схема типовой панели управления двигателем

Органом управления в этой схеме является командоконтроллер S А, имеющий четыре положения рукоятки: одно нулевое (начальное) и три рабочих (см. рис. 1.6). Пуск двигателя осуществляется в три ступени по принципу времени, торможение – динамическое по принципу ЭДС.

Перед пуском командоконтроллер устанавливается в нулевое положение, затем включаются автоматические выключатели QF 1 и QF 2 и ЭП подключается к источнику питания. По обмотке ОВ возбуждения начинает протекать ток возбуждения, и, кроме того, срабатывает реле времени КТ 1, шунтируя в цепи реле контроля напряжения своим контактом контакт реле КА обрыва цепи обмотки возбуждения. Если при этом реле максимального тока КА 1 и КА 2 находятся в нормальном (отключенном) положении, то срабатывает реле К V 4, подготавливая питание схемы управления через свой замыкающий контакт. Если в процессе работы произойдет недопустимое снижение напряжения питания или тока возбуждения двигателя или ток в якоре превысит допустимый уровень, то произойдет отключение реле К V 4, схема управления лишится питания и двигатель будет отключен от сети. Таким образом, реле выполняет роль исполнительного элемента трех защит.

Для пуска двигателя до максимальной частоты вращения рукоятка командоконтроллера S А перемещается в крайнее третье положение. Это приведет к срабатыванию контактора КМ и подключению якоря М двигателя к источнику питания, после чего он начнет свой разбег с полным сопротивлением пускового резистора в цепи якоря. Реле времени КТ 1, потеряв питание вследствие размыкания контакта КМ, начнет отсчет выдержки времени работы на первой ступени, а реле времени КТ2 и КТ З, сработав от падения напряжения на резисторах R д1 и R д2 , разомкнут свои контакты в цепях контакторов ускорения КМ 2 и КМ 3. Одновременно с этим включаются «экономический» контактор КМ 6 и контактор управления возбуждением КМ З, в результате чего шунтируется резистор R в и пуск двигателя происходит при полном магнитном потоке.

Через определенное время замкнется размыкающий контакт КТ 1, контактор КМ 1 включится, зашунтирует первую ступень пускового резистора R д1 и одновременно катушку реле времени КТ2. Последнее, отсчитав свою выдержку времени, включит контактор КМ 2, который зашунтирует вторую ступень пускового резистора R д2 и катушку реле КТ З. Это реле, также отсчитав свою выдержку времени, вызовет срабатывание контактора КМ З и шунтирование последней ступени пускового резистора, после чего двигатель выходит на свою естественную характеристику.

После шунтирования третьей ступени пускового резистора начинается ослабление магнитного потока, которое подготавливается включением реле К V З срабатывания КМЗ. В процессе ослабления тока возбуждения с помощью реле управления К V 1 обеспечивается контроль за током якоря. При бросках тока реле К V 1 обеспечивает включение или отключение контактора КМ З, усиливая или ослабляя ток возбуждения, в результате чего ток в якор­ной цепи не выходит за допустимые пределы. При размыкании контакта КМ 5 часть тока возбуждения замыкается через диод VD и разрядный резистор R р .

Торможение двигателя осуществляется перестановкой рукоятки командоконтроллера S А в нулевое положение. Это приводит к выключению контактора КМ и отключению якоря М от источника питания. Поскольку в процессе пуска двигателя реле динамического торможения К V 2 включилось, замыкание размыкающего контакта КМ в цепи контактора торможения КМ 4 вызовет его включение. Резистор R дт окажется подключенным к якорю М двигателя, который перейдет в режим динамического торможения. При малых частотах вращения двигателя, когда его ЭДС станет ниже напряжения отпускания (удержания) реле К V 2, оно отключится, выключит контактор КМ 4 и процесс торможения закончится. Отметим, что динамическое торможение происходит при полном магнитном потоке.

Для снижения частоты вращения двигателя рукоятка командоконтрол­лера S А переводится в положения 1 или 2. В положении 1 двигатель работает на искусственной характеристике, соответствующей наличию в цепи якоря резисторов R д2 + R д3 , а в положении 2 -на характеристике, обусловленной резистором R д3 .

Моторы, работающие на постоянном токе редко встречаются в домашнем хозяйстве. Но они всегда стоят во всех детских игрушках, работающих от батареек, которые ходят, бегают, ездят, летают и т. п. Двигатели постоянного тока (ДПТ) устанавливаются в автомобилях: в вентиляторах и различных приводах. Они почти всегда используются на электротранспорте и реже в производстве.

Преимущества ДПТ по сравнению с асинхронными моторами:

  • Хорошо поддаются регулировке.
  • Отличные пусковые свойства.
  • Частоты вращения могут быть более 3000 об/мин.

Недостатки ДПТ:

  1. Низкая надежность.
  2. Сложность изготовления.
  3. Высокая стоимость.
  4. Большие затраты на обслуживание и ремонт.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока

Устройство двигателя аналогично синхронным двигателям переменного тока. Повторяться не буду, если не знаете, тогда смотрите в этой нашей .

Любой современный электромотор работает на основе закона магнитной индукции Фарадея и «Правила левой руки». Если к нижней части обмотки якоря подключить электрический ток в одном направлении, а к верхней- в обратном- он начнет вращаться. Согласно правилу левой руки, проводники, уложенные в пазах якоря, будут выталкиваться магнитным полем обмоток корпуса ДПТ или статора.

Нижняя часть будет выталкиваться вправо, а верхняя – влево, поэтому якорь начнет вращаться до момента пока части якоря не поменяются местами. Для создания непрерывного вращения необходимо постоянно менять местами полярность обмотки якоря. Чем и занимается коллектор, который при вращении коммутирует обмотки якоря. Напряжение от источника тока подается на коллектор при помощи пары прижимных графитовых щеток.

Принципиальные схемы электродвигателя постоянного тока

Если двигатели переменного тока довольно просто подключаются, то с ДПТ все сложнее. Вам необходимо знать марку мотора, и затем в интернете узнавайте про его схему включения.

Чаще всего у средних и мощных моторов постоянного тока есть в клеммной коробке отдельные выводы от якоря и от обмотки возбуждения (ОВ). Как правило, на якорь подаётся полное напряжение электропитания, а на обмотку возбуждения -регулируемый ток реостатом или переменным напряжением. От величины тока ОВ и будут зависеть обороты ДПТ. Чем он выше, тем быстрее скорость вращения.

В зависимости от того как подключен якорь и ОВ , электродвигатели бывают с независимым возбуждением от отдельного источника тока и с самовозбуждением, которое может быть параллельным, последовательным и смешанным.

На производстве применяются двигатели с независимым возбуждением ОВ, которая подключается к отдельному от якоря источнику питания. Между обмотками возбуждения и якоря нет электрической связи.

Схема подключения с параллельным возбуждением по своей сущности аналогична схеме с независимым возбуждением ОВ. С той лишь разницей, что отпадает необходимость в использовании отдельного источника питания. Двигатели при включении по обоим этим схема обладают одинаковыми жесткими характеристиками, поэтому применяются в станках, вентиляторах и т. п.

Моторы с последовательным возбуждением применяются, когда необходим большой пусковой ток, мягкая характеристика. Они применяются а трамваях, троллейбусах и электровозах. По этой схеме обмотки возбуждения и якоря подключаются между собой последовательно. При подаче напряжения токи в обоих обмотках будут одинаковы. Главный недостаток заключается в том, что при уменьшении нагрузки на вал меньше 25% от номинала, происходит резкое увеличение частоты вращения, достигающее опасных для ДПТ значений. Поэтому для безотказной работы необходима постоянная нагрузка на вал.

Иногда применяются ДПТ со смешанным возбуждением , при котором одна обмотка ОВ соединяется последовательно якорной цепи, а другая параллельно. В жизни редко встречается.

Реверсирование двигателей постоянного тока

Что бы изменить направление вращение ДПТ с последовательным возбуждением необходимо поменять направления тока в ОВ или обмотке якоря. Практически, это делается изменением полярности: меняем плюс с минусом местами. Если же поменять одновременно полярность в цепях возбуждения и якоря, тогда направление вращения не изменится. Аналогично делается реверс и для моторов, работающих на переменном токе.

Реверсирование ДПТ с параллельным или смешанным возбуждением лучше производить изменением направления электрического тока в обмотке якоря. При разрыве обмотки возбуждения, ЭДС достигает опасных величин и возможен пробой изоляции проводов.

Регулирование оборотов двигателей постоянного тока

ДПТ с последовательным возбуждением проще всего регулировать переменным сопротивлением в цепи якоря. Регулировать можно только на уменьшение числа оборотов в соотношении 2:1 или 3:1. При этом происходят большие потери в регулировочном реостате (R рег). Данный метод используется в кранах и электрических тележках, у которых бывают частые перерывы в работе. В других случаях используется регулировка оборотов вверх от номинала при помощи реостата в цепи обмотки возбуждения, как показано на правом рисунке.

ДПТ с параллельным возбуждением так же можно регулировать частоту оборотов вниз при помощи сопротивления в цепи якоря, но не более 50 процентов от номинала. Опять же будет нагрев сопротивления из-за потерь электрической энергии в нем.

Увеличить же обороты максимум в 4 раза позволяет реостат в цепи ОВ. Самый простой и распространенный метод регулировки частоты вращения.

На практике в современных электромоторах данные методы регулировки из-за своих недостатков и ограниченности диапазона регулирования редко применяются. Используются различные электронные схемы управления.

Похожие материалы.

Владимир Рентюк, Запорожье, Украина

В статье дается краткий обзор и анализ популярных схем, предназначенных для управления коллекторными двигателями постоянного тока, а также предлагаются оригинальные и малоизвестные схемотехнические решения

Электродвигатели являются, наверное, одним из самых массовых изделий электротехники. Как говорит нам всезнающая Википедия, электрический двигатель - электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Началом его истории можно считать открытие, которое сделал Майкл Фарадей в далеком 1821 году, установив возможность вращения проводника в магнитном поле. Но первый более-менее практический электродвигатель с вращающимся ротором ждал своего изобретения до 1834 года. Его во время работы в Кёнигсберге изобрел Мориц Герман фон Якоби, более известный у нас как Борис Семенович. Электродвигатели характеризуют два основных параметра - это скорость вращения вала (ротора) и момент вращения, развиваемый на валу. В общем плане оба этих параметра зависят от напряжения, подаваемого на двигатель и тока в его обмотках. В настоящее время имеется достаточно много разновидностей электродвигателей, и поскольку, как заметил наш известный литературный персонаж Козьма Прутков, нельзя объять необъятное, остановимся на рассмотрении особенностей управления двигателями постоянного тока (далее электродвигателями).

К двигателям постоянного тока относятся два типа - это привычные для нас коллекторные двигатели и бесколлекторные (шаговые) двигатели. В первых переменное магнитное поле, обеспечивающее вращение вала двигателя, образуется обмотками ротора, которые запитываются через щеточный коммутатор - коллектор. Оно и взаимодействует с постоянным магнитным полем статора, вращая ротор. Для работы таких двигателей внешние коммутаторы не требуются, их роль выполняет коллектор. Статор может быть изготовлен как из системы постоянных магнитов, так и из электромагнитов. Во втором типе электродвигателей обмотки образуют неподвижную часть двигателя (статор), а ротор сделан из постоянных магнитов. Здесь переменное магнитное поле образуется путем коммутации обмоток статора, которая выполняется внешней управляющей схемой. Шаговые двигатели («stepper motor» в английском написании) значительно дороже коллекторных. Это достаточно сложные устройства со своими специфическими особенностями. Их полное описание требует отдельной публикации и выходит за рамки данной статьи. Для получения более полной информации по двигателям этого типа и их схемам управления можно обратиться, например, к .

Коллекторные двигатели (Рисунок 1) более дешевы и, как правило, не требуют сложных систем управления. Для их функционирования достаточно подачи напряжения питания (выпрямленного, постоянного!). Проблемы начинают возникать, когда появляется необходимость в регулировке скорости вращения вала такого двигателя или в специальном режиме управления моментом вращения. Основных недостатков таких двигателей три - это малый момент на низких скоростях вращения (поэтому часто требуется редуктор, а это отражается на стоимости конструкции в целом), генерация высокого уровня электромагнитных и радиопомех (из-за скользящего контакта в коллекторе) и низкая надежность (точнее малый ресурс; причина в том же коллекторе). При использовании коллекторных двигателей необходимо учитывать, что ток потребления и скорость вращения их ротора зависят от нагрузки на валу. Коллекторные двигатели более универсальны и имеют более широкое распространение, особенно в недорогих устройствах, где определяющим фактором является цена.

Поскольку скорость вращения ротора коллекторного двигателя зависит, в первую очередь, от подаваемого на двигатель напряжения, то естественным является использование для его управления схем, имеющих возможность установки или регулировки выходного напряжения. Такими решениями, которые можно найти в Интернете, являются схемы на основе регулируемых стабилизаторов напряжения и, поскольку век дискретных стабилизаторов давно прошел, для этого целесообразно использовать недорогие интегральные компенсационные стабилизаторы, например, . Возможные варианты такой схемы представлены на Рисунке 2.

Схема примитивная, но кажется очень удачной и, главное, недорогой. Посмотрим на нее с точки зрения инженера. Во-первых, можно ли ограничить момент вращения или ток двигателя? Это решается установкой дополнительного резистора. На Рисунке 2 он обозначен как R LIM . Его расчет имеется в спецификации, но он ухудшает характеристику схемы как стабилизатора напряжения (об этом будет ниже). Во-вторых, какой из вариантов управления скоростью лучше? Вариант на Рисунке 2а дает удобную линейную характеристику регулирования, поэтому он и более популярен. Вариант на Рисунке 2б имеет нелинейную характеристику. Но в первом случае при нарушении контакта в переменном резисторе мы получаем максимальную скорость, а во втором - минимальную. Что выбрать - зависит от конкретного применения. Теперь рассмотрим один пример для двигателя с типовыми параметрами: рабочее напряжение 12 В; максимальный рабочий ток 1 А. ИМС LM317, в зависимости от суффиксов, имеет максимальный выходной ток от 0.5 А до 1.5 А (см. спецификацию ; имеются аналогичные ИМС и с бóльшим током) и развитую защиту (от перегрузки и перегрева). С этой точки зрения для нашей задачи она подходит идеально. Проблемы скрываются, как всегда, в мелочах. Если двигатель будет выведен на максимальную мощность, что для нашего применения весьма реально, то на ИМС, даже при минимально допустимой разнице между входным напряжением V IN и выходным V OUT , равной 3 В, будет рассеиваться мощность не менее

P = (V IN - V OUT)×I = 3×1 = 3 Вт.

Таким образом, нужен радиатор. Опять вопрос - на какую рассеиваемую мощность? На 3 Вт? А вот и нет. Если не полениться и рассчитать график нагрузки ИМС в зависимости от выходного напряжения (это легко выполнить в Excel), то мы получаем, что при наших условиях максимальная мощность на ИМС будет рассеиваться не при максимальном выходном напряжении регулятора, а при выходном напряжении равном 7.5 В (см. Рисунок 3), и она составит почти 5.0 Вт!

Как видим, получается что-то уже не дешевое, но очень громоздкое. Так что такой подход годится только для маломощных двигателей с рабочим током не более 0.25 А. В этом случае мощность на регулирующей ИМС будет на уровне 1.2 Вт, что уже будет приемлемо.

Выход из положения - использовать для управления метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Он, действительно, самый распространенный. Его суть - подача на двигатель промодулированных по длительности однополярных прямоугольных импульсов. Согласно теории сигналов, в структуре такой последовательности имеется постоянная составляющая, пропорциональная отношению τ/T, где: τ - длительность импульса, а T - период последовательности. Вот она-то и управляет скоростью двигателя, который выделяет ее как интегратор в этой системе. Поскольку выходной каскад регулятора на основе ШИМ работает в ключевом режиме он, как правило, не нуждается в больших радиаторах для отвода тепла, даже при относительно больших мощностях двигателя, и КПД такого регулятора несравненно выше предыдущего. В ряде случаев можно использовать понижающие или повышающие DC/DC-преобразователи, но они имеют ряд ограничений, например, по глубине регулировки выходного напряжения и минимальной нагрузке. Поэтому, как правило, чаще встречаются иные решения. «Классическое» схемное решение такого регулятора представлено на Рисунке 4 . Оно использовано в качестве дросселя (регулятора) в профессиональной модели железной дороги.

На первом операционном усилителе собран генератор, на втором компаратор. На вход компаратора подается сигнал с конденсатора C1, а путем регулирования порога срабатывания формируется уже сигнал прямоугольной формы с нужным отношением τ/T (Рисунок 5).

Диапазон регулировки устанавливается подстроечными резисторами RV1 (быстрее) и RV3 (медленнее), а сама регулировка скорости осуществляется резистором RV2 (скорость). Обращаю внимание читателей, что в Интернете на русскоязычных форумах гуляет похожая схема с ошибками в номиналах делителя, задающего порог компаратора. Управление непосредственно двигателем осуществляется через ключ на мощном полевом транзисторе типа . Особенности этого транзистора типа MOSFET - большой рабочий ток (30 А постоянного, и до 120 А импульсного), сверхмалое сопротивление открытого канала (40 мОм) и, следовательно, минимальная мощность потерь в открытом состоянии.

На что нужно в первую очередь обращать внимание при использовании таких схем? Во-первых, это исполнение цепи управления. Здесь в схеме (Рисунок 4) есть небольшая недоработка. Если со временем возникнут проблемы с подвижным контактом переменного резистора, мы получим полный почти мгновенный разгон двигателя. Это может вывести из строя наше устройство. Какое противоядие? Установить добавочный достаточно высокоомный резистор, например, 300 кОм с вывода 5 ИМС на общий провод. В этом случае при отказе регулятора двигатель будет остановлен.

Еще одна проблема таких регуляторов - это выходной каскад или драйвер двигателя. В подобных схемах он может быть выполнен как на полевых транзисторах, так и на биполярных; последние несравненно дешевле. Но и в первом и во втором варианте необходимо учитывать некоторые важные моменты. Для управления полевым транзистором типа MOSFET нужно обеспечить заряд и разряд его входной емкости, а она может составлять тысячи пикофарад. Если не использовать последовательный с затвором резистор (R6 на Рисунке 4) или его номинал будет слишком мал, то на относительно высоких частотах управления операционный усилитель может выйти из строя. Если же использовать R6 большого номинала, то транзистор будет дольше находиться в активной зоне своей передаточной характеристики и, следовательно, имеем рост потерь и нагрев ключа.

Еще одно замечание к схеме на Рисунке 4. Использование дополнительного диода D2 лишено смысла, так как в структуре транзистора BUZ11 уже имеется свой внутренний защитный быстродействующий диод с лучшими характеристиками, чем предлагаемый. Диод D1 также явно лишний, транзистор BUZ11 допускает подачу напряжения затвор-исток ± 20 В, да и переполюсовка в цепи управления при однополярном питании, как и напряжение выше 12 В, невозможны.

Если использовать биполярный транзистор, то возникает проблема формирования достаточного по величине базового тока. Как известно, для насыщения ключа на биполярном транзисторе ток его базы должен быть, по крайней мере, не менее 0.06 от тока нагрузки. Понятно, что операционный усилитель такой ток может не обеспечить. С этой целью в аналогичном, по сути, регуляторе, который используется, например, в популярном мини-гравере PT-5201 компании , применен транзистор , представляющий собой схему Дарлингтона. Тут интересный момент. Эти мини-граверы иногда выходят из строя, но не из-за перегрева транзистора, как можно было бы предположить, а из-за перегрева ИМС (максимальная рабочая температура +70 °С) выходным транзистором (максимально допустимая температура +150 °С). В изделиях, которыми пользовался автор статьи, он был вплотную прижат к корпусу ИМС и посажен на клей, что недопустимо нагревало ИМС и почти блокировало теплоотвод. Если вам попалась такое исполнение, то лучше «отклеить» транзистор от ИМС и максимально отогнуть. За это know-how автор статьи был премирован компанией Pro’sKit набором инструментов. Как видите все нужно решать в комплексе - смотреть не только на схемотехнику, но и внимательно относится к конструкции регулятора в целом.

Есть еще несколько интересных схем более простых ШИМ-регуляторов. Например, две схемы на одиночном операционном усилителе с драйвером опубликованы в [

Во многих станках применяют электромоторы (ЭМ) постоянного тока. Они легко позволяют плавно управлять частотой вращения, изменяя постоянную составляющую напряжения на якорной обмотке, при постоянном напряжении обмотки возбуждения (0В).

Предлагаемая ниже схема позволяет управлять электромотором мощностью до 5 кВт.

Мощные ЭМ постоянного тока имеют несколько особенностей, которые необходимо учитывать:

а) нельзя подавать напряжение на якорь ЭМ без подачи номинального напряжения (обычно 180...220 В) на обмотку возбуждения;

б) чтобы не повредить мотор, недопустимо сразу подавать при включении номинальное напряжение на якорную обмотку, из-за большого пускового тока, превышающего номинальный рабочий в десятки раз.

Приведенная схема позволяет обеспечить необходимый режим работы - плавный запуск и ручную установку нужной частоты вращения ЭМ.

Направление вращения изменится, если поменять полярность подключения проводов на обмотке возбуждения или якоре (делается это обязательно только при выключенном ЭМ).

В схеме применены два реле, что позволяет выполнить автоматическую защиту элементов схемы от перегрузки. Реле К1 является мощным пускателем, оно исключает вероятность включения ЭМ при установленной резистором R1 не нулевой начальной скорости. Для этого на оси переменного резистора R1 закрепляется рычаг, связанный с кнопкой SB2, которая замыкается (рычагом) только при максимальном значении сопротивления (R1) - это соответствует нулевой скорости.

Когда замкнуты контакты SB2, реле К1 при нажатии кнопки ПУСК (SB1) включится и своими контактами К1.1 самоблокируется, а контакты К1.2 включат электропривод.

Реле К2 обеспечивает защиту от перегрузки при отсутствии тока в цепи обмотки возбуждения ЭМ. В этом случае контакты К2.1 отключат питание схемы.

Питается схема управления без трансформатора, непосредственно от сети через резистор R3.

Величина действующего значения напряжения на якорной обмотке устанавливается с помощью изменения резистором R1 угла открывания тиристоров VS1 и VS2. Тиристоры включены в плечи моста, что уменьшает число силовых элементов в схеме.

На однопереходном транзисторе VT2 собран генератор импульсов, синхронизированных с периодом пульсации сетевого напряжения. Транзистор VT1 усиливает импульсы по току, и через разделительный трансформатор Т1 они поступают на управляющие выводы тиристоров.

При выполнении конструкции тиристоры VS1, VS2 и диоды VD5, VD6 необходимо установить на теплоотводящую пластину (радиатор).

Часть схемы управления, выделенная на рисунке пунктиром, размещается на печатной плате.

Постоянные резисторы применены типа С2-23, переменный R1 - типа ППБ-15Т, R7 - СП--196, R3 - типа ПЭВ-25. Конденсаторы С1 и С2 любого типа, на рабочее напряжение не менее 100 В. Выпрямительные диоды VD1 ...VD4 на ток 10 А и обратное напряжение 300 В, например Д231 Д231А Д232,Д232А,Д245,Д246.

Импульсный трансформатор Т1 выполнен на ферритовом кольце М2000НМ типоразмера К20х12х6 мм и намотан проводом ПЭЛШО диаметром 0,18 мм. Обмотка 1 и 2 содержат по 50 витков, а 3 - 80 витков.

Перед намоткой, острые грани сердечника нужно закруглить надфилем, чтобы исключить продавливание и замыкание витков.

При первоначальном включении схемы замеряем ток в цепи обмотки возбуждения (0В) и по закону Ома рассчитываем номинал резистора R2 так, чтобы срабатывало реле К2. Реле К2 может быть любым низковольтным (6...9 В) - чем меньше напряжение срабатывания, тем лучше. При выборе резистора R2 необходимо учитывать также рассеиваемую на нем мощность. -ная ток в цепи 0В и напряжение на резисторе, ее легко посчитать по формуле P=UI. Вместо К2 и R2 лучше применять выпускаемые промышленностью специальные токовые реле, но они из-за узкой области применения не всем доступны. Токовое реле несложно изготовить самостоятельно, намотав на большем герконе примерно 20 витков проводом ПЭЛ диаметром 0.7...1 мм.

Для настройки схемы управления вместо якорной цепи мотора подключаем лампу мощностью 300...500 Вт и вольтметр. Необходимо убедиться в плавном изменении напряжения на лампе резистором R1 от нуля до максимума,

Иногда, из-за разброса параметров однопереходного транзистора, может потребоваться подбор номинала конденсатора С2 (от 0,1 до 0,68 мкФ) и резистора R7 (R7 устанавливает при минимальном значении сопротивления R1 максимум напряжения на нагрузке).

Если при правильном монтаже не открываются тиристоры, то необходимо поменять местами выводы во вторичных обмотках Т1. Неправильная фазировка управляющего напряжения, приходящего на тиристоры VS1 и VS2, не может их повредить. Для удобства контроля работы тиристоров управляющее напряжение допустимо подавать сначала на один тиристор, а потом на другой - если регулируется резистором R1 напряжение на нагрузке (лампе), фаза подключения импульсов управления правильная. При работе обоих тиристоров и настроенной схеме напряжение на нагрузке должно меняться от 0 до 190 В.

Исключить вероятность подачи максимального напряжения на якорную обмотку в момент включения можно и электронным способом, воспользовавшись схемой, аналогичной приведенной на рис 6.17. (Конденсатор С2 обеспечивает плавное нарастание выходного напряжения в момент включения, а в дальнейшем на работе схемы не сказывается.) В этом случае включатель SB2 не нужен