1. Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока используются в прецизионных приводах, требующих плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

Свойства двигателя постоянного тока, так же как и генераторов, определяются способом возбуждения и схемой включения обмоток возбуждения.
По способу возбуждения можно разделить двигатели постоянного тока на двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением.

Двигатели с электромагнитным возбуждением подразделяются на двигатели с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением.

Электрические машины постоянного тока обратимы, то есть, возможна их работа в качестве двигателей или генераторов.

Например, если в системе управления с использованием генератора в обратной связи отсоединить генератор от первичного двигателя и подвести напряжение к обмоткам якоря и возбуждения, то якорь начнет вращаться и машина будет работать как двигатель постоянного тока, преобразуя электрическую энергию в механическую. Двигатели независимого возбуждения наиболее полно удовлетворяют основным требованиям к исполнительным двигателям самоторможение двигателя при снятии сигнала управления, широкий диапазон регулирования частоты вращения, линейность механических и регулировочных характеристик, устойчивость работы во всем диапазоне вращения, малая мощность управления, высокое быстродействие, малые габариты и масса.

Однако двигатели постоянного тока имеют существенные недостатки, накладывающие ограничение на область их применения малый срок службы щеточного устройства из-за наличия скользящего контакта между щетками и коллектором, скользящий контакт является источником радиопомех.

[pic]

Рис. 1.1. Структурная схема двигателя независимого возбуждения

Подставим в уравнение второго закона Кирхгофа для якорной цепи [pic] и
[pic] получим

[pic],

[pic], где [pic]- якорное сопротивление, [pic]- добавочное сопротивление.

Электродвижущая сила (ЭДС) якоря - [pic]пропорциональна угловой скорости - [pic], связь между ЭДС и угловой скоростью, а так же между вращающим моментом [pic] и [pic] в системе единиц СИ определяется единым электромагнитным коэффициентом

[pic], где [pic] - число пар полюсов двигателя, [pic] - число проводников обмотки якоря, [pic] - число пар параллельных ветвей обмотки якоря, [pic] - магнитный поток.

Причем

[pic], где [pic] - конструктивный коэффициент.

[pic],

[pic], тогда E якоря

[pic], а момент

[pic], и напряжение, подаваемое на двигатель

[pic], откуда

[pic],

механическая характеристика двигателя постоянного тока записывается в виде

[pic].

Следовательно, механическая характеристика при Ф = const представляет собой прямую линию. Угловую скорость, соответствующую при М = 0 и номинальном напряжении - Uном запишем в виде

[pic].

Эту скорость называют угловой скоростью идеального холостого хода.

[pic],

[pic]

Рис. 1.2. Механические характеристики в двигательном режиме

Рассмотрим установившиеся режимы работы двигателя постоянного тока для случая соответствующего постоянному моменту сопротивления.

Такая схема нагружения двигателя постоянного тока соответствует подъему или спуску постоянного груза.

[pic]

Рис. 1.3. Структурная схема нагружения двигателя постоянного тока для постоянного момента нагружения

Рассмотрим обобщенные механические характеристики двигателя постоянного тока

[pic]

Рис. 1.4. Механическая характеристика двигателя постоянного тока

В первом квадранте двигатель постоянного тока находится в двигательном режиме и потребляет энергию из сети. При вращении якоря со скоростью (>(0 двигатель постоянного тока переходит из двигательного режима с моментом М>0
(первый квадрант) в генераторный режим (второй квадрант) с отрицательным вращающим моментом (якорь вращается перпендикулярно, например, под действием инерции исполнительного механизма). При этом момент М