Характеристики двигателя постоянного тока

Наиболее важными характеристиками двигателя постоянного тока являются моментная, механические и регулировочные характеристики.

Моментная характеристика устанавливает зависимость электромагнитного момента М от тока якоря Iа:

(3)

где Сm – конструктивный коэффициент момента, Ф – магнитный поток.

График моментной характеристики при постоянном потоке представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат.

Изменение направления вращения (реверс) достигается изменением знака (направления) момента путём изменения направления потока или тока якоря.

Механической характеристикой двигателя называют зависимость частоты вращения n от электромагнитного момента при постоянных значениях напряжения якорной цепи U, магнитного потока и сопротивлений цепей. Эта зависимость описывается выражением:

(4)

где Се–конструктивный коэффициент ЭДС, Ra - сопротивления якорной цепи.

Механическая характеристика, соответствующая номинальным условиям и отсутствию добавочных сопротивлений, называется естественной. Характеристики при прочих условиях называют искусственными. Графики естественной и нескольких искусственных механических характеристик при питании двигателя от аналогового источника, согласно выражению (4), приведены на рисунке 4. Из этого рисунка следует, что при заданном моменте частоту вращения можно регулировать ослаблением магнитного поля (характеристика И1), изменением напряжения якорной цепи (характеристики И2, И3) и введением добавочного сопротивления в цепь якоря (характеристика И4).

Рисунок 4 - Механические характеристики двигателя.

Величина на рисунке 4 называется частотой вращения идеального холостого хода, при котором М=0, на естественной характеристике.

Наиболее приемлемые характеристики и показатели двигателя обеспечиваются при регулировании частоты вращения изменением напряжения якорной цепи. Этот способ широко используется в автоматизированных электроприводах, например, сложных станков и других устройств.

Регулировочные характеристики представляют собой зависимость частоты вращения от регулируемой величины. Характеристики n=f(U) при постоянном моменте приведены на рисунке 5. Напряжение трогания – это напряжение, при котором начинается вращение двигателя. Его величина прямо пропорциональна моменту двигателя.

Двигатель постоянного тока – хорошо регулируемый (управляемый) двигатель.

Если напряжение управления постоянного тока подаётся на обмотку якоря, управление двигателем называют якорным.

Разновидностью якорного управления является импульсное управление, когда на обмотку управления подаётся импульсное напряжение с регулируемой скважностью . В простейшем случае скважность:

(5)

Рисунок 5 - Регулировочные характеристики двигателя.

где tи, tп и T – соответственно продолжительность импульса, паузы между импульсами и период (рисунок 6). За счёт этого изменяется напряжение управления, равное среднему за период значению напряжения

(6)

Рисунок 6 - Диаграммы напряжения, тока и частоты вращения двигателя при однополярном импульсном управлении.

При импульсном управлении обмотку управления двигателя подключают к полупроводниковому преобразователю напряжения ППН, работающему в режиме ключа, управляемого широтно-импульсным преобразователем (рисунок 7).

Частота коммутации ППН f = 1/ Т, причём период Т = tи + tп. При Т=const и изменении соотношения между tи и tп изменяется и среднее значение напряжения, подаваемого на двигатель. Скважность называют также коэффициентом регулирования напряжения.

Рисунок 7 - Простейшая схема включения двигателя при однополярном импульсном управлении.

На рисунке 7 обратный диод VD необходим для обеспечения замыкания тока якоря i во время паузы под действием ЭДС самоиндукции обмотки якоря после исчезновения импульса напряжения.

Приемлемая частота коммутации f = 1/ Т составляет 200…2000 Гц.

Чтобы пульсации тока якоря и частоты вращения двигателя были небольшими (не более 5…10%), следует принимать длительность импульсов на порядок меньше электромагнитной постоянной времени Та якорной цепи.

Для обеспечения этого соотношения приходится увеличивать индуктивность якорной цепи за счёт введения дополнительной индуктивности Lд.

Элементы Lф, Cф – фильтр, препятствующий распространению высших гармоник тока в питающую сеть, возникающих от работы ППН и коллектора двигателя.

Вид механических характеристик двигателя при импульсном управлении показан на рисунке 8.

Рисунок 8 - Механическая характеристика двигателя при импульсном управлении.

При очень малых нагрузках наступает режим прерывистых токов, когда ток якоря успевает полностью затухать во время паузы (рисунок 9).

Поэтому при моменте М 0 и, следовательно, токе якоря Iа 0 частота вращения стремится к частоте вращения идеального холостого хода = U/CеФ f( ), так как если =0, то Е=U, а не Uср. Вследствие этого все характеристики на рисунке 8 выходят из одной общей точки и при <1 криволинейны в начальной части.