Электрические приводы с двигателями постоянного тока

Электроприводы постоянного тока

Электроприводы постоянного тока работают за счет электромагнитной индукции и используются для превращения поданной энергии во вращательные или поступательные движения.

Мощность оборудования зависит от конструктивных особенностей, в особенности количества полученного ресурса и его потерь при преобразовании (КПД).

Классифицируют электроприводы по способу возбуждения:

1. Независимые. Обмотку питает подключаемый источник тока.
2. Шунтовые. Параллельное подключение обмотки возбуждения и источника питания.
3. Сериесные. Последовательное подключение.
4. Компаундные. Совмещают последовательное и параллельное подключение.

Электроприводы постоянного тока применяют на производствах как моторы для станков и других видов машин, в бытовой технике (стиральные машины, пылесосы, фены, часы) и ЖД и автотранспорте.

Данный вид двигателей показывает наилучшие результаты в системах, где требуется:

• режим работы в 4-х квадрантах с рекуперацией;
• продолжительная эксплуатация на низких скоростях;
• динамичное и интенсивное производство – регулярные разгоны и остановки с минимальным выделением тепла при работе;
• минимальные габариты и вес оборудования;
• тонкая настройка скорости в широком диапазоне при неизменной мощности.

Электродвигатель постоянного тока не предназначен для работы в загрязненных средах (стандартная степень защиты корпуса IP 23, максимум 54) и требует регулярного ТО.

Как выбрать электропривод постоянного тока

Согласно данным рыночных исследований компании «Интехникс» спрос на двигатели с широким и точным диапазоном регулирования скоростей, в том числе и вверх от номинального значения ежегодно возрастает на 6-8%.

Микропроцессорные силовые статические преобразователи, функциональная составляющая DC и AC электроприводов сглаживают разницу между двумя видами оборудования, но традиционный привод постоянного тока по-прежнему более устойчив к перегрузкам и способен проводить рекуперацию.

При подборе технической оснастки для выполнения производственных задач опираются на 6 факторов:

1. Цена двигателя, необходимого для эксплуатации комплектующих, монтажа.
2. Размер текущих расходов на поддержание работоспособности – ТО, аренда площади, КПД.
3. Габариты, масса и время срабатывания (отклик, разгон, 4-х квадрантные операции, аварийная защита).
4. Гарантийный срок, соответствие международным и российским отраслевым стандартам.
5. Влияние на окружение – искажение напряжения в сети, электромагнитная совместимость.
6. Реализация и эффективность отвода тепла.

Несмотря на относительно высокую стоимость данного вида оборудования, обусловленную сложностью сборки и требовательностью к условиям эксплуатации (по сравнению с асинхронными двигателями), анализ среднестатистических моделей DC и AC показывает преимущества приводов постоянного тока. В том числе для намоточных устройств, испытательных стендов, буровых установок.

Во время модернизации производства производят полную замену техники или ее компонентов, если это рентабельно.

Вместо инсталляции привода переменного тока в синхронном двигателе меняют преобразователь или его модули, внедряют цифровую управляющую электронику вместо аналоговой, приводную систему приводят к частотно-регулируемому виду.

Последнее решение считается специалистами оптимальным, в том случае если финансовые и временные затраты на монтаж не нанесут существенного ущерба работе предприятия.

Больше о современных электроприводах постоянного тока можно узнать на выставке «Электро».

Источник

Раздел 2 Электроприводы с двигателями постоянного тока

Тема 2.1 Электропривод с двигателями постоянного тока независимого возбуждения (дпт нв)

2.1.1 Схема включения и статические характеристики дпт нв

На рисунке 2.1.а приведена схема включения ДПТ независимого возбуждения.

Рисунок 2.1 – Схема включения(а) и статические характеристики(б) ДПТ НВ

На схеме приняты следующие обозначения: U – напряжение на якоре, В; U_В – напряжение на обмотке возбуждения, В; I – ток якоря, А; I_В– ток возбуждения, А; R_Д – добавочное сопротивление в цепи якоря, Ом; R_В – добавочное сопротивление в цепи обмотки возбуждения, Ом; R_я – сопротивление якоря, Ом.

r_оя – сопротивление обмотки якоря.

r_дп – сопротивление добавочных полюсов.

r_ко – сопротивление компенсационной обмотки.

r_щ – сопротивление щёточного контакта.

Коэффициент 1,25 перед скобкой в данной формуле учитывает увеличение сопротивления обмоток ДПТ при нагревании.

В установившемся режиме работы по второму закону Кирхгофа для якорной цепи двигателя можно записать следующее выражение:

где E=kФω — ЭДС вращения (противоЭДС), (2)

k – конструктивный коэффициент двигателя,

Ф – основной магнитный поток,

ω – угловая скорость вращения якоря.

Направление токов и ЭДС, указанное на схеме, соответствует двигательному режиму работы.

R=— общее сопротивление якорной цепи.

Подставляя (2) в (1), получаем: U=IR + kФω, откуда

(3)

Такая зависимость ω = f(I) называется электромеханической или скоростной характеристикой ДПТ НВ.

Ток и момент двигателя связаны следующей зависимостью

(4)

Для получения выражения механической характеристики ДПТ НВ подставим (4) в (3):

(5)

Электромеханические и механические характеристики ДПТ НВ представляют собой линейные зависимости угловой скорости от тока и момента, вид которых для разных полярностей питающего напряжения якоря приведён на рисунке 2.1.б. Эти характеристики совмещены, что справедливо в случае kФ = const.

Из формул (3) и (5) видно, что при I = 0 и М = 0 характеристика проходит через точку ω₀. Скорость ω₀ называется скоростью идеального холостого хода и определяется по формуле

(6)

При скорости идеального холостого хода, когда момент на валу двигателя равен нулю, ток в цепи якоря не протекает, т.к. ЭДС якоря становится равной по величине приложенному напряжению, но действует навстречу ему.

Если двигатель до приложения нагрузки работал со скоростью ω₀, то после приложения нагрузки М_С его скорость уменьшится до некоторого значения ω. Разность значений установившихся скоростей электропривода до и после приложения нагрузки называется статическим перепадом скорости ЭП и обозначается (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Статический перепад скорости ЭП

(7)

Таким образом, формулы (3) и (5) можно записать в обобщенном виде:

(8)

Формулы (3) и (5) позволяют назвать основные способы получения искусственных (регулировочных) характеристик ДПТ НВ, используемых для регулирования его координат (I,М, ω):

1 введение в цепь якоря добавочного сопротивления;

2 изменение магнитного потока;

3 изменение подводимого к якорю напряжения.

Входящие также в эти выражения I и M определяются только механической нагрузкой ЭП и их значения не могут быть установлены произвольно.

Источник

Электрические приводы с двигателями постоянного тока

Приводы постоянного тока служат для управления двигателями постоянного тока. Правда не везде, а лишь там, где требуется плавное и точное регулирование скорости и вращающего момента электромотора в достаточно широких пределах.

Где же конкретно могут использоваться приводы постоянного тока? Для того, чтобы ответить на данный вопрос, нам надо вначале сказать несколько слов о принципе работы двигателя постоянного тока.

Вообще надо заметить, что электродвигатели — очень распространенный объект управления в различных устройствах и технических системах. Причем настолько, что без них вся наша современная жизнь очевидно вовсе не была бы такой уж и современной. Точнее мы бы так и не ушли далее технологий начала 19 века. И не имели бы не только компьютеров, с их гаджетами, но и вообще не знали бы, например, даже столь привычного нам электрического освещения, поскольку сами электрогенераторы – это, по сути, те же самые электродвигатели, но только преобразующие различные виды неэлектрической энергии (механическая, химическая или тепловая) в электрическую энергию.

Сами электродвигатели при этом, как известно, делятся на электродвигатели постоянного тока и электродвигатели переменного тока. Причем сегодня в силу бурного развития научно-технической мысли, которая предлагает более совершенные алгоритмы векторного управления и довольно дешевые и удобные в использовании частотники, именно последние приобретают все большую популярность в промышленности.

Однако, нельзя не сказать, что и двигатели постоянного тока рано еще списывать со счетов. Они имеют свои весьма важные и существенные преимущества. Дело в том, что один из «глобальных» минусов двигателя постоянного тока – это коллектор, его низкая механическая прочность, а также слабая механическая прочность щеток.

Но зато у двигателя постоянного тока можно менять скорости в достаточно широком диапазоне при относительном постоянстве момента на валу. При этом количество оборотов двигателя постоянного тока пропорционально величине напряжения, которое подается на якорную обмотку. А это значит, что в диапазоне скоростей от нуля до номинального значения электродвигатель может развивать полный крутящий момент. Именно поэтому двигатель постоянного тока широко используют в тех случаях, когда необходимо обеспечить большой момент при низких скоростях электродвигателя почти до его остановки при наличии полной нагрузки с последующим стартом. К таковым областям относятся электроприводы лифтов, кранов, ленточных конвейеров, смесителей, экструдеров и топу подобных механизмов.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Вообще надо заметить, что самой первой из всех изобретенных в XIX веке вращающихся электромашин был именно электродвигатель постоянного тока. Сам принцип действия его известен с середины прошлого столетия и основан на том, что крутящий момент здесь создаётся путём взаимодействия между двумя магнитными полями — полем обмотки возбуждения и полем, создающимся обмотками во вращающемся якоре.

Впрочем, в некоторых моделях двигателей постоянного тока нет обмотки возбуждения, вместо нее установлены постоянные магниты, сохраняющее стационарное магнитное поле при любых рабочих условиях.

Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что ток, проходя через якорь, создаёт магнитное поле, которое пытается выровняться со стационарным полем. Происходит вращение двигателя/

Рис. 1. Схема двигателя постоянного тока

При этом коллектор (так называется набор сегментированных медных планок), разрывает электрический контакт с уже «выровненной» обмоткой и возбуждает другую обмотку (или как в простом примере, показанном выше, перевозбуждает ту же цепь в противоположном направлении), создавая другое не выровненное магнитное поле, которое продолжает вращать якорь. Электрический контакт между вращающимися сегментами коллектора и стационарным источником питания в этом случае происходит через угольные щетки. Поскольку здесь постоянно имеет место механическое трение, то эти щетки изнашиваются через определенное время (как и сам коллектор) и соответственно требуют своей периодической замены.

Впрочем, следует заметить, что большинство промышленных электродвигателей постоянного тока изготавливаются с несколькими обмотками якоря, а не с одной, как показано на упрощенной иллюстрации сверху.

В электродвигателях постоянного тока проявляются следующие отношения между механическими и электрическими величинами:

1. Крутящий момент. Он прямо пропорционален силе магнитного поля якоря, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна току, проходящему через обмотки якоря. Так же момент прямо пропорционален силе постоянного магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально току, проходящему через возбуждающую обмотку (в двигателе без магнитов).
2. Скорость. Скорость ограничена ЭДС, генерируемой якорем при вращении в постоянном магнитном поле. Эта ЭДС прямо пропорциональна скорости вращения якоря, и также прямо пропорциональна силе постоянного магнитного поля (которая прямо пропорциональна току возбуждающей обмотки в электродвигателе без магнитов). Это значит, что скорость прямо пропорциональна напряжению якоря, а также обратно пропорциональна силе постоянного магнитного поля, которая прямо пропорциональна току, проходящему через возбуждающие обмотки (в двигателе без магнитов).

Управление двигателем постоянного тока

Последнее же означает, что, меняя тока обмотки, можно изменять соотношение между скоростью и моментом. Однако этого недостаточно для управления общей мощностью двигателя. Чтобы управлять выходной мощностью электродвигателя постоянного тока также необходимо управлять напряжением и током якоря. Для этой цели можно было бы использовать переменные резисторы, но этот метод не используется в настоящее время, так как приводит к потере мощности. Лучшим решением здесь будет применение электронной схемы регулирования мощности на транзисторных ключах быстро отключающих и включающих якорь двигателя в цепь. Такой тип управления называется широтно-импульсной модуляцией, или ШИМ.

Рис.2. Схема управления скоростью и моментом ДПТ

По традиционной технологии для импульсного питания двигателя постоянного тока используют схему управляемого выпрямителя, в котором для преобразования переменного тока в постоянный вместо обычных выпрямляющих диодов используют тиристоры (управляемая схема Ларионова). Основным источником питания промышленных двигателей постоянного тока остается переменный ток, и этот переменный ток должен быть преобразован в постоянный в некотором узле системы; управление имеет смысл интегрировать прямо в этот выпрямительный узел.

Рис.3. Схема управляемого выпрямителя

Схема управляемого выпрямителя работает по принципу изменения времени «пускового» импульса относительно импульсов колебаний переменного тока. Чем раньше в каждом периоде переменного тока откроется тиристор, тем дольше он будет пропускать ток к двигателю. Схема фазового управления отвечает за генерацию импульсов и их длительность.

Отсюда следует, что привод постоянного тока просто регулирующий подводимую мощность к двигателю был бы трудно регулируемым и не применим в большинстве задач. Для управления двигателем необходимо управлять скоростью. Поэтому на двигателях постоянного тока устанавливают тахогенераторы, механически соединённые с валом двигателя.

Тахогенератор представляет собой небольшой генератор, создающий постоянное напряжение, прямо пропорциональное скорости вращения вала, обычно с выходом 0-10В постоянного тока, реже 0-220В переменного тока. По его показаниям регулируемый привод постоянного тока регулирует электрическую мощность, подводимую к двигателю так, чтобы скорость вращения совпала с заданной управляющим сигналом. Имея датчик обратной связи для регулирования скорости, привод постоянного тока точно регулирует скорость вращения двигателем.

Рис. 4. Схема управления двигателем постоянного тока

Менять ли привод постоянного тока?

Следует заметить, что в силу длительного периода широкого применения двигателей постоянного тока, на протяжении довольно долгого времени для регулировки скорости вала двигателя использовались приводы постоянного тока. Тем самым, данные приводы имели широкое распространение и были установлены на огромном количестве различных машин, механизмов и оборудовании. Но вот в чем проблема – дело в том, что раньше приводы постоянного тока выпускались с управлением на аналоговых микросхемах. А это вело к длительной настройке оборудования, необходимости постоянного обслуживания привода и частой его перенастройки. В результате против двигателей постоянного тока и соответственно приводов постоянного тока сложилось предубеждение о ненужности и даже вредности установки таких систем. Повсеместно обозначилась тенденция к замене «постоянников» на «переменники». И где-то это и правда оказалось оправдано, но…

Увы, но часто «дьявол кроется в деталях»!

Следует заметить, что сейчас приводы постоянного тока выпускаются с фазными схемами управления, основанными на современных микропроцессорах. А это значит, что они стали значительно более надежны и, ГЛАВНОЕ, не нуждаются в необходимости постоянного обслуживания привода и частой перенастройки приводов. А поскольку вопреки публикациям в СМИ и доводам производителей приводов переменного тока, существует еще немало таких применений, где приводы постоянного тока являются предпочтительными по своему функционалу (а в конечном счете и по деньгам), то возможно при модернизации оборудования следует обратить внимание на приводы постоянного тока.

Более того, сегодня необходимо учитывать, что очень часто, при модернизации систем управления, простая замена устаревших приводов постоянного тока новыми современными приводами постоянного тока, является экономически более выгодной!

Подумайте! Возможно это Ваш случай? Причем в данном случае имеет смысл обратить именно на лидеров по производству приводов постоянного тока, одним из которых является фирма Siemens, выпускающая приводы постоянного тока серии SINAMICS DCM — современный мощный привод постоянного тока со многими дополнительными модулями расширения, интеграции в промышленные сети и встроенными функциями для решения типовых технологических задач (намотка-размотка и т. д.).

Источник