Электропривод двигателя постоянного тока схема

Электропривод двигателя постоянного тока схема

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.

Читайте также:  Чем вытаскивать сальники с двигателя

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

Управление двигателями постоянного тока. Часть 1

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 [1].

Читайте также:  Схема щита управления двигателем

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.

а) б)
Рисунок 1. Коллекторный двигатель с редуктором (а) и
типовая конструкция коллекторного двигателя (б).

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, LM317 [2]. Возможные варианты такой схемы представлены на Рисунке 2.

а) б)
Рисунок 2. Схемы управления маломощным коллекторным двигателем на базе ИМС LM317.

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 RLIM. 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 [2]; 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 VIN и выходным VOUT, равной 3 В, будет рассеиваться мощность не менее

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!

Рисунок 3. График зависимости мощности, рассеиваемой на ИМС регулятора, от выходного напряжения.

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 [3]. Оно использовано в качестве дросселя (регулятора) в профессиональной модели железной дороги.

Рисунок 4. «Классическая» схема управления коллекторным двигателем на основе ШИМ (согласно оригиналу [3]).

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).

Рисунок 5. Диаграмма управления коллекторным двигателем на основе ШИМ. Верхняя трасса – напряжение на конденсаторе С1; средняя (пересекает верхнюю) – сигнал управления (напряжение на движке резистора RV2); нижняя – напряжение на двигателе.

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 BUZ11 [4]. 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.

Читайте также:  Как проверить опоры двигателя солярис

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 Pro’sKit, применен транзистор TIP125, 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 LM358 (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.

а) б)
Рисунок 6. Пример схем регуляторов с ШИМ и изменением опорной частоты.

Есть еще несколько интересных схем более простых ШИМ-регуляторов. Например, две схемы на одиночном операционном усилителе с драйвером опубликованы в [5] (Одна из них приведена на Рисунке 6а). Есть схемы и на базе популярного таймера серии 555 [6] (Рисунок 6б). Эти дешевые решения не должны вводить вас в заблуждение своей кажущейся простотой. Вспомним А.С. Пушкина: «Не гонялся бы ты, поп, за дешевизной». Или французов: «За каждое удовольствие нужно платить». Обе эти схемы формируют суррогатный сигнал ШИМ с изменением опорной частоты. Так схемы на ОУ из [5] меняют частоту управления во время регулирования от 170 Гц до 500 Гц, а схема на таймере – от 150 Гц до 1000 Гц, и ее диапазон регулировки (верхний диапазон) ограничен скважностью 9.5. Для некоторых применений это может быть недопустимо, так как на больших частотах двигатель может и не заработать, или не дать нужный момент вращения. Это происходит из-за того, что ток в обмотке двигателя, которая представляет собой индуктивность, устанавливается не мгновенно, а нарастает и спадает по экспоненте. Более корректные схемы на базе таймера и одиночного ОУ приведены на Рисунке 7.

а) б)
Рисунок 7. Схемы регуляторов с ШИМ без изменения опорной частоты.

Аналогичные по структуре регуляторы можно построить и на цифровых логических элементах, но они имеют малую нагрузочную способность и требуют отдельного источника питания, поэтому в данной статье не рассматриваются. Применение же таймера 555 интересно тем, что частота генератора, выполненного на его базе, практически не зависит от напряжения питания. Кроме того, большинство ныне выпускаемых зарубежных аналогов, выполненных по биполярной технологии, допускает выходной ток до 200 мА и более. То есть, они могут легко справиться и с емкостью затвора MOSFET и с мощными ключами на биполярных транзисторах. Близкий к таймеру 555 советско-российский аналог – это ИМС (КР)1006ВИ1. Максимальный выходной ток для КР1006ВИ1 и КМОП-версий таймера составляет 100 мА.

Источник

Adblock
detector