Классификация электрических микромашин

В некоторых случаях применяют исполнительные двигатели с постоянными магнитами, в которых управляющий сигнал подают на  обмотку якоря.

Исполнительные  двигатели работают в переходном режиме; для них характерны частые пуски, остановы и реверсы.

Двигатель с якорным  управлением. В этом двигателе (рис. 9, а) напряжение управления U_y подают на обмотку якоря; обмотка главных полюсов присоединена к сети постоянного тока с неизменным напряжением U_B. Следовательно, коэффициент сигнала α=U_y/U_B. Для двигателей с постоянными магнитами  α=U_y/U_HOM.

Когда напряжение U_y = 0, ток в обмотке якоря I_у и вращающий момент двигателя Μ равны нулю, и, следовательно, самоход двигателя исключается. Изменяя напряжение U_y, можно регулировать частоту вращения двигателя. Магнитная цепь исполнительных двигателей выполняется ненасыщенной, поэтому при U_B = const магнитный поток Ф = k_фU_в, где k_ф— постоянная, зависящая от параметров обмотки возбуждения (сопротивления и числа витков) и сопротивления магнитной цепи машины.

Ток якоря

 

(5)

 

где Е=с_еФп = с_еk_фU_вп — ЭДС, индуцированная в обмотке якоря;  R_y = ΣR_a—сопротивление  якоря.

Следовательно, вращающий  момент двигателя М = с_мk_фU_в1_у или,  с учетом  (5),

 

     (6)

 

Причем за базовую единицу  момент М_к, развиваемый двигателем при n=0 и α = 1: Μ_κ = с_мk_фU²_B/ΣR_a. Тогда относительное значение  момента

 

          (7)

 

Частота вращения при холостом ходе двигателя и α = 1

 

(8)

 

а относительная частота  вращения

    (9)

Таким образом, уравнение  механической характеристики принимает  вид

    (10)

Из (10) следует, что механические характеристики двигателя при различных значениях α прямолинейны и параллельны (рис. 10, а). Решая (10) относительно ν, получаем уравнение регулировочной характеристики

    (11)

Регулировочные  характеристики при различных значениях  т также прямолинейны и параллельны (рис. 10,б). Мощность управления

            .  (12)

 

Приняв за базовую единицу  мощность управления при коротком замыкании  и α=1, т.е. P_y.K=U²_в/ΣR_a, получим мощность управления в  относительных единицах

 

  .  (13)

 

Следовательно, мощность управления р_у резко возрастает с увеличением коэффициента сигнала (рис. 11, а).

Мощность возбуждения  P_B=U_BI_B=U²_в/R_B при якорном управлении постоянна и  не  зависит  от  α  и  ν.

Механическая мощность исполнительного  двигателя в относительных единицах представляет собой произведение относительной частоты вращения на относительный момент:

 

   (14)

Максимальную механическую мощность р_мехтах и соответствующую частоту вращения ν_κρ можно определить, положив  d/dv = 0.  При этом получим

 

 α²/4;  ν_κρ = 0,5α = 0,5ν_ο.               (15)

 

На рис. 11,б показаны зависимости f(v) при различных значениях коэффициента сигнала. Максимум механической мощности пропорционален α², поэтому работа при малых α приводит к плохому использованию номинальной мощности двигателя. Следовательно, при якорном управлении управляющее устройство, подающее на двигатель

Рис. 10. Механические (а) и регулировочные (б) характеристики

 двигателя  с якорным управлением

 

сигнал управления U_y, должно иметь достаточно  большую мощность.

Двигатель с полюсным  управлением.

В этом двигателе (см. рис. 9,б) напряжение управления U подают на обмотку главных полюсов. Обмотка якоря постоянно включена на напряжение сети U_B и по ней проходит ток I_в. Чтобы ограничить ток якоря при п = 0, в его цепь часто включают дополнительный резистор R_до6. Регулирование частоты вращения осуществляют путем изменения напряжения управления U_у = αU_в, т. е. изменения магнитного  потока Φ двигателя.

При α = 0 в машине имеется небольшой остаточный поток, а следовательно, и небольшой электромагнитный момент. Поэтому во избежание самохода к валу двигателя должен быть приложен тормозной момент, превышающий электромагнитный момент при α = 0.

Предположим, как и ранее, что магнитная цепь машины ненасыщена, тогда

Ф = к'_фU_у = k'_фαU_в .          (16)

Ток якоря

 (17)

Вращающий момент двигателя

 

,            (18)

 

или, с учетом  (17),

 

  (19)

 

Принимая за базовую единицу  момент М_К при коротком замыкании (т.е.  при п = 0) и α=1

 

  , (20)

 

Рис.

11. Зависимости мощности управления (а) и механической мощности (б)

 от частоты  вращения при якорном управлении

 

Рис.

12. Механические (а) и регулировочные (б) характеристики

 двигателя  с полюсным управлением

 

получим относительное значение момента

 

   (21)

 

С учетом (9) уравнение механической характеристики принимает вид

 

                            (22)

 

Уравнение (22) является линейным относительно ν, вследствие чего механические характеристики можно построить по двум известным точкам. Обычно в качестве одной из них берут точку, соответствующую режиму короткого замыкания (пуск двигателя) с координатами ν_κ = 0 и m_K = α; в качестве второй — точку, соответствующую режиму холостого хода с координатами т_о = 0 и v_o = l/α.

На рис. 12, б показаны механические характеристики исполнительного двигателя с полюсным управлением при различных значениях α. В отличие от характеристик двигателя с якорным управлением они пересекаются, что приводит к неоднозначной зависимости частоты вращения от коэффициента сигнала (одну и ту же частоту вращения можно получить при двух значениях α).

Уравнение регулировочной характеристики в относительных единицах можно получить из  (22)

 

.  (23)

 

На рис. 12,б показаны регулировочные характеристики при различных значениях т. Эти характеристики нелинейны, некоторые из них и неоднозначны.

Коэффициент сигнала α_кр, при котором относительная частота вращения ν достигает максимума, можно найти, положив dv/dα = 0.  При этом получим 

 

α_кр = 2m;  v_max = l/(4m) .   (24)

 

Обычно коэффициент сигнала  α изменяется от 0 до 1. В этих пределах регулировочная характеристика будет иметь максимум, если относительный момент т О,5α_кр= 0,5(1...0).

Следовательно, при т<0,5 регулировочные характеристики неоднозначны и практически невозможно применять исполнительный двигатель с полюсным управлением в автоматических устройствах. Поэтому полюсное управление используют только  при т 0,5.

Мощность управления пропорциональна  квадрату коэффициента сигнала и не зависит от частоты вращения:

 

 25)

 

Механическая мощность  в относительных единицах

 

p_μex = mν = (α-α²ν)ν .                        (26)

 

Максимум механической мощности и соответствующую ему частоту  вращения ν_κρ можно найти из условия dp_μeχ/dν = 0.  При этом

 

 

(27)

 

Следовательно, при полюсном управлении максимальное значение механической мощности не зависит от коэффициента сигнала (рис. 13) и работа двигателя при малых коэффициентах сигнала не сказывается на использовании его номинальной мощности.

Импульсное управление исполнительным двигателем. Этот метод является разновидностью якорного управления. Как было показано в § 10.14, в режиме непрерывных токов характеристики двигателя тождественны характеристикам при изменении напряжения U, подаваемого на обмотку якоря.  Следовательно,

 

   (28)

 

Механическая характеристика имеет перелом при критической частоте вращения

 

   (29)

 

Рис. 13. Зависимость механической мощности от частоты

вращения при полюсном  управлении

 

соответствующей переходу в  режим работы при прерывистом токе.

На рис.   14, а изображены   механические,   а   на   рис. 14, б—регулировочные характеристики двигателя при импульсном управлении, построенные для случая, когда β = 1.

При импульсном управлении наблюдаются колебания мгновенной скорости двигателя за счет увеличения скорости в проводящий период и уменьшения ее в период пауз. При необходимости колебания скорости можно уменьшить, увеличив частоту подачи импульсов и постоянную  времени цепи якоря.

Электромеханическая постоянная времени. При прямом пуске двигателя его частота вращения и ток якоря (рис. 11.15) изменяются соответственно:

(30)

(31)

 

где п_н и I_н—установившиеся значения частоты вращения и тока якоря, соответствующие нагрузочному моменту М_н; I_нач =U/ΣR_α — начальный пусковой ток; Т_м — электромеханическая постоянная времени двигателя.

Постоянная времени T_м определяется, так же как и для асинхронных исполнительных двигателей, из основного уравнения динамики двигателя при условии разгона его якоря от неподвижного состояния до частоты вращения холостого хода, статическом моменте на валу М_ст = 0 и электромагнитном моменте М=М_п.  В этом случае получим

Рис. 14. Механические (а) и регулировочные (б) характеристики

 двигателя  при импульсном управлении

 

T_M = JΩ₀ /M_п .            (32)

 

Для двигателя с якорным  управлением, у которого Ω₀ = Ω₀₁ν₀ = αΩ₀₁  и М_П = т_ПМ_к = αМ_к, имеем

 

T_M = JΩ₀₁ /M_H ,           (33)

 

где  Ω₀₁ = 2πn₀₁/60—угловая  скорость   при   холостом   ходе и α= 1.

Следовательно, электромеханическая постоянная времени и время разгона двигателя с якорным управлением до частоты вращения v₀ не зависят от коэффициента сигнала. Физически это объясняется тем, что при изменении коэффициента сигнала одновременно и пропорционально ему изменяются пусковой момент т_п и частота вращения при холостом ходе v₀ (см.  рис. 10, а).

Для двигателя с полюсным управлением,  у которого Ω₀ = Ω₀₁ν₀₁=Ω₀₁/α и М_П = т_ПМ_к = αМ_к, имеем

Рис. 15. Кривые изменения  n  и   i_a  при пуске двигателя

 

(34)

 

Из (34) следует, что электромеханическая постоянная времени и время разгона двигателя с полюсным управлением до частоты вращения v₀ в сильной степени зависят от коэффициента сигнала α, так как при уменьшении α пусковой момент т_П = т_к снижается, а частота вращения ν₀ возрастает (см. рис. 12, а). Это большой недостаток двигателей с полюсным управлением.

При полюсном управлении на время разгона двигателя существенно  влияет также скорость протекания электромагнитных процессов, так как из-за большой индуктивности обмотки управления L_y (обмотки главных полюсов) электромагнитная постоянная времени T_ЭM = L_y/R_y может оказаться величиной того же порядка, что и электромеханическая постоянная времени.

Для уменьшения электромеханической  постоянной времени по возможности снижают момент инерции якоря J, для чего применяют малоинерционные исполнительные двигатели с полым, беспазовым и дисковым якорем. Ориентировочные значения постоянной времени Т_м (с) для исполнительных двигателей постоянного тока различной конструкции мощностью от нескольких ватт до нескольких десятков ватт при α=1: с якорем обычного типа — 0,035...0,15; с полым и беспазовым якорем — 0,015—0,02; с дисковым якорем и печатной  обмоткой — 0,005...0,02.

Сравнение свойств двигателей при различных способах управления. Исполнительные двигатели постоянного тока имеют ряд преимуществ по сравнению с асинхронными исполнительными двигателями: большую линейность характеристик, высокое быстродействие и лучшее использование активных материалов двигателя. Недостатком их является наличие скользящего контакта между щетками и коллектором, который снижает надежность работы и создает радиопомехи,  возникающие от коммутационного искрения.

Из исполнительных двигателей постоянного тока наилучшими   свойствами   обладает   двигатель   с   якорным   управлением. Для него характерны отсутствие самохода, высокая линейность механических и регулировочных характеристик, а также большая крутизна механических характеристик, что обеспечивает быстрый разгон двигателя; кроме того, ток в этом двигателе проходит через щеточный контакт только при отработке сигнала управления, предотвращая подгар коллектора при неподвижном якоре. Основным недостатком двигателя с якорным управлением является сравнительно  большая мощность управления.