Приводы для постоянных двигателей 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.

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.).

Электрические приводы. Виды и устройство. Применение и работа

Электропривод – электромеханическая система, служащая для привода в движение функциональных органов машин и агрегатов для выполнения определенного технологического процесса. Электрические приводы состоят из электродвигателя, устройства преобразования, управления и передачи.

С прогрессом промышленного производства электрические приводы заняли в быту и на производстве лидирующую позицию по числу электродвигателей и общей мощности. Рассмотрим структуру, типы, классификацию электроприводов, и предъявляемые к нему требования.

Устройство

1 — Передний крепеж
2 — Винтовая передача
3 — Концевой датчик
4 — Электродвигатель
5 — Зубчатая передача
6 — Задний крепеж

Функциональные компоненты

• Р – регулятор служит для управления электроприводом.
• ЭП – электрический преобразователь служит для преобразования электроэнергии в регулируемую величину напряжения.
• ЭМП – электромеханический преобразователь электричества в механическую энергию.
• МП – механический преобразователь способен изменять быстродействие и характер движения двигателя.
• Упр – управляющее действие.
• ИО – исполнительный орган.

Функциональные части

• Электропривод.
• Механическая часть.
• Система управления.

Исполнительный механизм является устройством, которое смещает рабочую деталь по поступающему сигналу от управляющего механизма. Рабочими деталями могут быть шиберы, клапаны, задвижки, заслонки. Они изменяют количество поступающего вещества на объект.

Рабочие органы могут двигаться поступательно, вращательно в определенных пределах. С их участием производится воздействие на объект. Чаще всего электропривод с исполнительным механизмом состоят из электропривода, редуктора, датчиков положения и узла обратной связи.

Сегодня электрические приводы модернизируются по их снижению веса, эффективности действия, экономичности, долговечности и надежности.

Свойства привода

• Статические . Механическая и электромеханическая характеристика.
• Механические . Это зависимость скорости вращения от момента сопротивления. При анализе динамических режимов механические характеристики полезны и удобны.
• Электромеханические . Это зависимость скорости вращения от тока.
• Динамические . Это зависимость координат электропривода в определенный момент времени при переходном режиме.

Классификация

Электрические приводы обычно классифицируются по различным параметрам и свойствам, присущим им. Рассмотрим основные из них.

По виду движения:

• Вращательные.
• Поступательные.
• Реверсивные.
• Возвратно-поступательные.

По принципу регулирования:

• Нерегулируемый.
• Регулируемый.
• Следящий.
• Программно управляемый.
• Адаптивный. Автоматически создает оптимальный режим при изменении условий.
• Позиционный.

По виду передаточного устройства:

• Редукторный.
• Безредукторный.
• Электрогидравлический.
• Магнитогидродинамический.

По виду преобразовательного устройства:

• Вентильный. Преобразователем является транзистор или тиристор.
• Выпрямитель-двигатель. Преобразователем является выпрямитель напряжения.
• Частотный преобразователь-двигатель. Преобразователем является регулируемый частотник.
• Генератор-двигатель.
• Магнитный усилитель-двигатель.

По методу передачи энергии:

• Групповой . От одного мотора через трансмиссию приводятся в движение другие исполнительные органы рабочих машин. В таком приводе очень сложное устройство кинематической цепи. Электрические приводы такого вида являются неэкономичными из-за их сложной эксплуатации и автоматизации. Поэтому такой привод сегодня не нашел широкого применения.
• Индивидуальный . Он характерен наличием у каждого исполнительного органа отдельного электродвигателя. Такой привод является одним из основных на сегодняшний день, так как кинематическая передача имеет простое устройство, улучшены условия техобслуживания и автоматизации. Индивидуальный привод нашел популярность в современных механизмах: сложных станках, роботах-манипуляторах, подъемных машинах.
• Взаимосвязанный . Такой привод имеет несколько связанных электроприводов. При их функционировании поддерживается соотношение скоростей и нагрузок, а также положение органов машин. Взаимосвязанные электрические приводы необходимы по соображениям технологии и устройству. Для примера можно назвать привод ленточного конвейера, механизма поворота экскаватора, или шестерни винтового пресса большой мощности. Для постоянного соотношения скоростей без механической связи применяется схема электрической связи нескольких двигателей. Такая схема получила название схемы электрического вала. Такой привод используется в сложных станках, устройствах разводных мостов.

По уровню автоматизации:

• Автоматизированные.
• Неавтоматизированные.
• Автоматические.

По роду тока:

• Постоянного тока.
• Переменного тока.

По важности операций:

• Главный привод.
• Вспомогательный привод.

Подбор электродвигателя

Чтобы приводы производили качественную работу, необходимо правильно выбрать электрический двигатель. Это создаст условия долгой и надежной работы, а также повысит эффективность производства.

При подборе электродвигателя для привода агрегатов целесообразно следовать некоторым советам по:

• Требованиям технологического процесса выбирают двигатель с соответствующими характеристиками, конструктивного исполнения, а также метода фиксации и монтажа.
• Соображениям экономии подбирают надежный, экономичный и простой двигатель, который не нуждается в больших расходах на эксплуатацию, имеет малый вес, низкую цену и небольшие размеры.
• Условиям внешней среды и безопасности подбирают соответствующее исполнение мотора.

Правильный подбор электродвигателя обуславливает технико-экономические свойства всего привода, его надежность и длительный срок работы.

Преимущества

• Возможность более точного подбора мощности двигателя для электропривода.
• Электрический мотор менее пожароопасен в отличие от других типов двигателей.
• Приводы дают возможность быстрого пуска и остановки механизма, его плавного торможения.
• Нет необходимости в специальных регуляторах питания для электродвигателя. Все процессы происходят в автоматическом режиме.
• Приводы дают возможность подбора мотора, свойства которого лучше других моделей сочетаются с характеристиками агрегата.
• С помощью электрического привода можно плавно регулировать обороты механизма в определенных пределах.
• Электродвигатель может преодолеть большие и долговременные перегрузки.
• Электропривод дает возможность получения максимальной скорости и производительности рабочего механизма.
• Электродвигатель дает возможность экономить электричество, а при определенных условиях даже генерировать ее в сеть.
• Полная и простая автоматизация установок и механизмов возможна только с помощью электроприводов.
• КПД электромоторов имеет наибольший показатель по сравнения с другими моделями двигателей.
• Моторы производят с повышенной уравновешенностью. Это дает возможность встраивания их в механизмы машин, делать менее массивным фундамент.

Инновационные электрические приводы все автоматизированы. Системы управления приводом дают возможность рационального построения технологических процессов, увеличить производительность и эффективность труда, оптимизировать качество продукции и уменьшить ее цену.

Технические требования

К любым техническим механизмам и агрегатам предъявляются определенные требования технического плана. Не стали исключением и электроприводы. Рассмотрим основные предъявляемые к ним требования.

Надежность

В соответствии с этим требованием привод должен исполнять определенные функции и заданных условиях в течение некоторого интервала времени, с расчетной вероятностью работы без возникновения неисправностей.

При невыполнении этих требований остальные свойства оказываются бесполезными. Надежность может значительно отличаться в зависимости от характера работы. В некоторых механизмах не требуется долгого времени работы, однако отказ механизма не должен иметь место. Такой пример можно найти в военной промышленности. И другой пример, где наоборот, время службы должно быть большим, а отказ устройства вполне возможен, и не приведет к серьезным последствиям.

Точность

Это требование связано с отличием показателей от заданных. Они не могут превышать допустимые величины. Электроприводы должны обеспечивать перемещение рабочего элемента на определенный угол или за некоторое время, а также поддерживать на определенном уровне скорость, ускорение или момент вращения.

Быстродействие

Это качество привода обеспечивает быструю реакцию на разные воздействия управления. Быстродействие связано с точностью.

Качество

Такая характеристика обеспечивает качество процессов перехода, исполнение определенных закономерностей их выполнения. Качественные требования создаются вследствие особенностей работы машин с электроприводами.

Энергетическая эффективность

Любые производственные процессы преобразования и передачи имеют потери энергии. Наиболее важным это качество стало в применении электроприводов механизмов, приводах значительной мощности, долгим режимом эксплуатации. Эффективность использования энергии определяется КПД.

Совместимость

Электрические приводы должны совмещаться с работой аппаратуры, в которой они применяются, с их системой снабжения электроэнергией, информационными данными, а также с рабочими элементами. Наиболее остро стоит требование совместимости электроприводов для медицинской и бытовой техники, в радиотехнике.