Статья опубликована в №44 (апрель) 2017
Разделы: Электротехника
Размещена 05.03.2017. Последняя правка: 29.04.2017.
Просмотров - 2986

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С КОЛЛЕКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Сухинин Степан Евгеньевич

Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова

студент, кафедра электротехника и автоматизированный электропривод

И. А. Иванов, студент, кафердра электротехники и автоматизированного электропривода, Научный руководитель: М. И. Стальная, к.т.н., профессор, А. В. Ведманкин, ассистент, кафердра электротехники и автоматизированного электропривода

УДК 621.313.14

Автоматизация производственных процессов является одним из важных направлений развития науки и техники. Ее внедрение в производство приводит к значительному повышению его эффективности, позволяет значительно повысить производительность труда. Транспортировка продукции уже долгое время происходит с помощью транспортеров. В механизмах транспортеров в большинстве своем используются асинхронные двигатели. Они надежны, но имеют ряд серьезных недостатков, таких как: сложность регулирования скорости вращения двигателя и небольшой пусковой момент. Механическая характеристика асинхронного двигателя [1] представлена на рисунке 1.

ω – частота вращения двигателя; М – момент двигателя; Мн – номинальный момент;

Мкр – критический момент

 

Рисунок 1 – Механическая характеристика асинхронного двигателя

Из рисунка можно сделать вывод, что при увеличении нагрузки транспортера, использующего асинхронный двигатель, есть вероятность того, что двигатель не сможет не только запуститься, но и провернуть механизм транспортера. Это может случиться, если момент сопротивления нагрузки, превысит значение пускового момента двигателя, соответствующее значению точки 4 на рисунке 1. Если во время работы момент сопротивления нагрузки превысит критический момент двигателя, равный значению точки 3 на рисунке 1, то двигатель остановится и может сгореть через некоторое время. Улучшить пуск двигателя помогает реостатный либо частотный способ, но это уменьшает надежность конструкции и увеличивает капиталовложения.

Этого недостатка не имеет двигатель постоянного тока последовательного возбуждения. Момент, развиваемый двигателем, определяется по формуле:

            где, M – момент, развиваемый двигателем;

                   C_m – конструкционный коэффициент;

                   Ф – магнитный поток;

                   I – ток, протекающий в обмотке возбуждения и роторе.

Механическая характеристика двигателя описывается формулой:

 
где, ω – угловая скорость;

       U – питающее напряжение;

       Ce – конструкционный коэффициент;

     r_я.ц. – сопротивление якорной цепи.

Но, так как в двигателе последовательного возбуждения ток якоря равен току обмотки возбуждения (Iя=Iов), то магнитный поток Ф пропорционален току I (Ф≡I), тогда M≡Ф²≡I²[2]. Из этого следует, что магнитный поток можно выразить следующим образом: `Phi=sqrt(M)` . Подставим данное выражение в формулу механической характеристики и получим:

 

где, K – коэффициент пропорциональности.
На основании вышеизложенного, механическая характеристика двигателя постоянного тока последовательного возбуждения имеет вид, представленный на рисунке 2. Где первое слагаемое отвечает за крутизну гиперболы, а второе слагаемое за угол наклона к оси x.

ω – частота вращения двигателя; М – момент двигателя; Мн – номинальный момент;

Мс – момент сопротивления нагрузки; r_я.ц. – сопротивление якорной цепи

 

Рисунок 2 – Механическая характеристика коллекторного двигателя

 Так как момент двигатель постоянного тока пропорционален току в квадрате, то при одном и том же  токе как у асинхронного двигателя, момент будет в несколько раз больше. Недостатком данного двигателя является необходимость использования постоянного тока, а следовательно необходим преобразователь переменного тока в постоянный, что уменьшает технологичность и надежность электрического привода. Схема подключения двигателя представлена на рисунке 3 [3].

УВ – устройство выпрямления; + – плюс питающей сети; - – минус питающей сети;

А – амперметр; R – реостат; ОВ – обмотка возбуждения; Я – якорь двигателя;

~ – трехфазное питающее напряжения

Рисунок 3 – Схема подключения двигателя постоянного тока

Существует коллекторный двигатель с последовательным возбуждением при питании от сети однофазного переменного тока, у которого отсутствуют вышеперечисленные недостатки. Его механические характеристики аналогичны характеристикам двигателя постоянного тока последовательного возбуждения и показаны на рисунке 2. Из этой характеристики можно сделать вывод о том, что данный двигатель запустит транспортер при любой нагрузке на нем. Также, увеличение момента сопротивления нагрузки во время работы незначительно скажется на работе двигателя. Кроме того, для него нет необходимости использовать преобразовательное устройство, преобразующее переменный ток в постоянный, так как данный двигатель питается непосредственно от сети переменного напряжения, что значительно увеличивает надежность электрического привода с коллекторным двигателем.
Регулировку скорости коллекторного двигателя можно производить путем изменения величины напряжения подводимого к якорю двигателя. Авторами [4] представлена разработка регулируемого электропривода переменного тока с коллекторным двигателем при питании от однофазной сети переменного напряжения, является простым методом изменения величины напряжения, подводимого к якорю двигателя. Силовая схема представлена на рисунке 4.

U – питающее переменное напряжение; Ф – фаза питающего напряжения;

О – ноль питающего напряжения; VD1-VD4 – диоды; VS1-VS2 – тиристоры;

УУ – управляющее устройство; УС – управляющий сигнал; Я – якорь двигателя;

ОВ – обмотка возбуждения двигателя

Рисунок 4 – Силовая схема подключения коллекторного двигателя к однофазной сети переменного напряжения

Путем изменения угла открытия тиристоров изменяется величина напряжения, поступающая на якорь и обмотку возбуждения коллекторного двигателя в широком диапазоне, что приводит к изменению скорости коллекторного двигателя также в широком диапазоне. График изменения механической характеристики коллекторного двигателя при изменении угла открытия тиристоров показан на рисунке 5.

ω – частота вращения двигателя; М – момент двигателя;

α1-α4 – углы открытия тиристоров; А1-А4 – моменты нагрузки

Рисунок 5 – Механическая характеристика коллекторного двигателя при изменении открытия угла тиристора

Принцип действия схемы следующий. При подаче управляющего сигнала с углом α1 в момент времени t1 (рисунок 6) на тиристоры VS1 и VS2 (рисунок 4), ток течет через тот тиристор, на анод которого подается положительная полуволна питающего напряжения, то есть через тиристор VS1 ток течет в цепи по контуру: фаза (Ф) питающего напряжения, точка 1, тиристор VS1, точка 2, точка 3, диод VD2, точка 4, якоря (Я) двигателя, обмотка ОВ возбуждения, ноль (О) питающего напряжения до времени t2. На двигатель поступает напряжение U1 (рисунок 6).

U – переменное питающее напряжение ; α1, α2 – угол открытия тиристоров;

U1, U2 – напряжение подводимое к якорю двигателя;

Рисунок 6 – График изменения напряжения подводимого к якорю коллекторного двигателя

В момент времени t2 напряжение в цепи станет равным нулю и тиристор VS1 автоматически закроется. На участке от t2 до t3 оба тиристора закрыты, и ток через двигатель не течет. В момент времени t3 открывается тот тиристор, на анод которого подается отрицательная полуволна питающего напряжения в проводящем направлении, то есть тиристор VS2 открывается, и ток начинает течь от нуля (О) питающего напряжения к фазе (Ф) питающего напряжения по контуру: ноль (О) питающего напряжения, обмотка возбуждения (ОВ), якорь (Я) двигателя, точка 4, тиристор VS2, точка 2, точка 3, диод VD1, точка 1, фаза (Ф) питающего напряжения. В момент времени t4 напряжение в цепи станет равным нулю, и тиристор VS2 автоматически закроется. Далее, с момента t₄, процесс включения тиристоров повторяется.
Питание управляющего устройства осуществляется непосредственно от питающей сети через диодный мост, что позволяет обойтись без дополнительного источника питания управляющего устройства.
Подключение двигателя к однофазной сети переменного тока, как показано на рисунке 4, решает проблему плавной регулировки скорости вращения двигателя. Данная схема подключения проста, надежна и имеет хорошую ремонтопригодность. Это позволяет использовать данный двигатель в автоматизированных системах.

Из вышеизложенного следует:

• механические характеристики коллекторного двигателя более соответствуют для использования электрического привода транспортера, чем электрический привод с асинхронным двигателем;
• система управления коллекторного двигателя проще, чем у двигателя постоянного тока и асинхронного двигателя, так не требует выпрямительных устройств и преобразователей, также данная система управления не требует отдельного источника питания, так как питание происходит непосредственно от сети питающего напряжения;
• коллекторный двигатель с успехом решает проблему увеличенного значения момента трогания и способность к перегрузкам.

1. Копылов, И. П. Электрические машины: учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 360 с.
2. Вольдек, А. И. Электрические машины: учебник для выузо. – Л.: Энергия, 1974. – С. 274
3. Кузнецов, М. И. Основы электротехники. – М.: Высшая школа, 1964. – С. 394
4. Патент РФ 167195. Регулируемый электропривод переменного тока с коллекторным двигателем при питании от однофазной сети переменного напряжения / Стальная М. И., Головачев А. М., Иванов И. А., Бутакова М. В., Сухинин С. Е.; Заявл. 20.06.2016. Опубл. 27.12.2016. Бюл. № 36

Комментарии пользователей:

16.04.2017, 23:23 Лобанов Игорь Евгеньевич Отзыв: Статья в чистом виде больше подходит на реферат. Следует увеличить библиографию, сравнительно показать больше типов электродвигателей, вплоть до электродвигателей с планетарным движением. Нужно показать, чем ваш вариант преимущественно(!) отличается от существующих. Относительно механической характеристики коллекторного двигателя вопрос не раскрыт. Следует сказать, чем данный тип лучше других. Следует привести некоторый анализ при введении понятия двигателя постоянной мощности в смысле академика Горячкина. В данном случае не видно, хороша ваша характеристика, или не очень? Выводы следует отделить от основного текста статьи и дополнить. После дополнений статью с полным на то основанием можно будет рекомендовать к публикации.

29.04.2017, 11:35 Сухинин Степан Евгеньевич Отзыв: Здравствуйте, уважаемый Игорь Евгеньевич, мы откорректировали статью в соответствии с вашими замечаниями: 1. Библиографический список расширен; 2. Добавлен математический аппарат относительно механической характеристики двигателей последовательного возбуждения (переменного и постоянного тока); 3. Усилено описание коллекторного двигателя по сравнению с асинхронным двигателем; 4. Двигатели с планетарным редуктором не попадают в контекст нашей статьи, поэтому не рассматриваются.

1.05.2017, 17:11 Лобанов Игорь Евгеньевич Отзыв: 1. В своём вопросе я имел в виду не электродвигатели с планетарным редуктором, а электродвигатели с планетарным движением роторов внутри электродвигателя. Если вам неизвестны такие типы электродвигателей двигателей (наример, Планетарный электромотор-редуктор конструкции П.И.Федотова), то это указывает только на уровень вашей научной эрудиции. 2. В общем, статья после исправлений и добавлений может быть рекомендована к публикации.

Оставить комментарий