Меню

Преимущества привода постоянного тока

Преимущества привода постоянного тока

О широком диапазоне и простоте регулирования скорости приводов постоянного тока Электропривод переменного тока с асинхронными электродвигателями становится все популярнее с каждым годом. На стороне асинхронных двигателей и простота конструкции, и, соответственно, надежность и долговечность, и высокие энергетические показатели.

К тому же, электроэнергию переменного тока, необходимую для этих двигателей, очень просто производить, преобразовывать и передавать на самые большие расстояния без особых потерь. Тем не менее, электропривод постоянного тока нескоро сдаст свои позиции. И дело здесь даже не в том, что некоторые виды электроприводов, получающих электроэнергию от автономных источников, просто нецелесообразно переводить на «переменку». Ну, в самом деле, не устанавливать же инвертор в цепь автомобильного аккумулятора или, что еще смешнее, в цепь батарейки игрушечного автомобильчика? Дело в том, что несмотря ни на что, электропривод постоянного тока имеет два неоспоримых преимущества перед электроприводом тока переменного. Одно из этих преимуществ заключается в возможности формирования самых различных электромеханических характеристик постоянного двигателя.

Например, можно получить жесткую характеристику зависимости частоты вращения двигателя от тока якорной цепи при параллельном или независимом включении обмотки возбуждения (рис. 1 и 2).

Схемы включения обмотки возбуждения

Если же обмотка возбуждения включена последовательно с якорной обмоткой (рис. 3), то будет сформирована интересная электромеханическая характеристика, в соответствии с которой скорость резко возрастает при снижении нагрузки на привод.

Кривая частоты оборотов двигателя приближается к оси ординат асимптотически, поэтому при отсутствии нагрузки двигатель постоянного тока последовательного возбуждения даже может пойти «в разнос», то есть начнет работать с опасной для механизмов скоростью. Такая электромеханическая характеристика очень кстати для привода электрического транспорта, например, трамваев и троллейбусов. От двигателя в таких случаях требуется повышенный пусковой момент, а когда скорость уже достаточно высока, большой электромеханический момент уже не нужен – нагрузка уже минимальна.

Схема смешанного возбуждения

Чтобы избежать выхода двигателя постоянного тока «в разнос», для обеспечения транспортной электромеханической характеристики применяется схема смешанного возбуждения (см. рис). Это значит, что часть обмотки возбуждения подключается последовательно якорной обмотке, а часть – параллельно. При этом момент двигателя при пуске также велик, а при отсутствии нагрузки скорость будет ограничена. Нельзя не упомянуть еще одно преимущество привода постоянного тока: широкий диапазон регулирования и относительную простоту его осуществления. Так, практически при любой нагрузке, вполне возможно обеспечить необходимую скорость вращения вала двигателя. А способов это сделать вполне достаточно.

Можно регулировать скорость введением дополнительных сопротивлений в обмотку возбуждения, можно добавить сопротивления в якорную цепь, а можно комбинировать эти способы.

Но наиболее эффективного управления приводом постоянного тока удается достичь при внедрении системы тиристорно-импульсного регулирования. Эта система позволяет сполна оценить достоинства таких приводов и эксплуатировать их с максимально эффективными энергетическими показателями.

Принцип работы бесщеточного двигателя постоянного тока

Источник



Приводы и двигатели постоянного тока

Принцип работы

Двигатели постоянного тока

На статоре находится индукторная обмотка (обмотка возбуждения), на которую подаётся постоянный ток — в результате создаётся постоянное магнитное поле (поле возбуждения). В двигателях с постоянными магнитами поле возбуждения создаётся постоянными магнитами.

В обмотку ротора (якорная обмотка) также подаётся постоянный ток, на который со стороны магнитного поля статора действует сила Ампера — создаётся вращающий момент, который поворачивает ротор на 90 электрических градусов, после чего щёточно-коллекторный узел коммутирует обмотки ротора – вращение продолжается.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока делятся на четыре группы:

  • С независимым возбуждением — обмотка возбуждения питается от независимого источника
  • С параллельным возбуждением — обмотка возбуждения включается параллельно источнику питания обмотки якоря
  • С последовательным возбуждением — обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря
  • Со смешанным возбуждением — у двигателя есть две обмотки: параллельная и последовательная.

Пуск двигателя постоянного тока

При прямом пуске ток якоря может на порядок превышать номинальный, поэтому при пуске в цепь якоря вводится пусковое сопротивление пусковой реостат. Для плавного пуска реостат делают ступенчатым — в первый момент включаются все ступени (максимальное сопротивление), по мере разгона двигателя растёт противо-ЭДС, ток якоря уменьшается — ступени выключаются одна за другой.

Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока

  • Скорость ниже номинальной регулируется напряжением на якоре (мощность при этом пропорциональна скорости, момент неизменен)
  • Скорость выше номинальной регулируется током обмотки возбуждения — чем слабее поле возбуждения, тем выше скорость (момент падает при постоянной мощности)

Регулирование питания якоря и обмотки возбуждения осуществляется с помощью тиристорных преобразователей (приводов постоянного тока).

Преимущества и недостатки двигателей постоянного тока

Преимущества:

  • Практически линейные характеристики двигателя:
    • механическая характеристика (зависимость частоты от момента)
    • регулировочная характеристика (зависимость частоты от напряжения якоря)
  • Просто регулировать частоту вращения в широких пределах
  • Большой пусковой момент
  • Компактный размер.

Недостатки:

  • Дополнительные расходы на профилактическое обслуживание коллекторно-щёточных узлов
  • Ограниченный срок службы из-за износа коллектора
  • Дороже асинхронных двигателей.

Как выбрать

Выбор двигателя постоянного тока

  • Высота оси
  • Номинальное напряжение якоря
  • Номинальное напряжение возбуждения
  • Номинальная частота вращения
  • Номинальная мощность
  • Номинальный момент
  • Номинальный ток якоря
  • Мощность возбуждения
  • Максимальная частота вращения при понижении поля (выше этой скорости падает мощность)
  • Предельно допустимая рабочая скорость (выше этой скорости начинается механическое разрушение)
  • КПД
  • Момент инерции
  • Степень защиты IP
  • Степень виброустойчивости (прессы и т.п.)
  • Класс изоляции (для работы от преобразователя не ниже F)
  • Температура окружающей среды (для работы при отрицательных температурах в условиях русской зимы требуется специальное исполнение: смазка, вал из специальной стали и т.п.)
  • Высота установки над уровнем моря (выше 1000 метров падают характеристики)
  • Конструктивное исполнение по способу монтажа электродвигателей
    • Маслоуплотнённый фланец для присоединения редуктора
  • Положение клеммной коробки (справа, сверху и т.д.)
  • Тип принудительного охлаждения:
    • Конвекционное: воздушный фильтр, контроль расхода воздуха, встроенный (направление обдува) или внешний (подключение труб) вентилятор
    • Через теплообменник
  • Классификация методов охлаждения электрических двигателей
  • Окраска
  • Подшипники
    • Качения (радиально-упорные)
    • Усиленные подшипники для повышенных радиальных нагрузок на валу
    • С пополнением смазки
    • Для подключения редуктора
  • Вал двигателя
    • Со шпоночным пазом
  • Датчик скорости
    • Тахогенератор
    • Энкодер
  • Тормоз
  • Контроль износа щёток
    • Окошко для визуального контроля
    • Микропереключатель ограничения остаточной длины щёток
  • Контроль нагрева двигателя
    • Термисторная защита – контроль граничных значений (предупреждение, отключение)
    • Непрерывный контроль температуры при помощи датчика KTY
  • Подогрев остановленного двигателя (против образования конденсата)
  • Уровень шума.
Читайте также:  Выпрямитель тока для скутера

Выбор преобразователя постоянного тока

  • Режим работы:
    • Одноквадрантный (1Q) — нереверсивный
    • Четырёхквадрантный (4Q) — реверсивный.

    Выход:

  • Номинальное постоянное напряжение (якоря двигателя)
  • Номинальный постоянный ток якоря
  • Перегрузочная способность по току
  • Номинальная мощность
  • Мощность потерь (рассеиваемая мощность) при номинальном токе
  • Номинальное постоянное напряжение обмотки возбуждения (напряжение поля)
  • Номинальный постоянный ток обмотки возбуждения (ток поля)
  • Панель оператора (съёмная, хранение параметров, поддержка русского языка)
  • Коммуникационный интерфейс для обмена данными с PLC, HMI (PROFIBUS и др.)
  • Точность регулирования
  • Встроенные ПИД-регуляторы
  • Встроенные функции логического контроллера
  • Сигнальные (дискретные и аналоговые) входы-выходы.

Источник

О приводе постоянного тока

Устройство двигателей постоянного тока

Двигатель постоянного тока (ДПТ) является электрической машиной, преобразующей электрическую энергию в механическую для осуществления технологических процессов в различных областях человеческой деятельности. Основными применениями в промышленности для ДПТ являются процессы, в которых необходимо поддерживать и регулировать скорость вращения вала двигателя независимо от величины нагрузки, например, в металлургии, станкостроении.

В соответствии с принципом действия, двигатели постоянного тока имеют три основных функциональных элемента: магнитную систему с постоянным или регулируемым магнитным полем, обмотку, в которой происходит преобразование энергии и расположенную на вращающейся части двигателя (якоре), и щеточно-коллекторный узел, преобразующий знакопостоянное напряжение на внешних зажимах в переменную ЭДС обмотки якоря.

Магнитная система двигателей постоянного тока включает в себя станину, главные полюса и якорь. Магнитная система может быть с постоянными магнитами и с электромагнитами. Массовое применение в промышленности нашли ДПТ с электромагнитами. Ниже речь идет о таких двигателях.
Станина имеет вид полого цилиндра и выполняется из чугуна или стали.
Главные полюса имеют вид буквы «Т» с вогнутой северху горизонтальной частью, повторяющей форму цилиндрического ротора. Причем эта часть называется полюсным наконечником, а вертикальная ножка – сердечником. На сердечнике наматывается обмотка возбуждения. Главные полюса выполняются шихтованными и набираются из листовой электротехнической стали толщиной в доли миллиметра. Они расположены внутри станины и прикреплены к ней с помощью болтов. Для повышения энергоэффективности и улучшения КПД станина и полюса могут выполняться шихтованными и представлять собой набор фасонных пластин.
Якорь имеет вид цилиндра и выполняется шихтованным. Пакет стали якоря напрессовывается на вал. По наружной цилиндрической поверхности якоря выполняются пазы, в которые укладываются проводники обмотки якоря.
Коллектор имеет вид цилиндра, набранного из медных пластин трапецеидального сечения. К пластинам припаиваются или привариваются концы секций обмотки якоря. Щетки представляют собой прямоугольные параллелепипеды и выполняются из проводящих материалов на основе графита. Щетки закреплены на станине и соединены электрически с выводами, расположенными в коробке на корпусе двигателя.
Двигатели постоянного тока бывают с независимым, последовательным, параллельным и смешанным возбуждением. Примером ДПТ с независимым возбуждением являются двигатели серий MM и MAG производства MAGNETIC.

Способы регулирования скорости ДПТ с независимым возбуждением

На рис. 1… 3 представлены электромеханические характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением – зависимость скорости вращения от тока якоря. Распространенной задачей при выполнении технологических операций является регулирование скорости ДПТ. Скорость двигателя постоянного тока с независимым возбуждением может регулироваться следующими тремя способами:

1. Изменение питающего напряжения позволяет изменить скорость идеального холостого хода, не меняя наклона электромеханической характеристики. При этом способе электромеханическая характеристика смещается параллельно самой себе, обеспечивая наибольший диапазон регулирования и наилучшие энергетические характеристики. Для изменения напряжения якоря нужен источник регулируемого напряжения.

2. Изменение сопротивления якорной цепи добавлением последовательно включенного реостата изменяет наклон характеристики при сохранении скорости идеального холостого хода. Данный способ вытесняется первым в связи со ступенчатостью регулирования и низкими энергетическими характеристиками из-за рассеивания энергии в сопротивлении реостата.

3. Увеличение магнитного потока вызывает насыщение магнитной системы, поэтому не применяется. Ослабление магнитного потока вызывает увеличение скорости идеального холостого хода и может быть использовано для работы на низких моментах нагрузки. Преимуществом регулирования тока возбуждения является то, что величина этого тока на двигателях средней и большой мощности в десятки раз меньше тока якоря, что позволяет использовать для регулирования скорости приводы меньшей мощности. Однако, диапазон регулирования скорости при этом способе меньше, чем при первом. Ослабление магнитного потока используют для расширения диапазона регулирования скорости совместно с изменением питающего напряжения.

Устройства для регулирования скорости ДПТ

Для регулирования скорости ДПТ разработаны различные электронные устройства, выполняющие не только основную задачу, но и обеспечивающие дополнительный функционал: защиты двигателя, автоматическую настройку под конкретный двигатель, измерение параметров, контроль режимов, выдачу предупредительной и аварийной сигнализации, управление вспомогательными устройствами. Хорошо освоенными являются тиристорные приводы с аналоговой или цифровой управляющей частью. Примерами первых являются приводы SLE, вторых – PL (двухквадрантный) и PLX (четырехквадрантный) производства Sprint-Electric.

Читайте также:  Ремонт двигателей постоянного тока в екатеринбурге

Применение аналоговой управляющей части обеспечивает экономически эффективное решение для простых применений, где не требуется реверса двигателя приводного механизма. В этом случае импульсы управления формируются на основании сигналов задания и обратной связи, проходящих только через аналоговый тракт привода. Похожим образом обрабатываются сигналы для различных защит двигателя. Быстродействие привода обусловливается постоянными времени внутренних фильтров сигнала, а отсутствие встроенной программы позволяет использовать его в приложениях с повышенными требованиями к надежности.

Цифровая управляющая часть добавляет функционал, но и цена привода увеличивается. В этом случае обработку внешних сигналов в цифровой форме выполняет встроенный контроллер с интегрированным программным обеспечением, которое может быть более гибко сконфигурировано под конкретную задачу. Зачастую производители совершенствуют программное обеспечение своих изделий, выпуская так называемые «прошивки», расширяющие функционал готовых устройств. В аналоговых приводах расширить функционал готового устройства можно только изменением внешнего по отношению к приводу оборудования.

Типы датчиков обратной связи по скорости

Для регулирования скорости служат так называемые датчики обратной связи. Сигнал с них при необходимости заводится в привод, представляя реальную скорость механизма. Это позволяет системе управления внести коррекцию в работу привода в случае отклонения желаемой скорости от заданной. Датчики скорости бывают аналоговыми, цифровыми и аналого-цифровыми или комбинированными.
Аналоговые датчики скорости – это тахогенераторы и резольверы. Тахогенератор представляет собой электрическую машину постоянного тока, ЭДС которой в рабочем диапазоне параметров пропорциональна скорости вращения вала. Внешнее питание тахогенератору не требуется. Резольвер является вращающимся трансформатором, амплитуда выходного напряжения которого зависит от входного напряжения и угла поворота ротора.
Цифровые датчики положения (энкодеры), используемые в качестве датчиков скорости, могут быть абсолютными и относительными. Абсолютные энкодеры и при пропадании и последующем восстановлении питания позволяют узнать текущее положение ротора. Относительные (инкрементальные) энкодеры позволяют определить только относительное положение при вращении ротора, выходным сигналом относительного энкодера являются два сдвинутых на четверть периода импульса и импульс нулевого положения. Сдвиг на четверть периода позволяет определить направление вращения, а импульс нулевого положения используется, например, для подсчета числа оборотов.
Абсолютные энкодеры бывают с выходным протоколом, который позволяет, кроме получения информации о положении ротора, изменять характеристики энкодера, проводить его диагностику и калибровку. Различными производителями поддерживается часть или все из представленных протоколов: SSI, BiSS interface, ISI, Profibus, Profinet, Ethernet Powerlink, EtherNet TCP/IP, Modbus, DeviceNet, CANopen, EtherCAT, Endat and Hiperface. Наиболее распространены SSI и Endat.
Комбинированные энкодеры помимо сигналов протокола выдают также импульсы относительного положения или сигналы фаз для работы сервосистем.

Построение системы управления двигателем постоянного тока на базе PL\PLX

Рассмотрим пример построения системы управления ДПТ на примере привода постоянного тока PL\PLX. На рис. 4 представлена схема подключения.

Рис. 4. Пример построения системы управления ДПТ на примере привода постоянного тока PL\PLX

Основными компонентами системы управления ДПТ являются:

1.Привод постоянного тока, который обеспечивает регулирование тока якоря, скорости двигателя, защиты двигателя, управление внешними цепями и обеспечение возбуждения. Существет набор программных функциональных блоков, позволяющих гибко настроить привод под конкретные применения. Привод может быть оснащен модулями поддержки распространенных сетевых протоколов и поддерживает различные типы сигналов обратной связи. При пусконаладке и диагностике устройств на базе PL\PLX удобно использовать встроенную систему диагностики и осциллограф.

2.Главный контактор, назначение которого — физическое отсоединение якоря двигателя от источника питания. К контактору и его цепям управления предъявляются следующие требования: должна быть возможность отключения контактора без использования электроники, контактор не должен размыкать ток и цепь управления контактора должна соответствовать всем требованиям конкретной электроустановки. Блоки PL и PLX спроектированы для выполнения всех этих правил управления главным контактором. Обмотка реле подключена непосредственно к клемме CSTOP (останов по выбегу) T34 и зашунтирована конденсатором, в результате время отключения составляет около 100 миллисекунд. За счет этого у PL\PLX есть время снизить ток якоря до нуля перед размыканием контактов. Убедитесь, что обмотка контактора оснащена гасящим устройством.

3.Главные полупроводниковые предохранители. Они служат для защиты сети от пробоя тиристоров и для защиты привода от замыкания на стороне выпрямленного напряжения. Предохранители в цепи якоря нужны для защиты привода, у которого есть возможность рекуперации энергии в сеть – PLX. Необходимо учитывать рекомендации по приводам для правильного выбора предохранителей по величине I²T.

4.Линейный реактор, который сглаживает ток и уменьшает гармонические искажения напряжения питающей сети. Кроме того, индуктивность реактора позволяет компенсировать низкую индуктивность обмотки якоря и улучшить таким образом коммутацию тиристоров. Еще одной немаловажной функцией реактора является ограничение тока при коротких замыканиях на стороне якоря.

Распространенные вопросы при проектировании систем с приводами постоянного тока

1.Можно ли размыкать цепь питания катушки управления главного контактора кнопкой аварийного останова?
— Нет. Важно, чтобы привод сам контролировал главный контактор и не было другого внешнего воздействия на эту цепь. Аварийный останов должен быть подключен к клемме 34, останов выбегом (coast stop). Однако, если местные указания безопасности требуют необходимости разрыва цепи питания катушки главного контактора кнопкой аварийного останова, необходимо по крайней мере подать сигнал с блок-контакта контактора на клемму 31, пуск (run), чтобы привод имел возможность снизить ток перед отключением питания силового моста.

Читайте также:  Подъемные электромагниты постоянного тока это

2.Необходимо ли использовать полупроводниковые предохранители?
— Безусловно, да. Это единственный способ защитить мост привода в случае сбоя в любом месте системы, и это гарантийное условие для привода. На рынке существуют определенные типы выключателей, которые, как утверждается, достаточно быстры для защиты полупроводников, но нам еще предстоит найти тот, который обеспечивает такую же защиту, как и корректно подобранный предохранитель. Стоит отметить, что максимальный номинальный ток предохранителя имеет второстепенное значение, в то время как он довольно велик, — предел тока привода и алгоритм блокировки достаточно сложны, чтобы защитить от повреждения при длительной перегрузке. Важной характеристикой предохранителей является величина I²T. Выраженный в A²с (амперы в квадрате, помноженные на секунды), это мера пропускания энергии, и максимально допустимое значение для любого привода приведено в таблице номиналов предохранителей в руководстве на привод. По сути, если величина I²T не указана в спецификации производителя плавких предохранителей, они вряд ли будут достаточными, даже если в описании производителя используется альтернативное имя, такое как «сверхбыстрый». Предохранитель по стороне переменного тока является обязательным во всех случаях, в то время как предохранители по стороне постоянного тока необходимо устанавливать только в системах, где возможна рекуперация энергии в сеть. Что касается предохранителей в цепи постоянного тока, следует соблюдать особую осторожность, т.к. применение для этих цепей предохранителей переменного тока даже с правильным значением I²T недопустимо.

3.Как сделать ослабление поля?
— Этот вопрос обычно сопровождается утверждением о том, что он оказался трудным и / или занимающим много времени на старых приводах. С цифровым приводом это сделать просто. Если вы правильно установили параметры BASE SPEED и TOP SPEED в CHANGE PARAMETERS, CALIBRATION и помните, что вы должны использовать либо тахогенератор, либо обратную связь с энкодером (ослабление поля не может работать только с обратной связью напряжения якоря), все, что вам нужно сделать, это перейти к CHANGE PARAMETERS, FIELD CONTROL, FIELD WEAKENING MENU, FIELD WEAKENING ENABLE и установить его в ENABLED. Этого будет достаточно в большинстве случаев. Для некоторых двигателей требуется профилирование тока якоря, чтобы улучшить коммутацию в области слабого поля, эту информацию следует запрашивать у производителей двигателей. Относящиеся к этому случаю параметры находятся в CHANGE PARAMETERS, CURRENT CONTROL, I DYNAMIC PROFILE.

Ведущий технический специалист ООО «Драйвика» Образцов П.С.

Источник

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