Схема управления вращением двигателя. Методы управления двигателем постоянного тока в сау

Для начала рассмотрим повнимательней обычный двигатель постоянного тока . Любой двигатель имеет две основные части - ротор и статор. В коллекторном двигателе статор - неподвижная часть, состоит из постоянных магнитов (или в более мощных двигателях электромагнитов). Ротор (якорь) - вращается, совмещён с валом двигателя и состоит из многих катушек (как минимум трех). Коллектор (щёточно-коллекторный узел) отвечает за переключение выводов катушек ротора. Ток в таком двигателе подводится к катушкам ротора через скользящие контакты (или щётки). В один момент времени подключена только одна катушка, она и создаёт момент вращения двигателя за счет проходящего тока.

С точки зрения базовых элементов схемотехники любой двигатель можно представить в виде следующей эквивалентной схемы:

Когда мотор подключён источнику постоянного тока и еще не начал вращаться, то он представляет из себя обычное сопротивление. То есть через него течет ток согласно закону Ома и сопротивлению его обмотки. Преобладает компонента R. Индуктивность начинает влиять когда напряжение не постоянное, например, если мотор питается от ШИМ (PWM) сигнала.

Сопротивление ротора и индуктивность, как правило, очень малы. Его можно померить обычным мультиметром. Небольшие модельные моторы имеют сопротивление 1-10 Ом. Поэтому, при старте мотора (когда он ещё не начал вращаться), ток сильно превышает рабочий ток мотора и если мотор долго будет неподвижен (его заклинило), то такой высокий ток может привести к перегреву мотора и выходу из строя.

Индуктивность катушек ротора пытается поддерживать ток протекающий через обмотки постоянным. Ее влияние заметно только когда напряжение меняется. Когда мотор начинает вращаться, то коллектор начинает переключать катушки ротора, что вызывает изменение напряжения. Индуктивность пытается в эти моменты поддерживать ток протекающий через мотор на постоянном уровне за счет напряжения.

Во время вращения катушки ротора начинают вырабатывать ток (как генератор) - возникает обратная ЭДС. Чем быстрее вращается ротор, тем выше обратная ЭДС возникающая в катушках, а так как она направлена против напряжения питания, то ток потребляемый мотором снижается.

В дальнейшем нам понадобятся следующие выводы:

пока мотор не начал вращаться он является сопротивлением

если приложить к мотору изменяющееся напряжение (например PWM), то индуктивность будет иметь большое влияние, она будет сопротивляться изменению тока через мотор

когда мотор вращается, то он является генератором, и за счет этого потребляемый ток снижается (итоговое напряжение равно V - Vbemf).

Как подключить мотор к МК

В данной статье мы будем разбираться как управлять с помощью МК скоростью и направлением вращения обычным двигателем постоянного тока .

Для того чтобы коллекторный мотор постоянного тока начал вращаться, достаточно подать на него определённое напряжение. Полярность данного напряжения будет определять направление его вращения, а величина напряжения - скорость вращения. Напряжение нельзя менять безгранично. Каждый мотор рассчитан на определённый диапазон напряжений. При повышении напряжения ток через мотор будет расти, и он начнётся перегреваться и может сгореть. На следующем графике некоего мотора хорошо видна взаимосвязь его основных показателей.

Максимальной мощности (Torque - крутящий момент) мотор достигает при максимальном токе. И зависимость тока и момента - линейная. Максимальной скорости двигатель достигает при отсутствии нагрузки (на холостых оборотах), при увеличении нагрузки скорость вращения падает. Номинальное рабочее напряжение указано в паспорте на двигатель и именно для него и приведён и этот график. Если же снижать напряжение, то скорость вращения, и все остальные показатели будут тоже падать. Как правило, ниже 30-50% от номинального напряжения мотор перестанет вращаться. Если же мотор не сможет прокрутить вал (его заклинило), то по сути станет сопротивлением и потребляемый ток достигает максимальной величины, зависящей от внутреннего сопротивления его обмоток. Обычный мотор не рассчитан на работу в таком режиме и может сгореть.

Посмотрим как меняется ток от нагрузки на реальном моторе R380-2580.

Мы видим, что рабочее напряжение данного мотора - 12В, потребляемый ток под нагрузкой - 1.5А. Ток останова мотора вырастает до 8А, а в холостом же вращении, потребляемый ток равен всего 0.8А.

Как мы знаем, порт микроконтроллера не может выдать ток больше 50мА, и напряжение питания 12В для него слишком большое. Для управления моторами нам понадобится электронный ключ - транзистор, возьмём обычный биполярный транзистор NPN и подключим его по следующей неправильной схеме.

Чтобы мотор начал вращаться, на базу транзистора необходимо подать небольшой ток, далее транзистор откроется и сможет пропустить через себя гораздо больший ток и напряжение - мотор будет вращаться. Стоит отметить что, если мы соберём такую схему, то транзистор очень скоро, если не сразу, выйдет из строя . Чтобы этого не произошло, его необходимо защитить.

Как мы уже знаем одна из компонент мотора - индуктивность - сопротивляется изменению тока. Поэтому, когда мы закроем транзистор, чтобы выключить мотор, то сопротивление транзистора резко увеличится и он перестанет пропускать через себя ток. Однако индуктивность будет сопротивляться этому, и для того, чтобы удержать ток на прежнем уровне, по закону Ома, напряжение на коллекторе транзистора начнёт резко повышаться (может достигнуть даже 1000В, правда очень на малое время) и транзистор сгорит. Чтобы этого не произошло необходимо параллельно обмоткам мотора поставить диод, который откроет путь для обратного напряжения и замкнёт его на обмотке мотора, тем самым защитит транзистор.

Также, все постоянные моторы имеют еще одну неприятность - при вращении механический контакт в коллекторе не идеален, щётки искрят в процессе работы, создавая помехи, что может привести к сбою микроконтроллера. Чтобы снизить эти помехи, необходимо использовать конденсаторы небольшой ёмкости, подключенный параллельно выводам мотора (как можно ближе к самому мотору). Вот окончательная правильная схема (диод может быть не обязательно Шоттки, но он предпочтителен).

Биполярные транзисторы в открытом состоянии они ведут себя как диоды (на них падает около 0.7 В). А это, в свою очередь, вызывает их большой нагрев на больших токах и снижает КПД схемы управления мотором. Поэтому лучше управлять моторами с помощью полевых (MOSFET) транзисторов. В настоящее время они достаточно распространены и имеют невысокую цену. Их низкое сопротивление в открытом состоянии позволяет коммутировать очень высокие токи с минимальными потерями. Однако и у них есть свои недостатки. Так как MOSFET транзисторы управляются напряжением, а не током (и обычно оно составляет 10В), то нужно или выбирать специальные логические MOSFET, которые могут управляться низким напряжением - 1.8 .. 2.5В или использовать специальные схемы накачки напряжения (драйверы полевых транзисторов). Как выбирать MOSFET под вашу схему мы рассмотрим в других статьях, на конкретных приборах.

Теперь, подавая на выход микроконтроллера логическую единицу, мы заставим мотор вращаться, а логический ноль - остановится. Однако вращаться он будет с постоянной скоростью и только в одну сторону. Хотелось бы иметь возможность менять направление вращения мотора, а также его скорость. Рассмотрим, как этого можно добиться с помощью микроконтроллера.

H-Мост - меняем направление вращения мотора

Для управления направлением вращения мотора существует специальная схема, которая называется H-мост (схема выглядит как буква H).

В схеме H-моста в качестве нижних транзисторов всегда используются N-канальные, а вот верхние могут быть как N-канальные, так и P-канальные. P-канальными транзисторами в верхнем ключе проще управлять, достаточно сделать схему смещения уровня напряжения на затворе. Для этого можно использовать маломощный N-канальный полевой или биполярный транзистор. Нижним транзистором можно управлять напрямую от МК, если выбрать специальный логический полевой транзистор.

Если в вашей схеме будет использоваться высоковольтный мотор постоянного тока (больше 24В) или мощный мотор с токами более 10А, то лучше использовать специальные микросхемы - драйверы MOSFET транзисторов. Драйверы управляются, как правило, сигналами микроконтроллера от 2 до 5В, а на выходе создают напряжение необходимое для полного открытия MOSFET транзисторов - обычно это 10-15В. Также драйверы обеспечивают большой импульсный ток необходимый для ускорения открытия полевых транзисторов. С помощью драйверов легко организовать управление верхним N-канальным транзистором. Очень хорошим драйвером является микросхема L6387D от компании ST. Данная микросхема хороша тем, что не требует диода для схемы накачки напряжения. Вот так она подключается для управления H-мостом на 2-х N-канальных транзисторах.

N-канальные полевые транзисторы, стоят дешевле P-канальных, а также имеют меньшее сопротивление в открытом состоянии, что позволяет коммутировать большие токи. Но ими сложнее управлять в верхнем положении. Проблема использования N-канального транзистора в верхнем ключе состоит в том, что для его открытия нужно подать напряжение 10В относительно Истока, а как вы видите на схеме там может быть все напряжение питания мотора, а не 0 вольт. Таким образом, на базу необходимо подать 10В + напряжение питания мотора. Нужна специальная bootstrap схема для повышения напряжения. Обычно, для этих целей используется схема накачки напряжения на конденсаторе и диоде. Однако такая схема работает только, если вы постоянно подзаряжаете конденсатор - открывая, закрывая нижний транзистор (в ШИМ управлении). Для возможности поддерживания верхнего транзистора постоянно открытым нужно еще усложнять схему - добавлять схему внешней подпитки конденсатора. Вот пример схемы управления N-канальными транзисторами без использования микросхем драйверов.

Перейдём к управлению скоростью вращения мотора.

ШИМ сигнал - управляем скоростью вращения мотора

Моторы постоянного тока имеют линейную зависимость скорости вращения от приложенного напряжения. Таким образом, чтобы снизить скорость вращения, надо подать меньше напряжения. Но надо помнить, что с падением напряжения, у мотора падает мощность. Поэтому, на практике, можно управлять скоростью мотора только в пределах 30%-50% от полной скорости вращения мотора. Для управления скоростью мотора без потери мощности, необходима обратная связь от мотора по оборотам вращения, например как в электрическом шуруповерте. Такой режим управления, требует более сложной схемы. Мы же будет рассматривать простой вариант - управление скоростью мотора без обратной связи.

Итак, нам необходимо менять напряжение подаваемое на мотор. В нашем распоряжении есть MOSFET транзистор. Мы помним, что наш мотор имеет индуктивность. Индуктивность сопротивляется изменению тока. И если быстро включать и выключать напряжение на моторе, то в момент выключения ток будет продолжать течь благодаря индуктивности. А мотор будет продолжать вращаться по инерции, а не остановится. Но естественно, вращаться он будет медленнее, среднее напряжение на его обмотках будет меньшее.

Микроконтроллер, как раз, отлично умеет генерировать импульсный ШИМ (PWM) сигнал. А мотор умеет интегрировать данный сигнал (усреднять) за счёт индуктивности обмоток и инерции ротора. От коэффициента заполнения (скважности) ШИМ сигнала как раз и будет зависеть полученное мотором среднее напряжение, а значит и скорость.

Какая же частота ШИМ нужна для лучшего управления мотором? Ответ очень простой, чем больше, тем лучше. Минимальная частота зависит от индуктивности мотора, а также массы ротора и нагрузки на вал мотора. Если смоделировать в электрическом симуляторе (например, PROTEUS) ШИМ управление мотором, то будет видно, что чем больше частота ШИМ, тем более ровный ток протекает через мотор (ripple current - снижается при увеличении частоты). Низкая частота:

высокая частота:

Если же частота упадёт ниже определённого уровня, ток станет разрывным (будет падать до нуля) и в итоге мотор не сможет крутиться.

Отлично, все просто! Делаем частоту ШИМ побольше, например 1 МГц, и любому мотору хватит. В жизни же, все не так просто. Для понимания всех возможных проблем можно упрощенно принять затвор MOSFET транзистора за идеальный конденсатор. Для того чтобы транзистор полностью открылся, конденсатор необходимо зарядить до 10В (на самом деле меньше). Чем больше ток, который мы можем вкачать в конденсатор, тем быстрее он зарядится, а значит быстрее откроется транзистор. В процессе открытия транзистора, ток и напряжение на нем будут максимальными, и чем больше это время, тем сильнее нагреется транзистор. В datasheet обычно есть такой параметр как Qgate - полный заряд, который надо передать транзистору, чтобы он открылся полностью.

Индуктивность моторов не такая уж маленькая, и такие большие частоты не нужны. Для управления моторами постоянного тока вполне достаточно 8 кГц, лучше около 20кГц (за звуковым диапазоном).

Дополнительно стоит отметить, что для снижения стартового тока необходимо плавно поднимать на старте частоту ШИМ. А еще - лучше контролировать стартовый ток мотора с помощью датчиков тока.

ШИМ управление мотором предполагает очень быстрое изменение напряжение от 0 для максимального, что порождает большие проблемы при трассировке платы. Перечислим коротко правила, которые необходимо соблюдать при трассировке платы.

Земли управления моторами и микроконтроллера обязательно должны быть разделены, соединение в одной точке тонким проводником, например 0.3мм, как можно ближе к проводам питания всей схемы

Драйвера управления MOSFET должны быть как можно ближе к самим MOSFET транзисторам

Исполнение управляющей области обязательно двухсторонее, желательно с земляным слоем с одной стороны. При импульсном управлении возникают электромагнитные помехи, чтобы снизить их, земляной слой должен быть рядом.

Обязательно наличие конденсатора как можно ближе к зоне прохождения больших импульсных токов. Если такого конденсатора не будет, то напряжение на линии питания будет сильно проседать и микроконтроллер будет постоянно сбрасываться. Также без такого конденсатора, за счёт индуктивности проводов питания, напряжения на линии питания может увеличиться в несколько раз и компоненты выйдут из строя!

Более подробно мы рассмотрим как работают эти правила на конкретных приборах.

ШИМ сигнал в H-мосте

Посмотрим, как влияет схема управления на нагрев нашим электронных ключей. Допустим, что мы управляем мотором ШИМ сигналом со скважностью 50% и мотор крутится в одну сторону.

Самый простой вариант - применить ШИМ сигнал к одному из двух транзисторов, а второй оставить все время открытым. Обычно, ШИМ в этом случае подаётся на нижний транзистор (N типа), который обычно быстрее. В этом случае нагрев нижнего будет больше верхнего на величину тепла выделяемого при переключениях транзистора. Чтобы сравнять счёт, можно попеременно подавать ШИМ сигнал то на верхний (если они одинаковые), то на нижний транзистор. Также можно подавать ШИМ на оба транзистора одновременно, но из-за разницы в транзисторах это будет не эффективно, а также будет увеличивать нагрев за счёт переключения транзисторов. При такой схеме управления, два других транзистора работают как диоды. К счастью, наибольший ток через диод будет при наибольшей скважности ШИМ, при этом диод будет задействован очень малое время.

Для исключения тока через диоды, которые дают существенный нагрев, можно мотор никогда не отключать от напряжения, а вместо этого, крутить его в обратную сторону. Таким образом, мы должны, например 70% ШИМ сигнала крутить вправо, а 30% влево. Это даст в итоге 70%-30%=40% скорости вправо. Но при этом не будут задействованы диоды. Такой метод управления называется комплиментарным. Такая схема требует большого конденсатора на линии питания, а также источника питания, который может потреблять ток (например аккумулятора).

Вместо вращения мотора в разные стороны, можно помогать диодам - а именно тормозить мотор, открывать два верхних транзистора в момент низкого уровня ШИМ сигнала. На практике, все эти методы не дают существенного изменения скорости вращения двигателя, но позволяют эффективно управлять нагревом полевых транзисторов. Более подробно про особенности различных схем управления можно в этой статье .

На этом мы закончим нашу статью про моторы. Теперь можно перейти к практике - будем делать для робота.

Электродвигатели это очень распространенный объект управления в различных устройствах и технических комплексах. Без них наша современная жизнь была бы не такой уж и современной. Они используются во многих сферах потребительской техники и промышленной автоматизации, начиная от небольших двигателей, вращающих барабан стиральной машинки, и заканчивая огромными махинами, приводящими в движение заводские конвейеры и шахтные подъемники.

Традиционно электродвигатели делят на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока . Последние в силу бурного развития научно-технической мысли, которая предлагает более совершенные алгоритмы векторного управления и довольно дешевые и удобные в использовании частотники, приобретают все большую популярность. Но двигатели постоянного тока (ДПТ) тоже имеют свои преимущества, и они еще долгое время будут крутить свои валы в режиме нещадной эксплуатации в различных технических областях, поэтому сегодня речь пойдет именно о ДПТ, точнее об управлении коллекторными электродвигателями постоянного тока.

Такие агрегаты были первыми двигателями, нашедшими широкое применение в промышленном оборудовании, и их до сих пор используют там, где требуется невысокая стоимость конечного устройства, простая установка и управление. На роторе этих двигателей располагается обмотка (1 на рисунке 1), а на статоре — электромагниты (2 на рисунке 1). Щеточные контакты (3 на рисунке 1), которые устанавливаются по окружности вала ротора, применяются для переключения полярности напряжения, прикладываемого к обмотке ротора. Они же создают основную проблему эксплуатации коллекторного ДПТ — ненадежность, поскольку претерпевают сильный износ и требуют периодической замены. Также между щетками и коммутаторными контактами в ходе работы возникают искры, что может привести к возникновению сильных электромагнитных помех. Кроме того, при неправильной эксплуатации всегда имеется риск создать электрическую дугу в коллекторе или, как еще это называют, круговой огонь. В этом случае якорь двигателя гарантированно отживает свой срок.

Рисунок 1 - двигатель постоянного тока

Сегодня получили распространение две схемы управления двигателем такого типа: генератор-двигатель (Г-Д) и преобразователь-двигатель (тиристорный ТП-Д и транзисторный ТрП-Д).

Рисунок 2 - силовые схемы электроприводов постоянного тока а) Г-Д, б) ТП-Д или ТрП-Д

На рисунке 2 показаны две схемы управления ДПТ с независимым возбуждением. В обоих случаях управление угловой скоростью и моментом по абсолютному значению и направлению осуществляют путем регулирования напряжения на якоре двигателя. Напряжение на якоре двигателя Д в системе Г-Д регулируют путем изменения силы тока в обмотке возбуждения генератора (ВГ). Для этой цели служит возбудитель генератора ВГ, в качестве которого используют силовые магнитные усилители (системы МУ-Г-Д, хотя это прошлый век, и в современных системах такого не встретишь), тиристорные (ТВ-Г-Д) или транзисторные (ТрВ-Г-Д) преобразователи. В системах ТП-Д напряжение на якоре двигателя регулируют путем фазового управления коммутацией тиристоров, а в системах ТрП-Д путем изменения скважности пульсирующего питающего напряжения, то есть с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Популярность Г-Д, а также ТП-Д с каждым годом падает из-за их громоздкости, аппаратной избыточности и сложности в управлении, по сути, они в основном применяются в промышленности для управления крупными двигателями.А ТрП-Д все чаще применяется в различных технических системах благодаря своей простоте, дешевизне и удобству управления. Также за счет обилия на рынке различных моделей MOSFET и IGBT-транзисторов и драйверов управления их затворами системы ТрП-Д применяются для управления как маломощными, так и крупными двигателями. Думаю, это стоит того, чтобы познакомиться с такими системами ближе.

Итак, сердцем ТрП-Д является широтно-импульсный преобразователь (ШИП), который состоит из четырех транзисторов (рисунок 3). В диагональ такого транзисторного моста включается нагрузка, то есть якорь двигателя. Питается ШИП от источника постоянного тока.

Рисунок 3 - схема транзисторного ШИП

Есть несколько способов управления ШИП по цепи якоря. Самый простой - это симметричный способ . При таком управлении в состоянии переключения находятся все четыре транзистора, и выходное напряжение ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом. Сам принцип переключения показан на рисунке 4. Логично предположить, если относительная продолжительность включения будет равна 50%, то на выходе ШИП получим 0 В. Преимуществом симметричного способа является простота реализации, но двухполярное напряжение на нагрузке, вызывающее пульсации тока в якоре, является его недостатком. По сути, он используется для управления маломощными ДПТ.

Рисунок 4 - симметричный способ управления ДПТ

Более совершенным является . Как мы видим на рисунке 5, он обеспечивает на выходе ШИП однополярное напряжение. В данном случае переключаются лишь два транзистора Т3 и Т4, при этом Т1 постоянно открыт, а Т2 постоянно закрыт. Для того, чтобы среднее напряжение на выходе ШИП было равно нулю, достаточно чтобы нижний переключающийся транзистор оставался в закрытом состоянии. Такой подход тоже не очень хорош тем, что верхние ключи загружены по току больше, чем нижние. При больших нагрузках это может привести к перегреву и выходу транзисторов из строя.

Рисунок 5 - несимметричный способ управления ДПТ

Но и с этим недостатком справились, придумав способ поочередного управления (рисунок 6). Здесь как при движении как в одну сторону, так и в другую будут переключаться все четыре транзистора. Обязательным условием является нахождение в противофазе управляющих напряжений транзисторов Т1 и Т2 для одной группы и Т3 и Т4 для другой.

Рисунок 6 - поочередный способ управления ДПТ

Из рисунка видим, что при определенном знаке сигнала задания на скорость длинные импульсы с разницей в полпериода подаются на диагонально противоположные ключи (в данном случае Т1 и Т4). Соответственно, также со сдвигом полпериода на ключи противоположной диагонали подаются короткие импульсы. Таким образом, нагрузка подключается к источнику во время отсутствия коротких импульсов, а во время их присутствия закорачивается либо на питание, либо на землю. При изменении знака задания транзисторы управляются противоположным образом.

Во многих станках применяют электромоторы (ЭМ) постоянного тока. Они легко позволяют плавно управлять частотой вращения, изменяя постоянную составляющую напряжения на якорной обмотке, при постоянном напряжении обмотки возбуждения (0В).

Предлагаемая ниже схема позволяет управлять электромотором мощностью до 5 кВт.

Мощные ЭМ постоянного тока имеют несколько особенностей, которые необходимо учитывать:

а) нельзя подавать напряжение на якорь ЭМ без подачи номинального напряжения (обычно 180...220 В) на обмотку возбуждения;

б) чтобы не повредить мотор, недопустимо сразу подавать при включении номинальное напряжение на якорную обмотку, из-за большого пускового тока, превышающего номинальный рабочий в десятки раз.

Приведенная схема позволяет обеспечить необходимый режим работы - плавный запуск и ручную установку нужной частоты вращения ЭМ.

Направление вращения изменится, если поменять полярность подключения проводов на обмотке возбуждения или якоре (делается это обязательно только при выключенном ЭМ).

В схеме применены два реле, что позволяет выполнить автоматическую защиту элементов схемы от перегрузки. Реле К1 является мощным пускателем, оно исключает вероятность включения ЭМ при установленной резистором R1 не нулевой начальной скорости. Для этого на оси переменного резистора R1 закрепляется рычаг, связанный с кнопкой SB2, которая замыкается (рычагом) только при максимальном значении сопротивления (R1) - это соответствует нулевой скорости.

Когда замкнуты контакты SB2, реле К1 при нажатии кнопки ПУСК (SB1) включится и своими контактами К1.1 самоблокируется, а контакты К1.2 включат электропривод.

Реле К2 обеспечивает защиту от перегрузки при отсутствии тока в цепи обмотки возбуждения ЭМ. В этом случае контакты К2.1 отключат питание схемы.

Питается схема управления без трансформатора, непосредственно от сети через резистор R3.

Величина действующего значения напряжения на якорной обмотке устанавливается с помощью изменения резистором R1 угла открывания тиристоров VS1 и VS2. Тиристоры включены в плечи моста, что уменьшает число силовых элементов в схеме.

На однопереходном транзисторе VT2 собран генератор импульсов, синхронизированных с периодом пульсации сетевого напряжения. Транзистор VT1 усиливает импульсы по току, и через разделительный трансформатор Т1 они поступают на управляющие выводы тиристоров.

При выполнении конструкции тиристоры VS1, VS2 и диоды VD5, VD6 необходимо установить на теплоотводящую пластину (радиатор).

Часть схемы управления, выделенная на рисунке пунктиром, размещается на печатной плате.

Постоянные резисторы применены типа С2-23, переменный R1 - типа ППБ-15Т, R7 - СП--196, R3 - типа ПЭВ-25. Конденсаторы С1 и С2 любого типа, на рабочее напряжение не менее 100 В. Выпрямительные диоды VD1 ...VD4 на ток 10 А и обратное напряжение 300 В, например Д231 Д231А Д232,Д232А,Д245,Д246.

Импульсный трансформатор Т1 выполнен на ферритовом кольце М2000НМ типоразмера К20х12х6 мм и намотан проводом ПЭЛШО диаметром 0,18 мм. Обмотка 1 и 2 содержат по 50 витков, а 3 - 80 витков.

Перед намоткой, острые грани сердечника нужно закруглить надфилем, чтобы исключить продавливание и замыкание витков.

При первоначальном включении схемы замеряем ток в цепи обмотки возбуждения (0В) и по закону Ома рассчитываем номинал резистора R2 так, чтобы срабатывало реле К2. Реле К2 может быть любым низковольтным (6...9 В) - чем меньше напряжение срабатывания, тем лучше. При выборе резистора R2 необходимо учитывать также рассеиваемую на нем мощность. -ная ток в цепи 0В и напряжение на резисторе, ее легко посчитать по формуле P=UI. Вместо К2 и R2 лучше применять выпускаемые промышленностью специальные токовые реле, но они из-за узкой области применения не всем доступны. Токовое реле несложно изготовить самостоятельно, намотав на большем герконе примерно 20 витков проводом ПЭЛ диаметром 0.7...1 мм.

Для настройки схемы управления вместо якорной цепи мотора подключаем лампу мощностью 300...500 Вт и вольтметр. Необходимо убедиться в плавном изменении напряжения на лампе резистором R1 от нуля до максимума,

Иногда, из-за разброса параметров однопереходного транзистора, может потребоваться подбор номинала конденсатора С2 (от 0,1 до 0,68 мкФ) и резистора R7 (R7 устанавливает при минимальном значении сопротивления R1 максимум напряжения на нагрузке).

Если при правильном монтаже не открываются тиристоры, то необходимо поменять местами выводы во вторичных обмотках Т1. Неправильная фазировка управляющего напряжения, приходящего на тиристоры VS1 и VS2, не может их повредить. Для удобства контроля работы тиристоров управляющее напряжение допустимо подавать сначала на один тиристор, а потом на другой - если регулируется резистором R1 напряжение на нагрузке (лампе), фаза подключения импульсов управления правильная. При работе обоих тиристоров и настроенной схеме напряжение на нагрузке должно меняться от 0 до 190 В.

Исключить вероятность подачи максимального напряжения на якорную обмотку в момент включения можно и электронным способом, воспользовавшись схемой, аналогичной приведенной на рис 6.17. (Конденсатор С2 обеспечивает плавное нарастание выходного напряжения в момент включения, а в дальнейшем на работе схемы не сказывается.) В этом случае включатель SB2 не нужен

Схема пуска двигателя постоянного тока с независимым возбуждением по принципу времени

Эта схема представлена на рис. 1.1, а . Она содержит кнопки управления SB 1 (пуск) и SB 2 (останов) двигателя, линейный контактор КМ 1, обеспечивающий подключение двигателя к сети, и контактор ускорения КМ 2 для шунтирования пускового резистора R д. В качестве датчика времени в схеме используется электромагнитное реле времени КТ . При подключении схемы к источнику напряжения U происходит возбуждение двигателя и срабатывает реле КТ , размыкая свой размыкающий контакт в цепи катушки контактора КМ 2 и подготавливая двигатель к пуску.

Рис. 1.1. Схема пуска двигателя по принципу времени (а ), характеристики двигателя (б) и кривые переходного процесса (в)

Пуск двигателя начинается после нажатия кнопки S В1, в результате чего получает питание контактор КМ 1, который своим главным силовым контактом подключает двигатель к источнику питания. Двигатель начинает разбег с резистором R д в цепи якоря, с помощью которого ограничивается пусковой ток двигателя. Одновременно замыкающий блок-контакт контактора КМ 1 шунтирует кнопку S В1, и она может быть отпущена, а размыкающий блок-контакт КМ 1 разрывает цепь питания катушки реле времени КТ. Через интервал времени Δt к.т после прекращения питания катушки реле времени, называемый выдержкой времени, размыкающий контакт КТ замкнется в цепи катушки контактора КМ 2, последний включится и главным контактом закоротит пусковой резистор R д в цепи якоря. Таким образом, при пуске двигатель в течение времени Δt к.т разгоняется по искусственной характеристике 1 (рис. 1.1, б), а после шунтирования резистора R д – по естественной 2 . Значение сопротивления резистора R д выбирается таким образом, чтобы в момент включения двигателя ток I 1 в цепи и соответственно момент М 1 , не превосходили бы допустимого уровня.

За время Δt к.т после начала пуска частота вращения двигателя достигает значения ω 1 , а ток в цепи якоря снижается до уровня I 2 (рис. 1, в). После шунтирования R д, происходит бросок тока в цепи якоря от I 2 до I 1 который не превышает допустимого уровня. Изменение частоты вращения, тока и момента во времени происходит по экспоненте.

Останов двигателя осуществляется нажатием кнопки S В 2, что приведет к отключению якоря двигателя от источника питания и его торможению под действием момента сопротивления на валу. Такой способ останова двигателя получил название «торможение выбегом».

Схема пуска двигателя в две ступени по принципу ЭДС и динамического торможения по принципу времени.

В этой схеме (рис. 1.2, а) в качестве датчика ЭДС использован якорь двигателя, к которому подключены катушки контакторов ускорения КМ 1 и КМ 2, обеспечивающих шунтирование пусковых резисторов R д1 и R д2 . С помощью регулировочных резисторов R у1 , и R у2 , которые могут быть на­строены на срабатывание при определенных частотах вращения двигателя.

Рис. 1.2. Схема пуска двигателя по принципу ЭДС и динамического торможения по принципу времени (а) и характеристики двигателя (б )

Для осуществления торможения в схеме предусмотрен резистор R 3 , подключение и отключение которого осуществляется контактором торможения КМ З. Для обеспечения выдержки времени используется электромагнитное реле времени КТ, размыкающий контакт которого включен в цепь катушки контактора торможения КМ 2.

После подключения схемы к источнику питания происходит возбуждение двигателя, а аппараты схемы остаются в исходном положении. Пуск двигателя осуществляется нажатием кнопки S В 1, что приводит к срабатыванию линейного контактора КМ и подключению двигателя к источнику питания. Двигатель начинает разбег с включенными резисторами R д1 + R д2 в цепи якоря по характеристике 1 (рис. 1.2, б). По мере увеличения частоты вращения двигателя растет его ЭДС и соответственно напряжение на катушках контакторов КМ 1 и КМ 2. При частоте вращения ω 1 срабатывает контактор КМ 1, закорачивая своим контактом первую ступень пускового резистора R д1, и двигатель переходит на характеристику 2 . При частоте вращения ω 2 срабатывает контактор КМ 2,шунтируя своим контактом вторую ступень пускового резистора R д2. Двигатель переходит на естественную характеристику 3 и заканчивает свой разбег в точке установившегося режима с координатами ω с – М с, определяемой пересечением естественной характеристики 3 двигателя и характеристики нагрузки.

Для перехода к режиму торможения нажимается кнопка SB 2. Катушка контактора КМ теряет питание, размыкается замыкающий силовой контакт КМ в цепи якоря двигателя, и он отключается от источника питания. Размыкающий блок-контакт КМ 3 замыкается, последний срабатывает и своим главным контактом подключает резистор R д3 к якорю М, переводя двигатель в режим динамического торможения по характеристике 4 (рис. 1.2, б ). Одновременно размыкается замыкающий контакт контактора КМ в цепи реле времени КТ, оно теряет питание и начинает отсчет времени. Через интервал времени, который соответствует снижению частоты вращения двигателя до нуля, реле времени отключается и своим контактом разрывает цепь питания контактора КМ З. Резистор R д3 отключается от якоря М двигателя, торможение заканчивается, и схема возвращается в свое исходное положение.

Применение динамического торможения обеспечивает более быстрый останов двигателя и тем самым быстрое прекращение движения исполнительного органа рабочей машины.

Схема пуска двигателя в одну ступень по принципу времени и динамического торможения по принципу ЭДС.

Управление двигателем при пуске происходит по аналогии со схемой рис. 1.1. При включении двигателя в этой схеме (рис. 1.3) и работе от источника питания размыкающий контакт линейного контактора КМ в цепи контактора торможения КМ 2 разомкнут, что предотвращает перевод двигателя в режим торможения.

Рис. 1.3. Схема пуска двигателя по принципу времени и динамического торможения по принципу ЭДС

Торможение осуществляется нажатием кнопки S В2. Контактор КМ, потеряв питание, отключает якорь двигателя от источника питания и замыкает своим контактом цепь питания катушки контактора КМ 2. Последний от действия наведенной в якоре ЭДС срабатывает и замыкает якорь М на резистор торможения R д1 . Процесс динамического торможения происходит до тех пор, пока при небольшой частоте вращения двигателя его ЭДС не станет меньше напряжения отпускания контактора КМ 2, который отключится, и схема вернется в исходное положение.

Схема управления пуском двигателя по принципу времени, реверсом и торможением противовключением по принципу ЭДС

В этой схеме (рис. 1.4, а) предусмотрено два линейных контактора КМ 1 и КМ 2, обеспечивающих его вращение соответственно в условных направлениях «Вперед» и «Назад». Главные контакты этих аппаратов образуют реверсивный контактный мостик, с помощью которого можно изменить полярность напряжения на якоре М и тем самым осуществлять торможение противовключением и реверс (изменение направления вращения) двигателя. В якорной цепи помимо пускового резистора R д1 включен резистор противовключения R д2 , который управляется контактором противовключения КМ З.

Рис. 1.4. Схема управления пуском и реверсом двигателя (а ) и характеристики двигателя (б)

Управление двигателем при торможении противовключением и реверсе осуществляется с помощью двух реле противовключения К V 1 и К V 2. Их назначение в том, чтобы в режиме противовключения для ограничения тока в якоре до допустимого уровня обеспечить ввод в цепь якоря в дополнение к пусковому резистору R д1 , резистор противовключения R д2 , что достигается выбором точки присоединения катушек реле К V 1 и К V 2 к резистору (R д1 + R д2).

Пуск двигателя в любом направлении осуществляется в одну ступень в функции времени. При нажатии, например, кнопки S В 1 срабатывает контактор КМ 1 и подключает якорь М к источнику питания. За счет падения напряжения на резисторе R д1 , от пускового тока срабатывает реле времени КТ, размыкающее свой контакт в цепи контактора КМ.

Включение КМ 1 приведет также к срабатыванию реле К V 1, которое замкнет свой замыкающий контакт в цепи контактора противовключения КМ З. Это вызовет включение КМ З, что приведет к закорачиванию ненужного при пуске резистора противовключения R д2 и одновременно катушки реле времени КТ. Двигатель начнет разбег по характеристике 2 (рис. 1.4, б), а реле времени КТ – отсчет выдержки времени.

По истечении выдержки времени реле КТ замкнет свой контакт в цепи катушки контактора КМ, он включится, закоротит пусковой резистор R д1 и двигатель выйдет на свою естественную характеристику 1.

Для осуществления торможения нажимается кнопка S В 2, в результате чего отключаются контактор КМ 1, реле К V 1, контакторы КМ З и КМ 4 и включается контактор КМ 2. Напряжение на якоре двигателя изменяет свою полярность, и двигатель переходит в режим торможения противовключением с двумя резисторами в цепи якоря R д1 и R д2 . Несмотря на замыкание контакта КМ 2 в цепи реле К V 2, оно в результате оговоренной выше настройки не включается и тем самым не дает включиться аппаратам КМ З и КМ 4 и зашунтировать резисторы R д1 и R д2 .

Перевод двигателя в режим противовключения соответствует его переходу с естественной характеристики 1 на искусственную характеристику 4 (рис. 1.4, б). Во всем диапазоне частот вращения 0 < ω < ω 0 на этой характеристике двигатель работает в режиме противовключения.

По мере снижения частоты вращения двигателя растет напряжение на катушке реле К V 2, и при частоте вращения, близкой к нулю, оно достигнет напряжения срабатывания. Если к этому моменту времени кнопка S В 2 будет отпущена, то отключается контактор КМ 2, схема возвращается в исходное положение и на этом процесс торможения заканчивается.

Если же при достижении малой частоты вращения кнопка S В 2 остается нажатой, то включается реле К V 2 и процесс пуска двигателя повторяется, но уже в противоположную сторону. Таким образом, реверсирование двигателя включает в себя два этапа: торможение противовключением и пуск в противоположном направлении. Второй этап реверса изображен на рис. 1.4, б переходом двигателя с характеристики 4 на характеристику 3, соответствующую обратной полярности напряжения на якоре двигателя и наличию в якоре добавочного резистора R д1 .

Схема пуска двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением по принципу тока

В этой схеме (рис. 1.5) используется реле тока КА, катушка которого включена в цепь якоря М, а размыкающий контакт – в цепь питания контактора ускорения КМ 2. Реле тока настраивается таким образом, чтобы его ток отпускания соответствовал току I 2 (см. рис. 1.1, б). В схеме исполь­зуется также дополнительное блокировочное реле К V с временем срабатывания большим, чем у реле КА.

Рис. 1.5. Схема пуска двигателя по принципу тока

Работа схемы при пуске происходит следующим образом. После нажатия на кнопку S В 1 срабатывает контактор КМ 1, двигатель подключается к источнику питания и начинает свой разбег. Бросок тока в якорной цепи после замыкания главного контакта контактора КМ 1 вызовет срабатывание реле тока КА, которое разомкнет свой размыкающий контакт в цепи контактора КМ 2. Через некоторое время после этого срабатывает К V и замыкает свой замыкающий контакт в цепи контактора КМ 2, подготавливая его к включению.

По мере разбега двигателя ток якоря снижается до значения тока переключения I 2 . При этом токе отключается реле тока и замыкает свой размыкающий контакт в цепи катушки контактора КМ 2. Последний срабатывает, его главный контакт закорачивает пусковой резистор R д, в цепи якоря, а вспомогательный контакт шунтирует контакт реле тока КА. Поэтому вторичное включение реле тока КА после закорачивания R д и броска тока не вызовет отключения контактора КМ 2 и двигатель продолжит разбег по своей естественной характеристике.

Схема типовой панели управления двигателем, обеспечивающая пуск, динамическое торможение и регулирование частоты вращения ослаблением магнитного потока

Типовые релейно-контакторные схемы управления ЭП содержат элементы блокировок, защит, сигнализации, а также связи с технологическим оборудованием. Для унификации схемных решений электротехническая промышленность выпускает стандартные станции, блоки и панели управления, специализированные по видам ЭП рабочих механизмов, функциональным возможностям, условиям эксплуатации, роду тока и т.д. Ниже в качестве примера рассмотрена схема одного из таких типовых устройств (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Схема типовой панели управления двигателем

Органом управления в этой схеме является командоконтроллер S А, имеющий четыре положения рукоятки: одно нулевое (начальное) и три рабочих (см. рис. 1.6). Пуск двигателя осуществляется в три ступени по принципу времени, торможение – динамическое по принципу ЭДС.

Перед пуском командоконтроллер устанавливается в нулевое положение, затем включаются автоматические выключатели QF 1 и QF 2 и ЭП подключается к источнику питания. По обмотке ОВ возбуждения начинает протекать ток возбуждения, и, кроме того, срабатывает реле времени КТ 1, шунтируя в цепи реле контроля напряжения своим контактом контакт реле КА обрыва цепи обмотки возбуждения. Если при этом реле максимального тока КА 1 и КА 2 находятся в нормальном (отключенном) положении, то срабатывает реле К V 4, подготавливая питание схемы управления через свой замыкающий контакт. Если в процессе работы произойдет недопустимое снижение напряжения питания или тока возбуждения двигателя или ток в якоре превысит допустимый уровень, то произойдет отключение реле К V 4, схема управления лишится питания и двигатель будет отключен от сети. Таким образом, реле выполняет роль исполнительного элемента трех защит.

Для пуска двигателя до максимальной частоты вращения рукоятка командоконтроллера S А перемещается в крайнее третье положение. Это приведет к срабатыванию контактора КМ и подключению якоря М двигателя к источнику питания, после чего он начнет свой разбег с полным сопротивлением пускового резистора в цепи якоря. Реле времени КТ 1, потеряв питание вследствие размыкания контакта КМ, начнет отсчет выдержки времени работы на первой ступени, а реле времени КТ2 и КТ З, сработав от падения напряжения на резисторах R д1 и R д2 , разомкнут свои контакты в цепях контакторов ускорения КМ 2 и КМ 3. Одновременно с этим включаются «экономический» контактор КМ 6 и контактор управления возбуждением КМ З, в результате чего шунтируется резистор R в и пуск двигателя происходит при полном магнитном потоке.

Через определенное время замкнется размыкающий контакт КТ 1, контактор КМ 1 включится, зашунтирует первую ступень пускового резистора R д1 и одновременно катушку реле времени КТ2. Последнее, отсчитав свою выдержку времени, включит контактор КМ 2, который зашунтирует вторую ступень пускового резистора R д2 и катушку реле КТ З. Это реле, также отсчитав свою выдержку времени, вызовет срабатывание контактора КМ З и шунтирование последней ступени пускового резистора, после чего двигатель выходит на свою естественную характеристику.

После шунтирования третьей ступени пускового резистора начинается ослабление магнитного потока, которое подготавливается включением реле К V З срабатывания КМЗ. В процессе ослабления тока возбуждения с помощью реле управления К V 1 обеспечивается контроль за током якоря. При бросках тока реле К V 1 обеспечивает включение или отключение контактора КМ З, усиливая или ослабляя ток возбуждения, в результате чего ток в якор­ной цепи не выходит за допустимые пределы. При размыкании контакта КМ 5 часть тока возбуждения замыкается через диод VD и разрядный резистор R р .

Торможение двигателя осуществляется перестановкой рукоятки командоконтроллера S А в нулевое положение. Это приводит к выключению контактора КМ и отключению якоря М от источника питания. Поскольку в процессе пуска двигателя реле динамического торможения К V 2 включилось, замыкание размыкающего контакта КМ в цепи контактора торможения КМ 4 вызовет его включение. Резистор R дт окажется подключенным к якорю М двигателя, который перейдет в режим динамического торможения. При малых частотах вращения двигателя, когда его ЭДС станет ниже напряжения отпускания (удержания) реле К V 2, оно отключится, выключит контактор КМ 4 и процесс торможения закончится. Отметим, что динамическое торможение происходит при полном магнитном потоке.

Для снижения частоты вращения двигателя рукоятка командоконтрол­лера S А переводится в положения 1 или 2. В положении 1 двигатель работает на искусственной характеристике, соответствующей наличию в цепи якоря резисторов R д2 + R д3 , а в положении 2 -на характеристике, обусловленной резистором R д3 .