Устройство и применение специальных машин постоянного тока

Введение

Специальные машины постоянного тока – это электромеханические устройства на основе машин постоянного тока, разработанные для особых применений или обладающие нестандартными конструктивными решениями. В отличие от типичных генераторов и двигателей постоянного тока, такие специальные машины имеют специфические характеристики или область применения, востребованные в технике управления, промышленности и бытовой сфере. К ним относятся универсальные коллекторные двигатели, тахогенераторы, сварочные генераторы, вентильные двигатели (бесколлекторные двигатели постоянного тока), двигатели с печатными обмотками якоря и исполнительные двигатели постоянного тока. Ниже рассматриваются конструкция, принцип действия и особенности каждой из перечисленных машин.

Универсальные коллекторные двигатели

Универсальный коллекторный двигатель – это машина постоянного тока, способная работать как от источника постоянного напряжения, так и от переменного тока промышленной частоты. Принципиально, если обычный двигатель постоянного тока подключить к переменному напряжению, он будет вращаться, так как перемена направления тока в обмотке якоря сопровождается одновременной сменой полярности магнитного потока в поле. По правилу левой руки это означает, что результирующий электромагнитный момент продолжает действовать в одном направлении, поддерживая вращение вала. Данная способность и заложена в основу работы универсального двигателя.

Конструкция и материалы

Универсальный мотор по конструкции близок к обычному коллекторному двигателю с последовательным возбуждением, однако его статор и основные полюса выполнены из пластин электротехнической стали. Это необходимо для снижения потерь в магнитопроводе при работе на переменном токе (ведь в стали возникают переменные магнитные потоки). Обмотка якоря часто имеет отпайки: при питании от переменного напряжения ее эффективное число витков уменьшают, чтобы компенсировать реактивное сопротивление и поддержать ту же частоту вращения, что и при постоянном питании.

Преимущества и область применения

Универсальные коллекторные двигатели совмещают преимущества двигателя постоянного тока (высокий пусковой момент, простое регулирование скорости, жесткая механическая характеристика) с возможностью питания от сети переменного тока. Это делает их незаменимыми в бытовой технике и электроинструменте, где доступно только переменное напряжение. Такие двигатели могут развивать значительно более высокие обороты, чем асинхронные (теоретически не ограничены 3000 об/мин при 50 Гц, как у асинхронных машин), и лучше поддаются регулированию скорости.

Недостатки

Серьёзный минус – ухудшенные условия коммутации на переменном токе. В коммутируемой секции помимо обычной реактивной ЭДС возникает дополнительная ЭДС, индуцируемая переменным магнитным полем. Полностью компенсировать её невозможно, поэтому даже при применении средств улучшения коммутации эта дополнительная ЭДС остаётся и вызывает искрение. По этой причине универсальные коллекторные двигатели среднего и большого размера практически не применяются – чаще всего их мощность ограничивается относительно небольшими значениями, достаточными для ручного электроинструмента и бытовых приборов.

Тахогенераторы

Тахогенератор – это небольшой генератор постоянного тока, предназначенный для измерения угловой скорости вращения вала (например, в системах автоматического регулирования). По сути, тахогенератор представляет собой генератор, работающий на холостую либо на очень большую сопротивление нагрузки (вольтметр), откалиброванный в единицах частоты вращения. На выходе тахогенератора вырабатывается ЭДС, пропорциональная скорости вращения ротора. В упрощённом случае при постоянном потоке возбуждения $\Phi$ напряжение на выходе $U_t$ определяется соотношением: $U_t = C_E \Phi n$, то есть прямо пропорционально частоте вращения $n$. Иными словами, в идеальном случае (при бесконечно большом входном сопротивлении измерителя) выходная характеристика тахогенератора является линейной зависимостью $U(n)$ (линия 1 на рисунке).

На практике точность тахогенератора несколько ограничена влиянием нагрузки и падениями напряжения. Вольтметр никогда не обладает бесконечным сопротивлением, поэтому через якорь протекает небольшой ток даже при измерении. Этот ток создает поток реакции якоря и вызывает падения напряжения на щётках, что приводит к отклонению характеристики от идеальной. Реальная выходная характеристика при нагрузке идёт ниже прямой пропорциональности (линия 2 на рисунке) и имеет начальный участок, на котором измерение частоты невозможно. Обычно существует некоторый минимальный уровень $n_{min}$, ниже которого ЭДС тахогенератора недостаточна для преодоления контактных напряжений и инерции измерительной системы, и потому на малых скоростях прибор не показывает вращение.

Для обеспечения постоянства магнитного потока $\Phi$ тахогенераторы выполняются либо с независимым возбуждением, либо на постоянных магнитах – это стабилизирует калибровку. В сумме тахогенератор даёт удобный сигнал обратной связи по скорости в системах автоматического регулирования, обладая линейной характеристикой и малой инерционностью.

Сварочные генераторы

Сварочный генератор – это специальный генератор постоянного тока, применяемый как источник питания для сварочной дуги. Его задача – обеспечить требуемую вольт-амперную характеристику электрической дуги. Для зажигания дуги требуется повышенное напряжение порядка 60–80 В, тогда как для устойчивого горения достаточно 20–30 В при протекании большого тока. Сила тока дуги зависит от толщины сварочного электрода и обычно составляет от 150 до 600 А.

Характеристика дуги и требования

Как видно из характеристики, электрическая дуга ведёт себя как нелинейная нагрузка: при увеличении тока напряжение на дуге падает. Сварочный генератор должен иметь падающую внешнюю характеристику, обеспечивая высокий ток при относительно низком напряжении на дуге для устойчивого горения. При этом для инициирования дуги необходимо кратковременно более высокое напряжение.

Конструктивные решения

В качестве сварочного генератора может использоваться машина смешанного возбуждения – с параллельной и последовательной обмотками, причём последовательная включена встречно параллельной (отрицательное противовключение). Такой генeратор при увеличении тока нагрузки будет самоснижать свое напряжение, формируя падающую внешнюю характеристику, благоприятную для дуги. Однако простое самовозбуждение на больших токах нестабильно: сильный спад напряжения питания обмотки возбуждения при росте тока может привести к размагничиванию и срыву генерации. Один способ решения – питать параллельную обмотку возбуждения от отдельного источника (дополнительного генератора), что стабилизирует работу, но усложняет и удорожает установку.

Оригинальный метод стабилизации

В практике применяют особый способ получения стабильной характеристики с одним генератором. Полюсы генератора делят на две части – широкие и узкие полюсы.

Узкие полюсы (обозначены 2N и 2S) выполняются в состоянии магнитного насыщения, а широкие (1N и 1S) – нет. Щётки на коллекторе расположены таким образом, что реакция якоря ослабляет поток широких полюсов и одновременно усиливает поток узких полюсов. В результате узкие полюсы всегда насыщены и дают практически постоянный магнитный поток, а широкие полюсы меняют поток в зависимости от тока якоря. Дополнительная щетка (условно «B») снимает напряжение только с тех секций якоря, которые находятся под узкими полюсами, то есть в зоне стабильного потока. Напряжение, снимаемое этой вспомогательной щеткой, остается постоянным и используется для питания обмотки возбуждения параллельного возбуждения. При изменении тока дуги изменяется только поток широких полюсов (уменьшаясь при росте нагрузки благодаря реакции якоря), что обеспечивает требуемую падающую характеристику генератора. Грубая регулировка сварочного тока при этом осуществляется реостатом в цепи обмотки возбуждения (обозначен $R_B$ на схеме).

Вентильные двигатели (бесколлекторные)

Вентильный двигатель – это бесколлекторный двигатель постоянного тока, в котором механическая коммутация (щетки и коллектор) заменена на электронную, с использованием полупроводниковых вентилей (транзисторов или тиристоров). По конструкции вентильный двигатель обычно выполняется как обращённый двигатель постоянного тока: обмотка якоря расположена на неподвижном статоре, а постоянные полюса (например, от постоянных магнитов) находятся на вращающемся роторе. При этом на роторе могут быть установлены и контактные кольца для подачи питания на обмотку возбуждения (если она электромагнитная), но коллектора нет – его функцию берет на себя электронный коммутатор.

Электронный коммутатор

Для коммутирования токов в обмотке якоря в строгом соответствии с положением ротора применяется блок управляемых вентилей (отсюда название «вентильный»). Датчики положения ротора фиксируют текущую угловую позицию полюсов и подают сигналы в электронный блок управления, который по заданному алгоритму подключает соответствующие секции обмотки к источнику питания через транзисторы.

Например, на рисунке показано состояние для некоторого положения ротора: секции 1–9 находятся под северным полюсом, а секции 10–18 – под южным; следовательно, открытыми должны быть вентили 1a и 9б, обеспечивая ток в этих секциях определённого направления. По мере поворота ротора система переключает группы секций, замыкая и размыкая вентильные ключи последовательно (1a→2a→… и 9б→10б→… и т.д.). В результате ток в каждой секции якоря переключается синхронно с движением ротора, аналогично тому, как это делали бы щётки на коллекторе.

Регулирование скорости

Управлять частотой вращения вентильного двигателя удобно изменением подаваемого напряжения питания. Это можно реализовать, используя сами силовые транзисторы коммутатора в качестве широтно-импульсного регулятора или иным способом модуляции напряжения. При таком методе отсутствует необходимость в резисторных или механических регуляторах – всё делается электронной схемой. Обмотка возбуждения (если не применены постоянные магниты) получает питание через контактные кольца на роторе. Ток через эти кольца невелик по сравнению с током якоря, а сами кольца не коммутируют секции, поэтому их износ минимален и надёжность высока.

Характеристики

По своим механическим и регулировочным характеристикам вентильные двигатели практически идентичны коллекторным двигателям постоянного тока. Они сочетают преимущества последних (высокий пусковой момент, широкий диапазон регулирования, относительная простота управления) с более высокой надёжностью за счёт отсутствия щёток и коллектора, которые являются узлом интенсивного износа.

Двигатели с печатными обмотками якоря

Разновидность специальных электрических машин – двигатели с печатными обмотками якоря. В таких двигателях обмотка якоря не выполнена из провода, уложенного в пазы, а изготовлена в виде тонких медных проводников, напечатанных (нанесённых гальваническим способом) на поверхности изоляционного базового материала. Печатная обмотка может быть реализована как на цилиндрической поверхности, так и на плоском диске – соответственно различают двигатели с цилиндрическим печатным якорем и с дисковым якорем.

Цилиндрический печатный якорь

В конструкции с цилиндрическим ротором роль якоря выполняет тонкостенная цилиндрическая гильза из изоляционного материала, на внешней и внутренней поверхностях которой нанесены проводники обмотки. Эта печатная обмотка соединена с коллектором, расположенным на торце цилиндра. Внутри цилиндра неподвижно размещён стальной сердечник якоря (для концентрации магнитного поля), отделённый от вращающейся части воздушным зазором. При работе машины магнитный поток от основных полюсов пронизывает печатную обмотку на цилиндре и замыкается через внутренний сердечник. Вращается только лёгкий изоляционный цилиндр с нанесённой металлизацией – без громоздких обмоток и железа на нём.

Дисковый печатный якорь

В этой конструкции якорь выполнен в виде плоского изоляционного диска, с двух сторон которого нанесены витки обмотки по радиальному рисунку. Диск установлен на валу и вращается между двух полюсов, создающих осевой магнитный поток (т.е. магнит проходит через диск по толщине). Конструктивно в двигателе с дисковым якорем отсутствует коллектор – для подачи питания применяются специальные широкие щётки, скользящие прямо по поверхности диска. Эти щётки контактируют с выводами секций обмотки напротив полюсов. Часто для возбуждения таких моторчиков используют постоянные магниты, упрощая конструкцию (отпадает необходимость в возбуждающей обмотке и дополнительных кольцах).

Достоинства печатных двигателей

Главный плюс – исключительно малый момент инерции ротора, так как отсутствует массивный железный якорь и объёмная обмотка. Это обеспечивает высокое быстродействие и динамику привода. Кроме того, малая индуктивность плоских секций печатной обмотки улучшает коммутацию – искрение на коллекторе снижается. Печатные проводники лучше охлаждаются (они открыты воздуху с двух сторон), поэтому плотность тока можно повысить, сделав двигатель компактнее и мощнее при тех же потерях. Отсутствие ферромагнитных элементов в вращающейся части ведёт к ослаблению реакции якоря – рассеянный магнитный поток якоря замыкается в основном через воздух, почти не влияя на основной поток в стали. С этим связаны и меньшие потери на гистерезис и вихревые токи – в роторе просто нечему нагреваться от переменного поля.

Недостатки

Указанные преимущества достигаются ценой некоторых недостатков. Во-первых, большой воздушный зазор (особенно в дисковой конструкции) требует увеличить число витков возбуждающей обмотки или применить более мощные магниты – иначе трудно создать нужный поток, что несколько увеличивает массу и стоимость двигателя. Во-вторых, отсутствие железа в якоре означает большую магнитную сопротивляемость по пути потоков – это тоже снижает коэффициент использования магнитного поля. Кроме того, при повышенной плотности тока возрастают потери в печатной обмотке и сильнее греется обмотка возбуждения. Ещё одна проблема – износ токоподводящих узлов: щётки трутся прямо по плоскости печатных проводников, вызывая их абразивный износ, что сокращает срок службы двигателя. Тем не менее, в ряде приложений (точные приводы, робототехника, аппаратура, где важны быстрота и малый вес) преимущества печатных двигателей перевешивают их недостатки.

Диапазон мощностей таких машин ограничен: двигатели с цилиндрическим печатным якорем обычно имеют мощность от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт, а с дисковым якорем – от десятков до сотен ватт. Это объясняется тем, что на более высоких мощностях труднее реализовать надежную коммутацию с плоскими секциями и обеспечить долговечность конструкции.

Исполнительные двигатели постоянного тока

Исполнительные (или сервомоторы постоянного тока) – это управляемые электрические двигатели небольшой мощности, предназначенные для точного позиционирования и высокодинамичного регулирования скорости. Они преобразуют управляющий электрический сигнал непосредственно в механическое движение выходного вала. Области применения – сервоприводы в автоматики, робототехника, приборостроение, где требуется частое изменение режима вращения. Исполнительные двигатели постоянного тока характеризуются следующими требуемыми свойствами:

• Отсутствие самохода. Без входного управляющего воздействия двигатель не должен самопроизвольно вращаться (отсутствие «самохода» гарантирует нулевое исходное положение при нулевом сигнале).
• Широкий диапазон регулирования скорости. Двигатель должен устойчиво работать как на очень малых, так и на высоких оборотах, в широких пределах изменения.
• Линейность характеристик. Механические характеристики (скоростная и нагрузочная) и передаточная функция по управляющему сигналу должны быть максимально линейными, упрощая управление.
• Большой пусковой момент. Для быстрого разгона и точного позиционирования требуется высокое отношение стартового момента к номинальному.
• Малая мощность управления. Желательно, чтобы на управление тратилось как можно меньше энергии, т.е. усилительные свойства привода должны быть высокими.
• Высокое быстродействие. Двигатель должен быстро откликаться на изменение управляющего сигнала (малые электромеханические постоянные времени).

Наилучшим образом перечисленным требованиям отвечают двигатели постоянного тока с независимым возбуждением. В них магнитный поток создаётся либо постоянным магнитом, либо возбуждающей обмоткой от отдельного источника, а управляющее воздействие подается на цепь якоря. По способу управления принято разделять исполнительные двигатели на два типа: с управлением по якорю и с управлением по полю (полюсное управление).

При якорном управлении управляющий сигнал (например, напряжение $U_c$) подается в цепь якоря, тогда как обмотка возбуждения питается постоянным током и создаёт неизменный магнитный поток. Изменяя напряжение на якоре, можно регулировать величину тока якоря $I_a$ и тем самым момент и скорость двигателя. Преимущества этой схемы: отсутствие самохода (при $U_c=0$ якорь обесточен и мотор остановлен), высокая линейность механических характеристик и характеристик регулирования (момент ~ ток ~$I_a$, а $I_a$ ~ $U_c$ при постоянном потоке), что упрощает управление и позволяет быстро разгонять двигатель. Кроме того, ток через щётки протекает только во время подачи управляющего сигнала, поэтому при отсутствии команды коллектор не искрит и не подвергается подгоранию. Основной недостаток – требуемая относительно большая мощность в цепи управления, так как нужно питать сам якорь (порой через реостатный усилитель, что неэффективно).

При полюсном управлении, напротив, обмотка якоря постоянно подключена к питанию, а управляющий сигнал подается на обмотку возбуждения. Здесь плюс заключается в малой мощности самого управляющего сигнала (он лишь изменяет ток возбуждения, обычно гораздо меньший якорного). Однако имеются недостатки: двигатель при $U_c=0$ может самовращаться за счёт остаточной намагниченности полюсов (самоход), кроме того щётки и коллектор находятся под током постоянно, даже когда мотор неподвижен, что ведёт к повышенному износу коллектора. В силу этих причин полюсное управление применяется реже, хотя и может быть полезно, когда важно минимизировать потребляемую от системы управления энергию.

На практике исполнительные приводы обычно строятся по схеме якорного управления, обеспечивая наилучший баланс быстродействия и точности. Для улучшения динамики и снижения инерции часто применяют двигатели с печатными обмотками якоря (описанные выше) – они позволяют резко повысить быстроту отклика сервосистем за счёт малого инерционного момента ротора.

Заключение

Рассмотренные специальные машины постоянного тока демонстрируют разнообразие конструктивных решений и областей применения. Универсальные коллекторные двигатели нашли применение в бытовой технике благодаря работе от переменного тока, тахогенераторы – в системах автоматического контроля скорости, сварочные генераторы – в электросварке для устойчивого питания дуги. Вентильные (бесколлекторные) двигатели с электронным коммутатором обеспечивают высокую надёжность и все преимущества управления, присущие двигателям постоянного тока. Двигатели с печатными обмотками якоря показывают, как можно радикально снизить инерционность и улучшить коммутируемость машины. Исполнительные (серво) двигатели постоянного тока являются неотъемлемой частью систем управления, где требуются точность и скорость. Каждый из этих типов машин спроектирован под свою нишу, и их развитие продолжает расширять возможности электротехники и автоматизации на базе классических принципов электромашинной энергии.