Электродвигатели постоянного тока. Принцип действия, устройство, схемы включения, передаточная функция, достоинства, недостатки.

Основными исполнительными устройствами в системах автоматического управления, обеспечивающими вращение, перемещение, сжатие, растяжение и другие воздействия на объект, являются электродвигатели. Они превращают электрическую энергию в механическую энергию вращения. Вращательное движение может быть преобразовано в поступательное с помощью червячных передач или других механизмов. Принцип работы электродвигателей постоянного тока основан на законе Ампера.

Для работы электродвигателя постоянного тока необходимо создать в пространстве вокруг рамки постоянное магнитное поле и пропустить через нее ток.

Магнитное поле создается двумя катушками, находящимися в неподвижной части двигателя - статоре. Для обеспечения равномерного вращения применяют несколько рамок, сдвинутых относительно друг друга на некоторый угол, а для увеличения силы Ампера рамки делают из нескольких витков и помещают их на ротор из магнитомягкой стали. Для подведения к рамкам тока их концы соединяют с изолированными друг от друга пластинами из бронзы. К этим пластинам, образующим коллектор (собиратель), с помощью пружин прижимают щетки из графита или бронзы.

На рис.28 изображены статор и ротор электродвигателя постоянного тока. Ротор помещается внутри статора и вращается на подшипниках.

Рис.28 Статор и ротор электродвигателя постоянного тока

На рис.29 приведены основные схемы включения электродвигателя постоянного тока: с параллельным возбуждением (а) и с последовательным возбуждением (б).

Рис.29 Схемы включения электродвигателя с параллельным (а) и с последовательным (б) возбуждением

В первой схеме ток возбуждения I_В, протекающий через создающие магнитное поле катушки внутри статора, не зависит от тока I_Р, протекающего через витки ротора, а во второй схеме I_В = I_Р. Вторая схема включения широко используется на электротранспорте: в трамваях, троллейбусах, электричках и поездах метро, так как в этой схеме при включении электродвигателя создается сильный вращательный момент ротора.

Отметим, что электродвигатели постоянного тока будут работать и от переменного напряжения питания. Действительно, при изменении направления тока в рамке одновременно изменится и направление силовых линий магнитного поля, создаваемого током в катушке возбуждения, поэтому направление силы Ампера не изменится, и ротор будет вращаться в одну сторону. Вследствие этого описанные двигатели часто называют коллекторными. Для изменения направления вращения ротора в коллекторных электродвигателях необходимо перекоммутировать либо концы катушек возбуждения, либо провода, подводящие ток к щеткам коллектора.

Важными характеристиками электродвигателей постоянного тока в устройствах автоматического управления являются регулировочная характеристика (рис.30а) и переходная характеристика (рис.30б). Регулировочная характеристика - это зависимость частоты вращения ротора от величины питающего напряжения U.

Рис.30 Регулировочная (а) и переходная (б) характеристики электродвигателей

Переходной характеристикой называется зависимость частоты вращения ротора w от времени t при подключении электродвигателя к напряжению . Она описывается выражением

w(t) = w_УСТ (1 - ).

Передаточная функция электродвигателя по частоте вращения ротора соответствует инерционному звену

,

где k_ЭД = tga , угол a определяется по регулировочной характеристике.

Т_ЭД - постоянная времени, которая определяется по переходной характеристике:

t = T_ЭД при w(t)=w_УСТ (1 - е^-1) = 0,63w_УСТ .

Передаточную функцию электродвигателя по углу поворота ротора W_ЭД(р)= получим, принимая во внимание, что .

Отсюда , тогда:

.

Из этого выражения следует, что для выходного сигнала, являющегося углом поворота ротора, электродвигатель является инерционно-интегрирующим звеном.

Недостатком коллекторных электродвигателей является наличие трущихся о коллектор щеток. При вращении ротора щетки искрят, вследствие чего они создают помехи радиоаппаратуре и со временем стираются (изнашиваются), поэтому их приходится периодически менять.