Тиристорное управление двигателем постоянного тока

В приводах главного движения и подачи инструмента металлорежущих станков широко используются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, которые способны обеспечивать регулирование скорости вращения в широких пределах. Такой двигатель (рис. 2.36, а) состоит из статора, на полюсах которого намотаны обмотки возбуждения (ОВ), и ротора, называемого якорем.

Ток возбуждения I_в, проходя по ОВ под действием напряжения U_в, создает магнитный поток Ф. К якорю через щетки подводится напряжение якоря U_я, создающее ток якоря I_я. Протекая по виткам обмотки якоря, ток I_я, взаимодействуя с потоком Ф, создает вращающий момент М_вр

M_вр = KФI_я,

где K — коэффициент, зависящий от конструкции двигателя (размеров числа витков обмоток и т.п.).

Рис.2.36. Схема подключения двигателя постоянного тока (а); график, поясняющий принципы управления скоростью вращения двигателя (б)

При вращении двигателя в обмотке якоря наводится ЭДС Е_я, направленная согласно правилу Ленца встречно приложенному напряжению U_я и пропорциональная числу оборотов вала двигателя n:

Е_я = сnФ,

где с — коэффициент, зависящий от конструкции двигателя.

Для цепи якоря при равномерном вращении вала по второму закону Кирхгофа можно записать равенство

U_я = E_я + R_яI_я,

где R_я — активное сопротивление обмотки якоря, включая сопротивление контакта щетки—коллектор (в двигателях коллектором называют набор контактных площадок, через которые с щеток подается напряжение в обмотку вращающегося якоря).

Подставив в это равенство выражение Е_я и значение тока I_я, полученное из выражения для вращающего момента, получим

,

откуда число оборотов двигателя равно

.

Рис. 2.37. Схема тиристорного регулятора скоростью вращения двигателя

Из полученной формулы очевидны два способа (две зоны) управления скоростью вращения двигателя (рис. 2.36, б). В зоне I скорость изменяют от 0 до номинального значения n_ном, увеличивая напряжение U_я при неизменном значении магнитного потока Ф, а значит, и неизменном напряжении возбуждения U_в. При достижении напряжением U_я номинального значения дальнейшее его увеличение невозможно, так как может привести к пробою изоляции. В то же время для быстрого перемещения, например, инструмента на холостом ходу или ускоренного вращения шпинделя необходимо увеличить скорость вращения двигателя в три — пять раз выше n_ном. Для этого используют зону II, в которой при неизменном напряжении U_{я ном} уменьшают значение магнитного потока Ф с помощью соответствующего понижения U_в, а значит, и тока возбуждения I_в. Заметим, однако, что в зоне II приходится мириться с соответствующим понижением и вращающего момента двигателя, т. е. нагружать двигатель меньшим моментом сопротивления, который он должен преодолевать своим вращающим моментом. Действительно, как это следует из формулы для M_вр, при уменьшении потока Ф вращающий момент снижается, а скомпенсировать его увеличением тока I_я нельзя, так как это приведет к перегреву двигателя.

В выпускаемых промышленностью тиристорных преобразователях регулирование скорости вращения в зоне I осуществляется применением двух управляемых мощных (до нескольких десятков киловатт) трехфазных выпрямителей (на рис. 2.37 они обведены пунктиром).

Один из трехфазных выпрямителей обеспечивает правое направление вращения двигателя, а другой — левое, изменяя полярность U_я на противоположное. Естественно, что эти выпрямители должны работать раздельно во избежание короткого замыкания между ними, что и обеспечивает схема управления выпрямителями, разрешая включение одного из них лишь через несколько миллисекунд после отключения другого. Схемы управления тиристорами выполнены по принципу, рассмотренному в параграфе 2.9 и на рис. 2.33.

Для управления скоростью вращения в зоне II используется однофазная мостовая схема тиристорного выпрямителя, обеспечивающая питание обмотки возбуждения ОВ. Схема позволяет лишь уменьшать значение тока возбуждения I_в, сохраняя его полярность. Схема управления тиристорами мостовой схемы также выполнена по принципу, рассмотренному в параграфе 2.9 и на рис. 2.33.