Методы управления скоростью двигателя постоянного тока

Регулирование скорости является одной из наиболее важных характеристик производительности двигатель постоянного тока И это основная причина, по которой двигатели постоянного тока по-прежнему широко используются в приложениях, требующих точного, регулируемого и отзывчивого движения. В отличие от двигателей переменного тока, скорость которых тесно связана с частотой источника питания, скорость двигателя постоянного тока можно плавно и экономично регулировать с помощью нескольких хорошо зарекомендовавших себя методов. Понимание этих методов позволяет инженерам и разработчикам продукции выбирать наиболее подходящий подход для конкретного применения, учитывая такие факторы, как стоимость, эффективность, требования к крутящему моменту и сложность управления.

Скорость двигателя постоянного тока определяется соотношением между напряжением якоря, обратной электродвижущей силой, сопротивлением якоря и магнитным потоком, создаваемым полем. Манипулируя любым из этих факторов, можно увеличить или уменьшить скорость вращения двигателя. На практике это достигается в первую очередь за счет трех электрических методов управления, тогда как четвертый, чисто механический подход с использованием редуктора — который в настоящее время является основным и критическим методом при проектировании двигателей — обеспечивает регулирование скорости без каких-либо модификаций электрической системы двигателя.

Управление напряжением якоря

Управление напряжением якоря является наиболее распространенным и широко применяемым методом регулирования скорости двигателя постоянного тока. Поскольку скорость двигателя примерно пропорциональна напряжению, приложенному к обмотке якоря, увеличение напряжения питания заставляет двигатель вращаться быстрее, а его уменьшение замедляет двигатель. Эта взаимосвязь делает управление напряжением якоря интуитивно понятным и высокоэффективным средством достижения плавной и непрерывной регулировки скорости.

В современных приложениях напряжение якоря обычно регулируется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой среднее напряжение, подаваемое на двигатель, изменяется путем быстрого включения и выключения питания с контролируемым рабочим циклом. Этот подход обеспечивает превосходную эффективность, быстрый отклик и широкий диапазон регулировки скорости, выделяя при этом относительно мало тепла по сравнению с резистивными методами. Управление напряжением якоря особенно хорошо подходит для приложений, скорость которых ниже номинальной, где оно поддерживает относительно постоянный выходной крутящий момент во всем регулируемом диапазоне скоростей, что делает его предпочтительным выбором для прецизионных приводов, автоматизированного оборудования и устройств с батарейным питанием.

Управление потоком поля

Для коллекторных двигателей постоянного тока обратная электродвижущая сила определяется магнитным потоком и скоростью вращения. Напряжение якоря представляет собой сумму обратной электродвижущей силы и падения напряжения на обмотках якоря. Поскольку падение напряжения на обмотке при нормальной работе очень мало, напряжение якоря примерно эквивалентно обратной электродвижущей силе.

Когда напряжение якоря и момент нагрузки поддерживаются постоянными, скорость двигателя обратно пропорциональна магнитному потоку. Уменьшение магнитного потока снизит обратную электродвижущую силу, увеличит разность напряжений в цепи якоря и увеличит ток якоря. Более высокий ток компенсирует потерю крутящего момента из-за ослабления магнитного потока и поддерживает стабильный выходной крутящий момент. В конце концов, двигатель работает быстрее при меньшем магнитном потоке и медленнее при большем магнитном потоке.

Для двигателей постоянного тока с обмотками возбуждения магнитный поток можно регулировать путем изменения тока возбуждения. Переменный резистор, включенный последовательно в силовую цепь катушки возбуждения, обеспечивает регулирование: уменьшение сопротивления приведет к увеличению тока возбуждения, усилению магнитного поля и увеличению магнитного потока.

Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами не оснащены обмотками возбуждения, а их магнитное поле создается постоянными магнитами. Для увеличения магнитного потока можно использовать магниты с более высокими магнитными характеристиками. Кроме того, магнитное стопорное кольцо является компонентом с высокой магнитной проницаемостью. Он ограничивает паразитный магнитный поток от магнитов и оптимизирует внутреннюю магнитную цепь. Установка магнитного стопорного кольца снижает магнитные потери и увеличивает эффективный магнитный поток для электромеханического преобразования энергии.

Контроль сопротивления якоря

Управление сопротивлением якоря позволяет снизить скорость путем включения переменного резистора последовательно с цепью якоря. По мере увеличения сопротивления падение напряжения на резисторе увеличивается, в результате чего для привода двигателя остается меньше напряжения, что приводит к снижению скорости. И наоборот, уменьшение сопротивления позволяет большему напряжению достигать якоря, увеличивая скорость до номинального значения двигателя.

Хотя этот метод прост, недорог и прост в реализации, он имеет заметные недостатки. Значительная часть входной энергии рассеивается в виде тепла в резисторе, что приводит к снижению общего КПД, особенно на пониженных скоростях. Кроме того, этот метод позволяет снизить скорость только ниже номинальной и обеспечивает относительно грубое управление по сравнению с электронными методами. В результате управление сопротивлением якоря обычно ограничивается приложениями с низкой мощностью, базовыми системами управления или ситуациями, когда случайная, некритическая регулировка скорости достаточна, а решения с электронным приводом не оправданы с точки зрения стоимости.

Добавление редуктора коробки передач

В дополнение к описанным выше электрическим методам управления выходную скорость можно также регулировать механически путем соединения двигателя постоянного тока с редуктором. Редуктор снижает скорость вращения вала двигателя, пропорционально увеличивая крутящий момент на выходном валу в соответствии с передаточным числом редуктора, выбранным для конкретного применения.

Этот подход особенно ценен, когда приложение требует фиксированной, прогнозируемой выходной скорости, которая значительно ниже естественного рабочего диапазона двигателя, или когда необходим высокий крутящий момент на низкой скорости без предъявления чрезмерных электрических требований к самому двигателю. Поскольку двигатель может продолжать работать в оптимальном диапазоне скорости и эффективности, в то время как коробка передач обеспечивает снижение скорости, эта комбинация часто обеспечивает более высокую общую эффективность и долговечность, чем использование только электрических методов для достижения очень низких выходных скоростей. Редукторы-редукторы широко используются в сочетании с коллекторными двигателями постоянного тока в робототехнике, промышленной автоматизации, бытовой технике и электроинструментах, и их можно комбинировать с любым из вышеперечисленных методов электрического управления скоростью для дальнейшей точной настройки конечной выходной скорости.

Заключение

Управление скоростью двигателей постоянного тока имеет решающее значение для оптимизации производительности системы, повышения энергоэффективности и достижения заданных функций. При выборе подходящего решения важно полностью учитывать фактические требования применения, цели энергоэффективности и бюджет затрат. Коллекторные двигатели постоянного тока Hongyang Motor имеют гибкую конструкцию и совместимы с различными решениями по управлению скоростью, чтобы удовлетворить разнообразные потребности клиентов. Мы предлагаем комплексные конфигурации продуктов и профессиональную техническую поддержку, чтобы помочь оборудованию достичь наилучшего рабочего состояния.