– СТАТЬЯ –

Регулятор оборотов коллекторного двигателя

Так как разброс скоростей коллекторных двигателей постоянного тока даже в пределах одного исполнения может составлять до 10-20%, для более эффективного использования в промышленных системах они чаще всего используются совместно со специальными регуляторами оборотов. Регулятор оборотов, во-первых, может компенсировать разброс скоростей, обусловленный разбросом параметров составных частей двигателя. Во-вторых, регулятор адаптирует скорость выбранной модели к требованиям и алгоритму работы конкретной системы, в которой этот двигатель установлен. В третьих, использование регулятора оборотов коллекторного двигателя позволяет снизить пусковой ток в момент старта и предотвращает таким образом возникновение пиков нагрузки в цепи питания.

Способы регулирования частоты оборотов коллекторного двигателя

Если рассматривать работу коллекторного двигателя в общих чертах, можно сказать, что частота вращения ротора двигателя постоянного тока пропорциональна ЭДС (приложенное напряжению минус потери на сопротивление), а величина крутящего момента пропорциональна току в его обмотке. Работа регулятора оборотов коллекторного двигателя может базироваться на использовании источников питания или батарей с различным номиналом или регулировкой выходного напряжения, на применении сопротивлений, либо основываться на электронном управлении. Направление вращения может быть изменено либо направлением действия магнитного поля, либо изменением подключения якоря. Для этого используются специальные контакторы направления.

Действующее значение напряжения может регулироваться путем использования последовательно установленных сопротивлений или электронных переключающих устройств, сделанных с использованием тиристоров, транзисторов, выпрямителей и др.

Параллельно-последовательное регулирование оборотов коллекторного двигателя

Параллельно-последовательное регулирование было стандартным методом управления железнодорожных тяговых электродвигателей до начала развития силовой электроники. Электрические локомотивы и поезда, как правило, имели по четыре электромотора, которые могли быть сгруппированы тремя различными способами:

  • Все четыре мотора  подключены последовательно (каждый из двигателей получал четверть от общего значения напряжения в линии);
  • Две параллельно подключенные группы по два последовательно соединенных мотора (каждый из двигателей получал половину от общего значения напряжения в линии);
  • Все четыре мотора подключены параллельно (каждый из двигателей получал полное значения напряжения в линии).

Эти три способа подключения обеспечивали три различные скорости вращения при минимальных потерях. В моменты старта и ускорения дополнительное регулирование скорости обеспечивалось резисторами. Впоследствии такая система была вытеснена регуляторами оборотов коллекторных двигателей, основанными на электронной системе управления.

Регулятор оборотов на основе ослабления поля

Увеличения частоты оборотов коллекторного двигателя постоянного тока можно добиться путем ослабления электромагнитного поля. Снижение напряжения электрического поля осуществляется путем включения сопротивления последовательно с шунтирующей обмоткой возбуждения, либо включением сопротивлений вокруг включённой последовательно обмотки возбуждения. При ослаблении электромагнитного поля снижается обратная ЭДС, больший ток протекает через обмотку якоря, что приводит к повышению частоты вращения двигателя. Обычно в регуляторах оборотов коллекторных двигателей метод ослабления поля не используется сам по себе, но применяется в совокупности с другими методами (такими, как, например, параллельно-последовательное регулирование оборотов).

Использование модулятора

В основе регуляторов оборотов коллекторных двигателей может лежать использование электрической цепи с применением модулятора: среднее значение напряжения, приложенного к двигателю, изменяется путем очень быстрого включения и выключения источника напряжения. Изменяя соотношение длительности состояний «включено» и «выключено», можно влиять на среднее значение напряжения, и как следствие, на частоту оборотов двигателя.

Процентное отношение длительности состояния «включено» от величины напряжения питания определяет среднее значение напряжения, приложенного к коллекторному двигателю. К примеру, при напряжении питания 24В постоянного тока и 50% состояния «включено», среднее значение напряжения, приложенного к двигателю, составит 12В. Во время состояния «выключено» индуктивность якоря вызывает дальнейшее протекание тока через диод, который называется диод обратной цепи и включен параллельно цепи двигателя.

Таким образом, напряжение питания будет циклически снижаться до нуля, и следовательно, среднее напряжение, приложенное к двигателю, периодически будет больше, чем напряжение питания до тех пор, пока процентное соотношение состояния «включено» не достигнет 100%. При соотношении 100% ток источника питания и ток двигателя равны. При использовании метода быстрого переключения питающего напряжения потери энергии ниже, чем при последовательном  подключении сопротивлений.

Такой метод также называется широтно-импульсным модулированием (ШИМ) и часто регулируется микропроцессором. В регуляторах оборотов коллекторных двигателей дополнительно устанавливаются фильтры, сглаживающие среднее приложенное к мотору выходное напряжение, что приводит к снижению шума двигателя.