Электродвигатели независимого возбуждения

Электродвигатели независимого возбуждения: принцип действия, характеристики, управление и сферы применения

Электродвигатель независимого возбуждения (ДНВ) – это машина постоянного тока, обмотка возбуждения (ОВ) которого электрически не связана с обмоткой якоря и питается от независимого источника постоянного напряжения. Это ключевая конструктивная особенность, определяющая все его эксплуатационные и регулировочные свойства. В таких двигателях ток возбуждения (I_в) и, следовательно, магнитный поток (Φ), создаются отдельно от цепи якоря. Управление скоростью вращения осуществляется двумя независимыми способами: изменением напряжения на якоре (U_я) и изменением магнитного потока возбуждения (Φ). Данный тип двигателей находит применение в электроприводах, требующих широкого диапазона плавного регулирования скорости и высоких динамических характеристик.

Конструкция и принцип действия

Конструктивно ДНВ не отличается от других двигателей постоянного тока и включает в себя: неподвижный статор (индуктор) с основной и дополнительными полюсами, компенсационную обмотку (в мощных машинах), вращающийся якорь с коллекторно-щеточным узлом, подшипниковые щиты и корпус. Принципиальное отличие заключается в схеме подключения обмоток.

Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения, и тока в проводниках обмотки якоря. При подаче независимых напряжений на обмотку возбуждения (U_в) и на обмотку якоря (U_я), по ним начинают протекать токи I_в и I_я соответственно. Ток возбуждения создает основной магнитный поток Φ. При наличии тока в якоре, находящемся в магнитном поле, на каждый его проводник действует сила Ампера, совокупность которых создает электромагнитный момент (M), приводящий якорь во вращение. При вращении якоря его обмотка пересекает магнитные силовые линии, что приводит к возникновению в ней ЭДС самоиндукции (E), направленной против приложенного напряжения U_я (противо-ЭДС).

Основные уравнения, описывающие работу ДНВ:

• Уравнение электрического состояния цепи якоря: U_я = E + I_яR_я, где R_я – сопротивление цепи якоря.
• Уравнение ЭДС: E = c_eΦn, где c_e – конструктивный коэффициент, n – частота вращения.
• Уравнение электромагнитного момента: M = c_мΦI_я, где c_м – конструктивный коэффициент.
• Уравнение механической характеристики: n = (U_я / c_eΦ) — (R_я / c_ec_мΦ²)
• M.

Способы регулирования скорости и механические характеристики

Возможность независимого управления напряжением якоря и потоком возбуждения предоставляет два основных способа регулирования скорости.

1. Регулирование изменением напряжения на якоре (U_я) при постоянном номинальном потоке возбуждения (Φ=Φ_ном)

В этом режиме магнитный поток поддерживается постоянным и номинальным. Изменение напряжения U_я приводит к пропорциональному изменению скорости идеального холостого хода (n₀ = U_я / c_eΦ), при этом жесткость механической характеристики (β = ΔM/Δn) остается высокой и постоянной. Характеристики представляют собой семейство параллельных прямых, смещенных по оси скорости. Данный способ обеспечивает плавное регулирование скорости вниз от номинальной (n ≤ n_ном) с постоянным моментом на валу (M = const) при условии постоянства тока якоря. Реализуется с помощью управляемых выпрямителей (тиристорных преобразователей) или систем широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на силовых транзисторах.

2. Регулирование изменением магнитного потока возбуждения (Φ) при постоянном номинальном напряжении на якоре (U_я=U_ном)

В этом режиме напряжение на якоре поддерживается номинальным. Ослабление магнитного потока (Φ < Φ_ном) приводит к увеличению скорости идеального холостого хода (n₀) и, что критически важно, к значительному уменьшению жесткости механической характеристики (β ~ Φ²). Характеристики становятся более пологими. Регулирование осуществляется вверх от номинальной скорости (n ≥ n_ном). Поскольку напряжение якоря постоянно, а допустимый ток якоря ограничен, с ослаблением потока двигатель переходит в режим постоянной мощности (P ≈ const), при этом максимальный момент на валу падает. Ослабление потока производится с помощью реостата в цепи возбуждения или управляемого источника питания обмотки возбуждения.

Таблица 1. Сравнение способов регулирования скорости ДНВ

Параметр	Регулирование Uя (Φ=const)	Регулирование Φ (Uя=const)
Диапазон регулирования	Вниз от номинальной скорости (D до 10:1 и более)	Вверх от номинальной скорости (обычно D=2:1…4:1)
Жесткость механической характеристики	Высокая, постоянная	Снижается пропорционально квадрату потока
Режим работы по нагрузке	Постоянный момент (M=const)	Постоянная мощность (P≈const)
Плавность регулирования	Высокая	Высокая
Энергетическая эффективность	Высокая (потери в якоре минимальны при снижении Uя)	Высокая (потери в цепи возбуждения малы)

Системы управления и схемы питания

Современные электроприводы на основе ДНВ строятся по схеме «преобразователь-двигатель» (П-Д) или «тиристорный преобразователь-двигатель» (ТП-Д). В качестве силовых преобразователей используются:

• Управляемые выпрямители (тиристорные преобразователи): Обеспечивают регулируемое выпрямленное напряжение для цепи якоря. Могут быть однофазными или трехфазными. Требуют сеть переменного тока.
• Импульсные преобразователи (ШИМ-преобразователи) на IGBT-транзисторах: Преобразуют постоянное напряжение (от неуправляемого выпрямителя или аккумулятора) в регулируемое импульсное напряжение на якоре. Обеспечивают лучшие массогабаритные показатели и меньшие пульсации.
• Системы подчиненного регулирования: Являются стандартом для высокодинамичных приводов. Контур регулирования тока якоря (внутренний, более быстрый) подчинен контуру регулирования скорости (внешнему). Это позволяет ограничивать ток и момент двигателя на безопасном уровне и обеспечивать быстрое отработку заданий.

Обмотка возбуждения питается от отдельного, как правило, управляемого источника постоянного тока (выпрямителя), что позволяет реализовать как стабилизацию потока, так и его программное ослабление.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Широкий диапазон плавного и экономичного регулирования скорости (комбинируя оба способа, можно получить диапазон до 50:1 и более).
• Высокая жесткость естественной механической характеристики и хорошие перегрузочные способности.
• Линейность регулировочных и механических характеристик, что упрощает систему управления.
• Отличные динамические характеристики, возможность быстрого реверса и торможения.
• Простота реализации режимов пуска и торможения.

Недостатки:

• Наличие коллекторно-щеточного узла, требующего регулярного обслуживания, ограничивающего применение во взрывоопасных средах и создающего радиопомехи.
• Относительно высокая стоимость и сложность по сравнению с асинхронными двигателями.
• Необходимость в двух источниках питания (для якоря и для возбуждения).
• Ограниченная мощность на высоких скоростях из-за условий коммутации.

Области применения

Двигатели независимого возбуждения применяются там, где предъявляются высокие требования к точности и диапазону регулирования скорости, а также к динамике привода:

• Металлообрабатывающее оборудование (токарные, фрезерные, шлифовальные станки с ЧПУ).
• Подъемно-транспортные машины (краны, лифты, экскаваторы).
• Приводы прокатных станов (главные и клетевые).
• Тяговый электропривод электровозов, тепловозов, карьерных самосвалов (исторически и в ряде современных систем).
• Испытательные стенды и центрифуги.
• Точные позиционные системы и робототехника.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем двигатель независимого возбуждения принципиально отличается от двигателя параллельного возбуждения?

Принципиальной разницы в конструкции нет. Различие — в схеме питания. У двигателя параллельного возбуждения обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря к одному и тому же источнику напряжения. Теоретически его характеристики идентичны ДНВ. Однако на практике, особенно в системах регулируемого привода, обмотку возбуждения всегда питают от отдельного источника для обеспечения независимого управления, что фактически делает его двигателем независимого возбуждения. Термин «ДНВ» чаще подчеркивает этот факт и применяется для машин в системах автоматизированного электропривода.

Что произойдет, если оборвется цепь возбуждения при работе двигателя под нагрузкой?

Это аварийный режим. При обрыве цепи возбуждения магнитный поток Φ резко уменьшается до значения потока остаточного намагничивания (2-5% от номинального). Согласно уравнению n = (U_я / c_eΦ) — (R_я / c_ec_мΦ²)*M, скорость идеального холостого хода (U_я/c_eΦ) стремится к очень большой величине («разнос двигателя»). Одновременно для создания того же момента M при малом Φ требуется огромный ток якоря (I_я = M / c_мΦ). На практике двигатель либо выйдет на опасную скорость, разрушающую механическую часть, либо сработает защита по току якоря. Для предотвращения этого в схему управления обязательно включают релейную или электронную защиту от потери возбуждения.

Каковы основные методы торможения ДНВ?

Используются три основных метода:
1. Рекуперативное (генераторное) торможение с отдачей энергии в сеть: Возможно при условии, что ЭДС якоря E превысит напряжение сети U_я. Достигается либо увеличением скорости (ослаблением потока), либо снижением U_я ниже текущего значения E. Двигатель переходит в генераторный режим, ток якоря меняет направление, и энергия возвращается в источник.
2. Торможение противовключением: Изменяется полярность напряжения на якоре (или реверс возбуждения) при сохранении направления вращения. Для ограничения броска тока в цепь якоря вводится дополнительный резистор.
3. Динамическое торможение: Обмотка якоря отключается от источника питания и замыкается на тормозной резистор. Двигатель работает как генератор на собственную нагрузку, кинетическая энергия рассеивается в виде тепла в резисторе.

Почему диапазон регулирования скорости ослаблением поля ограничен (обычно не более 1:3 или 1:4)?

Существует несколько ограничивающих факторов:
Механические: Прочность якоря и коллекторного узла на повышенных центробежных силах.
Коммутационные: Ухудшение условий коммутации (искрение под щетками) из-за увеличения реактивной ЭДС в коммутируемых секциях и влияния поперечной реакции якоря, которая при ослабленном основном потоке может вызвать подъем магнитной характеристики и даже переполюсовку.
Устойчивость: При сильном ослаблении поля механическая характеристика становится очень мягкой, что может привести к потере устойчивости работы и самопроизвольному увеличению скорости при малых изменениях момента нагрузки.

Как осуществляется пуск ДНВ и для чего нужен пусковой реостат?

В момент пуска противо-ЭДС E равна нулю, поэтому прямой пуск при номинальном напряжении U_я привел бы к недопустимо большому пусковому току I_п = U_я / R_я (R_я очень мало). Для ограничения тока применяют два основных метода:
1. Пуск с помощью пускового реостата (реостатный пуск): В цепь якоря последовательно вводится резистор R_доб, увеличивающий общее сопротивление. По мере разгона и роста ЭДС реостат ступенчато выводится. В современных системах не используется из-за потерь энергии.
2. Плавный пуск за счет регулирования напряжения (системы П-Д или ТП-Д): Напряжение на якоре U_я плавно повышается от нуля, обеспечивая поддержание тока якоря на допустимом уровне (обычно 1.5-2.0 I_ном) на протяжении всего процесса разгона. Это наиболее эффективный и распространенный в автоматизированном электроприводе метод.

Заключение

Электродвигатели независимого возбуждения, несмотря на конкуренцию со стороны частотно-регулируемых асинхронных и вентильно-индукторных приводов, остаются важным классом электрических машин для систем регулируемого электропривода. Их ключевые преимущества — линейность характеристик, высокий момент в области низких скоростей, простота управления и отличная динамика — обеспечивают им устойчивые позиции в ряде критически важных отраслей промышленности. Развитие силовой полупроводниковой техники и микропроцессорных систем управления позволило максимально реализовать потенциал ДНВ, минимизировав присущие им недостатки, связанные с обслуживанием коллекторно-щеточного узла.