Съдържание Увод 6 Глава Конструктивни особености, класификация и основни характеристики на постояннотоковите двигатели 8

1.1. Конструкция на постояннотоковия двигател 9

1.1.1. Историческо развитие 9

1.1.2. Класификация на електрическите двигатели 13

1.1.2.1. Синхронен електрически двигател 16

1.1.2.2. Индукционен двигател 16

1.1.2.3. Електростатичен (капацитивен) двигател 17

1.1.2.4. Постояннотоков двигател 17

Четкови постояннотокови двигатели 18

Безчеткови постояннотокови двигатели 21

Постояннотокови двигатели без сърцевина 23

Постояннотокови двигатели – плоски или с печатна котва 23

Универсални двигатели 25

1.2. Цели и задачи 26

2.1. Основни понятия, характеристики и зависимости при постояннотоковите двигатели 28

2.1.1. Видове характеристики 28

2.1.2. Основни зависимости 31

2.2. Основни схеми на включване на възбудителната намотка 37

2.2.1. Постояннотокови двигатели с независимо възбуждане и с постоянни магнити 38

2.2.2. Постояннотоков двигател с последователно възбуждане (сериен двигател) 41

2.2.3. Постояннотоков двигател с паралелно възбуждане (шунтов двигател) 47

2.2.4. Постояннотоков двигател със смесено възбуждане (компаунден двигател) 49
Глава 3. Методи и схеми за регулиране на

постояннотокови двигатели 51

3.1. Регулиране чрез изменение на напрежението 52

3.2. Регулиране чрез последователно включване на резистори (реостатно управление) 52

3.3. Фазово (фазо-импулсно) регулиране 53

3.4. Регулиране чрез широчинно-импулсна модулация (ШИМ) 64

3.4.1. Избор на честота за ШИМ, базирайки се на параметрите на двигателя 67

3.4.2. Схеми за управление чрез ШИМ 70

Регенерация 70

Реверсиране 71

Пълна мостова схема 72

Намаляване на отделяната топлина от MOSFET

транзисторите 74

3.4.3. Генериране на ШИМ сигнали 75

4.1. Модел на постояннотоков двигател в MATLAB 83

4.2. Алтернативен модел на постояннотоков двигател 87

4.3. Симулиране на реостатно стартиране на постояннотоков двигател 90

4.3.1. Симулация със стандартен модел на MATLAB 90

4.3.2. Симулация с алтернативен модел на постояннотоков двигател 93

4.4. Симулиране на постояннотоков двигател с фазо-импулсно управление 95

4.5. Симулиране на постояннотоков двигател с ШИМ (PWM) управление 100

4.5.1. Получаване на ШИМ сигнал 100

4.5.2. Схеми за управление на постояннотоков двигател

с ШИМ 104

4.6. Изводи 110

Много голям дял от изпълнителните механизми са свързани с електрически задвижвана техника. Това са различни видове електромеханични машини (устройства, системи), които обикновено преобразуват електрическата енергия в магнитна и създават механични сили, под действие на които се извършва физическо преместване (линейно или ротационно) на подвижната част. В зависимост от това, дали електрическото напрежение, с което се захранват тези машини е постоянно или променливо, съответно и машините се делят на постояннотокови и променливотокови.

В съвременната автоматика има тенденция относителния дял на постояннотоковите двигатели като маломощни изпълнителни механизми, да се увеличава за сметка на променливотоковите двигатели. Съществуват много схеми за захранване и методи за управление на постояннотоковите двигатели. Според конструктивните особености и мощността на двигателите, ограниченията в елементната база за изграждане на управлението, особености на захранващата система, желаните регулировъчна, механична характеристики на двигателя и т.н., не всяка схема и всеки метод за управление са подходящи при всяка ситуация.

В настоящата дипломна работа ще се направи опит да се изясни коя схема на свързване и кой метод за управление е най-подходящ за един постояннотоков двигател според неговата конструкция, различните заложени параметри за управление и желаните изходни механични, електромеханични и работни характеристики. Тъй като за това изследване няма налична материална база, то ще се проведе с помощта на симулационни модели в средата на MATLAB.

Физичния принцип на производство на механична сила от взаимодействието на електрически ток и магнитно поле, е известен още през 1821 година. Електродвигатели с повишаваща се ефективност са строени през 19-ти век, но търговската експлоатация на електрическите мотори в голям мащаб изискват ефективни електрически генератори и електрически мрежи за разпределение.

Един от първите електрически двигатели е изобретен от Майкъл Фарадей през 1821 г. Съставен е от свободно висящ проводник, потопен в съд с живак, в центъра на който е поставен постоянен магнит. Когато през проводника премине ток, той се върти около магнита, показвайки че тока създава въртящо се магнитно поле около проводника. Този двигател често се демонстрира в училищата, но вместо живак се използва солена вода. Това е най-простата форма на електрически двигател от клас наречен еднополярен двигател (homopolar motor). По-късно усъвършенстван вариант е колелото на Бароу. Това са само демонстрационни устройства, неподходящи за практическо приложение поради тяхната примитивна конструкция (фиг. 1.1).

През 1827 г. унгареца Аниос Жедлик (Ányos Jedlik) започнал да експериментира с електромагнитни въртящи устройства, които той нарича "lightning-magnetic self-rotors ("мълния-магнитни самостоятелни ротори"). Той ги използва за проучвателни цели в университетите и през 1828 г. демонстрира първото устройство, което съдържа трите основни компонента на практическите постояннотокови двигатели: статор, ротор и комутатор (фиг. 1.2). И двете, както неподвижната, така и въртящата се части били електромагнитни, не работейки с постоянни магнити. Отново устройствата не са имали практическо приложение.

Първият постояннотоков електрически двигател от комутаторен тип, който бил в състояние да задвижи машина е изобретен от британския учен Уилям Стърджън (William Sturgeon) през 1832 година. По-нататъшната работа на Стърджън с комутаторния тип постояннотоков електрически двигател, произведен с цел търговска употреба е построен от американците Емили и Томас Дейвънпорт (Emily and Thomas Davenport) и патентован през 1837 година. Техните двигатели се въртели със скорост до 600 оборота в минута и задвижвали механизирани машинни инструменти и една печатна преса. Поради високата цена на цинковите електроди, необходими за първичните захранващи батерии, двигателите били търговски неуспешни и Дейвънпорт фалирали. Няколко изобретатели последвали Стърджън в разработването на двигатели за постоянен ток, но всички имали едни и същи проблеми с цената на първичната батерия. Нямало развито разпределение на електрическа енергия по това време. Подобно на мотора на Стърджън, нямало практически търговски пазар за тези мотори.

През 1855 година Жедлик (Jedlik) построил устройство, използвайки подобни принципи на тези, използвани в неговите електромагнитни „self-rotors” (самостоятелни ротори), които можели да извършват полезна работа. Той построил модел моторно превозно средство, задвижвано с електрически двигател същата година. Няма доказателства, че този експеримент е бил уведомен за по-широк научния свят по това време, или че той е повлиял върху развитието на електродвигателите през следващите десетилетия.

Съвременният постояннотоков двигател е изобретен случайно през 1873 г., когато Женоб Грам (Zénobe Gramme) свързва динамо, което той бил изобретил към второ подобно устройство, движейки го като двигател Машината на Грам е първият електрически двигател, който е бил успешен в индустрията [1].

През 1886 г. Франк Джулиан Спраг (Frank Julian Sprague) изобретил първият практически постояннотоков мотор, не искрящ мотор, който можел да поддържа постоянна скорост при променливи натоварвания. Други електрически изобретения на Спраг по това време значително подобряват мрежата за електроразпределение (от предишна работа, извършена, докато работил за Едисон), позволяваща енергия от електрически двигатели да бъде върната в електрическата мрежа, осигуряваща електроразпределение до изводите на тролеите чрез висящи проводници и осигуряващи управляващи системи за работа с електричество. Това позволява на Спраг да използва електродвигатели и да бъде открита първата електрическа тролейна система през 1887/1888 година в Ричмънд, електрически асансьор и система за контрол през 1892 г., както и електрическо метро с централно контролирани независимо захранвани коли, които били инсталирани за първи път в Чикаго през 1892 година от компанията South Side Elevated Railway, където той става популярен като "L". Моторът на Спраг и свързаните с него изобретения водят до експлозия на интересът и използването на електрическите двигатели в индустрията, докато почти едновременно друг голям изобретател разработва неговия първи конкурент, който става много по-разпространен.

През 1888 Никола Тесла (Nikola Tesla) изобретява първия практически променливотоков двигател, а с него и полифазната система за пренос. Тесла продължава работата си върху променливотоковия двигател през следващите години в компанията Westinghouse.

Развитието на електродвигатели с приемлива ефективност е било забавено в продължение на няколко десетилетия от неуспех да се признае изключителното значение на сравнително малките въздушни междини между ротора и статора. Ранните мотори, за някои позиции на ротора са имали сравнително големи въздушни междини, които представляват магнитни вериги с много голямо магнитно съпротивление. Те произвеждали далеч по-нисък въртящ момент от еквивалентната енергия, която би била произведена с по-ефективни конструкции. Причината за липсата на разбиране изглежда е била в това, че ранните конструкции са се основавали на познаването на отдалеченото привличане между магнит и част от феромагнитен материал или между два електромагнита.

Ефективните конструкции, както се разбира по-късно, са базирани на ротор със сравнително малка въздушна междина и форма на магнитния поток, които създават въртящ момент.

Класическото разделяне на електродвигателите е на променливотокови (AC) типове и постояннотокови (DC) типове. Това е повече, дефакто конвенция, а не твърда разлика. Например, много класически двигатели за постоянен ток се движат с променливотоково захранване, като тези мотори се наричат универсални двигатели.

Мощността се използва също така да категоризира мотори - тези с по-малко от 746 вата, например, често са наричани мотори с фракционни конски сили (FHP, fractional horsepower) според старата единица за измерване.

Продължаващата тенденция за електронен контрол допълнително размива разликата, тъй като в модерните двигатели комутатора е преместен извън корпуса им. За този нов вид мотори, се разчита на драйверни вериги да генерират синусоидални променливи токове или такива близки до тяхната форма. Двата най-добри примера са: безчетковите постояннотокови двигатели и стъпковите двигатели - и двата представляват многофазни променливотокови двигатели, изискващи външен електронен контрол, въпреки че в исторически план стъпковите двигатели (такива за морски и военноморски жирокомпасни повторители) са били изместени от постояннотоковите, включвани чрез контакти.

Имайки в предвид, че всички въртящи се (или линейни) електрически двигатели изискват синхронност между едно движещо се магнитно поле и една движеща се токова равнина за получаване на среден въртящ момент, има едно ясно разграничение между асинхронен и синхронен тип двигатели.

Един асинхронен двигател изисква приплъзване между движещите се магнитно поле и набора от навивки, за да индуцира ток в тях, чрез взаимна индуктивност; най-вездесъщ пример за това е променливотоковия индукционен двигател, при които трябва да има приплъзване, за да се създаде въртящ момент. В синхронните типове, индукция (или приплъзване) не е изискване за създаването на магнитно поле или ток (напр. двигатели с постоянен магнит, синхронни безчеткови с навит ротор двойно захранвани електрически машини).

В таблица 1.1 е направен опит да се сравнят съществуващите електрически двигатели според техните предимства и недостатъци и да се обобщи тяхната област на приложение и типичния начин за захранването/управлението им. В таблицата са представени и „променливотоковите” двигатели (AC), за да се види разликата от „постояннотоковите” двигатели (DC).

Таблица 1.1. Сравнение между електрическите двигатели [2]

Напоследък в литературата често се използва терминът „серво двигател” или „серво” като често погрешно се асоциира с определен тип двигатели.

Един сервомеханизъм или серво е едно автоматично устройство, което използва обратна връзка за отчитане на грешка, за да коригира производителността на механизма. Терминът правилно се прилага само в системи, където обратната връзка или сигналите за корекция на грешката помагат за контролиране на механична позиция или други параметри.

В ролята на серво двигател може да бъде използван всеки един от познатите типове двигатели, но за който е осигурен сигнал за обратна връзка към управлението му. Такъв сигнал може да бъде: за неговата позиция (на ротора спрямо статора в ротационните двигатели или за местоположението на подвижната част в линейните двигатели), неговата скорост на въртене (преместване), текущи стойности за захранващите токове и напрежения, текуща позиция на задвижвани части от машини и др.

Един синхронен електрически двигател е променливотоков двигател, отличаващ се с въртящ се ротор с намотки, преминаващ покрай магнитите със същата честота, каквато е честотата на променливия ток и резултатното магнитно поле, което го движи. Друг начин да се каже това е, че той има нулево плъзгане при нормални работни условия. В контраст на един индукционен двигател, който трябва да има плъзгане, за да създаде въртящ момент, един синхронен двигател е като индукционен двигател, но чиито ротор се възбужда чрез постояннотоково поле. Използват се четки и пръстени, за да се осигури захранващ ток за ротора. Полюсите на ротора се привличат от полюсите на статора (които се въртят) и се движат със същата скорост, от където идва и името синхронен двигател.

Един индукционен двигател е тип асинхронен променливотоков двигател, в който енергията се доставя до въртящата се част посредством електромагнитна индукция. Друго често използвано име е кафезен двигател, понеже проводниците в ротора са свързани на късо чрез пръстени и формират клетка (като колело за хамстер). Един електрически двигател преобразува електрическата енергия в механична чрез неговия ротор (въртящата се част). Има няколко начина да се осигури енергия на ротора. В постояннотоковия двигател тази енергия се доставя директно към намотките от постояннотоков източник, докато в един индукционен двигател тази енергия се индуцира във въртящата се част. Индукционния двигател често се нарича въртящ се трансформатор, понеже статора (неподвижната част) е първичната страна на трансформатора, а ротора (въртящата се част) е вторичната страна. Индукционните двигатели са широко използвани, особено многофазните такива, които най-често са използвани като индустриални задвижвания.

Един електростатичен или капацитивен двигател е тип електрически двигател, базиран на привличане и отблъскване на електрически заряди. Те типично изискват високоволтово захранване, въпреки че много малките двигатели се захранват със сравнително ниски напрежения. Конвенционалните електрически двигатели, вместо това са базирани на магнитно привличане и отблъскване и изискват голям ток при ниски напрежения. През 1750 година първия електростатичен двигател е разработен от Бенджамин Франклин и Андрю Гордън (Benjamin Franklin and Andrew Gordon). Днес електростатичните двигатели често са използвани в микро-механични устройства (MEMS) системи, където техните захранващи напрежения са под 100 волта, и където движещи се заредени плочи са далеч по-лесни за изработка, от колкото намотки и железни сърцевини. Също така молекулярните машини, които работят в живите клетки често се основават на линейни и ротационни електростатични двигатели.

Постояннотоковият двигател е проектиран да работи с постоянна електрическа енергия. Два примера на „чиста” постояннотокова конструкция са еднополюсния двигател на Майкъл Фарадей (Michael Faraday), който е необичаен и лагерния двигател (ball bearing motor), който (за сега) е новост [3]. За сега най-често срещания тип постояннотокови двигатели са тези с четки и без четки, които използват вътрешно и външно превключване съответно, за да предизвикат пулсиращ променлив ток от постояннотоков източник – така че разгледано в строги линии, те не са „чисти” постояннотокови машини.

Класическият постояннотоков двигател има въртящ се ротор (котва) с една или повече намотки формиращи електромагнити (фиг. 1.3, 1 – котвена намотка, 2 – желязна сърцевина на котвената намотка), която е обхваната от магнитното поле на статора, създавано от постоянни магнити (3 – северен полюс, 4 – южен полюс) или чрез статорни намотки. Краищата на котвената намотка са свързани към пластините на комутатор (наричан също и колектор) (5), към който се допират проводящи четки (6), с помощта на които става захранването й с напрежение от източник. Неговата роля е да превключи изводите на котвените намотки към захранващия източник така, че да осигури полюсите на ротора да бъдат сменени при достигане на неутралната линия на статорните полюси (или малко преди това), така че роторът никога да не спре движението си (освен при изключване на захранващия източник).

При включване на захранването протича ток през котвената намотка в следствие на което се създава магнитно поле около нея. Посоката на тока е такава, че магнитните полета на котвата и на статора взаимно се отблъскват от едната страна и едновременно с това се привличат от другата (т.е. лявата част на котвата се избутва от левия магнит и се приближава към дясната част), създавайки сила, която завърта котвата около оста й (позиция а) от фиг. 1.3). При позиция б) от фиг. 1.3 котвата продължава движението си стремейки се да застане в положение, където разноименните полюси на полето на котвата и полето на статора са най-близо. Позиция в) от фиг. 1.3 показва положението на котвата малко преди да достигне хоризонтално положение. Когато котвата се разположи хоризонтално, комутатора (колектора) обръща посоката на тока през намотките в котвата, обръщайки и поляритета на създаваното от тях магнитно поле. След това процеса се повтаря циклично.

Съществуват постояннотокови двигатели при които не се използват постоянни магнити в статора, а те са заменени със статорна намотка, наречена възбудителна намотка. По този начин за развъртането на двигателя е необходимо да се подаде захранващо напрежение и към тази възбудителна намотка освен към котвената.

Много от ограниченията на класическия комутационен постояннотоков двигател са поради необходимостта от четки, които се притискат към комутатора. Това създава триене. При високи скорости, нараства трудността четките да осъществяват контакт. Четките могат да отскачат от неравностите по повърхността на комутатора, създавайки искри. Искри се създават също, тъй като четките създават късо съединение между краищата на съседни намотки в ротора, когато под четките попадат съседни пластини и преминава изолационната междина между секциите в комутатора. Освен това, индуктивността на роторните намотки причинява увеличаването на напрежението при всеки преход, когато тяхната верига се отвори, увеличавайки искренето на четките. Това искрене ограничава максималната скорост на машината, тъй като прекалено голямото искрене ще предизвика прегряване, ерозия или даже стапяне на комутатора. Плътността на тока за единица площ на четките в комбинация с тяхната резистивност ограничава двигателя. Правенето и прекъсването на електрически контакт също така предизвиква електрически шум, а искрите допълнително предизвикват радиочестотни смущения. Четките се износват и изискват замяна. Комутаторът също се износва и подлежи на поддръжка (при по-големите двигатели) или замяна (при по-малките двигатели). Комутаторът при големите машини е скъп елемент, изискващ прецизно сглобяване на много части. При малките двигатели комутаторът обикновено перманентно е интегриран към ротора, така че замяната му изисква замяна на целия ротор.

По-големи четки се предпочитат за постигане на по-голяма контактна площ на четките и по този начин да максимизират възможностите на двигателя (изходна мощност), но малките четки се предпочитат заради по-малката им маса и по този начин да увеличат скоростта, при която двигателя може да работи без да има прекалено голямо подскачане и искрене на четките. Малките четки се предпочитат също и поради по-ниската си цена. Твърди пружини на четките могат също да бъдат използвани, за да могат четки с дадена маса да работят при по-висока скорост, но с цената на повишаване на загубите от триене (по-ниска ефективност) и ускорено износване на четките и комутатора. Ето защо, при проектирането на постояннотоковите двигатели с четки се прави компромис между изходна мощност, скорост, ефективност и износване.

Някои от проблемите на четковите постояннотокови двигатели се елиминират в безчетковия дизайн. В този мотор механичния „въртящ се ключ” или комутатор/четки частта е заменена от един външен електронен ключ, синхронизиран с позицията на ротора. Безчетковите двигатели са с ефективност 85-90% или повече (за по-висока ефективност на безчетков двигател от 96.5% е било съобщено от изследователи от Tokai University в Япония през 2009 година), докато при постояннотоков двигател с четки ефективността е типично 75-80%.

По средата между обикновен постояннотоков двигател и стъпков двигател лежи областта на безчетковите постояннотокови двигатели. Построени по начин много подобен на стъпков двигател, те често използват външен ротор с постоянен магнит, три фази на задвижващите намотки, един или повече сензори на Хол за отчитане на позицията на ротора и асоциираната електроника към тях. Намотките се активират една фаза след друга, посредством управляващата електроника, синхронизирана от сигналите от сензорите на Хол или чрез обратното е.д.н. в незахранените намотки. Като резултат те работят като трифазни синхронни двигатели, съдържащи тяхна собствена променливочестотна задвижваща електроника. Един специализиран клас контролери за безчеткови постояннотокови двигатели използва като обратна връзка индуктираното е.д.н. през конекторите на основната фаза вместо сензор на Хол, за да определи позицията и скоростта.

Безчетковите постояннотокови двигатели се използват обикновено, когато е необходим прецизен контрол на скоростта, като например в компютърните дискови устройства, задвижване в CD/DVD устройства, механизми в офис техника като вентилатори, лазерни принтери фотокопирни устройства и др. Те имат няколко предимства спрямо конвенционалните двигатели.

Сравнени с променливотоковите вентилатори, използващи двигател със засенчен полюс, те са много ефективни и работят много по-студени, отколкото еквивалентните променливотокови двигатели. Работата с по-ниски температури води до много по-дълъг живот на вентилаторните лагери.

Без комутатор, който да се износва, живота на постояннотоковия безчетков двигател може да бъде значително по-дълъг, сравнен с един постояннотоков двигател, използващ четки и комутатор. Комутацията също води до голяма част от електрическия и радиочестотния шум, без комутатор или четки, безчетковия двигател може да бъде използван в електрически чувствителни устройства като аудио техника или компютри.

Същия сензор на Хол, който осигурява комутацията може също да осигури и надежден тахометричен сигнал за управление с обратна връзка (сервоуправление) в приложенията. При вентилаторите, тахометричния сигнал може да бъде използван за получаване на потвърждение за работата им.

Двигателят може да бъде лесно синхронизиран с една вътрешна или външна честота, водещо до прецизно управление на скоростта.

Безчетковите двигатели нямат шанс да предизвикат искрене, за разлика от четковите двигатели, правейки ги по-подходящи за среди с избухливи химикали и горива.

Те също са много тихи двигатели, което е едно предимство, ако се използват в техника, която се влияе от вибрации.

Модерните постояннотокови безчеткови двигатели варират като мощност от части от ват до стотици киловати. По-големите безчеткови двигатели до около 100kW се използват в електрическите превозни средства. Те също намират значително приложение във високопроизводителните електрически модели на самолети.
Постояннотокови двигатели без сърцевина

Нищо в конструкцията на двигателите, описани по-горе не изисква желязната (стоманена) част от ротора да се върти, въртящ момент се упражнява само върху намотките на електромагнитите. Вземайки предимство от този факт е постояннотоковия двигател без сърцевина. Оптимизирани за резки ускорения, тези двигатели имат ротор който е конструиран без каквато и да било желязна сърцевина. Ротора може да приеме формата на цилиндър, напълнен с намотки или самоподдържаща се структура, съдържаща само проводник и крепежен материал. Роторът може да се разположи вътре в статорните магнити (магнитно мек неподвижен цилиндър вътре в ротора осигурява обратния път за статорния магнитен поток). Друго разполагане е, когато кошът на роторните намотки обхваща статорните магнити. При този дизайн роторът е разположен вътре в един магнитно мек цилиндър, който може да служи и като корпус на двигателя, а също и осигурява обратния път за магнитния поток.

Понеже роторът е много по-лек (като маса), отколкото обикновения ротор, формиран от медни намотки върху ламели от стомана, роторът може да ускорява по-бързо, често постигайки механична времеконстанта под 1 ms. Това е вярно, особено ако се ползват алуминиеви проводници вместо медни. Но понеже няма масата на метала в ротора, който има ролята на радиатор, даже малки двигатели без сърцевина често трябва да бъдат охлаждани принудително чрез въздух.

Едно от приложенията на тези двигатели без сърцевина е при бързото позициониране на главите в харддисковите устройства.

Доста уникален дизайн на двигател с форма на „палачинка” (pancake) или с печатна арматура (котва), който има намотки, оформени като диск, движещ се между масив от магнити с голям магнитен поток, подредени в кръг и ориентирани към ротора, формиращи аксиална въздушна междина. Този дизайн е общо известен като плосък двигател (pancake motor) поради неговия изключително плосък профил.

Печатната арматура (оригинално формирана върху печатна платка) в двигателите с печатна арматура е изработена от перфорирани медни листове, които са ламинирани заедно, използвайки композити, за да формират тънък твърд диск. Печатната арматура е с уникална конструкция в света на четковите двигатели, поради това, че в нямат отделен комутаторен пръстен. Четките се движат директно върху повърхността на арматурата, правейки целия дизайн много компактен.

Един алтернативен метод за производство е да се използват намотки от плоско навит меден проводник във формата на цвете или венчелистче, лежащи в една равнина с централен обикновен комутатор. Намотките обикновено се стабилизират чрез импрегниране със специални епоксидни смоли, издържащи до 180°C.

Тези двигатели са били първоначално изобретени да задвижват ролките на магнитни лентови устройства в компютърната индустрия. Плоските двигатели все още се ползват широко във високопроизводителни серво-контролирани системи, системи на хуманоидни роботи, индустриална автоматика и медицински устройства. Благодарение на разнообразието от конструкции, технологията се използва в различни приложения - от високотемпературни военни приложения до нискоценови помпи и прости серво приложения.

Вариант на постояннотоковият двигател е универсалният двигател.

Един серийно навит двигател е наричан универсален, когато той е бил проектиран да работи с постояннотоково или променливотоково захранване. Името произлиза от факта, че той може да се захрани от постоянен или променлив ток, но в практиката обикновено се захранват с променлив ток. Принципът се състои в това, че при постояннотоковия двигател в статора и в котвата (от там сумарният магнитен поток) ще се сменят по едно и също време (обратна поляризация) и механичната сила, която се създава, е винаги в една и съща посока. В практиката, двигателят трябва да е специално проектиран, така че да може да се захранва от променлив ток (съпротивлението трябва да бъде предвидено, както и големината на пулсация). Резултантният двигател е по-малко ефективен от еквивалентния чист постояннотоков двигател. Работейки при нормална честота на захранващата мрежа, рядко се срещат двигатели с изходна мощност, надминаваща един киловат. Универсалните двигатели са в основата на традиционната железница с електрически локомотиви. В това си приложение, за да запазят високата си ефективност, често те работят при нискочестотно променливотоково захранване с 25 и 16 2/3 Hz.

Предимството на универсалният двигател е, че могат да се захранват от променлив ток и да имат характеристиките на постояннотоков двигател, по-специално голям начален въртящ момент и малки размери при високи скорости на въртене. Отрицателен аспект е поддръжката и малкият им живот заради комутатора. Затова такива двигатели се използват в променливотокови устройства като домакински миксери и ръчни инструменти, които се ползват с прекъсване и които често имат изискване за висок стартов въртящ момент. Контрол на скоростта на универсалният двигател с променливотоково захранване лесно се осъществява с тиристорна схема, докато стъпков (непрецизен) контрол може да се осъществи използвайки междинни изводи от статорната намотка. Домакинските блендери, които предлагат много скорости, често комбинират една статорна намотка с няколко извода и един диод, който може да се свърже последователно с двигателя (предизвиквайки двигателя да работи с едно-полупериодно изправено променливо захранване).

Универсалните двигатели общо работят при високи скорости, правейки ги използваеми в приложения като например в бледндери, прахосмукачки, сешоари и др., където се изисква работа с високи обороти. Те също широко се използват в портативни механични инструменти като бормашини, кръгови и ножови триони, където характеристиките на двигателя работят добре.

Двигателя може да се повреди при превишаване на скоростта на въртене, за която са проектирани, ако работи без съществено натоварване. При по-големите двигатели внезапна загуба на натоварване се избягва, а вероятността за възникване на такова събитие е предвидена в защитите на двигателя и в управляващите схеми.

Целта на настоящата дипломна работа е да се разработят симулационни модели на MATLAB за различни видове управление за постояннотоков двигател.

За постигането на зададената цел е необходимо решаването на следните по-важни задачи:

- да се направи литературна справка за историческото развитие на електрическите двигатели;

- да се направи класификация на основните типове електрически двигатели според техните предимства, недостатъци, области на приложение и вида на прилаганото към тях захранване;

- да се опише принципът на работата на постояннотоковите електрическите двигатели и да се представят особеностите им, техните предимства, недостатъци и области на приложение, свързани с разликите в конструкцията им;

- да се представят основните понятия, видове характеристики, зависимости и схеми на включване на постояннотоковите двигатели;

- да се представят различни методи и схеми за постигане на управление върху изходните параметри при работата с постояннотокови двигатели;

- да се представят математически модели за симулиране на постояннотоков двигател, заложени в MATLAB 6.5 и да се опише начина за работа с тях;

- да се представят алтернативни математически модели на постояннотокови двигатели;

- да се разработят симулационни схеми на системи за управление на постояннотокови двигатели и да се анализира работата им – реостатно управление, фазо-импулно управление и управление чрез ШИМ.