Меню

Электромеханические системы постоянного тока

Введение. Электромеханические системы

Электромеханические системы

Л. В. Хоперскова

Л.В. Хоперскова. Электромеханические системы: Учебное пособие /ВолгГТУ. — Волгоград, 2002. — 69 с.

В пособии рассматриваются вопросы, связанные с изучением принципа работы и расчетами рабочих характеристик и различных электромеханических устройств.

Предназначено для студентов машиностроительных специальностей.

Ил. 19. Табл. 1. библиогр.: 8 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета.

Рецензенты: Н. И. Батченко

JSBN 5-230-03704-0 © Волгоградский

Электрические машины имеют чрезвычайно широкое распространение. Они применяются в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, в энергетике, на транспорте, морском и речном флоте, в авиации, медицине, быту и т. д. В связи с этим существует большое разнообразие электрических машин. Они различаются по принципу действия, роду потребляемого тока, мощности, частоте вращения, режимам работы. Несмотря на конструктивные различия, любая электрическая машина является электромеханическим преобразователем, который может превращать механическую энергию в электрическую или наоборот — электрическую в механическую. Те электрические машины, в которых происходит преобразование механической энергии в электрическую, называются электрическими генераторами, а машины, в которых совершается обратное преобразование, называются электрическими двигателями.

В электрической машине взаимное преобразование механической и электрической энергии может происходить в любом направлении, т. е. одна и та же машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Это будет зависеть от того, какая энергия к машине подводится и какая снимается. В этом заключается принцип обратимости электрических машин. Однако для наиболее эффективного использования каждая электрическая машина, выпускаемая заводом-изготовителем, проектируется и предназначается для одного определенного режима работы (двигателем или генератором).

По роду тока электрические машины подразделяются на машины постоянного тока и машины переменного тока.Особенностью большинства машин постоянного тока является наличие у них специального механического переключающего устройства — коллектора. Машины переменного тока подразделяются на асинхронные и синхронные. В тех и других машинах возникает вращающееся магнитное поле. У асинхронных машин частота вращения ротора отличается от частоты вращения поля, а у синхронных машин эти частоты равны.

К электрическим машинам принято относить также трансформаторы. Строго говоря, трансформатор не является электрической машиной, так как в нем не происходит превращение одного вида энергии в другой. В трансформаторе электрическая энергия одного напряжения преобразуется в электрическую энергию другого напряжения. При этом часть потребляемой энергии преобразуется в тепло (расходуется на нагрев сердечника и проводников обмоток). С этой точки зрения трансформатор является типичным потребителем энергии. Вырабатывать энергию он не может, т. е. не является ее источником. Однако физические процессы, происходящие в трансформаторе, имеют много общего с процессами, происходящими во вращающихся электрических машинах. Изучение конструкции и основ теории трансформаторов важно не только само по себе, но и является той базой, на основе которой изучаются асинхронные и синхронные машины.

Для практического применения, правильного подключения, выбора и оптимальной эксплуатации электрических машин важно не только хорошо представлять принцип их работы, но и получать рабочие характеристики устройств, используя их паспортные данные.

Сведения об электромагнитных устройствах сосредоточены в специальных каталогах и справочниках. Кроме того, каждая электрическая машина имеет паспортную табличку, выбитую на металлической пластине и прикрепленную к корпусу. В этой табличке указаны тип машины и ее номинальные данные, характеризующие основные энергетические показатели и условия работы, на которые она рассчитана. К ним относятся : мощность, напряжение, частота вращения, частота переменного тока, коэффициент полезного действия (КПД), число фаз, коэффициент мощности, режим работы и т. д. Термин “номинальный” можно применять и к величинам, не приведенным в паспортной табличке, но относящимся к ее номинальному режиму, например, номинальный вращающий момент, номинальное скольжение и т. д.

Важнейшим номинальным параметром электрической машины является номинальная мощность, то есть мощность, на которую рассчитана данная машина по условиям нагревания и безаварийной работы в течение установленного срока службы. Для электрических двигателей под номинальной мощностью понимают полезную механическую мощность на валу, выраженную в ваттах или в киловаттах; для генераторов постоянного тока — полезную электрическую мощность на зажимах машины (в ваттах или киловаттах); для генераторов переменного тока — полную электрическую мощность на зажимах (в вольт-амперах или киловольт-амперах). Номинальные мощности всех видов электрических машин и трансформаторов стандартизованы; также стандартизованы номинальные частоты вращения электрических машин.

Электрические машины могут работать и при неноминальных условиях (например, пониженное или повышенное напряжение или ток, отличная от номинальной мощность и т. д.) В этих случаях энергетические показатели отличаются от паспортных данных. Например, при нагрузке трансформатора ниже оптимальной его КПД резко падает. При нагрузках больше номинальной появляется опасность чрезмерного повышения температуры частей электрической машины, в первую очередь обмоток, что может привести к преждевременному выходу из строя изоляции обмоток и, следовательно, всей машины.

Как правило, электрический двигатель представляет собой основной элемент электропривода, являясь электромеханическим преобразователем энергии. От электродвигателя механическая энергия через передаточное устройство (механическое, гидравлическое, электромагнитное) передается на исполнительный орган рабочей машины, за счет чего он и совершает механическое движение. Таким образом, и электропривод сам по себе является электромеханической системой, состоящей из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенной для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением. При питании электрических частей электропривода для понижения или повышения напряжения используются такие электромагнитные устройства, как трансформаторы.

Целью данного пособия является установить основные закономерности в работе электромеханических и электромагнитных преобразователей, привести основные характеристики и параметры электрических машин и трансформаторов, обрисовать круг проблем при их эксплуатации.

Пособие предназначено для студентов машиностроительных и других инженерных специальностей, обучающихся по дневной или заочной формам.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА

Электропривод постоянного тока

История привода постоянного тока.

1. Генератор — двигатель.

2. ЭМУ – двигатель

3. Полупроводниковый преобразователь(транзисторный)– двигатель

4. Тиристорный – преобразователь – двигатель

5. IGBT транзисторный преобразователь- двигатель

С цифровым управлением.

(Insulated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором)

Цифровой управляемый выпрямитель – двигатель

6. Специализированный контроллер – вентильный двигатель

Как следует из вышесказанного, центральное место среди всех устройств автоматики занимает электропривод, а главным его элементом является двигательное устройство (исполнительное устройство). Исторически сложилось так, что самым широко распространенным исполнительным устройством систем автоматического управления является электродвигатель. В приборостроении речь идет о микродвигателях или электрических микромашинах. Рассмотрим, какие же требования предъявляются к микромашинам систем автоматики приборного типа. Различают две группы требований.

1. Общие требования:

— высокие энергетические показатели — коэффициент полезного действия и коэффициент мощности;

— простота конструкции и технологии изготовления;

— стабильность выходных характеристик;

— линейность характеристик и широкий диапазон регулирования.

2. Требования в зависимости от области применения и условий эксплуатации:

— минимальные габариты и вес при заданных выходных параметрах;

— устойчивость к вибрациям и ударным нагрузкам;

— климатическая и радиационная устойчивость;

— низкий уровень создаваемых шумов (акустических и электромагнитных).

Все приведенные требования, как правило, учитываются при выборе типа исполнительного устройства, при решении любой конкретной задачи.

Электродвигатели

Электродвигатели, применяемые в системах автоматики и телемеханики, вычислительной техники, имеют номинальную механическую мощность от сотых долей ватта, примерно, до

По конструкции и принципу действия их подразделяют на коллекторные, асинхронные и синхронные.

Читайте также:  Датчики наличия напряжения постоянного тока

Коллекторные двигатели бывают:

1) постоянного тока;

2) переменного тока;

3) универсальные, способные работать как от сети постоянного тока, так и от сети переменного тока.

По конструкции якоря коллекторные микродвигатели постоянного тока делятся на три группы: 1) с барабанным якорем;

2) с полым немагнитным якорем; 3) с дисковым якорем. Наряду с микродвигателями со скользящим контактом коллектор — щетки распространены бесконтактные двигатели постоянного тока.

Асинхронные двигатели в системах автоматики применяются в трех вариантах: 1) с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка»;

2) с полым немагнитным ротором; 3) с полым магнитным ротором.

Синхронные двигатели используются в тех случаях, когда требуется строгое постоянство скорости вращения. Наибольшее распространение в автоматике получили реактивные, гистерезисные и двигатели с активным ротором.

Двигатели постоянного тока

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ПУСК И РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изменение направления вращения

Для того чтобы изменить направление вращения (выполнить реверс) нужно поменять знак электромагнитного момента на противоположный. Это возможно осуществить двумя способами:

1. Изменением направления тока якоря.

2. Изменением направления магнитного потока, т.е. тока возбуждения.

Практически это делается изменением полярности напряжения, подаваемого на обмотки.

Для противо-ЭДС с большой степенью точности можно записать

где kэмеФ – электромагнитный коэффициент

Дифференциальное уравнение движения вала двигателя имеет вид

где J — момент инерции вращающихся частей, приведенный к валу двигателя,

Мс — статический момент или момент сопротивления (в общем случае равен сумме нагрузочного момента и момента трения двигателя).

На первом этапе будем считать , что статическим моментом можно пренебречь (т.е. пусть Мс=0), тогда получим

где kэммФ – электромагнитный коэффициент.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА

Предмет изучения курса «Электромеханические системы и устройства»

Электромеханические системы занимают центральное место в подавляющем большинстве технических систем. Основная определяющая их функция — преобразование электрической энергии в управляемую механическую. Т.е. они обеспечивают возможность регулирования параметров механического движения объектов управления (скорость, ускорение, угловое или линейное перемещение, сила, момент и др.). Как правило, данная функция должна выполняться автоматически.

В промышленности, науке, в быту используются разнообразные машины, механизмы и устройства, которые облегчают деятельность человека, повышают производительность и качество, уровень безопасности и комфортности и т.д. Приведем несколько примеров:

в промышленности — приводы станков, бумагоделательных машин, подъемно-транспортного оборудования и др.

в научных исследованиях — приводы и следящие системы телескопов, системы пространственного управления лазерным излучением, прецизионные микроподвижки и т.д.

в быту — кондиционеры, пылесосы, стиральные и посудомоечные машины.

В данном курсе студенты должны познакомиться с основными типами электромеханических систем и устройств и входящими в их состав элементами, изучить принцип действия и их основные характеристики, получить необходимые знания и практические навыки по расчету и выбору исполнительных устройств, по способам управления ими и их математическому моделированию.

Все технические средства автоматики можно представить в виде иерархической структуры, состоящей из трех уровней:

1. Системы управления и автоматического регулирования (высший уровень).

2. Автоматические регуляторы, следящие приводы и подсистемы (средний уровень).

3. Элементы и устройства подсистем, регуляторов, приводов и систем автоматического управления (нижний уровень).

Предметом изучения данного курса является нижний — базовый

уровень элементной базы систем автоматического управления.

В настоящее время разрабатывается и выпускается огромное разнообразие электромеханических устройств и элементов, выполняющих одни и те же функции, но отличающихся по принципу действия, конструктивному исполнению, способам управления и т.д.

Будущим специалистам по разработке и эксплуатации систем автоматического управления необходимо не только хорошо знать элементную базу, но и уметь выбирать из нее самые рациональные варианты решений с учетом условий работы и предъявляемым техническим требованиям.

Рассмотрим два классических примера автоматических электромеханических систем.

Следящая система «угол-угол». Обеспечивает автоматическую отработку угла поворота объекта управления (антенна радиолокационной станции, видеокамера) по заданию оператора. Функциональная схема такой системы приведена на Рисунок1.

Система работает следующим образом. Оператор с помощью

задающего устройства (ЗУ) вводит угол a, на который нужно повернуть объект управления (ОУ). ЗУ поворачивает на заданный угол входную ось датчика угла рассогласования (ДУ), который может быть реализован, например, на сельсинах или поворотных трансформаторах (один механически связан с задающим устройством, а второй с осью вращения объекта управления, а между собой они связаны электрически). В первый момент угол поворота ОУ b отличается от угла задания a. На выходе ДУ возникает напряжение Uab, пропорциональное разности этих двух углов, которое подается на вход уcилительно-преобразовательного устройства (УПУ). УПУ выполняется обычно на полупроводниковых и интегральных элементах, его состав и структура определяются выбором типа исполнительного двигателя (Д). В конечном итоге УПУ должно обеспечить усиление сигнала рассогласования по мощности, достаточной для управления двигателем.

Под действием сигнала рассогласования двигатель начинает вращаться.

Начинает вращаться и объект управления, который механически связан через понижающий редуктор (Р) с валом двигателя. При этом разность углов a и b уменьшается, а в момент, когда она будет равна нулю, происходит остановка двигателя, так как Uab тоже будет равно нулю. Таким образом, ОУ повернется на заданный угол a.

Следящая система «угол-угол» по своему функциональному назначению и составу элементов является характерным примером электромеханических систем автоматического управления.

Другим примером может быть система автоматической стабилизации скорости вращения электродвигателя, широко используемая в том или ином исполнении во многих сложных технических устройствах. Функциональная схема системы стабилизации скорости приведена на рисунке 1.2.

Система стабилизации предназначена для поддержания заданной скорости вращения двигателя вне зависимости от изменений нагрузки (момента нагрузки на валу двигателя) и других внешних возмущающих факторов. В отличие от первого примера, в данной системе реализуется отрицательная обратная связь по скорости вращения двигателя. Для этой цели служит тахогенератор (ТГ), представляющий собой электромашинный преобразователь скорости вращения в пропорциональное ей электрическое напряжение. ТГ располагается на одной оси с двигателем (целый ряд современных двигателей содержат встроенный тахогенератор), а двигатель через редуктор связан с исполнительным органом (ИО), который необходимо вращать с постоянной заданной скоростью. Как и в первом примере здесь реализован принцип регулирования по отклонению. При отклонении скорости вращения ИО от заданной, в силу указанных выше причин, УПУ формирует сигнал рассогласования и подает его на управление двигателем, который изменяет скорость вращения, сводя это рассогласование к минимальному значению.

Анализируя состав и структуру рассмотренных систем можно увидеть в них много общего и сделать вывод о наличии некоторого базового комплекса элементов и устройств присущего электромеханическим системам. Этот комплекс называется — электроприводом. В его состав могут входить электромашинные устройства различного назначения (двигатели, преобразователи, генераторы и т.д.), электронные устройства (усилители, широтно-импульсные преобразователи, модуляторы и демодуляторы и т.д.) и

механические преобразовательные устройства (редукторы, винтовые и червячные передачи и др.).

Современный электропривод является индивидуальным автоматизированным электроприводом. Он включает в себя систему автоматического управления (САУ), которая в простейшем случае осуществляет пуск и останов электродвигателя, а в более сложных случаях управляет технологическим процессом приводимого в движение исполнительного механизма.

Мощность автоматизированного электропривода охватывает диапазон от нескольких долей ватта до десятков тысяч киловатт.

Автоматизированный электропривод делится на управляемый и неуправляемый, постоянного, переменного тока, транзисторный и тиристорный. До недавнего времени в качестве регулируемого электропривода применялся электропривод постоянного тока. В последние годы значительные успехи в силовой преобразовательной технике привели к созданию надежных регулируемых транзисторных и тиристорных электроприводов переменного тока. Так как двигатели переменного тока имеют неоспоримые преимущества перед двигателями постоянного тока (они значительно дешевле, надежнее, имеют лучшие массогабаритные показатели и относительно простую конструкцию) в ближайшие годы ожидается бурное развитие управляемого электропривода переменного тока. Этому способствует широкое внедрение в управляемый электропривод микропроцессорной техники.

Читайте также:  В чем вымеряется сила тока

Стремление к упрощению кинематических цепей машин и механизмов привело к созданию безредукторных электроприводов, которые по сравнению с редукторными обладают большей надежностью и быстродействием, технологичнее в изготовлении. Предельно упрощает кинематику машин применение управляемого электропривода на базе линейных электрических машин постоянного и переменного тока. При этом создаются максимальные удобства для оптимального конструирования машин с поступательным движением рабочих органов.

Приведем обобщенную функциональную схему электропривода, которая содержит все возможные устройства и поясняет их взаимодействие и взаимовлияние. Обобщенная функциональная схема электропривода приведена на рисунке 2.1, где ИЭ — источник энергии (промышленная электросеть, электромашинный генератор, аккумулятор), ЭПУ — электрическое преобразовательное устройство (управляемый выпрямитель, широтно-импульсный преобразователь, электронный или электромашинный усилитель), ДУ — двигательное устройство (электродвигатель, пьезоэлектрический или магнитострикционный двигатель, электромагнитный двигатель),

МПУ-механическое преобразовательное устройство (редуктор, шарико-винтовая или червячная передача, кинематическая передача), ИО- исполнительный орган рабочей машины (турбина, вентилятор, оптические элементы приборов), УУ- устройство управления

(микропроцессор, управляющая ЭВМ), ЗУ — задающее устройство (ЭВМ, аналоговое устройство), ДПИ — датчики преобразователи информации (тахогенератор, термопара, индуктивные и емкостные датчики), сплошными одинарными стрелками обозначены аналоговые электрические сигналы постоянного иди переменного тока, пунктирные стрелки обозначают сигналы, наличие которых или отсутствие, а также форма определяются условиями конкретной технической системы, двойные стрелки обозначают механические связи.

Функции, выполняемые устройствами, входящими в состав электропривода:

ИЭ -обеспечение электропитанием всех элементов и устройств электропривода;

ЭПУ- преобразует сигнал управления в форму требуемую данным двигательным устройством;

ДУ — преобразует электрическую энергию в механическую;

МПУ — обеспечивает изменение параметров вырабатываемой ДУ механической энергии;

ИО — выполняет заданные функции;

УУ-вырабатывает сигнал управления в функции задающего сигнала и различных дополнительных электрических сигналов, содержащих информацию о процессе преобразования энергии, реальных параметрах механического движения ДУ и ИО, кроме того, обеспечивает защиту и блокировку всех электромеханических устройств, входящих в составу электропривода.

ЗУ — формирует сигнал задания на УУ.

ДПИ — датчики-преобразователи информации служат для измерения различных координат электропривода (скорость вращения, ток, угол поворота и др.) и преобразования их в электрические сигналы одинакового вида.

Основными элементами электропривода являются электрические машины, которые могут выполнять функции двигательных устройств, источников энергии, датчиков преобразователей информации.

Источник

Электромеханические свойства двигателей постоянного тока

Электромеханические свойства двигателей постоянного токаДвигатели постоянного тока с плавным регулированием частоты вращения находят применение в приводах различных машин, станков и установок. Наряду с широким пределом регулирования частоты вращения они дают возможность получать механические характеристики различной (требуемой) жесткости.

Из курса электротехники известно, что уравнение механической характеристики [ n =f(M) ] можно записать в виде

где коэффициенты Се и См зависят от конструктивных данных двигателя; U — напряжение сети; Ф — магнитный поток двигателя; R — сопротивление цепи якоря.

Формула показывает, что если U, R и Ф постоянны, механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения представляет прямую линию (рис.). Если в цепи якоря нет сопротивлений, то механическая характеристика естественная (прямая 1, рис.а). Точка А соответствует номинальной частоте вращения n н, а n o называют частотой идеального холостого хода. Жесткость характеристики определяется сопротивлением двигателя R’, куда входит сопротивление обмотки якоря, дополнительных полюсов, компенсационной обмотки, щеток. Влияние сопротивления в цепи якоря на характеристику иллюстрируется прямыми 2 и 3 (см. рис.а).

Механические характеристики двигателей постоянного тока

Рис. 1. Механические характеристики двигателей постоянного тока: а — при изменении сопротивления в цепи ротора, б — при изменении напряжения в цепи якоря двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, в — при регулировании частоты вращения шунтированием обмотки возбуждения двигателя с последовательным возбуждением, г — при различных режимах торможения.

Формула позволяет оценить влияние напряжения U и потока Ф. При изменении U механическая характеристика двигателя с независимым возбуждением смещается параллельно естественной (рис.б); частота вращения холостого хода при постоянных R и U изменяется обратно пропорционально потоку.

Из формулы при n = 0 имеем

т. е. пусковой момент пропорционален потоку.

Таким образом, частота вращения двигателя может регулироваться изменением магнитного потока, напряжения, подводимого к обмотке якоря, введением сопротивлений в цепь якоря.

Регулирование частоты вращения двигателя изменением Ф применяют довольно часто, так как регулирование происходит плавно, без больших потерь энергии, поддается автоматизации. Диапазон регулирования в сторону увеличения частоты вращения не превышает 1:4, его можно расширить введением небольшой стабилизирующей обмотки последовательного возбуждения наряду с обмоткой дополнительных полюсов.

Регулирование частоты вращения изменением напряжения, подаваемого в цепь якоря двигателя, широко используют у двигателя независимого возбуждения (рис.б). В настоящее время выпускают двигатели с диапазоном регулирования до 1:8, диапазон увеличивается при применении тиристорных преобразователей.

Источник



Электрический двигатель постоянного тока

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

Схематическое изображение простейшего ДПТ

  1. Двух обмоток с сердечниками, соединенных последовательно. Данная конструкция расположена на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
  2. Двух постоянных магнитов, повёрнутых разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу неподвижного статора.
  3. Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу ДПТ.
  4. Двух неподвижных контактных элементов (щёток), предназначенных для передачи электротока через коллектор до обмоток возбуждения.

Рисунок 1. Схематическое изображение простейшего электродвигателя постоянного тока.

Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

  • с независимым возбуждением обмоток;
  • соединение параллельно обмоткам якоря;
  • варианты с последовательным возбуждением катушек ротора и статора;
  • смешанное подсоединение.

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Схемы подключения обмоток статора

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.

Читайте также:  Максимальная токовая защита линии отстраивается от тока

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.

В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.

Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.

Ротор с тремя обмоткамиРисунок 3. Ротор с тремя обмотками Якорь со многими обмоткамиРисунок 4. Якорь со многими обмотками

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Схема электромотора с многообмоточным якорем

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.

Принцип работы

Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Принцип работы ДПТ

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Управление

Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

Примеры механических характеристик ДПТ

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Регулировочная характеристика ДПТ

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

Области применения

Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:

  • бытовые и промышленные электроинструменты;
  • автомобилестроение – стеклоподъёмники, вентиляторы и другая автоматика;
  • трамваи, троллейбусы, электрокары, подъёмные краны и другие механизмы, для которых важны высокие параметры тяговых характеристик.

Преимущества и недостатки

К достоинствам относится:

  • Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;
  • Легко регулируемая частота вращения;
  • хорошие пусковые характеристики;
  • компактные размеры.

У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.

Недостатки:

  • ограниченный ресурс коллектора и щёток;
  • дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
  • ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
  • дороговизна в изготовлении якорей.

По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

Видео в дополнение к написанному



Источник