Двигателей постоянного тока

Двигателей постоянного тока

Двигатель постоянного тока нашел широкое применение в различных областях деятельности человека. Начиная от использования тягового привода, применяемого в трамваях и троллейбусах , заканчивая приводом прокатных станов и подъемных механизмов, где требуется поддержание высокой точности скорости вращения.

Основные положительные особенности , которые отличают ДПТ от асинхронного двигателя:

— гибкие пусковые и регулировочные характеристики;
— двухзонное регулирование, которое позволяет достигать скорости вращения более 3000 об/мин.
— сложность в изготовлении и высокая стоимость;
— в процессе работы необходимо постоянное обслуживание, так как коллектор и токосъемные щетки имеют небольшой ресурс работы.

Двигатель постоянного тока применяют только тогда, когда применение двигателя переменного тока невозможно или крайне нецелесообразно. В среднем, на каждые 70 двигателей переменного тока приходится всего лишь 1 ДПТ.

Конструкция ДПТ

Двигатель постоянного тока состоит из:

— индуктора (статора);
— якоря (ротора);
— коллектора;
— токосъемных щеток;
— конструктивных элементов.

Якорь и индуктор разделены между собой воздушным зазором. Индуктор представляет из себя станину, которая служит для того, чтобы закрепить основные и добавочные полюса магнитной системы двигателя. На основных полюсах располагаются обмотки возбуждения, а на добавочных – специальные обмотки, которые способствуют улучшению коммутации.

Коллектор подводит постоянный ток к рабочей обмотке, которая уложена в пазы ротора. Коллектор имеет вид цилиндра и состоит из пластин, изолированных друг от друга, он насажен на вал двигателя. Щетки служат для съема тока с коллектора, они крепятся в щеткодержателях для обеспечения правильного положения и надежного нажатия на поверхность коллектора.

Рисунок 1 – Конструкция двигателя постоянного тока

Двигатели постоянного тока классифицируют по магнитной системе статора:

2) ДПТ с электромагнитами :

— ДПТ с независимым возбуждением;
— ДПТ с последовательным возбуждением;
— ДПТ с параллельным возбуждением;
— ДПТ со смешанным возбуждением.

Рисунок 2 – Схемы подключения двигателя постоянного тока

Схема подключения обмоток статора существенно влияет на электрические и тяговые характеристики привода.

Пуск двигателя постоянного тока

Пуск двигателя постоянного тока производят с помощью пусковых реостатов, которые представляют собой активные сопротивления, подключенные к цепи якоря. Выполняют реостатный пуск по двум причинам:

— при необходимости плавного разгона электродвигателя;
— в начальный момент времени, пусковой ток Iп = U / Rя очень большой, что вызывает перегрев обмотки якоря (которая имеет малое сопротивление).

Рисунок 3 – Реостатный пуск двигателя с 3 ступенями

В начале запуска к цепи ротора подключаются все сопротивления, и по мере увеличения скорости они ступенчато выводятся.

Регулирование скорости вращения

Частота вращения двигателя постоянного тока выражается формулой:

Это выражение так же называется электромеханической характеристикой ДПТ, в которой:

U – питающее напряжение;
Iя – ток в якорной обмотке;
Rя – сопротивление якорной цепи;
k – конструктивный коэффициент двигателя;
Ф – магнитный поток двигателя.

Формула момента двигателя:

Подставив в формулу электромеханической характеристики, получим:

Таким образом, исходя из приведенных формул, сделаем вывод, что скорость вращения ДПТ можно регулировать, изменяя сопротивление якоря, питающее напряжение и магнитный поток.

Электродвигатели постоянного тока. Устройство и работа. Виды

Электрические двигатели, приводящиеся в движение путем воздействия постоянного тока, применяются значительно реже, по сравнению с двигателями, работающими от переменного тока. В бытовых условиях электродвигатели постоянного тока используются в детских игрушках, с питанием от обычных батареек с постоянным током. На производстве электродвигатели постоянного тока приводят в действие различные агрегаты и оборудование. Питание для них подводится от мощных батарей аккумуляторов.

Устройство и принцип работы

Электродвигатели постоянного тока по конструкции подобны синхронным двигателям переменного тока, с разницей в типе тока. В простых демонстрационных моделях двигателя применяли один магнит и рамку с проходящим по ней током. Такое устройство рассматривалось в качестве простого примера. Современные двигатели являются совершенными сложными устройствами, способными развивать большую мощность.

Главной обмоткой двигателя служит якорь, на который подается питание через коллектор и щеточный механизм. Он совершает вращательное движение в магнитном поле, образованном полюсами статора (корпуса двигателя). Якорь изготавливается из нескольких обмоток, уложенных в его пазах, и закрепленных там специальным эпоксидным составом.

Статор может состоять из обмоток возбуждения или из постоянных магнитов. В маломощных двигателях используют постоянные магниты, а в двигателях с повышенной мощностью статор снабжен обмотками возбуждения. Статор с торцов закрыт крышками со встроенными в них подшипниками, служащими для вращения вала якоря. На одном конце этого вала закреплен охлаждающий вентилятор, который создает напор воздуха и прогоняет его по внутренней части двигателя во время работы.

Принцип действия такого двигателя основывается на законе Ампера. При размещении проволочной рамки в магнитном поле, она будет вращаться. Проходящий по ней ток создает вокруг себя магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем, что приводит к вращению рамки. В современной конструкции мотора роль рамки играет якорь с обмотками. На них подается ток, в результате вокруг якоря создается магнитное поле, которое приводит его во вращательное движение.

Для поочередной подачи тока на обмотки якоря применяются специальные щетки из сплава графита и меди.

Выводы обмоток якоря объединены в один узел, называемый коллектором, выполненным в виде кольца из ламелей, закрепленных на валу якоря. При вращении вала щетки по очереди подают питание на обмотки якоря через ламели коллектора. В результате вал двигателя вращается с равномерной скоростью. Чем больше обмоток имеет якорь, тем равномернее будет работать двигатель.

Щеточный узел является наиболее уязвимым механизмом в конструкции двигателя. Во время работы медно-графитовые щетки притираются к коллектору, повторяя его форму, и с постоянным усилием прижимаются к нему. В процессе эксплуатации щетки изнашиваются, а токопроводящая пыль, являющаяся продуктом этого износа, оседает на деталях двигателя. Эту пыль необходимо периодически удалять. Обычно удаление пыли выполняют воздухом под большим давлением.

Щетки требуют периодического их перемещения в пазах и продувки воздухом, так как от накопившейся пыли они могут застрять в направляющих пазах. Это приведет к зависанию щеток над коллектором и нарушению работы двигателя. Щетки периодически требуют замены из-за их износа. В месте контакта коллектора со щетками также происходит износ коллектора. Поэтому при износе якорь снимают и на токарном станке протачивают коллектор. После проточки коллектора изоляция, находящаяся между ламелями коллектора стачивается на небольшую глубину, чтобы она не разрушала щетки, так как ее прочность значительно превышает прочность щеток.

Виды
Электродвигатели постоянного тока разделяют по характеру возбуждения:
Независимое возбуждение

При таком характере возбуждения обмотка подключается к внешнему источнику питания. При этом параметры двигателя аналогичны двигателю на постоянных магнитах. Обороты вращения настраиваются сопротивлением обмоток якоря. Скорость регулируют специальным регулировочным реостатом, включенным в цепь обмоток возбуждения. При значительном снижении сопротивления или при обрыве цепи ток якоря повышается до опасных величин.

Электродвигатели с независимым возбуждением запрещается запускать без нагрузки или с небольшой нагрузкой, так как его скорость резко возрастет, и двигатель выйдет из строя.

Читайте также  Оборудования для производства туалетной бумаги
Параллельное возбуждение

Обмотки возбуждения и ротора соединяются параллельно с одним источником тока. При такой схеме ток обмотки возбуждения значительно ниже тока ротора. Параметры двигателей становятся слишком жесткими, их можно применять для привода вентиляторов и станков.

Регулировка оборотов двигателя обеспечивается реостатом в последовательной цепи с обмотками возбуждения или в цепи ротора.

Последовательное возбуждение

В этом случае возбуждающая обмотка подключается последовательно с якорем, в результате чего по этим обмоткам проходит одинаковый ток. Обороты вращения такого мотора зависят от его нагрузки. Двигатель нельзя запускать на холостом ходу без нагрузки. Однако такой двигатель обладает приличными пусковыми параметрами, поэтому подобная схема используется в работе тяжелого электротранспорта.

Смешанное возбуждение

Такая схема предусматривает применение двух обмоток возбуждения, находящихся парами на каждом полюсе двигателя. Эти обмотки можно соединять двумя способами: с суммированием потоков, либо с их вычитанием. В итоге электродвигатель может обладать такими же характеристиками, как у двигателей с параллельным или последовательным возбуждением.

Чтобы заставить двигатель вращаться в другую сторону, на одной из обмоток изменяют полярность. Для управления скоростью вращения мотора и его запуском используют ступенчатое переключение разных резисторов.

Особенности эксплуатации

Электродвигатели постоянного тока отличаются экологичностью и надежностью. Их главным отличием от двигателей переменного тока является возможность регулировки оборотов вращения в большом диапазоне.

Такие электродвигатели постоянного тока можно также применять в качестве генератора. Изменив направление тока в обмотке возбуждения или в якоре, можно изменять направление вращения двигателя. Регулировка оборотов вала двигателя осуществляется с помощью переменного резистора. В двигателях с последовательной схемой возбуждения это сопротивление расположено в цепи якоря и позволяет уменьшить скорость вращения в 2-3 раза.

Этот вариант подходит для механизмов с длительным временем простоя, так как при работе реостат сильно нагревается. Повышение оборотов создается путем включения в цепь возбуждающей обмотки реостата.

Для моторов с параллельной схемой возбуждения в цепи якоря также применяются реостаты для уменьшения оборотов в два раза. Если в цепь обмотки возбуждения подключить сопротивление, то это позволит повышать обороты до 4 раз.

Применение реостата связано с выделением тепла. Поэтому в современных конструкциях двигателей реостаты заменяют электронными элементами, управляющими скоростью без сильного нагревания.

На коэффициент полезного действия мотора, работающего на постоянном токе, влияет его мощность. Слабые электродвигатели постоянного тока обладают малой эффективностью, и их КПД около 40%, в то время, как электродвигатели мощностью 1 МВт могут обладать коэффициентом полезного действия до 96%.

Принцип действия и использование

Это устройство представляет собой электромашину, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что всякий раз, когда проводник, переносимый током, помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу.

Постоянный магнит преобразовывает электрическую энергию в механическую через взаимодействие двух магнитных полей. Одно поле создаётся сборкой постоянными магнитами, другое — электрическим током, протекающим в обмотках двигателя. Эти два поля приводят к крутящему моменту, который имеет тенденцию вращать ротор. Когда ротор вращается, ток в обмотках коммутируется, обеспечивая непрерывный выход крутящего момента.

Коммутатор состоит из проводящих сегментов (стержней) из меди, которые представляют собой завершение отдельных катушек проволоки, распределённых вокруг арматуры. Вторая половина механического выключателя комплектуется щётками. Эти щётки обычно остаются неподвижными с корпусом двигателя.

По мере прохождения электрической энергии через щётки и арматуру создаётся крутильная сила в виде реакции между полем двигателя и якорем, вызывающим поворот якоря двигателя. Когда арматура поворачивается, щётки переключаются на соседние полосы на коммутаторе. Это действие переносит электрическую энергию на соседнюю обмотку и якорь.

Движение магнитного поля достигается переключением тока между катушками внутри двигателя. Это действие называется коммутацией. Очень многие двигатели имеют встроенную коммутацию. Это означает, что при вращении двигателя механические щётки автоматически коммутируют катушки на роторе.

Настройка скорости

ДПТ можно легко регулировать. Скорость можно изменить с помощью следующих переменных:

  1. Напряжение якоря U_A (управление напряжением).
  2. Основной поток поля (полевое управление), сила магнитного поля.
  3. Анкерное сопротивление.

Простейшим методом управления скоростью вращения является управление приводным напряжением. Чем выше напряжение, тем выше скорость, которую двигатель пытается достичь. Во многих приложениях простое регулирование напряжения может привести к большим потерям мощности в цепи управления, поэтому широко используется метод широтно-импульсной модуляции.

В основном способе с широтно-импульсной модуляцией рабочая мощность включается и выключается для модуляции тока. Отношение времени включения к «выключенному» времени определяет скорость двигателя.

Электродвигатель с внешним возбуждением легко контролировать, поскольку токи через обмотки якоря и статора можно контролировать отдельно. Поэтому такие двигатели имели определённое значение, особенно в области высоко динамичных приводных систем, например, для привода станков с точной регулировкой скорости и крутящего момента.

Современное применение

ДПТ используются в различных областях.

Он является важным элементом в различных продуктах:

  1. игрушках;
  2. сервомеханических устройствах;
  3. приводах клапанов;
  4. роботах;
  5. автомобильной электронике.

Высококачественные предметы повседневного назначения (кухонные приборы) используют серводвигатель, известный как универсальный двигатель. Эти универсальные двигатели являются типичными ДПТ, в которых стационарные и вращающиеся катушки представляют собой последовательные провода.

Принцип работы электродвигателя переменного тока

Способ 2. Вращается магнитный поток, т.е. магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле получают с помощью переменного трёхфазного тока. Вот есть статор.

Рис. 6 Статор электродвигателя

А есть значит 3 фазы переменного тока.

Рис. 7

Между ними как видно на Рис. 7 120 градусов, электрических градусов.

Эти три фазы укладывают в статор специальным образом, чтобы они геометрически были повернуты друг к дружке на 120°.

Рис. 8

И тогда при подаче трёхфазного питания получается само собой за счёт складывания магнитных потоков от трёх обмоток вращающееся магнитное поле.

Рис. 9 Вращающееся магнитное поле

Далее вращающееся магнитное поле влияет силой Ампера на нашу рамку и она вращается.

Но здесь есть тоже различия, два разных способа.

Способ 2а. Рамка запитывается (синхронный двигатель).

Подаём значит на рамку напряжение (постоянное), рамка выставляется по магнитному полю. Помните рис.1 из самого начала? Вот так рамка и становится.

Рис. 10 (Рис.1)

Но поле магнитное у нас тут вращается, а не просто так висит. Рамка чего будет делать? Тоже будет вращаться, следуя за магнитным полем.

Они (рамка и поле) вращаются с одинаковой частотой, или синхронно, поэтому такие двигатели называются синхронными двигателями.

Способ 2б. Рамка не запитывается (асинхронный двигатель).

Фишка в том, что рамка не запитывается, совсем не запитывается. Просто проволока такая замкнутая.

Когда мы начинаем вращать магнитное поле, по законам электромагнетизма в рамке наводится ток. От этого тока и магнитного поля получается сила Ампера. Но сила Ампера будет возникать только если рамка движется относительно магнитного поля (известная история с опытами Ампера и его походами в соседнюю комнату).

Так что рамка всегда будет отставать от магнитного поля. А то, если она его вдруг почему-то догонит, то пропадёт наводка от поля, пропадёт ток, пропадёт сила Ампера и всё вообще пропадёт. То есть, в асинхронном двигателе рамка всегда отстаёт от поля и частота у них значит разная, то есть вращаются они асинхронно, поэтому и двигатель называется асинхронным.

Читайте также  Пробойник для кожи своими руками

Устройство двигателей постоянного тока

Конструкция двигателя постоянного тока аналогична двигателю переменного тока, но все же имеются существенные различия. На станине 7, которая изготавливается из стали, установлена обмотка возбуждения в виде катушек 6. Между основными полюсами, могут устанавливаться дополнительные полюса 5, для улучшения свойств ДПТ. Внутри устанавливается якорь 4, который состоит из сердечника и коллектора 2, и устанавливается с помощью подшипников 1 в корпус двигателя. Коллектор является существенным отличием от двигателей переменного тока. Он соединяется с щетками 3, что позволяет подавать или в генераторах, наоборот снимать напряжение с якорной цепи.

Работа электродвигателя постоянного тока

Обмотка ротора поддается воздействию потока электроэнергии. Со стороны магнитного поля на данный конструктивный элемент оказывает влияние сила Ампера. В результате образуется крутящий момент, что проворачивает роторную часть на 90 о . Продолжается вращение рабочих валов двигателя за счет образования эффекта коммутации на щеточно-коллекторном узле.

При поступлении электрического тока на ротор, который находится под воздействием магнитного поля индуктора, электродвигатели постоянного тока (12 вольт) создают момент силы, что приводит к выработке энергии в процессе вращения валов. Механическая энергия передается от ротора к прочим элементам системы посредством ременной передачи.

  • С независимым возбуждением – питание обмотки происходит от независимого источника энергии.
  • С последовательным возбуждением – обмотка якоря включена последовательно с обмоткой возбуждения.
  • С параллельным возбуждением – обмотка ротора включена в электрическую цепь параллельно источнику питания.
  • Со смешанным возбуждением – двигатель содержит несколько обмоток: последовательную и параллельную.

Характеристики эл. двигателя

Любой электродвигатель – это оборудование, которым можно и нужно управлять в зависимости от требуемых условий. Регулирование происходит одним из трех основных способов/принципов:

  1. Изменение напряжения, которое подается на обмотки ротора,
  2. Ввод в цепь дополнительного сопротивления,
  3. Изменения возбуждения (величины потока).

Работа эл. двигателя оценивается по графикам характеристик, которые бывают:

  1. Механическими. Представляют собой зависимость частоты/скорости вращения от момента на валу с учетом поправочного коэффициента,
  2. Регулировочными. Зависимость частоты вращения от напряжения в цепи питания обмоток якоря, сопротивления или потока.

На графике механической характеристики откладываются значения частоты вращения (ось ординат) и момента (ось абсцисс). По форме она представляет прямую с отрицательным уклоном. Построение графика происходит для определенной величины напряжения. Базовым уравнением механической характеристики является:

где ω – скорость вращения якоря, U – напряжение якорной цепи, К – конструктивный коэффициент, Ф – значение потока, RЯ – активное сопротивление якорной обмотки, М – электромагнитный момент электродвигателя.

В отличие от нее, график регулировочной характеристики строится для определенного момента на валу (ось абсцисс). На оси ординат по-прежнему находится частота. Для каждого из видов регулирования электродвигателя, уравнение будет иметь отдельную форму:

  1. Уравнение при регулировании напряжением:
  2. Уравнение при реостатном регулировании (сопротивлением):
  3. Уравнение при потоковом регулировании:

Сравнительный вид графиков представлен ниже:

Также следует напомнить, что механические характеристики могут быть естественными (снятые при номинальном режиме) или искусственными (получаются при изменении напряжения, сопротивления или потока).

ДПТ, как и любой современный мотор, работает на основе «Правила левой руки», с которым все знакомы еще со школы и закона Фарадея. При подключении тока к нижней обмотке якоря в одном направлении, а к обмотке верхней – в другом, якорь начинает вращаться, а уложенные в его пазах проводники – выталкиваться магнитным полем статора или обмоток корпуса двигателя постоянного тока. Вправо выталкивается нижняя часть, а влево – верхняя. В результате якорь вращается до тех пор, пока его части не поменяются местами. Чтобы добиться непрерывного вращения, необходимо полярность обмотки якоря регулярно менять местами. Как раз этим и занимается коллектор, коммутирующий при вращении обмотки якоря. На коллектор от источника подается напряжение через пару прижимных щеток из графита.

Двигатель переменного тока подключается просто, в отличие от ДПТ. Обычно у таких двигателей высокой и средней мощности имеются отдельные выводы в клеммной коробке (от обмотки и якоря). На якорь обычно подается полное напряжение, а на обмотку — ток, регулировать который можно реостатом или напряжением переменным. От величины тока, имеющегося на обмотке возбуждения, прямопропорционально зависят обороты двигателя переменного тока.

В зависимости от того, какая используется схема подключения электродвигателя постоянного тока, двигатель электрический может быть постоянного тока, разделяют на самовозбуждающиеся и с независимым возбуждением (от отдельного источника).

Осуществление переключения и контроля двигателей

Данная разновидность двигателей имеет два режима: они могут быть включёнными, либо отключёнными. Такое переключение делается переключателями, реле, транзисторами или же МОП-транзисторами.

В схеме управления используется биполярный транзистор, он играет ключевую роль в переключении режимов.

Контроль скорости двигателя

Потому как скорость данной разновидности двигателей является пропорциональной напряжению на клеммах, можно использовать транзистор для регулирования напряжения на них. Эти два транзистора подключены как пара для управления током главного ротора.

Регулировка скорости импульса

Скорость вращения данной разновидности электрических двигателей является пропорциональной среднему давлению на второй клемме.

Изменение направления движения двигателя постоянного тока

Есть много преимуществ в управлении скоростью данной разновидности электрических двигателей, но есть один большой недостаток: направление вращения всегда одно и то же. Во многих случаях машина действует по простому принципу, чтобы двигаться вперед и назад. H-мостовая схема двигателя.

Базовая конфигурация четырех переключателей, будь то электромеханические реле или транзисторы, аналогична букве Н с двигателем, расположенным на шине посередине.