Домой Другое Двигатель постоянного тока, устройство и принцип действия

Двигатель постоянного тока, устройство и принцип действия

189
0

2.1. Конструкция ДПТ

Конструктивно ДПТ состоит из статора (неподвижной части) и
ротора или якоря (вращающейся части), помещённого внутри статора. Упрощённо
конструкцию машины можно пояснить с помощью рис.61.

4d4beb9355b83c01acd08e16211efa92.png

Рис. 61. Конструкция ДПТ

Статорсостоит из стальной станины 1, на
внутренней поверхности которой расположены главные полюса, состоящие из
сердечников 2 и катушек возбуждения 3. В нижней части сердечника полюса имеется
полюсный наконечник 4, который обеспечивает нужное распределение магнитной
индукции в воздушном зазоре машины. К станине с торцевых сторон прикреплены
подшипниковые щиты ( на рис. 61 не показаны ), к одному из которых прикреплены
щёткодержатели с металлографитовыми щётками 9.

Ротор( якорь ) ДПТ состоит из
сердечника 5, обмотки якоря 6, коллектора 7 и вала 8.

Сердечник 5 представляет собой цилиндр, набранный из
штампованных листов электротехнической стали, с отверстием под вал двигателя и
с пазами, в которых укладываются проводники обмотки якоря.

Коллектор 7 – цилиндр, набранный из медных пластин
трапециевидного сечения, изолированных электрически друг от друга и от вала
двигателя.

Обмотка якоря машины представляет собой замкнутую
систему проводников, уложенных и укреплённых в пазах сердечника 5. Она состоит
из секций (катушек), выводы которых соединены с двумя коллекторными пластинами.
У микромашин обычного исполнения с одной парой полюсов на статоре обмотка якоря
представляет собой простую петлевую обмотку (схема рис.62), при построении
которой выводы секций обмоток присоединяются к двум соседним коллекторным
пластинам, а число секций обмотки и число коллекторных пластин коллектора
одинаково.

a1ecc11a7ee87408407b28b3acbd1b76.png

Рис. 62. Схема обмотки якоря ДПТ

Обмотка, схема которой приведена на рис. 62, содержит
4 секции, каждая из которых состоит из активных сторон 1, располагающихся в
пазах сердечника и лобовых частей 2, посредством которых активные стороны секций
соединяются между собой и с коллекторными пластинами. Чтобы ЭДС, наводимые в
активных сторонах секций складывались, необходимо расположить активные стороны
одной секции в пазах сердечника, отстоящих друг от друга на расстоянии
полюсного деления t. Ротор,
приведенный на рис. 6.1, имеет 8 активных проводников, причем секции образуют
проводники 1 – 5, 2 – 6, 3 – 7 и 4 – 8.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока

Электрический двигатель – неоценимое изобретение человека. Благодаря этому устройству наша цивилизация за последние сотни лет ушла далеко вперёд

Это настолько важно, что принцип работы электродвигателя изучают ещё со школьной скамьи. Круговое вращение электроприводного вала легко трансформируется во все остальные виды движения

Поэтому любой станок, созданный для облегчения труда и сокращения времени на изготовление продукции, можно приспособить под выполнение множества задач. Каков же принцип действия электродвигателя, как он работает и каково его устройство – обо всём этом понятным языком рассказывается в представленной статье.

Преимущества и недостатки

Одновременная смена полярности в статоре и роторе обеспечит электродвигателю одно и то же направление силы Лоренца в течение всего времени воздействия переменного напряжения. Это расширяет полезные свойства двигателя, работающего на пт. Однако на постоянном токе сердечники дпт могут работать в режиме насыщения, обеспечивая при взаимодействии ротора и статора максимальную силу.

  • В этом заключается главное преимущество дпт. На переменном напряжении индуктивность ротора и статора не позволит получить нормальный режим работы с аналогичными по силе магнитными полями.

А вот недостаток дпт по сути только один — это коллектор. Самое худшее в электротехнике — это контакты. Большинство проблем и неисправностей обусловлено именно этими деталями. А коллектор — это и есть контакты, много контактов. Причем колектору присущи следующие недостатки:

  • Коммутация индуктивной нагрузки, которой является каждая рамка. В результате на щетках появляется искрение, которое при определенных условиях (оборотах и мощности) развивается в круговой огонь на коллекторе. Это недопустимо опасный режим, который быстро портит дпт.

0f167322c710c5fd843f18a26dea880e.jpg
Круговой огонь на коллекторе443254dc04118838c3a4d5a21b2a4d4d.jpg
Круговой огонь на коллекторе

  • Истирание щеток создает угольную пыль, которая проникает повсюду и увеличивает вероятность замыканий и неисправностей.
  • Щетки ограничивают рабочий ресурс дпт и должны регулярно проверяться и заменяться.

67996ae944aa15d08ebdcb5a9019d78d.jpg
Узел коллектора дпт, загрязненный палью от истирающихся щеток

Устранить недостатки дпт путем изменения его конструкции стало возможным только с появлением полупроводниковых ключей, запираемых при пт. Но при этом получается новый тип двигателя, который часто именуется шаговым. Применение электромагнитов в роторе и статоре все равно не избавляет от контактов. Для питания рамок ротора нужны те же щетки, но уже не коллектор, а кольца. Полупроводниковый коммутатор в цепи каждой рамки подключает ее к кольцам, и рамка поворачивается. Скорость вращения вала в таком двигателе зависит и от напряжения, и от работы коммутаторов.

От колец в шаговом двигателе можно отказаться, если ротор сделать на основе постоянного магнита, а рамки с полупроводниковыми коммутаторами разместить на статоре. По сути, получается синхронная машина пт, в которой статор с коммутаторами создает вращающееся магнитное поле. Это наиболее функциональное и современное техническое решение. Оно позволяет получить наибольший крутящий момент применительно к габаритам движков. Но в принципе, шаговые двигатели, так же как и еще одна разновидность дпт — униполярные электродвигатели, — это уже совсем другая история…

Похожие статьи:

  • Однофазные электродвигатели 220в
  • Что такое плавный пуск электродвигателя?

2.2. Электромагнитный момент ДПТ

Принцип действия ДПТ основан на взаимодействии
тока проводников обмотки якоря с магнитным полем возбуждения, в результате чего
на каждый проводник обмотки якоря действует электромеханическая сила, а
совокупность сил, действующих на все активные проводники обмотки, образует
электромагнитный момент машины. Пусть у нас есть рамка с током, помещенная в
поле постоянного магнита. Рис. 63.

24a4f61137ca1de3fc7ab9b8b553dd03.jpg

Рис. 63. Принцип действия ДПТ

На каждый проводник с током, помещенный в магнитное поле
машины действует электромагнитная сила:

,

где l- длина активного проводника, B — индукция в данной точке воздушного зазора, i – ток в проводнике. Пусть каждая сторона рамки содержит число
параллельных ветвей обмотки 2а. Тогда ,если через щетки машины протекает
ток Iя , называемый током якоря, то через каждый проводник обмотки якоря
протекает ток:

2880b89bc6b51ef5702583db76c15069.png.

Совокупность сил действующих на все N проводников
рамки приводит к возникновению результирующего электромагнитного момента
машины:

8247de486cb9412ee05cad9f714e6a4e.png.

Пусть, у рассматриваемого ДПТ имеется  полюсов (в
большинстве случаев в микромашинах 2р = 2, т. е. число пар
полюсов р = 1). Расстояние по окружности якоря между серединами смежных
полюсов называется полюсным делениемt
.
Очевидно, что

7cb3b8471d77c989aafc3fe8026eafac.png,                    где d – диаметр рамки.

Т.к. произведение l*r есть площадь, которую пронизывает полезный
магнитный поток полюса Ф, то величина этого потока может быть определена
как Ф=Вср*l*r.

После подстановки получим:

2bfd24106011446a3f69d64cade89c4c.png или ,

где  4d923cb0795b719bb48ac84faca3aa91.png это — электромагнитная
конструктивная постоянная машины.

Таким образом, электромагнитный момент, развиваемый ДПТ
пропорционален магнитному потоку Ф и току якоря машины Iя. При вращении ротора (якоря) должно
выполняться условие равенства моментов:

М=Мнпд,

где Мн – момент  полезной нагрузки, Мп
– момент потерь и

1c5d2b9d9b9709e63d7781010b48ffb3.png —
динамический момент. Динамический момент равен нулю в статике, больше нуля при
разгоне двигателя и меньше при торможении.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

  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.

fc5e757ca327cca4f6f909c906ed6d74.pngРисунок 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.

c890a24050172013b739f8e5caa5e60b.pngРисунок 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 . 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.

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.

b2a787f5ba43acb077b69589ec4eff42.jpgРисунок 3. Ротор с тремя обмотками1fd5cc35b63394aa1454c800b5a8b6ed.jpgРисунок 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.

449a0eed7be79f9f0e4311c5ebc70f3f.jpgРисунок 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.

Двигатель постоянного тока. Схемы соединения и характеристики ДПТ

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.

Отрицательные черты:

— 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.

88b89b6d85809c0504a724520e40d3f2.png

Рисунок 1 – Конструкция двигателя постоянного тока

Двигатели постоянного тока классифицируют по магнитной системе статора:

1) ДПТ с постоянными магнитами;

2) ДПТ с электромагнитами:

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

2ee3f258dab90fbcf4edd7e86efca1b4.png

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).
Только ДПТ мощностью до 1 кВт допускают к старту без пусковых реостатов, так называемый «прямой пуск».

bb97a5756bc8e743fc3d8ba96cdf7cd8.png

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:

37055a885f99613fc61f947de86c9dd8.png

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:

8248c9f9715b5fdc632514bb632e1af2.png

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

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.

b6e4d06c03766565ca097ad8f5b326f4.jpgПостоянный 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.

472604d0684f2837cc3721cac40f994d.jpg

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

Функционально двигатель принадлежит к классу синхронных машин обращенного типа, это объясняется тем, что статор и ротор поменяли выполнение задач. Статор выполняет функции по возбуждению магнитного поля, ротор принял задачи направленные на преобразование энергии.

Во время вращения якоря в магнитном поле, производимым статором в витках обмотки, наводится ЭДС. Направление ее движения находится по правилу правой руки.

После того, как якорь и коллектор повернутся на 180 градусов виток меняет свои стороны, на противоположное направление меняется движение ЭДС.

Так происходит процесс индуцирования переменной электродвижущей силы, выпрямляемой посредством .

Коллектор, через щеточный механизм, соединен с обеими сторонами витка, в результате этого происходит снятие щетками текущего в неизменном направлении пульсирующего напряжения, это способствует наличию во внешней цепи, идущего в постоянном направлении, пульсирующего тока. Для того, чтобы снизить пульсацию в пазах якоря, прибавляют добавочное количество витков.74cb98d6abd87e889f1f94b4bb682e5f.jpg

Появляется кольцевой якорь

В стержневых электромагнитах якоря двигателя Якоби ток периодически выключался, создаваемое ими магнитное поле исчезало, а его энергия преобразовывалась в тепловые потери в обмотках. Таким образом, электромеханическое преобразование электроэнергии источника тока якоря (гальванического элемента) в механическую происходило в нем с перерывами. Нужен был двигатель с непрерывной замкнутой обмоткой, ток в которой протекал бы постоянно в течение всего времени его работы.

И такой fuhtufn был создан в 1860 году А. Пачинотти. Чем же отличался от предшественников его двигатель постоянного тока? Принцип действия и устройство двигателя Пачинотти следующие. В качестве якоря он использовал стальное кольцо со спицами, закрепленное на вертикальном валу. При этом якорь не имел явно выраженных полюсов. Он стал неявнополюсным.

Между спицами кольца были намотаны катушки обмотки якоря, концы которых соединялись последовательно на самом якоре, а от точек соединения каждых двух катушек были сделаны отпайки, присоединенные к пластинам коллектора, расположенным вдоль окружности внизу вала двигателя, число которых равнялось числу катушек. Вся обмотка якоря была замкнута сама на себя, а последовательные точки соединения ее катушек присоединялись к соседним пластинам коллектора, по которым скользила пара токоподводящих роликов.

Кольцевой якорь был помещен между полюсами двух неподвижных электромагнитов индуктора-статора, так что силовые линии создаваемого ими магнитного поля возбуждения входили в наружную цилиндрическую поверхность якоря двигателя под северным полюсом возбуждения, проходили по кольцевому якорю, не перемещаясь во внутреннее его отверстие, и выходили наружу под южным полюсом.

1fdd7bc5da29bcfcf95d1f8ec772ae73.jpg

Область применения

Несмотря на то, что себестоимость этого типа двигателя намного дороже асинхронных машин, их особенности могут сыграть решающую роль в узкоцелевом специальном назначении.

С помощью таких двигателей приводятся в работу прокатные станы, они используются для привода гребного винта на кораблях, а также для транспортных средств, имеющих систему питания на постоянном токе.

Поэтому их область использования характерна для нужд там, где необходима электрическая тяга, это: тепловозы, электровозы, электропоезда, городской транспорт, то есть там, где необходимо применить мягкие механические характеристики и широкие пределы регулировки количества оборотов вращения.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

Как выбрать

Выбор двигателя постоянного тока

  • Высота оси
  • Номинальное напряжение якоря
  • Номинальное напряжение возбуждения
  • Номинальная частота вращения
  • Номинальная мощность
  • Номинальный момент
  • Номинальный ток якоря
  • Мощность возбуждения
  • Максимальная частота вращения при понижении поля (выше этой скорости падает мощность)
  • Предельно допустимая рабочая скорость (выше этой скорости начинается механическое разрушение)
  • КПД
  • Момент инерции
  • Степень защиты IP
  • Степень виброустойчивости (прессы и т.п.)
  • Класс изоляции (для работы от преобразователя не ниже F)
  • Температура окружающей среды (для работы при отрицательных температурах в условиях русской зимы требуется специальное исполнение: смазка, вал из специальной стали и т.п.)
  • Высота установки над уровнем моря (выше 1000 метров падают характеристики)
  • Конструктивное исполнение по способу монтажа электродвигателей
    • Маслоуплотнённый фланец для присоединения редуктора
  • Положение клеммной коробки (справа, сверху и т.д.)
  • Тип принудительного охлаждения:
    • Конвекционное: воздушный фильтр, контроль расхода воздуха, встроенный (направление обдува) или внешний (подключение труб) вентилятор
    • Через теплообменник
  • Классификация методов охлаждения электрических двигателей
  • Окраска
  • Подшипники
    • Качения (радиально-упорные)
    • Усиленные подшипники для повышенных радиальных нагрузок на валу
    • С пополнением смазки
    • Для подключения редуктора
  • Вал двигателя
    • Со шпоночным пазом
  • Датчик скорости
    • Тахогенератор
    • Энкодер
  • Тормоз
  • Контроль износа щёток
    • Окошко для визуального контроля
    • Микропереключатель ограничения остаточной длины щёток
  • Контроль нагрева двигателя
    • Термисторная защита – контроль граничных значений (предупреждение, отключение)
    • Непрерывный контроль температуры при помощи датчика KTY
  • Подогрев остановленного двигателя (против образования конденсата)
  • Уровень шума.

Выбор преобразователя постоянного тока

  • Режим работы:
    • Одноквадрантный (1Q) — нереверсивный
    • Четырёхквадрантный (4Q) — реверсивный.
  • Номинальное напряжение питания сети
  • Номинальный входной ток
  • Напряжение питания (отдельное)
    • Вентилятора
    • Блока управления (электроники)
    • Возбуждения
  • Температура окружающей среды
  • Высота установки над уровнем моря
  • Класс влагостойкости (покрытие плат компаундом)
  • Степень защиты IP
  • ЭМС-фильтр (фильтр радиопомех).
  • Номинальное постоянное напряжение (якоря двигателя)
  • Номинальный постоянный ток якоря
  • Перегрузочная способность по току
  • Номинальная мощность
  • Мощность потерь (рассеиваемая мощность) при номинальном токе
  • Номинальное постоянное напряжение обмотки возбуждения (напряжение поля)
  • Номинальный постоянный ток обмотки возбуждения (ток поля)
  • Панель оператора (съёмная, хранение параметров, поддержка русского языка)
  • Коммуникационный интерфейс для обмена данными с PLC, HMI (PROFIBUS и др.)
  • Точность регулирования
  • Встроенные ПИД-регуляторы
  • Встроенные функции логического контроллера
  • Сигнальные (дискретные и аналоговые) входы-выходы.

22e120640da9fe27c89d6fcded69e282.jpg

Туманов А.В. 2016-2017

Что такое постоянный ток и чем он отличается от переменного

Начать рассмотрение вопроса работы эл. двигателей необходимо с того, на чем она базируется, то есть с определения понятия «электрический ток» и его основных видов. Еще со школы нам должно быть известно, что в физике электрическим током называют направленное движение заряженных частиц (электронов или ионов). Его разделение на постоянный и переменный происходит в зависимости от величины и направления тока в некотором промежутке времени. Это хорошо видно на следующем графике:

Как видим, график (красная линия) не меняется по времени, напряжение остается стабильным. В то же время, переменный ток (зеленый график) имеет форму синусоиды, постоянно меняя свое значение и направление со временем. Периодичность, с которой график проходит через одинаковые точки по ординате называется частотой и ее стандартное значение 50 Гц.

На самом деле, практически любой бытовой прибор, электроинструмент использует постоянный ток, который преобразовывается из переменного (сетевого). Может возникнуть закономерный вопрос, а для чего тогда использовать синусоидальный ток? Дело в том, что такая форма задания тока позволяет легко преобразовывать напряжение, идущее от генератора электростанции с 200-300 тысяч Вольт до привычных 220, с учетом коэффициента эффективности.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

  • простота устройства и управления;
  • практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя;
  • легко регулировать частоту вращения;
  • хорошие пусковые свойства (большой пусковой момент), (наибольший пусковой момент у ДПТ с последовательным возбуждением);
  • компактнее других двигателей (если использовать сильные постоянные магниты в статоре);
  • так как ДПТ являются обратимыми машинами, появляется возможность использования их как в двигательном, так и в генераторном режимах.

Недостатки :

  • дороговизна изготовления;
  • для питания электродвигателя от сети переменного тока необходимо использовать выпрямительные устройства;
  • необходимость профилактического обслуживания коллекторно-щёточных узлов;
  • ограниченный срок службы из-за износа коллектора.

(Последние два недостатка на современном этапе развития ДПТ почти не ощутимы).

Электродвигатели постоянного тока

3b35581a48285208243ba7d37c3326bb.gif

Электрическая мощность в моторе преобразуется в механическую, заставляющую его вращаться, а часть этой мощности расходуется на нагревание проводника. Конструкция двигателя электрического постоянного тока включает якорь и индуктор, которые разделяют воздушные зазоры.  Индуктор, состоящий из добавочных и главных полюсов, и станины,  предназначен  для создания  магнитного поля. Якорь, собранный из отдельных листов, обмотка рабочая и коллектор, благодаря которому постоянный ток подводится к  рабочей обмотке, образуют магнитную систему.  Коллектор – это насаженный на вал двигателя цилиндр, собранный  из изолированных друг от друга медных пластин. К его выступам припаиваются  концы обмотки якоря. Ток с коллектора снимается при помощи щеток, закрепленных в определенном положении в щеткодержателях, благодаря чему  обеспечивается нужный прижим на поверхность коллектора. Щетки с корпусом двигателя соединяются с помощью траверса.

Щетки, в процессе работы, скользят по поверхности вращающегося коллектора, переходя от одной его пластины к другой. При этом, в параллельных секциях обмотки якоря  происходит  изменение тока (когда щетка накоротко замыкает виток). Процесс этот называют коммутацией.

Под влиянием своего магнитного поля, в замкнутой секции обмотки возникает ЭДС самоиндукции, вызывающая появление дополнительного тока, который на поверхности  щеток распределяет неравномерно ток, что приводит к искрению.

26a1ce2b24d11a360d50d76a43c067d6.gif

Частота вращения  – одна из важнейших его характеристик. Ее регулировать можно тремя способами:  изменяя поток возбуждения, изменяя величину подводимого напряжения к двигателю, изменяя сопротивление в якорной цепи.

Два первых способа встречаются намного чаще третьего, ввиду его неэкономичности. Ток возбуждения  регулируется при помощи любого устройства, у которого возможно изменять активное сопротивление (например, реостата). Регулирование при помощи изменения напряжения требует наличие источника постоянного тока: преобразователя или генератора. Такое регулирование применяют во всех промышленных электроприводах.

2.3. Электродвижущая сила ДПТ

При вращении ротора ДПТ в каждом активном проводнике обмотки
якоря, пересекающем нормальные к его поверхности силовые линии магнитного поля
полюсов наводятся ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки;
величина ЭДС определяется выражением

e=Blv,

где l длина активного проводника, B — индукция в данной точке воздушного зазора, v — линейная скорость перемещения проводника относительно
линий нормальной к поверхности ротора индукции. При этом при вращении ротора
ЭДС в каждом проводнике является периодической переменной во времени величиной.

ЭДС якоря машины равна алгебраической сумме ЭДС проводников,
образующих одну параллельную ветвь машины. Каждая параллельная ветвь
представляет собой группу последовательно соединённых секций, ток в которых
имеет одинаковое направление. Для простой петлевой обмотки число параллельных
ветвей всегда равно числу полюсов .

Таким образом, для двухполюсной машины обмотка якоря по
отношению к щёткам имеет две параллельных ветви, ЭДС в проводниках которых
направлены согласно. Несмотря на то, что при вращении ротора всё новые и новые
проводники будут образовывать параллельные ветви, направление ЭДС в
проводниках, а также направление суммарной ЭДС параллельной ветви или ЭДС якоря
Ея остаётся неизменной при неизменном направлении вращения ротора.

Поскольку число активных проводников параллельной ветви весьма
велико, то, несмотря на пульсирующий характер ЭДС каждого из проводников
суммарная ЭДС (E) остается практически постоянной при
постоянной скорости вращения ротора. В таком случае можно воспользоваться
значением средней индукции в воздушном зазоре машины Вср и найти ЭДС.

4d2e394274b4dcaabba227ee10e354c0.png, также  b2a0740e7f3945f8b39ca30743cd7e88.png и
afab8fc0caa4b0e516309c3cd9352b3b.png.

Зная, что линейная скорость равна v=w∙R==w∙d/2, где w — угловая частота вращения ротора в рад/с, d — диаметр ротора, получим

a9df128b39dad075878f40ffd1417b6f.png

Величина полезного магнитный поток полюса Ф может
быть определена как, 959e21db62d6c0fd3eab24dfe555db67.png,

где 7cb3b8471d77c989aafc3fe8026eafac.png — полюсное деление, а l*t — площадь,
которую пронизывает этот поток.

Тогда

3bf17a66ce6341bf8effc8e6f58fbf17.png, где  b5477136c9784e6ed56f149ba4269459.png —
электрическая конструктивная постоянная машины.

Для системы  СИ обе конструктивные постоянные численно
совпадают: См = Се. Таким
образом, ЭДС якоря машины пропорциональна величине магнитного потока полюсов и
частоте вращения ротора. При постоянном магнитном потоке Ф ЭДС якоря машины
пропорциональна частоте вращения ротора, т.е.

b31ff62d1006d646038f4c5ad0316892.png,

что дает возможность использовать такую машину в качестве
датчика частоты вращения или тахогенератора.

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.

82794da1be8643ad556f9853c890b701.jpgРис. 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.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Классификация оборудования основана на видовых особенностях магнитной статорной системы, поэтому может иметь в конструкции:

  • магниты постоянного типа;
  • электромагнитную систему;
  • независимого типа обмоточное подключение с независимым вариантом возбуждения;
  • последовательного типа обмоточное подключение с последовательным вариантом возбуждения;
  • параллельного типа обмоточное подключение с параллельным вариантом возбуждения;
  • смешанный вид обмоточного подключения со смешанным вариантом возбуждения и преобладанием обмотки последовательного или параллельного типа.

cae983237d73f28a1b50374923655e48.jpg

Принцип действия электродвигателя

Тип обмоточного подключения оказывает значительное влияние на характеристики тяги и базовые электрические свойства электродвигателя.

Конструкция с независимым или параллельным возбуждением

Обмоточный элемент на якорной части и возбуждении при независимом или параллельном типе, запитаны от различных источников, а функция обмотки возлагается, как правило, на постоянный магнит. Отличительная особенность такого движка представлена отсутствием полной зависимости токового возбуждения от якорного тока на оборудовании.

Скоростные параметры двигателя регулируются в таком случае посредством:

  • изменения показателей напряжения на якорной части;
  • изменения показателей сопротивления в якорной цепи;
  • изменения потокового возбуждения.

ff6a066dc619d946213c4cbda9be6c98.png

Принципиальные схемы включения двигателей постоянного тока независимого и параллельного возбуждения

Последний вариант регулировки нуждается в использовании сложного оборудования, но активно применяется в электрических приводах современного типа, что обусловлено плавностью и экономичностью балансирования уровня скорости в широком диапазоне, в условиях высоких параметров жесткости, свойств механического типа.

Популярная разновидность обмоточного возбуждения независимого типа базируется на применении постоянных магнитов.

Конструкция с последовательным возбуждением

Для потока возбуждения данного типа применяется якорный ток машины, а обмоточное возбуждение и якорная часть двигателя имеют последовательное подключение относительно питающего источника. Благодаря развитию значительного электромагнитного момента, который пропорционален квадратным показателям якорного тока, двигателям с параллельным типом возбуждения обеспечиваются оптимальные пусковые характеристики.

ec213657b17542072d45c5d534877cb3.png

Двигатель последовательного возбуждения

Таким образом, конструкция отличается большим пусковым моментом на фоне сравнительно малого якорного тока. Конструкционные особенности позволяют двигателям ПТ с параллельным типом возбуждения активно эксплуатироваться в приводных механизмах грузоподъемного и тягового вида.

Важно учитывать, что работа электрического двигателя ПТ последовательного типа возбуждения «вхолостую» или в условиях минимальной нагрузки становится основной и очень частой причиной быстрого износа конструкции.

Регулировка вращательной скорости двигателя ПТ с параллельным возбуждением может выполняться изменениями показателей напряжения и сопротивления якорной цепи, а также в потоковом возбуждении.

Конструкция со смешанным возбуждением

Для электрического движка ПТ, обладающего смешанным типом возбуждения, или компаундного электродвигателя, присущи основные характеристики параллельного и последовательного возбуждения, что обусловлено наличием пары видов обмоток.

Обмоточные элементы подключаются двояко:

  • согласное подключение — в процессе включения в электрическую цепь, все сформированные амперные витки и магнитные потоки складываются;
  • встречное подключение — включение обмоток возбуждения сопровождается направлением амперных витков и магнитных потоков друг к другу.

84cf7d7dbdc38ab75a707c2ff7c1c443.png

Варианты двигателей

Второй способ обмоточного включения в двигателях ПТ со смешанным типом возбуждения используется в спецмашинах.

Наличие в движке двойной обмотки возбуждения расширяет возможности конструирования и изготовления электрических двигателей, значительно отличающихся по своим свойствам и основным техническим характеристикам.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here