Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

Продолжаем наш ликбез по движкам. На этот раз речь пойдет о переменном токе, трехфазных движках разной конструкции. Их характеристикам, устройству и принципу работы. Ну и заодно подготавливаем почву под BLDC, так как там получается зверский гибрид всего и вся. 

▌Вращающееся поле
Вращающееся поле это краеугольный камень всех машин переменного тока. Без него ничего не было бы и все было бы уныло и пресно. Делается оно посредством хитрой обмотки и хитрого напряжения. Сейчас подробно покажу как.

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

Берем три обмотки и ставим их так, чтобы магнитное поле, ими генерируемое, было направленно под 120 градусов относительно катушек.  

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление
Получаем упрощенный вариант статора. Соединяем обмотки треугольником:Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление
Оставим от него только направления векторов, чтобы посмотреть на это в разрезе. И загоняем в эту обмотку трехфазное напряжение. Три синуса, сдвинутые под 120 градусов.  
Если взять в какой-либо момент времени напряжения и разложить магнитные потоки по векторам, которые задают наши катушки, с учетом знака, а потом все суммировать, то получим результирующий вектор магнитной индукции трех катушек. Проделав ту же операцию на несколько углов вперед будет явно видно, что результирующий вектор вращается аки часовая стрелка.  Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление
Т.е. статор, с точки зрения магнитного поля, ведет себя как вращающийся магнит. Делающий один оборот за период. Вот вам каноничная картинка, что есть в каждом учебнике по электромашинам. Полный оборот поля. Я лишь сделал ее более няшный вариант, раскрасив витки в цвета обмоток, чтобы по феншую было все. Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

Скорость вращения поля зависит от частоты сети. n1 = 60*f (об/мин) эта скорость зовется синхронной скоростью. Но не все так просто. Количество полюсов машины может быть и иным. Выше был пример статора двухполюсной машины. Два полюса потому, что там у результирующего магнитного потока есть север и юг и все. Но полюсов может быть больше.  

Для этого обмотку каждой фазы делают из двух соединенных катушек, как то так:

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

И размещают их со сдвигом в 60 градусов. Вот, примерно, следующим образом. Тут у меня по одному недавитку, но их может быть и сто. Соединение секций между собой выделено более тонким проводом и чуть другим цветом.  

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

В результате получается вот такая вот магнитная схема: 

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

Видно, что эти четыре гипножабы образуют четыре полюса, два северных, два южных. А дальше как в старом советском мультике… пока ты на коне на четырех ногах раааз, двааа, триии, четырее… он на своих двоих раз-два, раз-два, раз-два. В четырехполюсном движке поле вращается вдвое медленней, т.к. за один период оно пробежит только пол оборота. Чем больше полюсов, тем медленней вращается поле.  

С учетом количества полюсов синхронная скорость вычисляется так: n1=60*f/p ,где p — число катушек в одной фазе. Правда тут стоит учитывать такой случай, что катушки можно намотать так, что две будут вести себя как одна. В этом случае, естественно, считаем ее за одну, хоть их физически и две. 

На этом принципе, кстати, в некоторых случаях делают управление скоростью двигателя. Т.е. хитро переключая катушки делают, например, либо два полюса, либо четыре. Ступенчато переключая скорость.  

▌Реверс поля
Тут даже и говорить нечего — меняем местами две фазы и поле поехало в другую сторону. Элементарно 🙂

▌Асинхронный двигатель
Вы наверняка все знаете его. Помнишь как в детстве, разбираешь движок, надеешься на нямку и ништяки, а оттуда выпадает тупая алюминиевая блямба и обламывает весь кайф. Вот такой вот, малята, АД. В смысле асинхронный двигатель.

Асинхронный двигатель это король электропривода. Он технологичен, а значит дешев. Надежен, там трутся только подшипники. Прост и легко запускается. Не требует никакого дорогостоящего барахла, вроде редкоземельных магнитов. Есть у него и недостатки — сложности регулирования скорости и своебразная механическая характеристика, но все это решается умной электроникой.  

Как же он работает то? Сейчас разберем.  

Итак, у нас есть статор и его вращающееся поле:

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

в него мы помещаем короткозамкнутую обмотку ака «беличье колесо»

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

Она состоит из штырей закороченных на лобовые кольца. А обычно еще проще делают. Набирают шихтованный ротор (т.е. из изолированных пластин, чтобы гасить вихервые токи) окаливают его, создавая тем самым изоляцию, а потом заливают в пазы цельнолитую алюминиевую обмотку. Дешево, просто, технологично.  

Так вот, поле бежит мимо этих штырей наводя в них ЭДС. А так как обмотка замкнута, то эта ЭДС порождает ток. Но если у нас есть ток и есть магнитное поле статора, то должна неминуема появиться сила Ампера. И она появляется. Обмотка начинает увлекаться за полем.

Но догнать его не может никогда, ведь если она его догонит, то движение поля относительно обмоток станет равным нулю и сила пропадет. Вот так и плетется она в конце на подсинхронной частоте. Потому и зовется двигатель асинхронным.

А относительная разность скорости поля и ротора зовется скольжением.  

s=(n1-n)/n1  

Измеряется в единицах или процентах. Обычно, на номинальном моменте, скольжение составляет 2-7% С ростом нагрузки скольжение растет. А скорость вращения движка завязана на скорость поля.

Что сильно обламывает любителей регулировать скорость. Потому то асинхронные двигатели до сих пор не вытеснили те же коллекторные отовсюду откуда можно.

Мало того, что им нужна переменка, так еще и не погазуешь нифига.  

▌Механическая характеристика АД. Пуск и регулирование скорости
Она весьма извилистая, с рядом приколов. Вот такая:

Обратите внимание на разницу между пусковым и максимальным моментом. Т.е. движок должен стартануть в относительно тепличных условиях и лишь потом можно его грузить. Да и то до некоторого предела, до точки Ж, где случается жопа.

Машина теряет устойчивость, момент резко снижается, а обороты падают до нуля. Движок лишь беспомощно дергается и очень сильно греется.

Ведь в этот момент он превращается в обычный трансформатор у которого ротор это вторичная обмотка и она закорочена наглухо.  

Вариантов борьбы с этим явлением несколько. Обычно конструктивные, делают либо две беличьи клетки одна над другой, либо просто глубокие пазы, т.е. клетка получается не из прутьев, а из пластин. Это снижает разницу между моментом критическим и пусковым.

Еще, в особо тяжелых случаях, вроде кранового привода, делают фазный ротор. Т.е. обмотка не беличья клетка, а нормальная обмотка трехфазная. Из провода, ее концы с одной стороны соединены звездой, а с другой вытащены наружу через контактные кольца.

Вот как на этой картинке под четвертым номером: 

С них заводят на пусковые сопротивления:

И при пуске вводят все сопротивления в ротор, при этом ток падает, механическая характеристика проседает, а пусковой момент увеличивается. Потом, по мере разгона, сопротивления выводят посекционно, а движок переходит с одной характеристики на другую, пока не выйдет на естественную. Делается это автоматом, по реле времени или через реле контроля скорости. 

Впрочем, это вам так, для общего развития. Не думаю, что с таким пуском столкнетесь вживую. Разве что вы не работаете цеховым электриком и колупаете краны выпуска еще прошлого века. Сейчас все это активно отмирает и заменяется на частотное регулирование.  

Снижение напряжения фазного дает лишь некоторое смягчение характеристики, с падением момента. Но обороты остаются в целом прежними.

Т.е. по простому скоростью не порулишь как хочется. Что делать? На помощь тут идет электроника и частотное регулирование. Т.е. мы сетевое напряжение сначала выпрямляем, а потом на инверторе вкручиваем любую частоту какая нам нужна. И профиты сплошные. выглядит это так:

 
Но тут мы наблюдаем другую проблему — разгоняя частоту мы теряем в критическом моменте и снижается пусковой момент. Почему? А дело все в том, что поток завязан на частоту.  
Если пренебречь падением напряжения на обмотках статора, то ЭДС примерно будет равна напряжению на фазах движка.

К — конструктивный коэффициент.  
Т.е. у нас поток Ф зависит от частоты. Повышаем частоту и чтобы уравнение выполнялось должен снизиться поток, со всеми последствиями в виде провала по моменту.

Но что если заложить номинальную частоту в максимум возможного для данного двигателя, а регулировать вниз? Тут тоже проблемы возникнут.

Поток будет расти, но бесконечно расти он не сможет, железо магнитопровода перенасытится и упадет КПД.

Это просто энергетически невыгодно, зачем нам грелка, когда нужна крутилка? 
Так что при изменении частоты не помешает и подкорректировать напряжение так, чтобы держать поток в пределах номинального, так потерь меньше.

▌Синхронный двигатель
Еще одна забавная машинка, работающая на вращающемся поле. Вспомним картинку вращающегося поля и сунем в ее чрево постоянный магнит.

Опа, магнит вращается синхронно полю. Механическую характеристику этого безобразия я даже не буду рисовать. Она скучна как пульс у трупа. Скорость жестко завязана на скорость поля и не зависит от момента, совсем. Абсолютно жесткая механическая характеристика. 

Разумеется это не навсегда, если момент будет сильней поля, то он может оторвать его от поля, движок выпадет из синхронизма и настанет жопа — сам он в синхронный режим уже не вернется.

Тут ситуация еще хуже чем с асинхронным двигателем. Синхронный двигатель даже нормально запуститься не сможет. Т.е. если его воткнуть в сеть то фиг он куда поедет, будет стоять и беспомощно дрыгаться.

Вот такая, херня, малята.  

Дети, давайте поможем дедушке двигателю стартануть! Что надо сделать? Правильно, Петя, надо подружить его с асинхронным двигателем — сунуть ему в нутро до кучи еще и беличью клетку. Это будет пусковая обмотка.

Она рванет движок со старта, доведет его до подсинхронной частоты, а там он втянется в синхронизм как удав в пылесос. Правда момент такого пуска слабоват, но хоть что то.

Но такие проблемы это геморрой еще прошлого века. 

Читайте также:  Как правильно проложить кабель и прикрепить наружные светильники на утепленном доме?

Сейчас есть новые, усовершенствованные методы старта синхронного двигателя. Потому, что у нас прогресс, модернизация в стране и нанотехнологии. В первую очередь я имею ввиду частотный пуск. Т.е.

когда при старте поле статора не рвет с нуля на номинальные обороты, а нежно хватает движок за торчащие из ротора яй… эээ силовые линии магнитного поля и начинает плавно разгонять пока не выведет в номинал.

Еще в начале может быть ориентирующий рывок, когда напряжение подается статично, на одну из фаз, чтобы придать ротору какой-то определенный ориентир, а дальше уже разгон.  

Наиболее наглядно это можно увидеть на приводе шпинделя жесткого диска. Если у вас есть убитый жесткач, то разберите его и подайте питание на плату.

Увидите, как движок плавно стартанет, но если его затормозить, то он встанет и будет лишь вяло вяло крутиться — выпал из синхронизма.

Если сможете разогнать его до 7200 оборотов, то он втянется, и будет дальше вращаться как ни в чем не бывало.  

Устранение этого недостатка может быть только одно — контроль положения ротора, т.е. система управления зорко глядит на то куда повернут ротор и не дает полю его упустить. Если движок нагружается, поле притормаживает, следуя за ротором так, чтобы получить наибольший момент. Способов следить много.

Это и сельсины и датчики холла и энкодеры и оптика всякая. Есть еще и извращенские способы по замеру индукции на обмотке, что часто практикуется в модельных инверторах. И со всей этой тряхомудией это уже получается самый настоящий BLDC о которых я тоже когда-нибудь расскажу. Через пару лет, ага.

Бугагага!  

Регулирование синхронного двигателя сходно с асинхронным. Те же приколы связи частоты, потока и напряжения. Т.к. статор там точно такой же. Разве что скольжения нет, но есть критический момент, а он завязан на поток. 

Источник: http://easyelectronics.ru/dvigateli-peremennogo-toka-princip-raboty-xarakteristiki-i-upravlenie.html

Описать устройство и принцип действия двигателя постоянного тока

Машины постоянного тока, как двигатели, так и генераторы, используют на транспорте, судах, самолетах, в схемах автоматики (в виде микродвигателей) и т. д.

Генераторы постоянного тока применяют для питания двигателей постоянного тока, электролитических ванн, а также в качестве сварочных генераторов, в схемах автоматического управления в качестве усилителей электрических сигналов управления и тахогенераторов (датчиков частоты вращения) и др.

Основной недостаток машин постоянного тока — это более сложная, дорогая и менее надежная конструкция по сравнению с безколлекторными машинами переменного тока. Коэффициент полезного действия машин постоянного тока зависит от их номинальной мощности, и с ее возрастанием К. П. Д. увеличивается. Для микромашин обычно К. П. Д. ~ 60 %, для машин мощностью свыше 100 кВт к. п. д. превышает 90%.

Машины постоянного тока, как двигатели, так и генераторы, устроены одинаково.

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

Их основными частями являются статор с магнитными полюсами (главными 2 и добавочными 5) и ротор.

На главных полюсах статора расположена обмотка возбуждения 3, через которую проходит постоянный ток, создающий магнитное поле возбуждения.

На роторе расположена обмотка, в которой при его вращении наводится э. д. е., поэтому ротор машины постоянного тока является якорем. Детали машины крепятся на станине 1.

На добавочные полюсы насажены обмотки 6. Главные полюсы изготовляют шихтованными, т. е. набирают из штампованных листов электротехнической стали, что позволяет уменьшить потери, возникающие от вихревых токов.

Поверхность основного полюса, обращенная к якорю, расширяется и образует наконечник 4, форма которого подбирается таким образом, чтобы по большей части окружности якоря получался один и тот же воздушный зазор между основными полю-сами и сердечником якоря, в результате чего получается одинаковая магнитная индукция по окружности якоря, в результате чего получается одинаковая магнитная индукция по окружности якоря, а в проводниках якоря наводится постоянная э.д.с. Дополнительные полюсы устанавливают в машинах мощностью свыше 1 кВт. Их располагают между основными полюсами по линии геометрической нейтрали. С помощью добавочных полюсов уменьшают искренне под щетками. Дополнительные полюсы выполняются массивными, т. е. из монолитного куска кованой стали, или шихтованными, Так как обмотки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, то они имеют, как правило, небольшое число витков относительно большого сечения, что необходимо для уменьшения активного сопротивления. Между полюсами на валу машины 7 вращается барабанный якорь 8, представляющий собой цилиндр, обычно набранный из листов электротехнической стали (для уменьшения потерь мощности от гистерезиса и вихревых токов). Вдоль внешней поверхности цилиндра якоря имеются пазы, в которые укладываются проводники обмотки якоря 9. Выводы обмотки якоря соединены с коллектором 11, который закреплен на валу. К коллектору с помощью пружин прижимаются щетки 10, которые расположены в щеткодержателях, способных смещать щетки на некоторый угол по окружности относительно основных полюсов. Щетки, применяемые в машинах постоянного тока, бывают графитными, угольно-графитными или медно-графитными.

С помощью коллектора и щеток вращающаяся обмотка якоря машины соединяется с внешней электрической цепью. Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со щетками, скользящими по его поверхности, представляют собой механический выпрямитель, т.

е, они служат для преобразования переменного тока проводников обмотки якоря генератора в постоянный. В двигательном режиме с помощью коллектора и щеток осуществляется обратное преобразование, т. е.

коллектор со щетками можно рассматривать в качестве преобразователя частоты, связывающего сеть постоянного тока с обмоткой якоря, через которую проходит переменный ток.

Коллектор собирают из отдельных медных пластин 8 трапецеидального сечения (ламелей), изолированных друг от друга прокладками из твердого миканита.

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

После сборки с помощью нажимного фланца 6, «ласточкина хвоста» 7 и шпильки 5 пластины коллектора закрепляются на стальной втулке 3, от которой они изолируются специальными манжетами 2 из формовочного миканита. Стальная втулка насаживается на вал 4.

Коллектор должен иметь строго цилиндрическую форму, причем миканитовые прокладки между его пластинами при срабатывании коллектора не должны выступать над пластинами, так как это будет вызывать вибрацию щетки. Поэтому прокладки между пластинами коллектора профрезеровывают на 0,8 − 1,5 мм ниже поверхности коллектора.

Секции обмотки якоря впаиваются в прорези, имеющиеся в выступающей части коллекторных пластин 1 и называемые «петушками».

Щетки изготовляют в виде прямоугольных брусков 4, помещенных в обойму 3 щеткодержателя. Для соединения коллектора с внешней цепью щетки прижимаются к поверхности коллектора пружинами 2 и имеют щеточные канатики 1.

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

При вращении якоря щетки не меняют своего положения по отношению к полюсам машины за счет неизменного положения щеткодержателей. Щеткодержатели крепят к траверсе, которая, в свою очередь, связана со станиной или подшипниковым щитом. Траверсу можно поворачивать и, следовательно, изменять положение щеток по отношению к полюсам машины.

Машина постоянного тока функционально является обращённой синхронной машиной, т.е. синхронной машиной у которой функции статора и ротора поменялись местами. Статор возбуждает постоянное магнитное поле, а ротор вращается в этом поле и осуществляет преобразование энергии.

Для создания машиной постоянного вращающего момента требуется, чтобы электромагнитная сила, создающая этот момент, была постоянной, что, в свою очередь, требует сохранения направления протекания тока по отношению к полюсам магнитного поля.

Во вращающемся роторе функцию изменения направления тока при перемещении проводников обмотки к противоположному полюсу выполняет щёточно-коллекторный узел. На рисунке показан простейший двигатель постоянного тока.

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

Он представляет собой проводник, изогнутый в виде рамки и подвешенный на оси OO′. Концы рамки abcd через полукольца и скользящие по ним щётки подключены к внешнему источнику постоянного тока. Взаимодействие протекающего в рамке тока с магнитным полем создаёт электромагнитную силу , действующую на рамку и вызывающую её вращение.

Для сохранения направления действия этой силы ток в части рамки находящейся под северным полюсом должен протекать в направлении O-O′, а в находящейся под южным полюсом части рамки − в направлении O′-O. Поэтому через каждые пол-оборота ротора ток в сторонах ab и cd рамки должен менять направление на противоположное. Это происходит при переходе полуколец с одной щётки на другую.

Полукольца рамки являются простейшим коллектором машины постоянного тока и вместе со щётками выполняют функцию преобразования постоянного тока в переменный с частотой вращения ротора. Ротор машины постоянного тока называется якорем. Его конструкция является развитием рамки и полуколец.

Чтобы увеличить вращающий момент нужно увеличить количество «рамок» и заполнить ферромагнетиком воздушный промежуток между полюсами статора. Для этого из штампованных листов электротехнической стали собирается пакет якоря. Полукольца примитивного коллектора преобразуются в набор изолированных друг от друга медных пластин залитых в пластмассовую втулку.

Пакет ротора и коллектор напрессовываются на вал якоря и в открытые пазы пакета укладывается обмотка (на рисунке не показана), концы секций (катушек) которой припаиваются к пластинам коллектора.

Обмотка возбуждения машины и обмотка якоря с последовательно включённой обмоткой дополнительных полюсов 8 образуют две электрические цепи, которые могут питаться от одного или от разных источников постоянного тока. По схеме питания этих цепей машины постоянного тока разделяют на машины:

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

а) с независимым (раздельным); б) параллельным; в) последовательным;

г) смешанным возбуждением. К машинам с независимым возбуждением относятся также машины с магнитоэлектрическим возбуждением, т.е. с возбуждением основного магнитного потока с помощью постоянных магнитов, рисунок д.

  • Задание 2.
  • Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4А работает от сети переменного тока с номинальным (линейным) напряжением частотой 50 Гц. Двигатель имеет следующие номинальные технические данные:
  • тип двигателя – 4АР220М;

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

  1. КПД 92,5 %;
  2. 0,88
  3. 2,2
  4. 1,1
  5. Определить:
  6. § номинальный ток двигателя ;
  7. § мощность, потребляемую двигателем при номинальной нагрузке ;
  8. § потери мощности в номинальном режиме;
  9. § номинальный вращающийся момент ;
  10. § критический момент двигателя ;
  11. § номинальное скольжение ;
  12. Ø Рассчитать и построить механическую характеристику двигателя .

Ø Определить пусковой момент двигателя при снижении напряжения сети на 10%. Возможен ли при этом пуск двигателя с номинальной нагрузкой на валу?

  • Ø Описать устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя.
  • Решение.
  • 1. Определяем номинальную активную мощность, потребляемую двигателем по формуле:
  • 55 / 0,925 = 59,46 кВт
  • 2. Находим номинальный ток, потребляемый из сети:
Читайте также:  Измерение сопротивления изоляции мегаомметром: пошаговая методика измерения
59,46∙10 3 = 102,66 А
∙ 380 ∙ 0,88

3. Определяем номинальное скольжение. Так как 1480 мин – 1, то ближайшая частота вращения магнитного поля 1500 мин – 1, тогда номинальное скольжение вычисляем по формуле:

  1. (1500 – 1480) / 1500 = 0,0133 или 1,33 %
  2. 4. Потери активной мощности в двигателе в номинальном режиме составляют:
  3. 59,46 – 55 = 4,46 кВт
  4. 5. Номинальный момент на валу двигателя определяется по выражению:
  5. 9550 ∙ 55 / 1480 = 354,9 Н м
  6. 6. Критический момент двигателя находим по формуле:
  7. 2,2 ∙ 354,9 = 780,78 Н м

7. Построение механической характеристики.

  • Механическими характеристиками асинхронного двигателя являются зависимости и , при этом момент двигателя и частота вращения определяются через скольжение по формулам:
  • и
  • где критическое скольжение вычисляем по соотношению:
  • 0,0133 ∙ (2,2 + 2,2 2 – 1) = 0,055
  • Для построения рабочего участка механической характеристики в пределах возьмем несколько значений скольжения, вычислим электромагнитный момент и соответствующую ему частоту вращения:
  • для 0,0133, получаем 1500 ∙ (1 – 0,0133) =1480 об/мин
2 ∙ 780,78 = 356,752 Н∙м
0,055 + 0,0133
0,0133 0,055

для 0,055, получаем 1500 ∙ (1 – 0,055) = 1418 об/мин

= 780,78 Н∙м

Остальные расчеты заносим в таблицу.

0,00 0,033 0,1 0,18 0,268 0,35 0,52 0,68 0,85
, Н∙м 0,0 489,1 1320,7 1866,3 2016,1 1946,3 1642,0 1375,5 1156,4 1008,2
, об/мин
  1. По вычисленным координатам строим механические характеристики и .
  2. Рисунок 3.
  3. Механические характеристики асинхронного двигателя

8. Определим пусковой момент двигателя при снижении на 10%.

  • Пусковой момент при номинальном напряжении сети составляет:
  • 1,1 ∙ 354,9 = 390,39 Н м
  • Момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Следовательно, в случае уменьшения напряжения пусковой момент составит
  • 0,9 2 ∙ 390,39 = 316,22 Н м
  • Условие пуска двигателя с нагрузкой на валу имеет вид:
  • где − электромагнитный момент сопротивления (в данном примере ).
  • Проверяем условие пуска при снижении напряжения, получаем:
  • 316,22 Н м < 354,9 Н м
  • следовательно, пуск двигателя невозможен.

Источник: https://megaobuchalka.ru/1/23749.html

Устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока

Не всякий электрический двигатель можно однозначно назвать способным работать от постоянного тока. Касается коллекторного типа. На нем базируются устройство, принцип работы электродвигателя постоянного тока. Статор состоит из набора обмоток, каждая работает только на ограниченной части дуги хода вала. В противном случае реализовать концепцию невозможно.

Работа коллекторного двигателя

Коллекторный двигателей используется повсеместно бытовой техникой. 90% домашних применений приходится на этот сегмент. Двигатели стиральных машин, пылесосов, электрического инструмента.

Исключением, назовем холодильники, вентиляторы, ветродувки, некоторые вытяжки. Вызвано требованиями бесшумности. Каждый, кто слышал, как ездит маленькая машинка от батарейки, понимает. В ночное время слышно каждый шорох, коллекторный двигатель навел бы шороху.

Попробуйте включить на одну-две секунды болгарку в шесть часов утра – поймете.

Согласно законодательству в темное время суток уровень звукового давления не превышает 30 дБ. В противном случае техника помешает спокойному сну. Шум вызван трением щеток о коллектор, ротор двигателя сравнительно тяжелый, малейшая несоосность отдается в подшипниках.

Люфт есть, массивнее движущаяся часть, акустический эффект заметнее. У коллекторных двигателей предостаточно недостатков, зато могут работать от постоянного тока. Чтобы уменьшить габариты, снижают число катушек.

Для однозначного задания направления вращения необходимо минимум три полюса, причем никогда не работают параллельно.

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

Двигатель постоянного тока

У коллекторного двигателя бытовой техники великое количество полюсов ротора. Ниже упрощенный рисунок для постоянного тока.

Коллекторный двигатель работает в схожем режиме, магнитов статора больше, все электрические. Питание ведется переменным напряжением 220 вольт.

Подошли к главной тайне! Нет разницы, питать коллекторный двигатель переменным, постоянным током. С точки зрения обывателя. Существуют некоторые особенности:

  1. При питании постоянным током КПД повышается. Подводимая мощность пропорционально снижена, достигая большей эффективности использования. Обмотка статора снабжена не двумя – тремя выводами. При питании постоянным током используется часть витков. Переменный течет через всю катушку статора.
  2. При постоянных полях исчезает эффект перемагничивания. Резко снижает нагрев электротехнической стали магнитопроводов двигателя постоянного тока. Отражается низкими требованиями к изготовлению несущей основы ротора и статора. Можно не разделять магнитопроводы на пластины с изоляцией лаком. Как бы то ни было, большинство коллекторных двигателей постоянного тока одновременно годятся и для работы с переменным. Магнитопроводы составлены пластинами электротехнической стали.
  3. Косвенным плюсом является более высокая стабильность оборотов. Для регуляции скорости вращения на постоянном токе используется изменение амплитуды напряжения, на переменном – при помощи тиристорного ключа отсекается часть синусоиды по линии питания. Последний вариант используется стиральными машинами.
  4. Реверс на переменном токе ведут перекоммутацией обмоток. Изменением направления включения друг относительно друга. Процедуры в стиральной машине выполняют специальные реле. В двигателях постоянного тока полюс статора заменен железным (неодимовым) магнитом. Хватает сменить полярность питания для получения реверса. Операцию можно выполнять при помощи реле или контактора. Если обмотки питаются энергией электричества, для изменения направления вращения вала применяется перекоммутация.

В коллекторном двигателе бытовой техники статор соединяется последовательно ротору. Для передачи энергии на вал используется токосъемник в виде барабана, разделенного секциями.

Электродами послужат графитовые щетки с прижимными пружинами. На корпусе выводы статора и ротора разграничены, обеспечивая возможности реализации функции реверса.

Среди контактов могут быть вспомогательные: три вывода датчика Холла (два тахометра), окончания термопредохранителя.

По мере кручения вала щетки постепенно переключаются на следующую секцию, полюс ротора сдвигается. Статор остается на прежнем месте. Обратите внимание, полярность меняется с удвоенной частотой сети (50 Гц), характер взаимодействия остается прежним.

Одинаковые полюсы отталкиваются, разнородные притягиваются. Путем особого распределения обмотки, коммутации с коллектором обеспечивается нужное направление вращения. Проявляется независимость двигателя от типа питающего напряжения (постоянного или переменного).

Некоторые особенности коллекторного оборудования, присущие только данному типу устройств читайте ниже.

По мере движения щеток по барабану возникает искра

Паразитный эффект часто применяется на пользу, недостатки в виде помех послужат оценке скорости вращения вала. При увеличении нагрузки на вал обороты снижаются.

Падает величина паразитной противо-ЭДС, эффект приводит к уменьшению уровня искрения. Специальная схема отслеживает фактор, увеличивая напряжение питания. Скорость оборотов восстанавливается.

Подобные схемы найдем в кухонных комбайнах; в стиральных машинах для контроля вращения применяются специальные датчики (тахометр).

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

Принцип действия

Для гашения искры применяются варисторы

Величина ЭДС вырастает до недопустимого размера, сопротивление защиты в десятки тысяч раз уменьшается, лишний ток закорачивается корпусом. Варисторы используются парно. Объединяют обе щетки через корпус коллекторного двигателя. Вилки пылесосы зачастую лишены клеммы заземление, успешно снабжаются варисторной защитой.

Искра замыкается стальным корпусом, ввиду больших размеров, массы разогрев отсутствует.

Смертельно опасно браться одной рукой за коллекторный двигатель с такими изысками, другой – хватать заземленные металлические конструкции (пожарные лестницы; водопроводные, канализационные, газовые трубы; шины громоотводов; оплетки антенных кабелей).

Съемные щечки на корпусе

Корпус электроинструмента снабжен съемными щечками, щетки меняются в течение считаных минут. Уберегает от необходимости разбирать прибор для технического обслуживания. Признаком износа щеток выступает сильное искрение. Оборудование поизносилось.

Новые щетки при притирании сильно искрят. В случае износа наблюдается падение мощности. Дрель перестает вращать сверло, останавливается барабан стиральной машины при номинальной массе загруженного белья.

Не всегда удается достать оригинальные щетки, комплектующие можно подточить до необходимых размеров шлифовальным инструментом.

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

Обороты электродвигателя

Искрение оборотов, срыв

Искрение, срыв оборотов наблюдаются при загрязнении барабана. Ротор вынимается, проводится чистка подходящим средством (спиртом).

Устройство электродвигателя постоянного тока не отличается от моделей, работающих под переменным напряжением. Вышесказанное касается любого типа оборудования.

Работа электродвигателя постоянного тока

Под токосъемником простейшего двигателя две секции. Выродился барабан коллектора. Каждая контактная ламель (пластинка на валу) занимает половину оборота.

Одна щетка снабжается положительным потенциалом, вторая – отрицательным, сообразно меняется направление магнитного поля полюсов. Активными в каждый момент времени являются два (в описанной выше конструкции).

Статора может формироваться постоянным электрическим полем, либо металлическим магнитом. Последнее применяется детскими машинками.

Как работает электродвигатель постоянного тока. Допустим, в начальный момент времени обмотки расположены так, как показано на рисунке. В нашем примере полюсов уже не два, как обсуждали выше, – три.

Минимальное число для стабильного запуска электрического двигателя постоянного тока в нужном направлении. Обмотки соединены схемой звезды, у каждой пары одна общая точка. Напряженность поля формирует два полюса отрицательных, один положительный.

Постоянный магнит стоит, как показано рисунком.

Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

Упрощенный рисунок случая постоянного тока

Каждую треть оборота происходит перераспределение поля так, что полюса сдвигаются согласно изменению напряжения питания на ламелях. На второй эпюре видим: номера обмоток сдвинулись, картина в пространстве осталась.

Залог стабильности: один полюс притягивается к постоянному магниту, второй отталкивается. Если нужно получить реверс, меняется полярность подключения батарейки (аккумулятора). В результате получается два положительных полюса, один отрицательный.

Вал станет двигаться против часовой стрелки.

Полагаем, принцип действия электродвигателя постоянного тока теперь понятен. Добавим, сегодня распространены двигатели вентильного типа.

Многие задумались заставить поля чередоваться на статоре, ротор представлял бы постоянный магнит. В первом приближении двигатель вентильного типа.

Постоянный ток подается на нужные обмотки статора через коммутируемые ключи-тиристоры. В результате создается нужное распределение поля.

Преимущества схемы в снижении количества трущихся частей, являющихся причиной необходимости обслуживания, ремонта. Тиристорный блок управления достаточно сложный. Допускается организовать коммутацию при помощи ламелей.

Одновременно конструкция послужит грубым датчиком положения вала (плюс минус расстояние между контактными площадками оси вала). Вентильные двигатели не новы. Широко применяются специфическими отраслями. Помогают точно выдержать частоту вращения. В быту вентильные двигатели найти сложно.

Некое подобие можно лицезреть в стиральной машине. Речь о помпе слива воды (ротор магнитный, только ток переменный).

Технические характеристики электродвигателей постоянного тока лучше, нежели при питании переменным током. Класс устройств широко применяется. Чаще электродвигатели постоянного тока используются при питании батареями различного рода. Когда нет выбора. Преимущества схемы питания позволят аккумуляторам дольше продержаться.

Обмотки статора, ротора включают последовательно, параллельно. Последнее применяется при нагруженном в исходном состоянии валу. Наблюдается резкое повышение оборотов, может привести к негативным последствиям, если ротор слишком легко идет. Упоминали о подобных тонкостях в теме конструирования двигателей своими руками.

Источник: https://VashTehnik.ru/elektrika/ustrojstvo-i-princip-raboty-elektrodvigatelya-postoyannogo-toka.html

Особенности управления и принципы работы вентильных, бесколлекторных и шаговых двигателей постоянного тока

Зарождение идеи о работе двигателя постоянного тока (ДПТ) появилось в начале XIX века. Известные физики Алессандро Вольта, М. Фарадей и П. Барлоу внесли в историю своё видение этого процесса.

Читайте также:  Почему вытяжка elica gea 2m gr a60 дует в обратную сторону?

Изобретателем электромотора по праву принято считать Б. С. Якоби, ведь именно ему удалось изготовить устройство с вращающимся якорем, которое можно было применить на практике.

Хотя первый двигатель был маломощным, но следующий уже приводил в движение лодку.

Устройство ДПТ

Основными частями электрической машины постоянного тока являются магниты и обмотка. К вспомогательным частям относятся корпус, сердечник, вал, коллектор, щёточный механизм. Все эти детали имеют своё назначение.

Сердечники подвижной и неподвижной частей изготавливаются не из целостной конструкции, а из листов электротехнической стали. Эта особенность строения даёт возможность практически устранить вихревые токи.

Прямой обязанностью коллектора является преобразование переменного тока, который вырабатывается в обмотке якоря, в постоянный. Коллектор — узел, характерный именно для машин постоянного тока.

Но он одновременно и самый уязвимый, так как почти половина всех электромоторов выходит из строя в процессе работы именно по причине его поломки. Отсутствие коллектора в строении асинхронной или синхронной машины улучшает её надёжность.

Это преимущество сохраняется как для трехфазных, так и для однофазных машин переменного тока.

Управление двигателем постоянного тока подразумевает изменение скорости его вращения, ведь основной его задачей является приведение в ход рабочих механизмов. Скорость вращения можно изменять тремя методами:

  • изменением напряжения, которое подводится;
  • изменением сопротивления в цепи якоря;
  • изменением магнитного потока в цепи возбуждения.

Классификация моторов ПТ

Различия между видами электромоторов заключаются в типе магнитов и способе возбуждения. Магниты могут быть как постоянными, так и электромагнитами. Преимущества постоянного магнита (в отличие от электромагнита):

  • компактность;
  • не требует источника энергии для работы.

Недостатками являются невозможность регулировки силы магнитного потока и размагничивание с течением времени.

Вид возбуждения ДПТ зависит от места присоединения обмотки полюсов. В связи с этим различают независимое возбуждение мотора (обмотка возбуждения питается от постороннего источника) и самовозбуждение (обмотка возбуждения присоединена к обмотке якоря). Двигатели с самовозбуждением носят более короткие названия:

  • шунтовые (параллельное соединение обмоток);
  • сериесные (последовательное соединение обмоток);
  • компаундные (смешанное соединение обмоток).

Электромоторы применяются в различных областях промышленности и сельского хозяйства, а также бытовых установках. Их разнообразие велико. Основные типы ДПТ:

  • традиционного назначения;
  • специального назначения.

Особенности работы вентильных двигателей

Вентильные двигатели относятся к электрическим машинам специального назначения. Своим названием они обязаны применению в них устройств для выпрямления тока — вентилей. Достоинства вентильных электродвигателей:

  • изменение скорости вращения в широких пределах;
  • более высокий коэффициент полезного действия из-за уменьшения магнитных потерь вследствие малого магнитного сопротивления;
  • даже при пиковой нагрузке рабочие характеристики довольно неплохи.

Наряду с преимуществами, они имеют и некоторые недостатки. Но значение их не велико. Основными являются:

  • шумность;
  • управление требует определённой квалификации обслуживающего персонала;
  • высокая цена.

Области применения их различны: на производстве по добыче нефти, в химической промышленности и установках для бурения скважин.

Основная разница между вентильным и обычным двигателем заключается в конструкции. У вентильного нет некоторых привычных частей конструкции: коллектора и щёточного механизма. Вместо этого установлен коммутатор (инвертор), с помощью которого осуществляется управление вентильным двигателем. На инвертор поступает сигнал от датчика положения ротора.

Датчиками положения ротора могут быть трансформаторные или индуктивные бесконтактные элементы. Наиболее распространёнными являются датчики электродвижущей силы Холла. Такое устройство состоит из небольшой пластины полупроводникового материала.

На ней находятся контактные звенья, к которым припаяны выводы, соединённые с источником питания. Выводы выходного сигнала также припаиваются к соответствующим звеньям пластины.

Требованиями к датчикам положения ротора являются:

  • компактность;
  • минимальное значение мощности на входе;
  • большая кратность сигнала как максимального, так и минимального;
  • надёжная работа при любых условиях окружающей среды.

Коммутатор выполнен на полупроводниках. Его задача аналогична задаче щёточно-коллекторного узла в обычных двигателях и заключается в изменении направления тока. На сердечнике станины находится обмотка якоря, а на роторе — постоянный магнит. Такая конструкция устраняет возможность скольжения контакта на якоре.

У вентильного двигателя ток в фазах синусоидального вида. Возбуждение у него может быть двух видов:

  • электромагнитное;
  • магнитоэлектрическое.

При электромагнитном возбуждении обмотка возбуждения располагается на полюсах. Она подключается к сети благодаря контактным кольцам, размещённым на валу ротора. Таким образом, создание магнитного поля происходит электромагнитным путём.

В случае магнитоэлектрического возбуждения ни в цепи возбуждения, ни в якорной цепи скользящего контакта не будет. Постоянные магниты будут выступать в качестве полюсов. Эти двигатели называются бесколлекторными электродвигателями.

Свойства бесколлекторных приборов

Бесколлекторный двигатель постоянного тока (БДПТ) существенно отличается от вентильного двигателя. Его ток в фазах выглядит трапецеидально. БДПТ устроен более просто: широтно-импульсная модуляция заменена на коммутацию 120 или 180 градусов. Главными задачами безщеточного двигателя является точное положение ротора в необходимом промежутке и высокая скорость вращения.

Конструкция может быть двух видов: с магнитами на подвижной части (якоре) или неподвижной (статоре). В устройствах автоматики для охлаждения используются приводы с конструкцией магнитов на якоре. Характерной их особенностью является быстрое достижение высоких оборотов.

В системах оборудования для медицины распространено размещение магнитов на статоре. Эти микромашины называются высокомоментными двигателями. Скорость вращения у них не столь велика, но из-за отсутствия обмотки возбуждения и наличия постоянных магнитов они неплохо справляются с работой при перегрузках и сохраняют точность позиции в пространстве.

Сигнал на обмотки таких электромашин будет поступать от драйвера, задачей которого является управление вращающим моментом. Для того чтобы якорь повернулся на определённый угол, необходимо подать на нужные обмотки напряжение. Плавность вращения сохранить не удастся, но высокой скорости вращения добиться можно.

Разница между коллекторными и бесколлекторными двигателями состоит как в строении, так и в процессе работы. В контроллере коллекторные двигатели не нуждаются, а вот работа бесщеточного мотора без его участия недопустима. Достоинства бесщеточных двигателей:

  • возможность работы в условиях с различными характеристиками окружающей среды;
  • длительный срок использования;
  • надёжность в работе.

Недостатком является стоимость. Она довольно высока из-за наличия в строении полупроводникового коммутатора, постоянного магнита и чувствительных элементов.

Собрать вентильный или ДПТ своими руками — дело неблагодарное. Материалы, сложность работы и потраченное время будут стоить гораздо дороже, нежели потраченные средства на покупку двигателя заводского изготовления. Но надёжность и безопасность тоже будут в несколько раз выше.

Подбор этих электромашин необходимо проводить, опираясь на характеристики драйверов с каналами широтно-импульсной модуляции:

  • предельное напряжение при длительном использовании;
  • максимальная скорость вращения;
  • допустимая сила тока;
  • частота тока (обыкновенные устройства 7—8 кГц, более усовершенствованные модели — 16—32 кГц).

Главными звеньями при управлении бесколлекторным двигателем являются датчики положения. Сигнал с них передаётся на контроллер, и вследствие этого происходят переключения. Но возможна работа этих устройств и без датчиков. В этом случае играет роль перепад напряжения на обмотке, которая в определённый момент является нерабочей.

По количеству фаз многие моторы являются трехфазными, и для управления ими необходим дополнительный узел в устройстве — выпрямитель постоянного тока в трехфазный импульсный.

Управление трехфазным бесщеточным двигателем постоянного тока также вызывает некоторые сложности из-за параллельного контроля нескольких параметров.

Поскольку электрические машины устройства обратимые, то бесколлекторный мотор можно подключить как генератор.

Строение шагового типа оборудования

Разновидностью двигателей переменного тока специального назначения являются шаговые. Их иногда называют импульсными. Они относятся к синхронным электромоторам специального назначения. Принцип их работы состоит в том, что скачкообразные шаги на выходе получают благодаря импульсам напряжения на входе. Виды шаговых двигателей по виду ротора:

Строение устройства с активным ротором предполагает наличие в нём электромагнитов или постоянных магнитов. В двигателях с реактивным ротором обмотки возбуждения нет. Ротор изготавливается из магнитомягкого материала.

Обмотка управления находится на неподвижной части — статоре. По количеству фаз она может быть разной, но наиболее распространёнными являются трехфазные обмотки.

Принцип действия

Если у шагового двигателя на статоре имеется две пары полюсов с двумя обмотками управления, то его вращение будет зависеть от подачи напряжения на обмотку управления. При подаче сигнала на обмотку управления, которая находится на первой паре, ротор повернётся и займёт положение по ее оси. Когда на обмотке второй пары полюсов появится сигнал, ротору придётся занять положение между этими полюсами.

При отключении сигнала на обмотке первой пары и оставшемся сигнале на обмотке управления второй пары полюсов ротор повернётся на их ось. Таким образом, при вращении он как будто будет совершать шаги, поэтому и носит такое название. Шаги двигателя (угол поворота ротора) с двумя парами полюсов будут равняться 45 градусам. Система коммутации будет четырехтактной.

Для двухтактной системы коммутации при таком же количестве пар полюсов необходимо, чтобы сигнал поступал всегда только на одну определённую обмотку управления конкретной пары полюсов. Тогда и угол поворота ротора изменится и будет составлять 90 градусов.

Чтобы принцип работы шагового двигателя был понятен даже для чайников, необходимо обратить внимание на схему.

Ротор будет занимать положение в пространстве против той пары полюсов, на обмотке которой будет подано питание. Если же питание подано две на обмотки соседних полюсов, ротор займёт положение между ними. Чем меньше значение шага двигателя, тем точнее и устойчивее его работа.

Для работы шагового двигателя необходим коммутатор. Его задачей является превращение импульсов управления определённой последовательности в прямоугольные импульсы в системе с необходимым количеством фаз.

При большой нагрузке на двигатель точность поворота ротора будет нарушена. Он будет поворачиваться с некоторым отставанием, которое является углом статической ошибки. При холостом ходе шагового двигателя значение угла статической ошибки равно нулю.

Так как скорость протекания процессов работы обратно пропорциональна сопротивлению управляющих обмоток, то для того, чтобы ускорить вращение ротора, применяются резисторы. Их присоединяют последовательно в цепь управляющих обмоток статора. Оценивают экономичность работы по основному показателю — значению мощности на входе.

Источник: https://chebo.biz/tehnologii/printsip-raboty-raznyh-vidov-dvigatelej-postoyannogo-toka.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector