Как устроен двигатель постоянного тока

Что такое коллекторный двигатель постоянного тока и как он работает

Коллекторные электродвигатели довольно распространены в быту и на производстве. Они используются для привода различных механизмов, электроинструмента, в автомобилях. Отчасти популярность обусловлена простой регулировкой оборотов ротора, но есть и некоторые ограничения их применения и конечно же недостатки. Давайте разберемся что такое коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ), какие бывают разновидности данного вида электродвигателей и где они используются.

Определение и устройство

В справочниках и энциклопедиях приводят, такое определение:

«Коллекторным называется электродвигатель, у которого датчиком положения вала и переключателем обмоток является одно и то же устройство – коллектор. Такие двигатели могут работать либо только на постоянном токе, либо и на постоянном, и на переменном.»

Коллекторный электродвигатель, как и любой другой, состоит из ротора и статора. В этом случае ротор – является якорем. Напомним, что якорем называется та часть электрической машины, которая потребляет основной ток, и в которой индуцируется электродвижущая сила.

Для чего нужен и как устроен коллектор? Коллектор расположен на валу (роторе), и представляет собой набор продольно расположенных пластин, изолированных от вала и друг от друга. Их называют ламелями. К ламелям подключаются отводы секций обмоток якоря (устройство якорной обмотки КДПТ вы видите на группе рисунков ниже), а точнее к каждой из них подключен конец предыдущей и начало следующей секции обмотки.

Ток к обмоткам подаётся через щетки. Щётки образуют скользящий контакт и во время вращения вала соприкасаются то с одной, то с другой ламелью. Таким образом происходит переключение обмоток якоря, для этого и нужен коллектор.

Щеточный узел состоит из кронштейна с щеткодержателями, непосредственно в них и устанавливаются графитовые или металлографитовые щетки. Для обеспечения хорошего контакта щетки прижимаются к коллектору пружинами.

На статоре устанавливаются постоянные магниты или электромагниты (обмотка возбуждения), которые создают магнитное поле статора. В литературе по электрическим машинам вместо слова «статор» чаще используют термины «магнитная система» или «индуктор». На рисунке ниже изображена конструкция ДПТ в разных проекциях. Теперь же давайте разберемся как работает коллекторный двигатель постоянного тока!

Принцип действия

Когда ток протекает через обмотку якоря, возникает магнитное поле, направление которого можно определить с помощью правила буравчика. Постоянное магнитное поле статора взаимодействует с полем якоря, и он начинает вращаться благодаря тому, что одноименные полюса отталкиваются, притягиваясь к разноимённым. Что отлично иллюстрирует рисунок ниже.

При переходе щеток на другие ламели ток начинает протекать в обратную сторону (если рассматривать приведенный выше пример), магнитные полюса меняются местами и процесс повторяется.

В современных коллекторных машинах не используется двухполюсная конструкция из-за неравномерности вращения, в момент переключения направления тока силы, действующие на якорь, будут минимальны.

А если включить двигатель, вал которого остановился в этом «переходном» положении — он может и не начать вращаться совсем.

Поэтому на коллекторе современного двигателя постоянного тока расположено значительно больше полюсов и секций обмоток, уложенных в пазах шихтованного сердечника, таким образом достигаются оптимальные плавность движения и момент на валу.

Принцип работы коллекторного двигателя простым языком для чайников раскрыт в следующем видеоролике, убедительно рекомендуем ознакомиться.

Виды КДПТ и схемы соединения обмоток

По способу возбуждения коллекторные двигатели постоянного тока различают двух типов:

1. С постоянными магнитами (маломощные двигатели мощностью десятки и сотни Ватт).
2. С электромагнитами (мощные машины, например, на грузоподъёмных механизмах и станках).

Различают такие типы КДПТ по способу соединения обмоток:

• Последовательного возбуждения (в старой отечественной литературе и от старых электриков можно услышать название «Сериесные», от англ. Serial). Здесь обмотка возбуждения подключена последовательно с обмоткой якоря. Высокий пусковой момент – преимущество такой схемы, а её недостаток – падение частоты вращения с увеличением нагрузки на валу (мягкая механическая характеристика), и то что двигатель идёт вразнос (неконтролируемый рост оборотов с последующим повреждением опорных подшипников и якоря) если работают на холостом ходу или с нагрузкой на валу в меньше 20-30% от номинальной.
• Параллельного (также называют «шунтовые»). Соответственно обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря. На низких оборотах на валу высокий момент и стабилен в относительно широком диапазоне оборотов, а с увеличением оборотов он уменьшается. Преимущество — стабильные обороты в широком диапазоне нагрузки на валу (ограничивается его мощностью), а недостаток – при обрыве в цепи возбуждения может пойти вразнос.
• Назависимого. Обмотки возбуждения и якоря питаются от разных источников. Такое решение позволяет точнее регулировать обороты вала. Особенности работы похожи на ДПТ с параллельным возбуждением.
• Смешанного. Часть обмотки возбуждения подключена параллельно, а часть последовательно с якорем. Совмещают достоинства последовательного и параллельного типов.

Условное графическое обозначение на схеме вы видите ниже.

В иностранной и современной отечественной литературе, а также на схемах можно встретить и другое представление УГО для КДПТ, как было приведено на предыдущем рисунке в виде круга с двумя квадратами, где круг обозначает якорь, а два квадрата – щетки.

Схема подключения и реверс

Схема соединения обмоток статора и ротора определяется при изготовлении, и, в зависимости от того, где применяется конкретный двигатель, нужно выбирать соответствующее решение. В определенных режимах работы (тормозной режим, например) схемы включения обмоток могут изменяться или вводиться дополнительные элементы.

Включают маломощные коллекторные двигатели постоянного тока с помощью: полупроводниковых ключей (транзисторов), тумблеров или кнопок, специализированных микросхем-драйверов или с помощью маломощных реле. Крупные мощные машины подключаются к сети постоянного тока через двухполюсные контакторы.

Ниже вы видите реверсивную схему подключения двигателя постоянного тока к сети 220В. На практике, на производстве схема будет аналогичной, но диодного моста в ней не будет, поскольку все линии для подключения таких двигателей прокладываются от тяговых подстанций, где переменный ток выпрямляется.

Реверс осуществляется путем смены полярности на обмотке возбуждения или на якоре. Изменить полярность и там, и там нельзя, поскольку направление вращения вала не изменится, как это происходит с универсальными коллекторными двигателями при работе на переменном токе.

Для плавного пуска двигателя в цепь питания обмотки якоря или обмотки якоря и обмотки возбуждения (в зависимости от схемы их соединения) вводят регулировочное устройство, например, реостат, таким же образом регулируют и частоту вращения вала, но вместо реостата чаще используют набор постоянных резисторов, подключаемых с помощью набора контакторов.

В современных приложениях частота оборотов изменяется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и полупроводникового ключа, именно так это и сделано в аккумуляторном электроинструменте (шуруповёрт, например). КПД такого способа значительно выше.

Сфера применения

Коллекторные двигатели постоянного тока применяются повсеместно как в быту, так и в промышленных устройствах и механизмах, давайте кратко рассмотрим их область применения:

• В автомобилях используют 12В и 24В коллекторные ДПТ для привода щеток стеклоочистителей (дворников), в стеклоподъёмниках, для запуска двигателя (стартер — это коллекторный двигатель постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения) и приводах другого назначения.
• В грузоподъёмных механизмах (краны, лифты и пр.) используются КДПТ, которые работают от сети постоянного тока с напряжением 220В или любым другим доступным напряжением.
• В детских игрушках и радиоуправляемых моделях малой мощности используются КДПТ с трёхполюсным ротором и постоянными магнитами на статоре.
• В ручном аккумуляторном электроинструменте — разнообразные дрели, болгарки, электроотвертки и т.д.

Отметим, что в современный дорогой электроинструмент устанавливают не коллекторные, а бесколлекторные электродвигатели.

Достоинства и недостатки

Разберем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

1. Соотношение размеров к мощности (массогабаритные показатели).
2. Простота регулировки оборотов и реализации плавного пуска.
3. Пусковой момент.

Недостатки у КДПТ следующие:

1. Износ щеток. Высоконагруженные двигатели, которые регулярно эксплуатируются, требуют регулярного осмотра, замены щеток и обслуживания коллекторного узла.
2. Коллектор изнашивается из-за трения щеток.
3. Возможно искрение щеток, что ограничивает применение в опасных местах (тогда используют КДПТ взрывозащищенного исполнения).
4. Из-за постоянного переключения обмоток этот тип двигателей постоянного тока вносит помехи и искажения в питающие цепи или электросеть, что приводит к сбоям и проблемам в работе других элементов схемы (особенно актуально для электронных схем).
5. У ДПТ на постоянных магнитах магнитные силы со временем ослабевают (размагничиваются) и эффективность двигателя снижается.

Вот мы и рассмотрели, что такое коллекторный двигатель постоянного тока, как он устроен и какой у него принцип действия. Если остались вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Материалы по теме:

Источник: https://samelectrik.ru/chto-takoe-kollektornyj-dvigatel-postoyannogo-toka.html

Как работает коллекторный двигатель постоянного тока

Узнайте все преимущества и недостатки коллекторного электродвигателя для вашего проекта.

Если вы работаете над проектом, в котором есть движущаяся часть, вы, вероятно, будете искать двигатель, чтобы сделать это движение возможным. В этой серии статей мы рассмотрим наиболее популярные типы двигателей, которые используют разработчики. Прежде всего, это коллекторный двигатель постоянного тока.

Чтобы узнать, для каких проектов лучше всего подходят коллекторные двигатели постоянного тока, ознакомьтесь с обзором:

• Какой тип электродвигателя лучше всего подходит для моего проекта?

Самый простой тип электродвигателя (и самый распространенный) – это коллекторный двигатель постоянного тока. Вы можете найти этот двигатель везде. В вашем телефоне, вероятно, тоже есть один, обеспечивающий функцию вибрации. Коллекторные двигатели постоянного тока используются практически в любой движущейся игрушке. Аккумуляторные дрели работают на коллекторных двигателях постоянного тока.

Коллекторные двигатели постоянного тока используются везде: в игрушках, в чем-либо с вибрирующим мотором, в таких обычных инструментах, как аккумуляторные дрели.

Как они работают?

Коллекторные двигатели постоянного тока представляют собой простые устройства, состоящие из нескольких частей.

Коллекторные двигатели постоянного тока состоят всего из нескольких основных частей.

Вокруг корпуса двигателя расположены магниты статора. Это постоянные магниты, положительные с одной стороны и отрицательные с другой. В середине двигателя, соединенного с валом двигателя, находятся, по меньшей мере, три проволочных обмотки, соединенных с металлическими пластинами, которые называются якорем.

На противоположной от вала двигателя стороне обмоток расположен коллектор (от которого в русскоязычном варианте этот тип двигателя получил свое название) – пара металлических пластин, прикрепленных к обмоткам. Наконец, щетки (в англоязычном варианте этот тип двигателя называется «brushed», «щеточный») также расположены на стороне двигателя, противоположной валу двигателя.

Щетки создают физический контакт с коллектором. Когда на щетки подается постоянное напряжение, это напряжение передается на коллектор, который, в свою очередь, питает обмотки. Это входное напряжение генерирует магнитное поле вокруг якоря.

Левая сторона якоря отталкивается от левого магнита статора в направлении магнита справа. А правая сторона якоря отталкивается от правого магнита влево.

При постоянном изменении полярности магнитного поля вокруг якоря вал будет постоянно вращаться.

Недорогие

Коллекторные двигатели постоянного тока производятся большими сериями и широко используются, что делает их дешевле других типов электродвигателей.

Простота управления

Чтобы заставить двигатель вращаться, просто подайте постоянное напряжение. Более высокое напряжение (или более высокий коэффициент заполнения, или более низкая скважность, ШИМ сигнала) заставит двигатель работать быстрее. Изменение полярности напряжения изменит направление вращения. Коллекторные двигатели постоянного тока даже не нуждаются в использовании микроконтроллера, вы можете запустить их, просто подключив к аккумулятору.

Высокий начальный крутящий момент

Коллекторные двигатели постоянного тока выдают высокий крутящий момент на низких скоростях. Это важно, потому что этот высокий начальный крутящий момент позволяет электродвигателю быстро набирать скорость, даже если у двигателя есть нагрузка.

Оценка характеристик коллекторных двигателей постоянного тока.

Быстрый износ

Поскольку щетки физически трутся об коллектор, они со временем изнашиваются. Следовательно, по сравнению с другими типами электродвигателей, коллекторные двигатели постоянного тока изнашиваются быстрее.

Много электрического шума

Внутри коллекторного двигателя постоянного тока между щетками и коллектором образуются электрические дуги. Это вызывает много электрического шума, что не очень хорошо для микроконтроллеров или датчиков, работающих в этой же системе.

Ограниченная максимальная скорость

Физический контакт между щетками и коммутатором во время работы означает, что между этими двумя частями есть трение. Там, где есть трение, есть тепло. Коллекторные двигатели постоянного тока имеют ограниченную максимальную скорость, потому что слишком высокая скорость может привести к нагреву, способному нанести повреждения.

Оригинал статьи:

• Scott Hatfield. How a Brushed DC Motor Works

Теги

ДвигательДвигатель постоянного токаКоллекторный двигатель постоянного токаЭлектродвигатель

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.

Источник: https://radioprog.ru/post/672

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: особенности и принцип работы

Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет на статоре трёхфазную обмотку, и постоянный магнит на роторе. Вращающееся магнитное поле создаётся обмоткой статора, при взаимодействии с которым магнитный ротор приходит в движение.

Для создания вращающегося магнитного поля на обмотку статора подаётся система трёхфазных напряжений, которая может иметь различную форму и формируется различными способами.

Формирование питающих напряжений (коммутация обмоток) для бесколлекторного двигателя постоянного тока производиться специализированными блоками электроники – контроллером двигателя. 

Заказать бесколлекторный двигатель в нашем каталоге

В простейшем случае обмотки попарно подключаются к источнику постоянного напряжения и по мере того как ротор поворачивается в направлении вектора магнитного поля обмотки статора производится подключение напряжения к другой паре обмоток. Вектор магнитного поля статора при этом занимает другое положение и вращение ротора продолжается. Для определения нужного момента подключения следующих обмоток используется датчик положения ротора, чаще других используются датчики Холла. 

Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию. 

По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени.

Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего  номинала (а соответственно и большего размера).

Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.

Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют  двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором.

Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику.

Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя. 

Отличия от других типов двигателей

Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами.

По этой же причине  скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами.

С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой

Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий.

Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей).

Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

Ответ на этот вопрос достаточно прост – в тех случаях, когда он имеет преимущество перед остальными типами двигателей. Так, например, практически невозможно обойтись без бесколлекторного двигателя в применениях, где требуются большие скорости вращения: свыше 10000 об/мин. Оправдано применение бесколлекторных двигателей также и в тех случаях, когда требуется высокий срок службы двигателя.

В тех случаях, когда требуется применять сборку из двигателя с редуктором, однозначно оправдано применение низкоскоростных бесколлекторных двигателей (с большим числом полюсов). Высокоскоростные бесколлекторные двигатели в этом случае будут иметь скорость выше, чем предельно допустимая скорость редуктора, и по этой причине не будет возможности использовать их мощность полностью.

Для  применений, где требуется максимально простое управление двигателем (без использования контроллера двигателя) естественным выбором будет коллекторный ДПТ. 

С другой стороны, в условиях повышенной температуры или повышенной радиации проявляется слабое место бесколлекторных двигателей – датчики Холла. Стандартные модели датчиков Холла имеют ограниченную стойкость к радиации и диапазон рабочих температур.

Если в подобном применении всё же имеется необходимость использовать бесколлекторный двигатель, то неизбежными становятся заказные исполнения с заменой датчиков Холла на более стойкие к указанным факторам, что увеличивает цену двигателя и сроки поставки.

Источник: https://avi-solutions.com/library/technologies/beskollektornyi_dvigatel_postoyannogo_toka/

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.

Как работает двигатель постоянного тока

Подавляющее большинство электрических машин работает по принципу магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней ток, то её вытолкнет наружу.

Как это возможно? Дело в том, что проходя по проводнику, ток формирует вокруг себя круговое магнитное поле по всей длине провода. Направление этого поля определяют по правилу буравчика (винта).

При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается.

То есть среда становится упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки (правило правой руки используется для генераторов, а правило левой руки подходит только для двигателей). Эта сила называется «амперовой» и её величина определяется по закону Ампера F=BхIхL, где В – значение магнитной индукции поля; I – ток, циркулирующий в проводнике; L – длина провода.

Это явление использовали как основной принцип работы первых электродвигателей, этот же принцип используют и поныне. В двигателях постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля применяются постоянные магниты. В электромоторах средней и большой мощности однородное магнитное поле создают с помощью обмотки возбуждения или индуктора.

Рассмотрим принцип создания механического движения с помощью электричества более подробно. На динамической иллюстрации показан простейший электромотор. В однородном магнитном поле вертикально располагаем проволочную рамку и пропускаем по ней ток.

Что происходит? Рамка проворачивается и по инерции двигается какое-то время до достижения горизонтального положения. Это нейтральное положение – мёртвая точка — место, где воздействие поля на проводник с током равно нулю.

Чтобы движение продолжилось, нужно добавить ещё хотя бы одну рамку и обеспечить переключение направление тока в рамке в нужный момент. На обучающем видео внизу страницы хорошо виден этот процесс.

Принцип действия современных электродвигателей

Современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полясами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе. Принцип его работы следующий.

Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части — «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо.

Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение.

Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя.

Таким образом, обмотка якоря передаёт вращающий момент на вал электромотора, а тот в свою очередь приводит в движение рабочие механизмы любого оборудования, такого как, например, станок для сетки рабицы.

Хотя в этом случае используется асинхронный двигатель переменного тока, основной принцип его работы идентичен принципу действия двигателя постоянного тока – это выталкивание проводника с током из магнитного поля.

Только у асинхронного электромотора вращающееся магнитное поле, а у электродвигателя постоянного тока – поле статичное.

Продолжая тему двигателя постоянного тока нужно отметить, что принцип действия электродвигателя основывается на инвертировании постоянного тока в якорной цепи, чтобы не было торможения, и вращение ротора поддерживалось в постоянном ритме. Если изменить направление тока в возбуждающей обмотке статора, то, согласно правилу левой руки, изменится направление вращения ротора.

То же самое произойдёт, если мы поменяем местами щёточные контакты, подводящие питание от источника к якорной обмотке. А вот если поменять «+» «-» и там и там, то направление вращения вала не изменится. Поэтому, в принципе, для питания такого мотора можно использовать и переменный ток, т.к. ток в индукторе и якоре будет меняться одновременно.

На практике такие устройства используются редко.

Что касается электрической схемы включения двигателя, то их несколько и они показаны на рисунке. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря делается из большого количества витков тонкой проволоки. При таком подключении коммутируемый коллектором ток будет значительно меньше из-за большого сопротивления и пластины не будут сильно искрить и выгорать.

Если делать последовательное соединение обмоток индуктора и якоря, то обмотка индуктора делается из провода большего диаметра с меньшим количеством витков, т.к. весь якорный ток устремляется через статорную обмотку.

При таких манипуляциях с пропорциональным изменением значений тока и количества витков, намагничивающая сила остаётся постоянной, а качественные характеристики устройства становятся лучше.

На сегодняшний день двигатели постоянного тока мало используются на производстве. Из недостатков этого типа электрических машин можно отметить быстрый износ щёточно-коллекторного узла. Преимущества – хорошие характеристики запуска, лёгкая регулировка частоты и направления вращения, простота устройства и управления.

 • Скачать лекцию: двигатели постоянного тока 

Свежие записи:

Источник: https://ukrlot.com/princip_deystviya_elektrodvigatelya.html

Электродвигатели постоянного тока серии 4ПБ80

Купить Электродвигатели постоянного тока серии 4ПБ80

Широкорегулируемые электродвигатели постоянного тока 4ПБ80 закрытого исполнения (ICO041) со степенью защиты IP44

Электродвигатели постоянного тока 4ПБ80: технические характеристики

Электродвигатели постоянного тока серии 4ПБ80 изготавливаются для поставок внутри страны и на экспорт и соответствуют требованиям ГОСТ 183-74 и техническим условиям ТУ16-88 ИНЦЯ527.214–003ТУ, ТУ16-88 ИЖВЕ 527.000.004Т и ТУ 16–527.317-85 (ИЖДЦ 527.412.007ТУ).

Номинальный режим работы электродвигателей – продолжительный (S1) по ГОСТ 183-74.

 Электродвигатели постоянного тока серии 4ПБ допускают работу в режимах S2 – S8 по ГОСТ 183-74, при этом среднеквадратичный ток якоря за цикл не должен превышать номинальный. Возбуждение электродвигателя независимое 220 или 110 В.

 Электродвигатели постоянного тока без повреждений и остаточных деформаций выдерживают в нагретом состоянии рабочую нагрузку по току: 4ПБ80-2 Iн в течение 60 с или 4 Iн в течение 12 с.

Регулирование частоты вращения электродвигателей постоянного тока 4ПБ80 от нуля до основной производится изменением подводимого напряжения на якоре от nном до 0,0005 nном в реверсивном приводе и токе якоря до 0,85-0,9 Iн, а от основной до максимальной частоты вращения, указанной в таблице, путем уменьшения тока возбуждения при номинальном токе якоря и номинальном напряжении на якоре.

Устойчивость работы электродвигателя обеспечивается системой регулирования привода. Направление вращения электродвигателей постоянного тока – реверсивное. Допустимое число реверсов в час не более 400. Электродвигатель постоянного тока 4ПБ80 работает при питании от статических или вращающихся преобразователей. Допустимая скорость изменения тока якоря до 100 Iн/с в режиме перегрузки, коэффициент пульсации тока в номинальных режимах работы до 15 %.

Степень искрения на коллекторе электродвигателей под сбегающим краем щетки при номинальной нагрузке в диапазоне рабочих частот вращения и коэффициенте пульсации тока не более 15 % не превышает 11/2 по ГОСТ 183-74. Степень искрения электродвигателей 4ПБ80 при перегрузках и в переходных режимах не оговаривается, коллектор и щетки при этом должны быть в состоянии, пригодном для эксплуатации.

Средний уровень звука электродвигателей постоянного тока при основной частоте вращения до 900 мин-1 соответствует классу 1, выше 900 мин-1 – классу 2. Уровень вибрации по ГОСТ 16921-83 при номинальной частоте вращения соответствует категории R. Вероятность безотказной работы электродвигателей постоянного тока 4ПБ-80 – 0,9 за период работы 6000ч. Срок службы электродвигателей 12-15 лет.

Электродвигатели постоянного тока 4ПБ80: технические характеристики

Тип электродвигателя	NНОМ, кВт	UНОМ, В	nНОМ, об/мин	КПД,%
4ПБ80 А2УХЛ4	0,18	110	1000/4000	52,0
220	1000/2600	52,0
0,25	110	1500/4000	62,0
220	1500/4000	62,0
0,37	110	2200/4000	63,0
220	2200/4000	63,0
0,55	110	3000/4000	70,0
220	3000/4000	70,0
4ПБ80 В1УХЛ4	0,25	110	1000/4000	55,0
220	1000/4000	55,0
0,37	110	1500/4000	64,0
220	1500/4000	64,0
0,55	110	2200/4000	65,0
220	2200/4000	65,0
0,8	110	3000/4000	79,0
220	3000/4000	79,0

Габаритные, установочные и присоединительные размеры электродвигателей постоянного тока 4ПБ80; исполнение IM 1081

Тип двигателя

Размеры

L1

L10

L30не более

L31

b1

b10

h

h1

h5

h31не более

d1

d10

d30

t1

b11

d33

Масса, кг

4ПБ80А2Г

50±0,5

100

435

50±1,5

6р9

125

80-0,5

6 h9

24,5-0,3

200,5

22js6

См. вид В

176±3

3,5+02

155±3

15,5

18

4ПБ80В1Г

459

6h9

15,5

20

Габаритные, установочные и присоединительные размеры электродвигателей постоянного тока 4ПБ80; исполнение IM 2181

Тип двигателя

Размеры

L1

L10

L30не более

L31

b1

b10

h

h1

h5

h31не более

d1

d10

d30

d20

d22

d24

d25

L20

t1

d33

Масса, кг

4ПБ80А2Г

50±0,5

100

435

50±1,5

6р9

125

80-0,5

6 h9

24,5-0,3

200,5

22js6

См. вид В

176±3

130

М8-7Н

160

110+0,013-0,009

3,5±0,15

3,5+02

15,5

18

4ПБ80В1Г

459

6h9

20

Источник: http://www.elp.ru/digest/Elektrodvigateli-Elektricheskie-mashiny-Generatory/Elektrodvigateli-postoyannogo-toka-Generatory-postoyannogo-toka/Elektrodvigateli-postoyannogo-toka-serii-4P/Elektrodvigateli-postoyannogo-toka-serii-4PB80

Двигатель постоянного тока. Схемы соединения и характеристики ДПТ — Help for engineer | Cхемы, принцип действия, формулы и расчет

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.

Рисунок 1 – Конструкция двигателя постоянного тока

Двигатели постоянного тока классифицируют по магнитной системе статора:

1) ДПТ с постоянными магнитами;

2) ДПТ с электромагнитами:

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».

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.

Недостаточно прав для комментирования

Источник: https://h4e.ru/elektricheskie-mashini/133-dpt-shemi-harakteristiki

Крановые электродвигатели постоянного тока электрических кранов

Двигатель постоянного тока состоит из следующих частей: а) станины или статора с неподвижной обмоткой, служащей для создания магнитного поля, б) якоря с коллектором и обмоткой, в) двух подшипниковых щитов, или, иначе, крышек..

Подшипниковые щиты крепятся болтами к станине. На одном из подшипниковых щитов укреплены щеточные пальцы с щеткодержателями. Станина может быть литая чугунная или стальная. На ней укрепляются сердечники электромагнитов, на которые надеваются катушки, изготовленные из изолированной медной проволоки. Станина снабжается лапами для крепления машины к основанию или фундаменту.

Якорь электродвигателя набирается из отдельных листов железа, насаженных на стальной вал.

Обмотка якоря, изготавливаемая из медной проволоки, а при значительных мощностях машины — из медных прямоугольных шин закладывается в образующиеся продольные пазы якоря, тщательно изолируется и закрепляется в пазах деревянными клиньями и бандажами из стальной проволоки. Концы обмотки выводят на коллектор и припаивают к его пластинам оловянным припоем, а иногда приваривают медью (в специальных машинах).

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Коллектор делают из твердых медных пластин, изолированных друг от друга слюдяными прокладками толщиною от 0,5 до 1 мм.

Пластины имеют форму ласточкиного хвоста, в прорези которого входят конические зажимные втулки. В качестве подшипников якоря в машинах всегда ставят подшипники качения — шариковые или роликовые. (В старых машинах применяли подшипники скольжения — баббитовые или бронзовые с кольцевой смазкой).

После сборки якоря коллектор обтачивается на токарном станке и шлифуется так, чтобы его наружная поверхность была гладкой и имела правильную цилиндрическую форму.

Слюдяные или миканитовые прокладки между коллекторными пластинами вырезают на глубину до 0,5 мм, чтобы эти прокладки не вызывали вибрации щеток пои работе машины.

После длительной работы машины коллектор изнашивается и его приходится протачивать, а слюду между коллекторными пластинами вырезать специальным инструментом на глубину до 0,5 мм.

Всякая машина постоянного тока обратима, т. е. может работать в качестве двигателя, если к ее обмоткам подводить постоянный ток, и генератора — если ее вращать каким-либо двигателем.

Рис. 1. Устройство коллектора:1 — коллекторная пластина; 2 — зажимная втулка

Обмотка полюсов машины постоянного тока называется индукторной, или обмоткой возбуждения — она возбуждает магнитное поле статора.

Обмотки машины постоянного тока соединяются следующими способами:1) параллельно к якорю подключается обмотка возбуждения;2) якорь и обмотка возбуждения соединяются последовательно;

3) якорь и обмотка возбуждения соединяются последовательно и, кроме этого, вторая дополнительная обмотка возбуждения, катушки которой насажены на одни сердечники с последовательной. обмоткой, включается параллельно якорю.

Двигатель, у которого обмотка возбуждения включена параллельно якорю, называется двигателем параллельного соединения (по старой терминологии — шунтовым); двигатель, у которого обмотка возбуждения соединена последовательно с якорем, называется двигателем последовательного соединения (по старой терминологии — сериесным); двигатель, имеющий две обмотки возбуждения — последовательную и параллельную, называется двигателем смешанного соединения (по старой терминологии — компаундным).

Свойства двигателя зависят от того, каким образом соединены его обмотки.

Во всяком двигателе постоянного тока момент вращения (т. е. произведение усилия на валу на радиус вала), или мощность на валу пропорциональны величине магнитного потока в обмотке возбуждения и силе тока в якоре, а число оборотов вала — обратно пропорционально величине магнитного потока обмотки возбуждения.

Кривая, показывающая зависимость числа оборотов от момента или мощности на валу двигателя, называется его механической характеристикой.

Двигатель с последовательным возбуждением

При таком виде двигателя проходит одинаковой величины ток как в якоре, так и в обмотке возбуждения, поэтому последняя делается из толстой медной проволоки или шины и имеет сравнительно небольшое число витков. Схема его представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема электродвигателя последовательного возбуждения: 1 — якорь; 2 — обмртка возбуждения; 3 — реостат

При включении нагруженного двигателя, с последовательным возбуждением в сеть, в связи с тем, что сопротивление его обмоток мало, по ним потечет значительный ток, который создает при помощи обмотки возбуждения большой величины магнитный поток. На основании вышеизложенного, число оборотов вала будет мало, а пусковой момент на валу двигателя будет значительным (он пропорционален квадрату силы тока в якоре).

Это свойство делает двигатель с последовательным возбуждением незаменимым там, где требуется большая величина пускового момента — в кранах, трамваях и т. п. Двигатель такого типа имеет «мягкую» характеристику, т. е. при увеличении нагрузки число оборотов его быстро падает, и наоборот. В связи с этим его нельзя включать без нагрузки: он разовьет недопустимо большое число оборотов й его моЖет «разнести», т. е.

разорвать обмоткй якоря и коллектор вследствие недопустимо больших скоростей и больших значений центробежных сил в обмотке якоря и коллектора.

Регулирование числа оборотов двигателей с последовательным возбуждением на кранах производят несколькими способами:

1-й способ — регулирование реостатом в цепи якоря. Регулировочный реостат включается последовательно с якорем, т. е. так же, как и при пуске, только этот реостат, в отличие от пускового, должен работать длительно, не перегреваясь. Регулировочный реостат применяется в случае работы с более или менее постоянной нагрузкой.

2-й способ — шунтирование обмотки якоря. Реостат включается параллельно якорю, и ток в обмотке якоря будет меньше тока в обмотке возбуждения, в связи с чем число оборотов якоря уменьшается и двигатель не будет разносить при малых нагрузках. Этот способ применяется в дополнение к первому в схемах подъема груза и ненагруженного крюка. Регулировать скорость можно также и шунтированием обмотке возбуждения, скорость двигателя при этом повышается. На кранах этот способ не применяется.

3-й способ регулирования скорости — изменением напряжения питающей сети — на мостовых кранах не применяется.

Перемена направления вращения электродвигателя (или иначе — реверсирование) достигается изменением направления тока в якоре двигателя или в обмотке возбуждения.

При одновременном изменении направления тока в якоре и обмотке возбуждения двигатель не изменит направление вращения.

В практике всегда изменяют направление тока в якоре для реверса двигателя.

Электрическое торможение на-кранах с двигателями постоянного тока применяется наряду с механическим торможением. Смысл его состоит в следующем: если груз будет опускаться под действием собственного веса, то он может развить большую скорость и удариться о землю.

Для того чтобы этого избежать, применяют электрическое торможение, т. е.

двигатель переключают на генераторный режим и он, отдавая некоторую мощность на сопротивление, будет требовать определенного усилия для своего вращения, которое будет являться тормозящим при опускании груза.

Рис. 3. Рабочая характеристика электродвигателя последовательного возбуждения

Применяются следующие способы торможения в указанных случаях:

1-й способ торможения — электродвигатель вращается по инерции и работает в качестве генератора на некоторое сопротивление.

Механическая энергия опускающегося груза в генераторе преобразуется в электрическую, аэлектрическая— в тепловую в тормозном сопротивлении. При этом механизм снижает Скорость и тормозится.

2-й способ торможения — схема безопасного спуска. На рис. 4 указаны пять положений схемы соединения двигателя с сетью для этого случая. Якорь двигателя включен в сеть через сопротивление, параллельно цепи якоря включена обмотка возбуждения также через сопротивление. Обмотка возбуждения создает магнитный поток постоянной величины.

Если под действием груза якорь двигателя увеличит скорость, то двигатель станет генератором, начнет посылать электроэнергию в сеть. Механическая энергия падающего груза перейдет в электрическую, якорь будет тормозиться и скорость его будет находиться в допустимых пределах. В этом случае двигатель автоматически переходит в тормозной режим, а скорость может быть превышена против допустимой очень незначительно.

Снижение скорости в этом случае достигается увеличением тока возбуждения — путем уменьшения величины регулировочного сопротивления.

Рис. 4. Схема безопасного спуска:С1 — С2—обмотка возбуждения; Т1 — Т2 — обмотка тормозного электромагнита; Я1 — Я2 — якорь электродвигателя; Р1—Р2 — сопротивления

3-й способ торможения — торможение противотоком. Способ состоит в том, что двигатель, вращающийся в одну сторону, переключают на вращение в противоположную. При этом могут получиться сильные толчки.

Чтобы получить плавное, без ударов, торможение противотоком, следует вводить в период торможения добавочное сопротивление в цепь одной из обмоток двигателя, величина которого значительно больше пускового.

В связи с тем, что этот способ торможения при невнимательном использовании может привести к сильным перегрузкам меха- , низмов, им следует пользоваться только опытным крановщикам.

Двигатель параллельного возбуждения

Число оборотов двигателя с параллельным возбуждением мало зависит от нагрузки, но начальное усилие (вращающий момент) при пуске имеет значительно меньшую величину, чем у предыдущего, поэтому на кранах такие двигатели не применяются. Генераторы же с параллельным возбуждением на кранах применяются для питания подъемных электромагнитов.

Двигатель со смешанным возбуждением

Этот двигатель имеет две обмотки возбуждения — последовательную и параллельную, и соединяет в себе свойства двигателя с последовательным и параллельным возбуждением: имеет большой вращающий момент при пуске и может работать при малых нагрузках без большого превышения скорости.

Двигатели со смешанным возбуждением применяются в быстроходных подъемниках, лифтах и иногда — кранах.

Для кранов выпускаются электродвигатели постоянного тока типа КПДН к МП с последовательным возбуждением на напряжение 220 и 440 в (рис. 5) мощностью от 3,9 до 130 кет.

Электродвигатели выпускаются с двумя выступающими концами вала, каждый из которых может быть использован в качестве приводного. Двигатели постоянного тока требуют особенно тщательного ухода, своевременного ремонта и ежедневной чистки.

Наиболее уязвимая часть этих двигателей — коллектор, поэтому надо его ежесменно осматривать.

Поверхность нормально работающего коллектора должна быть гладкой, блестящей и иметь светло-коричневый или темно-коричневый оттенок — так называемую политуру. Он не должен быть загрязнен пылью от щеток, слюдяная изоляция не должна выступать над рабочей поверхностью пластин.

Чистят коллектор сухой чистой тряпкой, которую надо прижать деревянной колодкой. Следы обгорания надо зачистить тонкой стеклянной бумагой или пемзой, наждачную бумагу применять нельзя. Без особой необходимости шлифовать коллектор

не следует, чтобы не снять политуру, которая сохраняет коллектор от износа. Износившиеся до предела щетки заменяют запасными того типа, который рекомендован заводом-изготовителем. Новая щетка должна быть притерта к коллектору мелкой стеклянной бумагой, в этом случае также нельзя применять наждачную бумагу. Щетки должны свободно ходить в щеткодержателях, но без чрезмерной качки — она нарушит плотное прилегание щеток к коллектору при изменении направления вращения.

Рис. 5. Краиовый электродвигатель постоянного тока типа КПД

Рекомендуется производить одновременно замену всего комплекта щеток.

При разборке двигателя необходимо отметить положение траверсы, чтобы правильно установить щетки на нейтрали.

Рекламные предложения:

Читать далее: Асинхронные двигатели трехфазного тока

Категория: — Мостовые электрические краны

→ Справочник → Статьи → Форум

Источник: http://stroy-technics.ru/article/kranovye-elektrodvigateli-postoyannogo-toka-elektricheskikh-kranov

Двигатель постоянного тока

Двигатели постоянного тока предназначены для превращения энергии постоянного тока в механическую работу.

Электродвигатели постоянного тока, намного меньше распространены, нежели двигатели переменного тока. Это связано в первую очередь со сравнительной дороговизной, более сложным устройством, сложностями в обеспечении питания.

Но, несмотря на все эти недостатки, ДПТ имеют немало плюсов. Например, двигатели переменного тока, сложно регулировать, ДПТ же отлично регулируются массой способов.

Кроме того ДПТ имеют более жесткие механические характеристики и позволяют обеспечить большой пусковой момент.

Электродвигатели постоянного тока применяются в качестве тяговых двигателей, в электротранспорте, в качестве различных исполнительных устройств.

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.

Управление двигателем постоянного тока с помощью инвертора

Оформить подписку на новости

Хотите заказать? Есть вопросы?

В прошлом в тяговых системах для управления двигателями постоянного тока использовались контроллеры с мпульсным управлением и разомкнутым контуром регулирования. В настоящее время в тяговых системах в основном используются только асинхронные двигатели.

В системах малой мощности, и особенно в сервосистемах, часто встречается импульсное управление с замкнутым контуром регулирования. Наибольшее распространение получили двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. Встречаются также и моторы с независимым возбуждением, но в данной статье будут рассмотрены только двигатели с постоянными магнитами.

Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами

В маленьких двигателях постоянного тока магнитное поле обычно генерируется керамическими постоянными магнитами. Понятно, что характеристики таких двигателей похожи на характеристики двигателей с обмоткой возбуждения. Но двигатели с постоянными магнитами имеют лучшие показатели:

1. Практически линейная зависимость скорость-момент (рис. 1). Реакция якоря меньше воздействует на плотность потока, чем в случае полюсов обмотки:
   1. Проницаемость керамических материалов очень низкая
   2. Коэрцитивная сила постоянных магнитов препятствует изменениям в результате воздействия поля якоря.

   Рис. 1. Зависимость скорость-момент двигателей постоянного тока

2. Двигатели с постоянными магнитами имеют меньшие размеры.
   Благодаря действию больших коэрцитивных сил постоянных магнитов радиальный размер полюсов значительно меньше, чем у двигателей с обмотками возбуждения. В результате общий размер и вес двигателей с постоянными магнитами меньше по сравнению с эквивалентными по мощности двигателями с обмотками возбуждения.
3. Отсутствуют потери мощности в обмотке возбуждения.
4. Высокий пусковой момент.

Одноквадрантный привод

В схеме управления двигателем постоянного тока используется ШИМ инвертор с контроллером.

Рис. 2. Управляемый одноквадрантный привод

Двухквадрантная работа

На рис. 3 показана мостовая схема управления двигателем постоянного тока. Такая схема часто используется в силовой ступени управления серводвигателями и шаговыми двигателями. Мостовая схема также может быть использована в линейных сервоусилителях, но по соображениям эффективности реально применяется только для управления двигателями малой мощности. В основном транзисторы работают как переключатели и управляются ШИМ сервоусилителя.

Эти переключатели работают парами: T1-T4 и T2-T3. Когда T1-T4 закрыты, а T1-T3 открыты, ток якоря течет вправо. Двигатель вращается , например, по часовой стрелке. При T2-T3 закрытых и T1-T4 открытых, двигатель будет вращаться против часовой стрелки. Мост в режиме драйвера может работать в двух направлениях.

Рис. 3. Мостовая схема управления двигателем постоянного тока

Принципиально мостовая схема  управления двигателем постоянного тока имеет два варианта, которые называются униполярным и биполярным ШИМ. На рис. 4 показана возможная форма импульсных сигналов для униполярного ШИМ.

Напряжение на двигателе в течение одного цикла варьируется от 0 до V (от + до +V и от 0 до –V). Используются два переключателя: T1-T4 или T2-T3.

При биполярном ШИМ сигнале (рис. 5) используются четыре переключателя для одного направления вращения двигателя. Напряжение на двигателе изменяется от +V до -V, среднее значение напряжения определяет направление вращения двигателя.

Рис. 4. Управление двигателем постоянного тока — униполярный ШИМ сигнал.

Рис. 5. Управление двигателем постоянного тока — биполярный ШИМ сигнал.

В качестве примера мы рассмотрим работу мостовой схемы управления двигателем постоянного тока с использованием широко распространенного униполярного ШИМ.

Рис. 6 (а) иллюстрирует вариант при закрытых T1-T4 и вращение двигателя по часовой стрелке. Теперь имеются два варианта управления транзисторами: либо один переключатель остается закрытым (например, T1)  и второй управляется с широтно-импульсным регулированием (T4), либо оба переключателя (T1 и T4) управляются ШИМ регулированием — рис. 6 (с). Для начала рассмотрим работу, когда T1 закрыт, а T4 управляется ШИМ-регулированием.

Когда T4 открыт – рис. 6 (b) — мы имеем:

• Напряжение индукции (вызванное индуктивностью цепи якоря);
• ЭДС (вследствие действия силы инерции инерционности двигатель продолжает вращение и работает как генератор);
• . Это e (последовательно с Vcc, так как T1 закрыт) может вызвать перенапряжение на T4.

Необходимо использовать защитные диоды для этого транзистора. В случае, показанном на рис. 6 (b), ЭДС e будет обеспечивать прохождение тока через D3 и T1. Диод D3 , будет защищать транзистор T4. При других вариантах переключения будет необходимо защищать  другие транзисторы, т.е. все четыре транзистора будут иметь защитные  диоды: D1, D2, D3, D4.

Другой вариант — при котором оба переключателя T1 и T4 одновременно выключены (управляются ШИМ регулированием). В момент закрытия транзисторов – рис. 6 (с) – ЭДС e вызовет прохождение энергии через диоды D2 и D3 к источнику Vcc. Это также справедливо для случая, показанного на рис. 6 (b) в момент, когда T1 открывается (одновременно с T4). Очевидно, что диод D2 необходим.

Управление вращением двигателя в обратном направлении аналогично, но вместо T1-T4 работают транзисторы T2-T3.

Рис. 6. Мостовая схема управления двигателем постоянного тока с использованием униполярного ШИМ

Импульсное управление двигателем постоянного тока  с последовательным возбуждением

Вплоть до 1990 г. двигатели постоянного тока использовались во многих странах в качестве тяговых приводов (поезда, трамваи, метро). Для управления использовались  инверторы, источники постоянного и переменного тока и управляемые выпрямители.

Помимо основной задачи управления тяговым электродвигателем, инверторы  также использовались для работы с внешним дополнительным оборудованием (например, для управления вентиляторами для охлаждения тяговых двигателей).

Мощность инверторов варьировалась от сотен киловатт до нескольких мегаватт.

В современных системах  для переключения электроэнергии и управления тяговыми двигателями используются IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor  — биполярный транзистор с изолированным затвором). Управление двигателем реализуется при помощи микроконтроллеров. Преимущественно используются трехфазные асинхронные двигатели.

Тяговые системы 

На рис. 7 изображен инвертор как механический переключатель. Режим работы δ инвертора определяет среднее значение:

определяет скорость вращения двигателя.

Рис. 7. Принципиальная схема управления двигателем постоянного тока с использованием инвертора.

Изменение тока Δi определяется выражением:

Очевидно, что Δia = 0 при δ = 0 или при δ = 1.

Максимальное значение Δia как независимой величины может быть найдено:

При δ = 0.5 и = частота инвертора, получаем:

(1)

Из формулы (1) следует, что размах пульсаций тока двигателя (Δia)max будет меньше, если:

1. Частота инвертора будет больше
2. Самоиндукция будет больше

При использовании инверторов со слишком низкой частотой необходимо включение в схему больших и дорогостоящих электрических дросселей.
Высокая частота инвертора увеличивает потери:

• В полупроводниках, из которых изготовлен инвертор;
• В цепях защиты для этих полупроводников;
• В самом двигателе (потери, обусловленные переменной составляющей тока).

При нормальном использовании тиристорного инвертора время выключенного состояния должно быть по крайней мере пятикратным от времени бестоковой паузы тиристора.

При использовании слишком большой частоты инвертора максимальное значение δ ограничено.  В этом случае большая часть электроэнергии от источника питания не может быть подана на электродвигатель.

Линейный фильтр

В случае, когда в качестве источника питания используются батареи (внутреннее полное сопротивление = 0) инвертор может быть запитан без каких-либо проблем.

При подаче питания через контактный провод самоиндукция LR через этот провод:

1. существенно ограничит время нарастания тока на переключателе инвертора;
2. генерировать высокое напряжение самоиндукции на выключателе инвертора.

Чтобы нейтрализовать эти негативные явления необходимо включить в схему как минимум один индуктивно-ёмкостный фильтр (L1C1 на рис. 8).

Рис. 8. Самоиндукция на контактном проводе и входной фильтр тягового устройства.

Емкость C1: позволяет поглощать пульсации тока без самоиндукции цепи, ограничивая скорость нарастания тока.  Емкость работает в качестве энергетического хранилища. Помимо этого, емкость снижает уровень перенапряжения на входе инвертора. Это перенапряжение может возникнуть по двум причинам:

1. перенапряжение может быть на контактном проводе;
2. перенапряжение, возникающее в результате отключение тока инвертора.

Катушка L1: позволяет ограничить колебания в контактном проводе так, что другие потребители данного контактного провода не будут испытывать проблем, которые могут возникнуть в результате пульсаций тока при прерывистом режиме работы. Такие прерывистые токи в контактном проводе и рельсе могут вызвать помехи в работе телекоммуникационных цепей управления.

Емкость C1 совместно с индуктивностью  LR+L1 формирует последовательную резонирующую цепь с резонансной частотой:

(2)

Совместно с частотой инвертора fc, которая равна или меньше частоты f1, эта частота может вызвать большие колебания напряжения. На практике это имеет место при fc > 2*f1 или даже fc > 3*f1.

Кроме того, необходимо принимать во внимание тот факт, что LR – это переменная, зависящая от расстояния между главным распределительным устройством и потребителем.

Источник: https://electroprivod.ru/dc-motor-chopper-control.htm

Электродвигатель постоянного тока

УПРАВЛЕНИЕ
ПУСК

Исторически первый электродвигатель работал именно на постоянном токе, так как во времена его изобретения в 1834 году Борисом Якоби единственным источником тока были гальванические батареи.

Принцип работы электродвигателя постоянного тока прост: в простейшем случае он имеет по одной паре полюсов на статоре и роторе, при этом направление тока в обмотке ротора дважды за оборот изменяется при помощи специального устройства – коллектора, представляющего собой набор пластин, соответствующий числу роторных обмоток.

При вращении ротора различные участки обмотки последовательно соединяются через щетки с внешним источником постоянного тока.

Так как электродвигатель с двухполюсным ротором имеет две мертвые точки, где запуск без внешнего импульса невозможен (полюса ротора находятся точно напротив полюсов статора, и равнодействующая сил отталкивания равна нулю), на практике используются только многополюсные роторы.

Кроме того, увеличение числа полюсов увеличивает равномерность вращения ротора.

Подключение обмотки якоря может быть различным:

Независимое.

Обмотка ротора не имеет прямого соединения со статором, такое подключение используется в схемах с регулировкой оборотов.

Сериесное.

Обмотка якоря включена последовательно со статором. При увеличении нагрузки на сериесный электродвигатель его обороты резко падают (но возрастает крутящий момент), при уменьшении нагрузки возможен разнос. По этой причине сериесное возбуждение не используется там, где возможен холостой ход электродвигателя. Классический пример сериесного мотора – автомобильный электростартер.

Шунтовое.

Якорь подключается параллельно статору. При перегрузке крутящий момент на роторе не изменяется, при отсутствии нагрузки не возникает разнос.

Смешанное.

Якорь имеет две обмотки, подключенных последовательно статору и параллельно с ним. По своим электромеханическим характеристикам компаундные электромоторы находятся между сериесными и шунтовыми – они способны поднимать крутящий момент при увеличении нагрузки и вместе с тем не склонны к разносу на холостом ходу.

Компаундное возбуждение часто используется в электроинструменте, где необходимо и ограничение максимальных оборотов, и устойчивость к росту нагрузок.

В зависимости от взаимного направления магнитных потоков обеих обмоток различают прямое и обратное компаундное включение: при обратном включении и правильном конструировании ротора возможно поддержание стабильных оборотов при изменении нагрузки, но такая схема склонна к периодическим колебаниям частоты вращения.

Магнитное поле статора является постоянным, поэтому статор может выполняться из мощных магнитов, не имея обмотки. Благодаря этому снижаются затраты меди на производство электродвигателя и уменьшается его стоимость.

Сфера применения электродвигателей постоянного тока – это в первую очередь устройства и системы с батарейным питанием: от микромоторов карманных плейеров до мощных автомобильных электростартеров, тяговые двигатели легких электромобилей и электрокаров, аккумуляторный электроинструмент.

При всех своих достоинствах (простота устройства, высокий КПД, легкость реверса) электродвигатели постоянного тока имеют ряд серьезных недостатков:

1. При вращении ротора в питающей цепи возникают импульсные помехи в момент перехода ламелей коллектора мимо щеток, к которым добавляются радиопомехи из-за искрения на коллекторе.
2. Сам коллектор и токопроводящие щетки неизбежно изнашиваются.

   Неравномерный износ ламелей коллектора и изолятора между ними может приводить к нарушению контакта щеток и коллектора, снижению мощности и обгоранию ламелей.

3. В ряде случаев искрение щеток усиливается настолько, что возникает так называемое «кольцевое пламя» — сплошная область ионизированного воздуха, окружающая коллектор с разрушительными последствиями.

   Для противодействия этому чаще всего используется принудительная вентиляция области коллектора, выносящая ионизированный воздух наружу.

Управление электродвигателем постоянного тока

Наиболее очевидный способ управления оборотами электродвигателя постоянного тока – это изменение тока в его обмотках и, следовательно, магнитного потока. Изначально в цепь питания ротора включался мощный реостат, однако этот способ управления имел явные недостатки:

Сложность автоматического поддержания оборотов.

Движок реостата приводился либо вручную, либо присоединялся к центробежному регулятору. В любом случае резкое увеличение нагрузки не могло быть быстро скомпенсировано.

Высокие потери мощности.

На мощных электродвигателях реостат значительно нагревался, снижая КПД двигательной установки и требуя введения дополнительного охлаждения.

Применение линейного стабилизатора для управления электродвигателем – это, по сути, замена механического реостата электронным: изменяя мощность, рассеиваемую линейным стабилизатором, изменяют ток в обмотках электродвигателя.

Главное преимущество такой схемы – возможность создания устройств для поддержания оборотов с высокой скоростью реакции. Как известно, при вращении коллектора возникают броски тока в момент подключения очередной секции обмотки ротора.

Частота этих импульсов строго пропорциональна оборотам двигателя, что широко используется в устройствах правления коллекторными двигателями.

Например, автомобильный доводчик стеклоподъемников автоматически отключает питание мотора, перестав фиксировать пульсацию тока в цепи питания стеклоподъемника (обнаружение момента остановки электродвигателя).

Совершенствование силовой электроники и в частности создание ключей с низким собственным падением напряжения в открытом состоянии (IGBT, MOSFET) позволило создать системы электронного управления широтно-импульсной модуляцией.

Суть широтно-импульсной модуляции (сокращенно ШИМ) состоит в изменении длительности импульсов тока при сохранении их постоянной частоты.

Такой метод регулировки имеет значительно больший КПД, так как отсутствует элемент, на котором рассеивается излишняя мощность, как это было бы в случае использования реостата или линейного стабилизатора напряжения.

Основной проблемой схем с широтно-импульсной является индуктивность обмоток электродвигателя. Она делает невозможным моментальное нарастание и падение тока, искажая форму прямоугольного сигнала, подаваемого на электродвигатель. В свою очередь, при неправильном проектировании силового каскада ШИМ-контроллера это способно привести к перегреву силовых ключей и резкому падению КПД.

Пуск электродвигателя постоянного тока

В момент включения электродвигателя постоянного тока в питающую сеть возникает значительный бросок тока, так как пусковой ток электродвигателя в несколько раз (при мощностях, измеряемых киловаттами – до 20) превосходит номинальный. По этой причине прямой пуск электродвигателей используется только при небольших мощностях.

Распространенный способ снижения нагрузки на сеть при пуске электродвигателей высокой мощности – это реостатный запуск. В данном случае в момент включения мотора цепь ротора питается через мощный резистор или набор резисторов, по мере набора оборотов закорачиваемых специальными контакторами.

Осциллограмма тока якоря при этом становится близкой к пилообразной, а амплитуда пульсаций зависит от числа ступеней пускового реостата.

В тех случаях, когда нагрузка на электродвигатель находится в определенном заданном диапазоне, реостатный пуск производится в автоматическом режиме с помощью реле времени. Эта схема используется на ряде электропоездов, однако распространены и ручные контроллеры, управляемые машинистами.

Недостаток реостатного пуска – большие потери на нагрев реостатов, из-за чего они должны иметь высокую мощность и в ряде случаев искусственное охлаждение.

Этого лишен пуск изменением питающего напряжения, применяемый в тех случаях, когда возможно управление источником тока, например, в электро трансмиссиях постоянного тока: в момент пуска приводящий генератор двигатель работает на минимальных оборотах, плавно набирая их по мере разгона.

Также могут применяться управляемые выпрямители, но этот способ более применим для электродвигателей низкой мощности.

2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Источник: https://eltechbook.ru/jelektrodvigateli_postoyannogo_toka.html

Принцип действия и устройство электродвигателя постоянного тока

Сейчас невозможно представить нашу жизнь без электродвигателей.

Они приводят в действие станки, бытовую технику и инструменты, поезда, трамваи и троллейбусы, компьютеры, игрушки и разные подвижные механизмы, устанавливаются на производственных станках, если частоту вращения рабочего вала требуется регулировать в широком диапазоне.

Агрегаты для преобразования электрической энергии в механическую представлены множеством видов и моделей (синхронные, асинхронные, коллекторные и т.д.). Из этой статьи вы узнаете, что такое электродвигатель постоянного тока, его устройство и принцип действия.

Краткая история создания

Разные ученые пытались создать экономичный и мощный двигатель еще с первой половины 19 века. Основой послужило открытие М.Фарадея, сделанное в 1821 г. Он обнаружил, что помещенный в магнитное поле проводник вращается.

Отталкиваясь от этого, в 1833 г изобретатель Томас Дэвенпорт смог сконструировать двигатель постоянного тока, а позже, в 1834 г, ученый Б.С.Якоби придумал прообраз современной модели двигателя с вращающимся валом.

Устройство, более похожее на современные агрегаты, появилось в 1886 г, и до сегодняшнего дня электродвигатель продолжает совершенствоваться.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока

На мысль о создании двигателя ученых натолкнуто следующее открытие. Помещенная в магнитное поле проволочная рамка с пропущенным по ней током начинает вращаться, создавая механическую энергию.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока основывается на взаимодействии магнитных полей рамки и самого магнита. Но одна рамка после определенного количества вращений замирает в положении, параллельном внешнему магнитному полю.

Для продолжения движения необходимо добавить вторую рамку и в определенный момент переключить направление тока.

Вместо рамок в двигателе используется набор проводников, на которые подается ток, и якорь. При запуске вокруг него возбуждается магнитное поле, взаимодействующее с полем обмотки. Это заставляет якорь повернуться на определенный угол. Подача тока на следующие проводники приводит к следующему повороту якоря, и далее процесс продолжается.

Магнитное поле создается либо с помощью постоянного магнита (в маломощных агрегатах), либо с помощью индуктора/обмотки возбуждения (в более мощных устройствах).

Попеременную зарядку проводников якоря обеспечивают щетки, сделанные из графита или сплава графита и меди. Они служат контактами, замыкающими электрическую сеть на выводы пар проводников.

Изолированные друг от друга выводы представляют собой кольцо из нескольких ламелей, которое находится на оси вала якоря и называется коллекторным узлом. Благодаря поочередному замыканию ламелей щетками двигатель вращается равномерно.

Степень равномерности работы двигателя зависит от количества проводников (чем больше, тем равномернее).

Устройство электродвигателя постоянного тока

Теперь, когда вы знаете, как работает электродвигатель постоянного тока, пора ознакомиться с его конструкцией.

Как и у других моделей, основу двигателя составляют статор (индуктор) – неподвижная часть, и якорь вкупе с щеточноколлекторным узлом – подвижная часть. Обе части разделены воздушным зазором.

В состав статора входят станина, являющаяся элементом магнитной цепи, а также главные и добавочные полюса. Обмотки возбуждения, необходимые для создания магнитного поля, находятся на главных полюсах. Специальная обмотка, улучшающая условия коммутации, расположена на добавочных полюсах.

Якорь представляет собой узел, состоящий из магнитной системы (она собрана из нескольких листов), набора обмоток (проводников), уложенных в пазы, и коллектора, который подводит постоянный ток к рабочей обмотке.

Коллектор имеет вид цилиндра, собранного из изолированных медных пластин. Он насажен на вал двигателя и имеет выступы, к которым подходят концы секций обмотки якоря. Щетки снимают ток с коллектора, входя с ним в скользящий контакт. Удержание щеток в нужном положении и обеспечение их нажатия на коллектор с определенной силой осуществляется щеткодержателями.

Многие модели двигателей оснащены вентилятором, задача которого – охлаждение агрегата и увеличение продолжительности рабочего периода.

Особенности и характеристики электродвигателя постоянного тока

Эксплуатационные характеристики электродвигателя постоянного тока позволяют широко использовать это устройство в самых разных сферах – от бытовых приборов до транспорта. К его преимуществам можно отнести:

• Экологичность. При работе не выделяются вредные вещества и отходы.
• Надежность. Благодаря довольно простой конструкции он редко ломается и служит долго.
• Универсальность. Он может использоваться в качестве как двигателя, так и генератора.
• Простота управления.
• Возможность регулирования частоты и скорости вращения вала – достаточно подключить агрегат в цепь переменного сопротивления.
• Легкость запуска.
• Небольшие размеры.
• Возможность менять направление вращения вала. В двигателе с последовательным возбуждением нужно изменить направление тока в обмотке возбуждения, во всех остальных типах – в якоре.

Как и любое устройство, электродвигатели постоянного тока имеют и «слабые стороны»:

• Их себестоимость, следовательно, и цена достаточно высока.
• Для подключения к сети необходим выпрямитель тока.
• Самая уязвимая и быстроизнашивающаяся деталь – щетки – требует периодической замены.
• При сильной перегрузке может случиться возгорание. Если соблюдать правила эксплуатации, такая возможность исключена.

Но, как видите, достоинства явно перевешивают, поэтому на данный момент электродвигатель является одним из наиболее экономичных и эффективных устройств. Зная устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока, вы сможете самостоятельно собрать и разобрать его для техосмотра, чистки или устранения неисправностей.

Источник: https://www.szemo.ru/press-tsentr/article/printsip-deystviya-i-ustroystvo-elektrodvigatelya-postoyannogo-toka/