Независимое возбуждение двигателя это

Электрический двигатель постоянного тока

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

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

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

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

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

Статор (индуктор)

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

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Схемы подключения обмоток статора

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

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

Ротор (якорь)

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

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

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

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

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

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

Схема электромотора с многообмоточным якорем

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

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

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

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

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

Принцип работы

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

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

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

Принцип работы ДПТ

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

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

Читайте также:  Ремонт двигателя вентилятора отопления

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

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

Типы ДПТ

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

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

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

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

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

По виду конструкции магнитной системы статора

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

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

Управление

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

Механическая характеристика

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

Примеры механических характеристик ДПТ

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

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

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Регулировочная характеристика ДПТ

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

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

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

Области применения

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

Преимущества и недостатки

К достоинствам относится:

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

Недостатки:

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

Видео в дополнение к написанному



Источник

ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Двигатели постоянного тока широко востребованы в бытовой аппаратуре, для питания которой используется постоянное напряжение.

Существуют сложности с их запуском, которые возникают из-за того, что работа электрических машин основана на взаимодействии подвижного ротора с вращающимся электромагнитным (э/м) полем статора.

В случае постоянного напряжения питания формирование вращающегося магнитного поля невозможно без применения вспомогательных узлов и устройств, выбор которых определяет существующее разнообразие модификаций двигателей такого типа.

Разновидности двигателей постоянного тока.

В первом случае для подачи питания на ламели ротора используются специальные графитовые щетки. Менять полярность подаваемого напряжения, создавая аналог вращающегося магнитного поля, удается за счет разорванной конструкции токоподающего узла (слева на рисунке).

Виды двигателей постоянного тока

В бесколлекторном двигателе вращающееся э/м поле формируется специальным коммутирующим узлом. Функцию последнего выполняют электронные схемы на полупроводниковых элементах, имеющие различное исполнение. Благодаря этому удается получить бесконтактное взаимодействие полей, без щеток и коллектора.

Типичный представитель такого электродвигателя – мотор-колесо, известное большинству любителей езды на малогабаритных транспортных средствах. Еще один распространенный способ запуска двигателя – включение в схему специальных обмоток возбуждения.

СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Под возбуждением электродвигателей постоянного тока (ПТ) понимается эффект создания в них ЭДС, обеспечивающей вращение ротора. Их рабочие характеристики зависят от того, каким образом включена обмотка возбуждения (ОВ) по отношению к цепи якоря.

В ряде случаев, связанных с особенностями эксплуатации двигателей постоянного тока, применяется комбинированная схема включения.

Иногда ее называют «смешанной» или «компаундной» (в ней последовательное подключение совмещается с параллельным). Рассмотрим каждый из перечисленных вариантов более подробно.

Независимое возбуждение.

При этой схеме подключения обмотка возбуждения электрически не связана с катушкой якоря (рис.1). Для снижения тепловых потерь и создания необходимой величины ЭДС число витков в ней делается достаточно большим, что позволяет снизить ток возбуждения.

Читайте также:  Снять блокировку двигателя опель

Принцип независимого возбуждения двигателя

Регулировать ток в якоре можно посредством резистора Rдоб, включенного последовательно. Частоту вращения можно менять резистором Rрег. Возможность независимого управления параметрами двигателя относят к плюсам этой схемы.

Ее минус – необходимость использования дополнительного источника питания, что приводит к увеличению материальных издержек. Применение схемы с независимым возбуждением определяется особенностями конструкции управляемого электропривода.

Параллельное возбуждение.

Электрическая схема подключения с параллельным возбуждением в целом напоминает рассмотренную выше. Ее особенность – наличие электрической связи ОВ с якорной цепью (рис.2).

Параллельное возбуждение обмоток двигателя постоянного тока

Эффективность работы двух рассмотренных схем практически одинакова. Преимущество этого способа включения в том, что в данной ситуации отпадает необходимость в дополнительном источнике питания. Ее минус – невозможность раздельной регулировки параметров электродвигателя.

Принцип работы электродвигателя с последовательным возбуждением.

Особенностью этой схемы является последовательное включение ОВ и якорной цепочки (рис.3). При таком варианте подключения ток якоря является одновременно и током возбуждения (Iя =Iв). Это вынуждает производителей оборудования наматывать ОВ проводом того же сечения, что и у якоря.

Последовательное возбуждение обмоток электродвигателя

Недостаток этой схемы – в том, что скорость двигателя зависит от нагрузки на валу. При ее увеличении падение напряжения на обмотках и магнитный поток возрастают. А это приводит к сильному падению скорости вращения. При снижении нагрузки частота вращения двигателя резко возрастает и может достичь опасных значений (он может начать работать «вразнос»).

Данный вариант применяют в случаях, когда необходимо выдерживать большое пусковое усилие (момент). Или же когда двигателю предстоит работать в режиме кратковременных перегрузок. Схемы с последовательным запуском используются в тяговых двигателях (в метро, трамваях, электровозах и троллейбусах).

Принцип действия двигателя со смешанным возбуждением.

К каждому из полюсов системы со смешанным возбуждением подключено две обмотки: последовательная и параллельная (рис.4). Их допускается включать таким образом, чтобы магнитные потоки суммировались (согласное подключение), либо вычитались один из другого (встречное включение).

Смешанное возбуждение обмоток двигателя

В зависимости от того, как соотносятся части каждого из магнитных потоков, двигатель постоянного тока со смешанным возбуждением приближаются по своим свойствам к одному из уже рассмотренных ранее вариантов.

Такие схемы применяются в ситуациях, когда необходим большой по величине пусковой момент и одновременно невозможно обойтись без регулировки частоты вращения вала при переменных нагрузках.

БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Бесколлекторным называют двигатель, ток в статорных обмотках которого коммутируется особыми электронными устройствами («драйверами» или «инверторами»). Такой коммутатор состоит из набора полупроводниковых элементов, создающих вращающее поле путем подачи тока в соответствующую обмотку.

Скорость вращения вала у агрегатов этого типа значительно выше, чем у коллекторных с постоянными магнитами. Это позволяет увеличить удельную мощность двигателя и повысить его КПД.

Устройство и принцип действия.

На статоре бесколлекторного двигателя располагаются 3 обмотки, которые, как и у электродвигателей переменного тока называются фазными.

Допустимость такого названия объясняется следующим. Несмотря на того, что эти агрегаты работают от источника постоянного напряжения (аккумуляторов) – управляющий коммутацией обмоток контроллер включает ток поочередно.

Это приводит к формированию в них переменной составляющей в виде прямоугольных импульсов. Они и создают видимость трехфазного вращающегося э/м поля, характерного для коллекторных электродвигателей синхронного или асинхронного типа.

Особенности конструкции.

В зависимости от того, по какой схеме включаются обмотки статора («звезда» или «треугольник») система содержит соответственно четыре или три рабочих шины. Катушки наматываются в пазах между зубьями сердечника статора, распределяясь равномерно по фазам.

В статор нередко интегрируются датчики Холла, фиксирующие текущее положение ротора.

С их помощью удается передавать информацию контроллеру, который в каждый момент «знает», в какой точке находится ротор и подает питающий импульс на нужную обмотку. Такая возможность повышает эффективность функционирования двигателя с максимально возможной отдачей (мощностью).

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Источник

Двигатели с независимым и с параллельным возбуждением и с постоянными магнитами

По способу возбуждения двигатели подразделяют на следующие виды:

1. с независимым возбуждением

2. с параллельным возбуждением

3. с последовательным возбуждением

4. со смешанным возбуждением

В двигателях первого вида обмотки якоря и возбуждения питаются от одного источника

В двигателях второго вида обмотки соединяются параллельно и питаются от одного источника

В двигателях третьего вида обмотки соединяются последовательно и питаются от одного источника

В двигателях четвёртого вида содержатся две обмотки параллельные и последовательные

5. Особую группу представляют собой двигатели, которые не имеют обмотки возбуждения, магнитное поле в них создаётся постоянными магнитами, которые устанавливаются вместо полюсов.

В станкостроении применяют двигатели 1,2 и 5 видов.

Схема включения в сеть:

Схема ручного (неавтоматического) управления

Q – двухполюсный выключатель.

FU – плавкие предохранители защищают двигатель от перегрузки.

Rn— пусковой реостат для ограничения пускового тока якоря.

Rя – регулировочный реостат служит для уменьшения частоты вращения якоря.

Ш – зажимы обмотки возбуждения.

Rрв – регулировочный реостат в цепи возбуждения служит для увеличения частоты вращения якоря.

Скоростные и механические характеристики:

Под скоростными характеристиками понимают зависимость n=f (Iя) при постоянном U

Эти характеристики являются статическими, т.е. каждую точка характеристики соответствует установившемуся режиму работы двигателей.

По скоростным кинематическим характеристикам оценивают механические свойства двигателей.

Каждый двигатель имеет одну естественную скоростную и одну естественную механическую характеристики и бесконечное множество искусственных.

Rря=0 – полностью выведенном регулировочном реостате.

Уравнение естественных характеристик:

Эти характеристики представляют собой прямые, которые можно построить по двум точкам (номинальному и идеальному холостому ходу)

Читайте также:  Номер двигателя лансера 2006

Естественные характеристики рассматриваемого нами двигателя очень жёсткие: при переходе от холостого хода к номинальному режиму частота вращения двигателя изменяется незначительно, и поэтому эти двигатели широко применяются в станкостроении (металлообработке)

Свойство саморегулирования вращающего момента в соответствии с противодействующим моментом:

Любому двигателю присуще свойство саморегулирования вращающего момента в соответствии с противодействующим моментом на валу. Этим электрические двигатели отличаются от других типов двигателя

Процесс саморегулирования заключается в следующем:

Пусть двигатель работает в режиме, при котором M=M’; n=n’

В какой-то момент времени статический момент на валу двигателя изменили (Мс↑)

Способы пуска в ход:

Ток якоря, исходя из (3) определяем

В начальный момент пуска (в момент включения Q) ток якоря неподвижен E=0, поэтому ток якоря (начальный) пусковой:

1. резисторный (реостатный)

2. пуск при пониженном напряжении

При первом способе последовательно с якорем включают пусковой реостат и включают двигатель на номинальное U. Последовательно с якорем включают пусковой реостат сопротивление которого подбирают так чтобы пусковой ток не превышал допустимое значение. Затем якорь подключают к источнику питания и по мере разгона якоря пусковой реостат плавно выводят и в конце пуска оказывается полностью выведенным.

Напряжение источника снижают так, чтобы пусковой ток не превысил допустимое значение, затем якорь подключают к этому источнику и по мере разгона якоря напряжение плавно увеличивают вплоть номинального значения.

Реверсирование, регулирование частоты вращения:

Для реверсирования двигателя достаточно изменить направление либо тока якоря, либо направление тока возбуждения. Для этого необходимо провода, присоединённые к обмотке якоря, либо обмотки возбуждения поменять местами. Способы регулирования частоты вращения «видны» из уравнений скоростной и механической характеристик.

1) уменьшение частоты вращения за счёт уменьшения напряжения источника, питающего якорь двигателя. Очевидно, что при изменении напряжения изменяется частота вращения х/х, а наклон характеристик остаётся без изменений.

2) уменьшение частоты вращения за счёт введения в цепь якоря регулировочного реостата

При этом способе регулирования частота вращения холостого хода неизменна, а изменяется наклон.

M=const;

При 1 и 2 двигатель остановится

M = var; IВ = var;

IЯ = const; Р= const

Мощность энергии, которая потребляется двигателем от источника питания, складывается из мощности, потребляемой якорем и обмоткой возбуждения. При этом энергия, потребляемая обмоткой возбуждения, целиком и полностью преобразуется в тепловую энергию.

Энергия, которая потребляется якорем, частично преобразуется в тепловую и большей частью в механическую (электромагнитную). Процесс преобразования удобно показать в виде энергетической диаграммы

∆Рмх – мощность механических и других неучтённых электрических уравновешенных потерь (трения и другие).

Максимальное значение η имеет место при 60 – 80 %

! Не следует выбирать двигатели завышенной мощностью.

2. Трёхфазные асинхронные двигатели (ТАД).

2.1 Назначение:

Асинхронная машина – это бесколлекторная машина переменного тока, у которой в установившемся режиме магнитное поле, участвующее в основном процессе преобразования энергии, и ротор, вращаются с разными скоростями. Преимущества АД: простота конструкции, высокая надежность, простейшие требования к уходу, отсутствие искрящихся частей, что позволяет широко применять их в лесообрабатывающей промышленности. Трехфазные асинхронные двигатели достигают мощности 5000 кВт. При мощности до 1000 Вт двигатели выполняют и однофазными (для стиральных машин, бытовых холодильников и т.д.).

Устройство, ТАД с короткозамкнутым и фазным ротором:

Самый распространённый вид. Статор содержит корпус из любого материала, ферро-магн. сердечник –полый цилиндрический из тонких (0.35мм) листов эл. тех. стали. Сердечник имеет на внутренней поверхности равномерно распределённые по окружности продольные пазы в которые уложена обмотка статора. С торца имеются подшипниковые щиты которые крепятся к корпусу. Сбоку или сверху к корпусу крепятся вводные устройства закрытые крышкой. Основным устройством является изоляционная панель с 6-ю токопроводящими шпильками. К каждой шпильке присоед 1 провод обмотки статора. Обмотка статора состоит из 3х идентичных катушек (фаз) сдвинутых в пространстве на 120. начала и концы фаз маркируют чтоб можно было соединить звездой или треугольник.

Способ соединения фаз зависит от номинального линейного напряжения питающей сети и номинального напряжения двигателя. На паспортной табличке которая крепится к корпусу указаны 2 номинальных напряжения двигателя через дробь. Если номинальное напряжение сети равно меньшему номинальному напряжению двигателя то обмотку следует соединить треугольником, если большему то звездой. В любом случае на каждой фазе напряжения равны меньшему значению.

Для удобства соединение фаз вводного устройства имеет вид

Назначение основных конструктивных элементов:

Корпус служит для охлаждения и крепления паспортной таблички, изготовляется из любого материала;

Сердечник статора из отдельных листов электротехнической стали. Он является частью магнитной системы;

Сердечник ротора состоит из отдельных листов электротехнической стали, часть электромагнитной системы;

Вводное устройство, с помощью него присоединяется двигатель к источнику питания;

Вал служит для крепления сердечника он передаёт вращающийся момент.

Возбуждение кругового – вращающегося магнитного поля обмоткой статора:

Работа АД основана на использовании вращающихся магнитных полей.

Рис. 4.2. Временная (а) и векторная (б) диаграммы ЭДС

1) поле эквивалентно полю вращающегося двухполюсного магнита с полюсами N и S, поэтому внутреннюю поверхность статора можно рассматривать состоящей из двух полюсных делений t (рис. 4.3, а);

4) для изменения направления вращения поля нужно изменить порядок следования фаз токов в катушках. Для этого изменяют порядок подключения катушек к сети (пунктир и скобки на рис. 4.1; чередование фаз токов в катушках становится от В к А и С – обратное вращение поля).

Рис. 4.3. Образование вращающихся МДС и магнитного потока АД:

Источник