Принцип действия машины постоянного тока

УКД: принцип работы и характеристики

Это однофазные двигатели, работающие на высоких оборотах при любом типе подводимого электричества.

Схема универсального коллекторного двигателя

Ответ на вопрос, почему такое устройство работает от переменного тока, заключается в том, что направление вращающего момента не меняется. Полярность полюсов статора меняется практически одновременно с изменением токового направления в якорной обмотке.

Потому при смене положительных и отрицательных полупериодов практически одновременно изменяются и ток в якорной обмотке Iа, и магнитный поток Ф.

Схема соединений и характеристики УКД

Рабочие моменты

Давайте разберем некоторые характеристики и особенности машин постоянного тока.

Пуск и режим реверса

К электрическому двигателю подключен регулятор оборотов

В момент, когда двигатель запускается, якорь имеет неподвижное положение, а значит, ЭДС в нем равна нулю. Из-за того, что сопротивление якорной обмотки очень маленькое, пусковой тока якоря намного превышает номинальный. Если представить себе такой пуск двигателя, то он однозначно бы вышел из строя.

  • Чтобы такого не происходило, пусковой ток в двигателях постоянного тока с параллельным возбуждением ограничивается за счет включенного в цепь пускового реостата.
  • Пуск при этом необходимо производить при номинальном значении магнитного потока, благодаря чему увеличивается пусковой момент и быстро растет ЭДС в обмотке якоря. В результате двигатель разгоняется быстрее, а время, когда проходит большой пусковой ток по обмотке сокращается.
  • Когда разгон двигателя завершается, реостат выводится из цепи – делается это либо плавно, либо ступенчато.
  • Для того чтобы остановить двигатель, достаточно отключить подачу питания к нему.
  • Для любого электрического двигателя доступен режим вращения в обратном направлении – реверс. Для этого нужно всего лишь изменить направление тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке статора.

Потери мощности и КПД

Даже самый технически совершенный двигатель постоянного тока не может работать без потерь мощности

Любой двигатель или генератор постоянного тока работает с потерями мощности. Их делят на два типа: основные и добавочные.

  • К первым относят магнитные, электрические и механические.
  • Магнитные потери, происходящие в стали обозначают ΔРс. Происходят они из-за того, что во время вращения сердечник на якоре постоянно перемагничивается, поэтому возникают потери на гистерезис и вихревые токи.
  • Электрические потери (ΔРэл) происходят из-за активного сопротивления обмоток, а также сопротивления щеточного контакта, то есть данное значение представляется в виде суммы указанных потерь.
  • Механические (ΔРмех) включают потери на трение подшипников, трение щеток о коллектор, трение вращающегося якоря о воздух (и такое есть) и вентиляционные потери.
  • Все остальные потери называются добавочными и связаны они в основном с взаимодействием различных частей агрегата с магнитным полем.

Потери незначительны при отсутствующей нагрузке

Для расчета каждого типа потерь применяются специальные формулы. Мы не будем так глубоко вдаваться в суть, а скажем лишь, что КПД машины постоянного тока определяется отношением отдаваемой мощности, к потребляемой. Выражают данное значение обычно в процентах.

Современные машины постоянного тока стали очень эффективными. КПД у них обычно варьируется в пределах 75-90%.

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики ДПТ

Рабочие характеристики представляют собой следующие зависимости:

  • Скорости вращения, потребляемого тока и мощности двигателя;
  • КПД от полезной мощности при условии, что напряжение питания неизменно.
  • Тока обмотки возбуждения и отсутствия добавочного сопротивления в цепи якоря.

Все эти параметры позволяют говорить о свойствах двигателей в режиме эксплуатации, а также находить оптимальные и экономичные режимы их работы.

Регулировка скорости вращения двигателя

Принципиальная схема регулятора оборотов вращения

Регулировать скорость вращения машины постоянного тока можно тремя способами: изменение напряжения сети, реостатное регулирование, изменение магнитного потока. Давайте обо всем по порядку.

  • Изменение напряжения осуществляется за счет устройств, которые могут, собственно, менять величину напряжения.
  • Реостатное регулирование, как мы уже упоминали по ходу статьи, нуждается во введении в цепь якоря дополнительных резисторов активного типа, то есть меняющих свои характеристики при определенных условиях.
  • Регулирование магнитного потока происходит за счет уменьшения тока возбуждения.

Конечно, мы назвали не все характеристики машин постоянного тока, а лишь основные, но для ознакомления с этими агрегатами этого вполне достаточно.

Видео в этой статье продемонстрирует, как работают данные устройства.

Генераторное рекуперативное торможение

Этот режим наступает, когда частота вращения якоря превышает частоту вращения холостого хода n.

В этих условиях ЭДС машины Еа =  сеФn превышает напряжение питающей сети (Еа > Uном), при этом ток якоря, а следовательно, и электромагнитный момент меняют свое направление на противоположное. В итоге машина постоянного тока переходит в генераторный режим и вырабатываемую при этом электроэнергию отдает в сеть. Электромагнитный момент двигателя становится тормозящим и противодействует внешнему вращающему моменту, создаваемому силами инерции вращающего с прежней скоростью якоря (рис. 13.15, а). Этот процесс торможения будет продолжаться до тех пор, пока частота вращения якоря, уменьшаясь, не достигнет значения n

Таким образом, для перехода двигателя в режим генераторного рекуперативного торможения не требуется изменений в схеме включения двигателя.

Генераторное рекуперативное торможение — наиболее экономичный вид торможения, так как он сопровождается возвратом энергии в сеть. Применение этого способа торможения является эффективным энергосберегающим средством в электроприводе Он целесообразен в электротранспортных средствах, работа которых связана с частыми остановками и движением под уклон. В этом случае кинетическая энергия движения транспортного средства (трамвай, троллейбус, электропоезд) преобразуется в электрическую энергию и возвращается в сеть.

Возможен способ перевода двигателя в режим генераторного рекуперативного торможения и при установившейся частоте вращения якоря. Для этого необходимо увеличить в двигателе магнитный поток возбуждения, т.е. ток в обмотке возбуждения.

Из выражения ЭДС якоря Еа = сеФn следует, что с ростом магнитного потока возбуждения Ф при неизменной частоте вращения n ЭДС якоря Еа увеличивается, что ведет к уменьшению тока в цепи якоря:

При ЭДС Еа = U ток якоря Ia = 0, а частота вращения якоря достигает значения n = n. При дальнейшем увеличении потока возбуждения Ф, а следовательно, возрастании ЭДС якоря Еа пограничная частота вращения снижается (см. 13.12, б), а частота вращения якоря, оставаясь практически неизменной за счет сил инерции вращающихся частей электропривода, начинает превышать пограничную частоту n. При этом ЭДС якоря превышает напряжение сети и двигатель переходит в режим генераторного рекуперативного торможения.

Что такое постоянный ток и чем он отличается от переменного?

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

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

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

Устройство и принцип действия электродвигателя постоянного тока

Машины, осуществляющие свою работу при присоединении к ним тока, не меняющего свою полярность, называют машинами постоянного тока. Они превращают электричество в механическую энергию.

Принцип работы электродвигателя всякой конструкции опирается на использование закона электромагнитной индукции и явления самоиндукции.

Информация. В замкнутом контуре или рамке, помещённой в магнитное поле (МП) постоянных магнитов, возникает электродвижущая сила (ЭДС). Это происходит в результате пронизывания рамки электромагнитными линиями МП, если крутить магниты или саму рамку.

В основе работы электродвигателя лежит образование крутящего момента при подаче напряжения на катушки якоря. Его ещё называют синхронным двигателем постоянного тока (ДПТ). Устройство простейшей машины вмещает в себя:

  • статор, с расположенными на нём постоянными магнитами;
  • двухзубцовый якорь, имеющий одну обмотку;
  • коллектор;
  • щёточный узел, в который входят две щётки и два ламеля (пластины).

Внимание! У такого двигателя две «мёртвые точки» (крайние положения). В этих точках невозможно самозапускание, а крутящий момент такого ДПТ неравномерен

Статор, он же – индуктор, располагает в основном двумя парами основных полюсов. В случае необходимости на нём устанавливают добавочные. Это улучшает переключение на коллекторе якоря.

Ротор, он же – якорь, должен иметь как минимум три зубца, чтобы двигатель мог сам запускаться из каждой точки. При этом в зону подключения стабильно попадает один из зубцов.

Схема простого коллекторного ДПТ

На щёточно-коллекторный узел выведены все катушки якоря, какие есть. Коллектор является кольцом из изолированных ламелей (пластин), размещённых по длине оси ротора. По ним скользят щётки и подают или снимают напряжение.

Устройство коллектора

Важно! Двигатель вращается благодаря силе Ампера, которая действует на проводник, находящийся в МП, когда в нём протекает электрический ток. При этом источник тока должен поддерживать его неизменное значение

Все ДПТ обладают свойствами саморегулирования, поддерживая вращающий момент равным моменту сопротивления на валу. Это происходит автоматически, и частота вращения постоянна.

Как устроен бесщеточный двигатель

Работа бесщеточного электродвигателя основывается на электрических приводах, создающих магнитное вращающееся поле.

В настоящее время существует несколько типов устройств, имеющих различные характеристики.

С развитием технологий и использованием новых материалов, отличающихся высокой коэрцитивной силой и достаточным уровнем магнитного насыщения, стало возможным получение сильного магнитного поля и, как следствие, вентильных конструкций нового вида, в которых отсутствует обмотка на роторных элементах или стартере.

Обширное распространение переключателей полупроводникового типа с высокой мощностью и приемлемой стоимостью ускорило создание подобных конструкций, облегчило исполнение и избавило от множества сложностей с коммутацией.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

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

Недостатки :

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

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

Характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Формула общего тока, идущего от источника, выводится согласно первому закону Кирхгофа и имеет вид: I = Iя + Iв, где Iя  — ток якоря, Iв – ток возбуждения, а I – ток, который двигатель потребляет от сети. Следует отметить, что при этом Iв не зависит от Iя, т.е. ток возбуждения не зависит от нагрузки. Величина тока в обмотке возбуждения меньше тока якоря и составляет примерно 2-5% от сетевого тока.

В целом, данные электродвигатели отличаются следующими весьма полезными тяговыми параметрами:

  • Высокая экономичность (поскольку ток якоря не проходит через обмотку возбуждения).
  • Устойчивость и непрерывность рабочего цикла при колебаниях нагрузки в широких пределах (т.к. величина момента сохраняется даже в случае изменения числа оборотов вала).

При недостаточном моменте пуск осуществляется посредством перехода на смешанный тип возбуждения.

Принцип работы БДКП

В бесколлекторном электродвигателе роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь. Это позволяет осуществить «вывернутая наизнанку» схема БДКП — его обмотки расположены на статоре, что исключает необходимость в коллекторе.

Иными словами, основное принципиальное различие между классическим двигателем и БДКП в том, что вместо стационарных магнитов и вращающихся катушек последний состоит из неподвижных обмоток и вращающихся магнитов. Несмотря на то что сама коммутация в нём происходит похожим образом, её физическая реализация в бесщёточных приводах гораздо более сложна.

2.1.1 Схема включения и статические характеристики дпт нв

На рисунке 2.1.а
приведена схема включения ДПТ независимого
возбуждения.

Рисунок 2.1 – Схема
включения(а) и статические характеристики(б)
ДПТ НВ

На схеме приняты
следующие обозначения: U
– напряжение на якоре, В; UВ
– напряжение на обмотке возбуждения,
В; I
– ток якоря, А; IВ
ток возбуждения, А; RД
– добавочное сопротивление в цепи
якоря, Ом; RВ
– добавочное сопротивление в цепи
обмотки возбуждения, Ом; Rя
– сопротивление якоря, Ом.

Rя
= 1,25(rоя
+ rдп)
+ rко
+ rщ.

rоя
– сопротивление
обмотки якоря.

rдп
– сопротивление
добавочных полюсов.

rко
– сопротивление
компенсационной обмотки.

rщ
– сопротивление
щёточного контакта.

Коэффициент 1,25
перед скобкой в данной формуле учитывает
увеличение сопротивления обмоток ДПТ
при нагревании.

В установившемся
режиме работы по второму закону Кирхгофа
для якорной цепи двигателя можно записать
следующее выражение:

U=IR
+ E,
(1)

где E=kФω
— ЭДС вращения (противоЭДС),
(2)

k
– конструктивный коэффициент двигателя,

Ф – основной
магнитный поток,

ω
– угловая скорость вращения якоря.

Направление токов
и ЭДС, указанное на схеме, соответствует
двигательному режиму работы.

R=
общее сопротивление якорной цепи.

Подставляя (2) в
(1), получаем: U=IR
+ kФω,
откуда


(3)

Такая зависимость
ω
= f(I)
называется электромеханической или
скоростной характеристикой ДПТ НВ.

Ток и момент
двигателя связаны следующей зависимостью

M
= kФI
, откуда получаем


(4)

Для получения
выражения механической характеристики
ДПТ НВ подставим (4) в (3):


(5)

Электромеханические
и механические характеристики ДПТ НВ
представляют собой линейные зависимости
угловой скорости от тока и момента, вид
которых для разных полярностей питающего
напряжения якоря приведён на рисунке
2.1.б. Эти характеристики совмещены, что
справедливо в случае kФ = const.

Из формул (3) и (5)
видно, что при I
= 0 и М = 0 характеристика проходит через
точку ω.
Скорость ω называется
скоростью идеального холостого хода и
определяется по формуле


(6)

При скорости
идеального холостого хода, когда момент
на валу двигателя равен нулю, ток в цепи
якоря не протекает, т.к. ЭДС якоря
становится равной по величине приложенному
напряжению, но действует навстречу ему.

Если двигатель до
приложения нагрузки работал со скоростью
ω,
то после приложения нагрузки МС
его скорость уменьшится до некоторого
значения ω. Разность значений установившихся
скоростей электропривода до и после
приложения нагрузки называется
статическим перепадом скорости ЭП и
обозначается

(рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 –
Статический перепад скорости ЭП


(7)

Таким образом,
формулы (3) и (5) можно записать в обобщенном
виде:


(8)

Формулы (3) и (5)
позволяют назвать основные способы
получения искусственных (регулировочных)
характеристик ДПТ НВ, используемых для
регулирования его координат (I,М,
ω):

1 введение в цепь
якоря добавочного сопротивления;

2 изменение
магнитного потока;

3 изменение
подводимого к якорю напряжения.

Входящие также в
эти выражения I
и M
определяются только механической
нагрузкой ЭП и их значения не могут быть
установлены произвольно.

Виды электродвигателей: какой лучше

Описаны только основные виды электродвигателей и даны краткие характеристики, очень сжато описано устройство и принцип работы. Тем не менее, уже можно сделать выводы о том, что идеального решения, причём для всех случаев, просто нет. Есть наиболее подходящее для каждого конкретного случая.

  • Асинхронный электродвигатель без частотного регулирования – лучший выбор для насосов.
  • Коллекторный двигатель с его регулируемыми скоростями вне конкуренции для дрелей и пылесосов. И то, в последнее время стали делать с вентильными, они без щеток, что делает работу тише, срок службы дольше, хотя цену выше. Так что, тут, как посмотреть.

  • Для вентиляторов с длительным режимом работы выбирать приходится между асинхронных и вентильных. Но только если они не слишком мощные. Для мощных важным является возможность разделения на секции, а это проще реализовать у вентильных. И даже на кулерах стали в последнее время использовать вентильные с магнитным ротором.

В общем, чтобы ответить какой лучше, надо рассматривать совокупность условий и характеристик работы

Принимать во внимание достоинства и недостатки, перебирать все виды электродвигателей и только так можно найти оптимальный

Плюсы и минусы электродвигателя

Преимуществ перед ДВС у электродвигателя много:

  • малый вес и достаточно компактные размеры. К примеру, инженеры Yasa Motors разработали мотор весом 25 кг, который может выдавать до 650 Нм;
  • долговечность, простая эксплуатация;
  • экологичность;
  • максимальный крутящий момент доступен уже с 0 об/мин;
  • высокий КПД;
  • нет необходимости в коробке передач. Хотя, по мнению специалистов, электромобилю она не помешает;
  • возможность рекуперации.

Как выглядит роторОбратите внимание! Существенных недостатков у самого электродвигателя нет. Но есть большие сложности в его питании

Несовершенство источников тока не дают пока что массово использовать электродвигатели в автомобилестроении.

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.



Свежие записи:

  • Как сделать наждачный станок
  • Самодельный копировальный станок
  • Регулировка оборотов двигателя
  • Фрезер своими руками
  • Армирование штукатурки металлической сеткой
  • Станок для ковки своими руками
  • Самодельный шлакоблочный станок
  • Как построить вольер
  • Принцип работы двигателя постоянного тока
  • Токарный станок своими руками
  • Забор из сетки рабицы
  • Принцип действия асинхронного двигателя
  • Циркулярка своими руками
  • Самодельный сверлильный станок
  • Ручной самодельный станок для рабицы
  • Самодельные бурильные станки

Техническая версия происхождения названия

По поводу происхождения этого термина, существует две версии, каждая из которых вполне правдоподобна. Согласно первой, наиболее распространенной, брно – аббревиатура, расшифровывающаяся как «блок расключения (или распределения) начал обмоток». Такая расшифровка выглядит вполне приемлемой, так как термином «брно двигателя», обозначается клеммная коробка, установленная на его корпусе, и в ней действительно соединяются определенным образом (расключаются) выводы концов обмоток электродвигателя.

Возможно, что причиной появления столь странного для русского языка названия, стало чрезмерное увлечение аббревиатурами в 20 30 х годах, когда и происходила «электрификация всей страны». Название «ГОЭЛРО», кстати, тоже аббревиатура – «Государственный план электрификации России».

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий