Электрический двигатель постоянного тока

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

  1. Двух обмоток с сердечниками, соединенных последовательно. Данная конструкция расположена на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
  2. Двух постоянных магнитов, повёрнутых разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу неподвижного статора.
  3. Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу ДПТ.
  4. Двух неподвижных контактных элементов (щёток), предназначенных для передачи электротока через коллектор до обмоток возбуждения.
Схематическое изображение простейшего ДПТ
Рисунок 1. Схематическое изображение простейшего электродвигателя постоянного тока.

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

Статор (индуктор)

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

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

  • с независимым возбуждением обмоток;
  • соединение параллельно обмоткам якоря;
  • варианты с последовательным возбуждением катушек ротора и статора;
  • смешанное подсоединение.

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

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)

Электрический двигатель постоянного тока

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 обмотками
Рисунок 3. Ротор с тремя 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.

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.

Электрический двигатель постоянного тока

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.

Импульсное управление двигателем постоянного тока  с последовательным возбуждением

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

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

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.

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.

    Зависимость скорость-момент двигателей постоянного тока
    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.

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.

определяет скорость вращения двигателя.

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

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

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

  1. Частота инвертора будет больше
  2. Самоиндукция будет больше

Электрический двигатель постоянного тока

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.

Электрический двигатель постоянного тока

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.

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 {amp}gt; 2*f1 или даже fc {amp}gt; 3*f1.

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

Принцип работы

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.

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.

Преимущества и недостатки

Управляемый одноквадрантный привод

К достоинствам относится:

  • Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;
  • Легко регулируемая частота вращения;
  • хорошие пусковые характеристики;
  • компактные размеры.

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

Недостатки:

  • ограниченный ресурс коллектора и щёток;
  • дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
  • ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
  • дороговизна в изготовлении якорей.

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.

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ:  Пожарная безопасность вентиляционных систем. Пожарная безопасность систем вентиляции
Оцените статью
MALIVICE.RU