Коллекторный двигатель переменного тока: схема подключения

Что такое коллекторный двигатель?

Это определение относится к электрической машине, которая преобразует электрическую энергию в механическую и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки, соединенной с коллектором.

В конструкторской документации этот конструктивный элемент используется для коммутации обмоток и как датчик для определения положения якоря (ротора).

Общее устройство коллекторных двигателей

Как и любой электродвигатель, коллектор преобразует электрическую энергию в механическую. Он состоит из неподвижной части — статора и подвижной части — ротора. Обмотки возбуждения расположены в статоре, за передачу возникающей механической энергии отвечает ротор.

Одним из компонентов ротора является вал. С одной стороны на вал насажен коллекторный узел, с помощью которого электрическая энергия передается на обмотки ротора.

Статор состоит из корпуса, который защищает компоненты двигателя от повреждений. Магнитные стойки прикреплены к верхней и нижней части корпуса. Они необходимы для поддержания магнитного потока между статором и ротором.

Определение и устройство

Справочники и энциклопедии дают следующее определение:
«Коллектор — это электродвигатель, у которого датчик положения вала и выключатель обмотки являются одним узлом — коллектором. Такие двигатели могут работать либо только на постоянном токе, либо и на постоянном, и на переменном токе.»

Коллекторный двигатель, как и любой другой, состоит из ротора и статора. В данном случае ротор является якорем. Помните, что якорь — это часть электрической машины, которая использует основной ток и в которой индуцируется электродвижущая сила.

Для чего нужен коллектор и как он устроен? Коллектор расположен на валу (роторе) и представляет собой набор продольно расположенных пластин, изолированных от вала и друг от друга. Их называют ламелями. Отводы секций обмотки якоря соединены с планками (на группе рисунков ниже вы видите узел обмотки якоря КДПТ), а точнее к каждой из них присоединены конец предыдущей и начало следующей секции обмотки.

Ток подается на обмотки через щетки. Щетки образуют скользящий контакт и при вращении вала соприкасаются то с одной, то с другой ламелью. Таким способом меняются обмотки якоря, для этого нужен коллектор.

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

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

Функциональные возможности мотора

На схеме коллекторно-двигательного агрегата прекрасно видно, как этот агрегат преобразует электроэнергию в механическую энергию и наоборот. Это говорит о том, что такое устройство можно было бы использовать даже в качестве генератора. При протекании тока по проводнику, помещенному в магнитное поле, на него действуют определенные силы.

В то же время активен правый регулятор, который напрямую влияет на конечную мощность двигателя. Коллекторный агрегат работает именно по такому принципу.
На стандартной схеме хорошо видно, что пара проводников помещена в магнитное поле, токи которого направлены в разные стороны так же, как и силы.

Сумма, образованная ими, дает необходимый для оборудования крутящий момент. В коллекторном двигателе производители также добавили целый ряд дополнительных компонентов, гарантирующих одинаковое направление тока по полюсам.

Благодаря тому, что на якоре расположено несколько катушек, неровность хода была полностью устранена. Кроме того, мастерам больше не нужно использовать постоянный ток, так как обычные магниты заменены более мощными катушками. На заключительном этапе производства крутящий момент принимает одно направление.

Компоновка и принцип работы

Подвижная часть коллекторного двигателя, как и все остальные, механически уравновешена и закреплена во вращающихся подшипниках, установленных в неподвижной раме.Неподвижный статор и вращающийся ротор имеют собственные обмотки из изолированного провода. Через них протекает электрический ток и создает магнитные поля своими полюсами: северным северным и южным южным.

Взаимодействие между этими двумя электромагнитными полями создает вращение ротора.

Так как на обе обмотки необходимо постоянно подавать напряжение, а ротор вращается, для него устанавливается специальное устройство: коллектор с щеточным механизмом.

Виды КД

Принято классифицировать эти устройства по типу источника питания, в зависимости от которого выделяют две группы КД:

1. Постоянный ток. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным регулированием скорости и относительно простой конструкцией.
2. Универсальный. Может работать как от постоянного, так и от переменного источника питания. Отличаются компактными размерами, низкими затратами и простотой администрирования.

Первые делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для создания крутящего момента. КУ, где используются катушки возбуждения, характеризуются типами обмоток, они могут быть:

• независимый;
• параллельно;
• последовательный;
• смешанный.

Разобравшись с типами, рассмотрим каждый из них.

КД универсального типа

На рисунке ниже показан внешний вид электрической машины этого типа и ее основные конструктивные элементы. Такое исполнение характерно почти для всех компакт-дисков.

Обозначения:

• А – механический переключатель, его еще называют коллекторным, его функции описаны выше.
• Б — щеткодержатели, служат для крепления щеток (обычно из графита), через которые подается напряжение на обмотки якоря.
• C — Сердечник статора (состоит из пластин, материал которых электротехническая сталь).
• D — Обмотки статора, этот узел относится к системе возбуждения (индуктор).
• Е — анкерный вал.

Для устройств этого типа возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант в настоящее время не производится, мы его рассматривать не будем. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электрических машин представлена ​​ниже

Универсальный КД может работать на переменном токе за счет того, что при переполюсовке ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление. В результате крутящий момент не меняет направление.

Особенности и область применения универсальных КД

Основные недостатки этого устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что выражается в следующем:

• снижение эффективности;
• повышенное искрение в щеточно-коллекторном узле и, как следствие, его быстрый износ.

В прошлом компакт-диски широко использовались во многих бытовых электроприборах (инструментах, стиральных машинах, пылесосах и т д.). В настоящее время производители практически перестали использовать этот тип двигателя, отдав предпочтение бесколлекторным электрическим машинам.

Теперь рассмотрим электрические коллекторные машины, работающие от источников постоянного напряжения.

КД с индуктором на постоянных магнитах

Конструктивно такие электрические машины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.

Этот тип переменного тока является наиболее распространенным по сравнению с другими электрическими машинами этого типа. Это связано с низкой стоимостью за счет простоты конструкции, простоты управления скоростью вращения (зависит от напряжения) и изменением направления (достаточно смены полярности).

Мощность двигателя напрямую зависит от силы поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.

Основная область применения — маломощные приводы различной техники, часто используемые в детских игрушках.

К преимуществам относятся следующие особенности:

• высокий крутящий момент даже на низких оборотах;
• динамическое управление;
• бюджетный.

Основные недостатки:

• низкий ток;
• магниты теряют свои свойства из-за перегрева или со временем.

Для устранения одного из основных недостатков этих устройств (старение магнита) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких СД.

Независимые и параллельные катушки возбуждения

Первая получила такое название из-за того, что обмотки индуктора и якоря не связаны друг с другом и питаются отдельно (см. А на рис. 6).

Особенность такого соединения в том, что питание U и UK должны быть разными, иначе крутящий момент не возникнет. При невозможности организовать такие условия катушки якоря и индуктора соединяют параллельно (см. Б на рис. 6). Оба типа компакт-дисков имеют одинаковые характеристики, мы сочли возможным объединить их в одном разделе.

Крутящий момент таких электрических машин высок на малых оборотах и ​​уменьшается с ростом. Характерно, что токи якоря и катушки независимы, а общий ток представляет собой сумму токов, проходящих через эти обмотки. В результате, когда ток на катушку возбуждения упадет до 0, скорее всего, КД выйдет из строя.

Область применения таких агрегатов – электростанции мощностью от 3 кВт.

Положительные черты:

• отсутствие постоянных магнитов исключает проблему их выхода из строя со временем;
• высокий крутящий момент на низкой скорости;
• простое и динамичное управление.

Минусы:

• стоимость выше, чем у устройств с постоянными магнитами;
• недопустимость падения тока ниже порогового значения катушки намагничивания, так как это приведет к пробою.

Последовательная катушка возбуждения

Так как обмотки соединены последовательно, ток в них будет равным. В результате, когда ток в обмотке статора становится меньше номинального (это происходит при небольшой нагрузке), мощность магнитного потока уменьшается.

Следовательно, при увеличении нагрузки мощность потока пропорционально возрастает, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть в дальнейшем увеличение тока в обмотке катушки якоря не приведет к увеличению магнитного потока.

Указанная особенность проявляется в том, что не допускается запуск ПД данного типа при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электрической машины сильно увеличит скорость вращения, т.е двигатель будет «перегреваться».

Следовательно, эта функция вводит ограничения на область применения, например, в механизмах с ременным приводом. Это связано с тем, что при его обрыве электрическая машина начинает работать на холостом ходу.

Эта функция не распространяется на устройства мощностью менее 200 Вт, для которых допускаются перепады нагрузки вплоть до холостого хода.

Преимущества катушки серии PD такие же, как и у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается недостатков, то к ним следует отнести:

• высокая стоимость по сравнению с аналогами на постоянных магнитах;
• низкий крутящий момент на высокой скорости;
• так как обмотки статора и возбуждения соединены последовательно, возникают проблемы с регулированием скорости;
• работа без нагрузки приводит к поломке КД.

Смешанные катушки возбуждения

Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД этого типа имеет две катушки, включенные последовательно и параллельно обмотке ротора.

Как правило, одна из катушек имеет большую силу намагничивания, поэтому считается самой главной, соответственно другая – дополнительной (вспомогательной). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от чего напряженность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При включении в обратном направлении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электрических машин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек главнее). То есть такое включение актуально, если необходимо добиться результата в виде постоянных скоростей или их увеличения при увеличении нагрузки.

Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателей электрических машин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.

Единственным недостатком этой конструкции является более высокая стоимость по сравнению с другими типами компакт-дисков. Цена оправдана за счет следующих положительных особенностей:

• магниты не устаревают при отсутствии таковых;
• низкая вероятность отказа при нештатных режимах работы;
• высокий крутящий момент на низкой скорости;
• простое и динамичное управление.

Особенности конструкции и принцип действия

По сути, коллекторный двигатель – это достаточно специфическое устройство, обладающее всеми достоинствами машины постоянного тока и поэтому имеющее схожие характеристики. Отличие этих двигателей в том, что корпус статора асинхронного двигателя выполнен из отдельных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи.

Обмотки возбуждения автомата соединены последовательно для оптимизации работы в бытовой сети 220В.

Они могут быть как одно-, так и трехфазными, благодаря возможности работать от постоянного и переменного тока, их еще называют универсальными. Кроме статора и ротора в конструкцию входят щеточный коллекторный механизм и генератор частоты вращения.

Вращение ротора в коллекторном двигателе происходит в результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком обмотки возбуждения. Через щетки ток подается на коллектор, собранный из пластин с трапециевидным сечением и одного из узлов ротора, соединенных последовательно с обмотками статора.

В общем, принцип работы коллекторного двигателя можно наглядно продемонстрировать на известном со школы опыте с вращением рамки, помещенной между полюсами магнитного поля. Если по контуру течет ток, он начинает вращаться под действием динамических сил. Направление движения рамки не меняется при изменении направления тока в ней.

Последовательное соединение обмоток возбуждения обеспечивает большой максимальный момент, но появляются высокие холостые обороты, что может привести к преждевременному выходу механизма из строя.

Критерии выбора и соимость

Для того чтобы выбрать наиболее подходящий тип регулятора, необходимо хорошо представлять разновидности таких устройств:

1. Различные виды контроля. Может быть векторной или скалярной системой управления. Первый используется чаще, а второй считается более надежным.
2. Мощность регулятора должна соответствовать максимальной мощности двигателя.
3. После напряжения удобно выбрать устройство, обладающее наиболее универсальными функциями.
4. Частотные характеристики. Регулятор, который вам подходит, должен соответствовать самой высокой частоте, которую использует двигатель.
5. Другие свойства. Здесь речь идет о размере гарантийного срока, габаритах и ​​других характеристиках.

Подключение однофазного коллекторного двигателя — переменного тока

В этой теме нужно разобраться, как именно подключается однофазный коллекторный двигатель переменного тока, например после его ремонта.

Электрическая схема на рис. 1 дает представление о характере электрических соединений, то есть здесь можно заметить, что две обмотки статора электродвигателя в электрической цепи соединены последовательно, а две обмотки ротора электродвигателя электродвигатель подключен параллельно по отношению к внешнему источнику напряжения и электрическая цепь для данного примера замыкается на обмотки ротора электродвигателя.

Кто из нас демонтировал бытовые потребители электроэнергии такие как:

и далее, со мной согласятся, что для электрической схемы на рис. 1 отсутствует еще один элемент — конденсатор. Поэтому к этому наименованию типа двигателя можно добавить еще такое название, как конденсаторный электродвигатель

. Если следовать логическому мышлению, то конденсатор в схеме электродвигателя обязательно подключается к пусковой обмотке статора, которая в первую очередь служит для смещения ротора. Следовательно, мы пришли к выводу, что конденсатор следует включать непосредственно последовательно с пусковой обмоткой.

Для примера дана схема однофазного двигателя с работающей и пусковой обмотками статора, где сопротивление на каждой обмотке примет свое значение рис.2.

В зависимости от типов асинхронных двигателей и их применения, рис. 3, существуют следующие схемы подключения к однофазной сети:

а) омический фазовращатель, бифилярный способ намотки пусковой обмотки;

б) емкостной фазовращатель с пусковым конденсатором;

в) емкостной фазовращатель с пусковым и рабочим конденсатором;

г) емкостной фазовращатель с рабочим конденсатором.

На схемах указаны следующие символы:

Перед подключением коллекторного однофазного двигателя необходимо определить:

обмотки статора. Конденсатор, с его емкостью и номинальным напряжением, и соответствующими данными для конкретного типа двигателя, должен быть подключен к пусковой обмотке статора — последовательно. Сопротивление обмотки статора принимает следующие средние значения:

• рабочая обмотка 10-13 Ом;
• пусковая обмотка 30-35 Ом;
• общее сопротивление обмотки 40-45 Ом,

— для некоторых видов бытовой техники. Измерив сопротивление на выводах проводов обмоток статора, можно определить пусковую обмотку со средним значением. То есть сопротивление пусковой обмотки принимает среднее значение между рабочей обмоткой и суммарным сопротивлением двух обмоток — рабочей и пусковой.

Переключение на нужное напряжение

Во-первых, нужно убедиться, что наш движок имеет нужные параметры. Они написаны на бирке, прикрепленной к его боку. Там должно быть указано, что одним из параметров является 220v. Далее смотрим на подключение к обмоткам. Стоит запомнить такой рисунок схемы: звезда для меньшего напряжения, треугольник для большего. Что это значит?

Увеличение напряжения

Предположим, на бирке написано: Δ/Ỵ220/380. Значит, нам нужно подключение треугольником, так как стандартное подключение чаще всего 380 вольт. Как это сделать? Если электродвигатель в рождении имеет распределительную коробку, то это несложно. Там есть перемычки и все, что нужно, это переставить их в нужное положение.

В данной ситуации это не вызывает затруднений. Самое главное помнить, что у катушек есть начало и конец. Например, возьмем за начало концы, заведенные в сверло электродвигателя. Итак, что припаяно, так это концы. Теперь важно не перепутать.

Подключаем так: соединяем начало одного витка с концом другого и так далее.

Уменьшение напряжения

Допустим, на бирке написано: Δ/Ỵ 127/220. Это означает, что требуется соединение звездой. Опять же, если это распределительная коробка, то все в порядке. А если нет, а наш электродвигатель включается треугольником? А если концы не подписаны, как их правильно соединить? Ведь здесь тоже важно знать, где начало намотки катушки, а где конец. Есть несколько способов решить эту проблему.

Для начала разведем все шесть концов в стороны и омметром найдем сами катушки статора.

Давайте возьмем скотч, изоленту, что-нибудь еще, что у нас есть, и пометим. Полезно сейчас и, возможно, когда-нибудь в будущем.

Берем обычную батарейку и подключаем к концам а1-а2. К двум другим концам (v1-v2.

В момент разрыва контакта с батареей стрелка на устройстве качается в сторону. Запомним, куда качнуло, и включим аппарат на концы с1-с2, не меняя полярность батареи. Давайте сделаем это снова.

Если стрелка отклоняется в другую сторону, меняем провода местами: помечаем с1 как с2, а с2 как с1. Дело в том, что отклонение должно быть одинаковым.

Теперь подключаем аккумулятор с соблюдением полярности к концам с1-с2, а омметр к а1-а2.

Мы стремимся к тому, чтобы отклонение стрелки на любом барабане было одинаковым. Давайте проверим еще раз. Теперь один пучок проводов (например, с номером 1) будет для нас началом, а второй – концом.

Берем три конца, скажем a2, b2, c2, и соединяем их между собой и изолируем. Это будет звездное соединение. Как вариант, можем подвести их к сверлу на клеммнике, пометить. Приклейте схему подключения к крышке (или нарисуйте маркером).

Читайте также: Устройство кондиционера и принцип работы

Упрощенная схема подключения

Типовая схема подключения может предусматривать до десяти выходных контактов на контактной полосе. Ток от фазы L поступает на одну из щеток, затем передается на коллектор и обмотку якоря, после чего проходит вторую щетку и перемычку на обмотки статора и выходит на нейтраль N.

Такой способ подключения не обеспечивает для реверсирования двигателя за счет того, что последовательное соединение обмоток приводит к одновременному обмену полюсами магнитных полей, и в результате момент всегда имеет направление.

Направление вращения в этом случае можно изменить только изменением вывода обмоток на контактную планку. Двигатель включается «напрямую» только при соединении выводов статора и ротора (через механизм щеточного коллектора).

Выход половины обмотки используется для включения второй скорости. Следует помнить, что при таком подключении двигатель работает на полную мощность с момента включения, поэтому его можно использовать не более 15 секунд.

Управление работой двигателя

На практике применяются двигатели с различными способами регулирования работы. Коллекторным двигателем можно управлять с помощью электронной схемы, где роль регулирующего элемента играет симистор, который «передает» на двигатель заданное напряжение.

Симистор выполняет роль быстродействующего ключа, затвор которого получает управляющие импульсы и в заданный момент открывает его.

В схемах с использованием симистора реализован принцип работы, основанный на двухполупериодном фазовом регулировании, где величина напряжения, подаваемого на двигатель, связана с импульсами, подаваемыми на управляющий электрод.

В этом случае частота вращения якоря прямо пропорциональна приложенному к обмоткам напряжению. Принцип работы схемы управления коллекторным двигателем просто описан в следующем разделе:

• электронная схема посылает сигнал на затвор симистора,
• заслонка открывается, ток протекает по обмоткам статора и дает вращение якорю двигателя М,
• тахогенератор преобразует мгновенные значения скорости вращения в электрические сигналы, в результате формируется обратная связь с управляющими импульсами,
• в результате ротор плавно вращается при любой нагрузке,
• реверс электродвигателя осуществляется с помощью реле R1 и R

Преимущества и недостатки

К неоспоримым преимуществам таких машин можно отнести:

• компактные размеры,
• повышенный пусковой момент, «универсальная» работа на переменном и постоянном напряжении,
• скорость и независимость от частоты сети,
• плавное регулирование скорости в широком диапазоне за счет изменения напряжения питания.

Недостатком этих двигателей считается использование щеточно-коллекторного перехода, что вызывает:

• снижение долговечности механизма,
• искры между коллектором и щетками,
• повышенный уровень шума
• большое количество коллекционных предметов.

Типичные неисправности

Наибольшего внимания к себе требует щеточный коллекторный механизм, где наблюдается искрение даже при работе нового двигателя. Использованные щетки следует заменять, чтобы предотвратить более серьезные неисправности: перегрев собирающих планок, их деформацию и отслоение.

Кроме того, может возникнуть межвитковое замыкание обмоток якоря или статора, приводящее к значительному падению магнитного поля или сильному искрообразованию в коллекторно-щеточном переходе.

Грамотная эксплуатация устройства и профессионализм производителя в процессе сборки изделия позволяют избежать преждевременного выхода из строя универсального коллекторного двигателя.