Электродвигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, типы, управление

Пуск по схеме «звезда-треугольник»

Этот вариант привлекает простотой и дешевизной. Он предполагает соединение обмоток «звездой» при пуске, а при разгоне электродвигателя переключение обмоток в нормальное положение «треугольник».

Напряжение на обмотке снижается почти в 2 раза, но при выходе из строя одного из контакторов с ручным управлением пострадает весь выключатель. В результате мощность двигателя значительно упадет и возникнут проблемы с запуском.

Подключение

Ротор обычно представляет собой короткозамкнутую обмотку, также называемую «беличьей клеткой» из-за внешнего сходства. Сведения о таких агрегатах описаны в литературе с середины прошлого века.
Недостатками являются низкий пусковой крутящий момент и КПД. Это легко исправить.

Так как в трехфазном электродвигателе момент задается конструктивно с помощью расположения обмоток и смещения фаз трехфазной сети, то в однофазном двигателе для пуска используется дополнительная пусковая обмотка, благодаря которой создается момент смещения ротора.

Тепловое реле отключает обе фазы обмотки при их нагреве выше допустимого уровня. Внутри концы катушек соединены в звезду.
Рабочее напряжение для них должно быть в 1,5 раза выше, чем в сети в нашем случае Б. Для работы схемы необходимо подобрать элемент с определенной мощностью, рассчитанной с учетом тока нагрузки.

Основным недостатком однофазного тока является невозможность создания магнитного поля, осуществляющего вращение.

Что касается двух других выводов, то сопротивление в парах будет наибольшим, равным обеим обмоткам, соединенным последовательно. Обе фазы таких устройств исправны и включены постоянно. Более длительное время под нагрузкой может привести к перегреву, возгоранию изоляции и выходу механизма из строя.

Регулировка скорости вращения

Способ регулирования скорости ДПТ зависит от схемы подключения:

1. В двигателях с параллельным возбуждением снижение скорости относительно номинального значения можно произвести изменением напряжения якоря, а увеличение — ослаблением тока возбуждения. Для увеличения скорости (не более чем в 4 раза по сравнению с номинальным значением) в цепь ОБ добавлен реостат.
2. При последовательном возбуждении регулировка производится просто переменным сопротивлением в цепи якоря. Правда, этот способ годится только для снижения скорости и только в соотношениях 1:3 или 1:2 (к тому же это приводит к большим потерям в реостате). Повышение осуществляется с помощью регулировочного реостата в цепи ОБ.

Эти схемы редко используются в современном высокотехнологичном оборудовании, так как имеют узкий диапазон регулировки и другие недостатки. Сегодня для этих целей все чаще создаются электронные схемы управления.

Реверсирование

Чтобы реверсировать (реверсировать) вращение двигателя постоянного тока, необходимо:

• при последовательном возбуждении — достаточно поменять полярность входных контактов;
• при смешанном и параллельном возбуждении — необходимо изменить направление тока в обмотке якоря; обрыв ОВ может привести к критическому увеличению вводимой ЭДС и пробою изоляции проводов.

Сфера применения

Как вы уже поняли, использование двигателей постоянного тока целесообразно в условиях, когда постоянное бесперебойное подключение к сети невозможно. Наглядным примером здесь может служить автомобильный стартер, толкающий двигатель внутреннего сгорания «откуда-то», или детские игрушки с двигателем. В этих случаях для запуска двигателя используются аккумуляторы. В промышленных целях ДПТ используются в прокатных станах.

Основная область применения ДПТ — электротранспорт. Пароходы, электровозы, трамваи, троллейбусы и им подобные имеют очень большое пусковое сопротивление, преодолеть которое можно только с помощью двигателей постоянного тока с их мягкими характеристиками и широкими пределами регулирования вращения.

Учитывая стремительное развитие и популяризацию экологических транспортных технологий, сфера применения ДПТ только увеличивается.

Самый простой коллектор щеток

Достоинства и недостатки

Обобщая все вышеизложенное, можно описать преимущества и недостатки, которые характерны для двигателей постоянного тока по отношению к их аналогам, предназначенным для работы на переменном токе.

Основные преимущества:

• DCT незаменимы в ситуациях, когда требуется большой пусковой момент;
• скорость вращения якоря легко регулируется;
• двигатель постоянного тока является универсальной электрической машиной, то есть может использоваться как генератор.

Основные недостатки:

• DPT имеют высокую стоимость производства;
• использование щеточно-коллекторного узла приводит к необходимости частого обслуживания и ремонта;
• для работы требуется источник питания постоянного тока или выпрямители.

Конечно, двигатели постоянного тока проигрывают своим «переменным» родственникам по стоимости и надежности, но они используются и будут использоваться, так как преимущества использования в определенных областях категорически перечеркивают все недостатки.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно двигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Простейший ДПТ состоит из следующих основных узлов:

1. Две обмотки с сердечниками, соединенными последовательно. Эта конструкция располагается на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
2. Два постоянных магнита повернуты разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу с неподвижным статором.
3. Коллектор — две полукруглые изолированные пластины, расположенные на валу ДПТ.
4. Два неподвижных контактных элемента (щетки) предназначены для передачи электрического тока через коллектор на обмотки возбуждения.

Рис. 1. Схематическое изображение простейшего двигателя постоянного тока.

Рассмотренный выше пример является скорее рабочей моделью коллекторного двигателя. На практике такие устройства не используются. Проблема в том, что у этого двигателя очень маленькая мощность. Работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателей постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. Когда электрическая цепь замыкается, линии магнитного поля формируются под действием новой электромагнитной индукции.

Для возбуждения обмоток дросселя ДКП могут использоваться разные схемы соединения:

• с независимым обмоткным возбуждением;
• соединение параллельно обмоткам якоря;
• варианты с последовательным возбуждением катушки ротора и статора;
• смешанное соединение.

Схемы подключения хорошо видны на рисунке 2.

Рисунок 2. Схемы соединения обмоток статора DCT

Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых будет использоваться двигатель постоянного тока. В частности, при необходимости уменьшить искрение коллектора применяют параллельное соединение. Для увеличения момента лучше использовать схемы с последовательным соединением обмоток.

Наличие высоких пусковых токов создает повышенную электрическую мощность при пуске двигателя. Этот метод подходит для двигателя постоянного тока, который интенсивно работает в течение короткого времени, например, для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреваться, поэтому их износ незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электродвигателя ротор состоит из двухотводного якоря на обмотке с четко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала двигателя.

Описываемое устройство имеет существенный недостаток: при прекращении вращения якоря его обмотки принимают устойчивое положение. Для перезапуска двигателя необходимо обеспечить определенный крутящий момент на валу.

Этого серьезного недостатка лишен якорь с тремя и более обмотками. На рис. 3 изображен трехобмоточный ротор, а на рис. 4 — якорь с большим количеством витков.

Рисунок 3. Ротор с тремя обмотками
Рисунок 4. Светильник с множеством обмоток

Такие роторы довольно распространены в небольших электродвигателях малой мощности.

Для построения мощных тяговых двигателей и повышения стабильности скорости вращения применяют якоря с большим числом обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Рис. 5. Схема электродвигателя с многообмоточным якорем

Коллектор

Если к клеммам обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность входного тока. Устройство, выполняющее функции коммутации тока для изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Простейший коллектор состоит из двух изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в какой-то момент соприкасается с кистью, что снимает напряжение. Одна ламель всегда подключается к плюсу, а другая к минусу. При повороте вала на 180º коллекторные пластины меняются местами, в результате чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

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

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

Читайте также: Балласт для ламп: схема, как подключить, ремонт, принцип работы, электронный и индуктивный

Принцип работы

Со школьной скамьи мы помним, что на провод с током, который лежит между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг провода по всей его длине образуется магнитное поле. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая сила «Ампер:

F=B×I×L, где B — величина магнитной индукции поля, I — сила тока, L — длина провода.

Вектор ампера всегда перпендикулярен линиям магнитного потока между полюсами. Схематически принцип работы показан на рис. 6.

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника взять контурную рамку и подключить ее к источнику тока, то она повернется на 180º и остановится в положении, при котором результирующая сила будет равна 0. Попробуем толкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и попробуем еще раз: рамка сделала еще пол-оборота. Логично предположить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки на обмотках проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этого и был создан коллектор.

Схематически каждую обмотку якоря можно представить в виде отдельного контурного каркаса. Если обмоток несколько, то одна из них в каждый момент времени приближается к магниту статора и находится под действием плавающей силы. Таким образом поддерживается непрерывное вращение якоря.

Графические обозначения в электрических схемах

Относительно графических обозначений в электрических схемах ГОСТ 2.702-2011 ссылается на три других ГОСТа:

• ГОСТ 2.709-89 «ЕСКД. Условные обозначения проводов и контактных соединений электрических элементов, аппаратуры и частей цепей в электрических цепях».
• ГОСТ 2.721-74 «ЕСКД. Обозначения условные графические в бланках. Общие обозначения»
• ГОСТ 2.755-87 «ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Коммутационные устройства и контактные соединения».

Условные графические обозначения (УГО) автоматов, рубильников, контакторов, тепловых реле и другой коммутационной аппаратуры, применяемые в однолинейных схемах электрощитов, определены в ГОСТ 2.755-87.

Однако обозначение УЗО и дифавтоматов в ГОСТе отсутствует. Думаю, скоро он будет переиздан и к нему будет добавлено обозначение RCD. Между тем каждый конструктор изображает УЗО на свой вкус, тем более, что ГОСТ 2.702-2011 это предусматривает. Достаточно привести обозначение УГО и его расшифровку в пояснениях к схеме.

Кроме ГОСТ 2.755-87, для полноты схемы необходимо использовать изображения из ГОСТ 2.721-74 (в основном для вторичных цепей).

Подключение двигателя

Необходимо подключить двигатель к однофазной сети переменного тока напряжением 220 вольт, частотой 50 герц. Эти номиналы электричества есть во всех домах нашей страны, и в результате однофазные двигатели пользуются большой популярностью. Они устанавливаются во все бытовые приборы, такие как

1. Холодильник.
2. Пылесос.
3. Соковыжималка.
4. Триммер.
5. Кусторез электрический.
6. Швейная машина.
7. Электрическая дрель.
8. Смеситель для кухни.
9. Поклонник.
10. Помпа.

Разновидности подключения

1. Соединение с катушкой стартера.
2. Соединение с рабочим конденсатором.

Однофазные маломощные электродвигатели 220 В с катушкой пуска имеют конденсатор, включенный в цепь при пуске. После разгона ротора катушка отключается. Если двигатель выполнен с рабочим конденсатором, пусковая цепь не размыкается, пусковая обмотка постоянно работает через конденсатор.

Возможно использование одного электродвигателя для разных целей. Один и тот же двигатель можно снять с одного автомобиля и установить на другой. Есть три способа включения однофазного двигателя.

1. Происходит временное включение электричества на пусковую обмотку через конденсатор.
2. Кратковременная подача напряжения на пусковой блок осуществляется через резистор, без конденсатора.
3. Электроэнергия через конденсатор постоянно подается на пусковую обмотку, одновременно с работой рабочей обмотки.

Если в пусковой цепи используется сопротивление, то обмотка будет иметь более высокое активное сопротивление. Будет фазовый сдвиг, достаточный для начала вращения. Можно использовать пусковую обмотку, где больше сопротивление и меньше индуктивность. Чтобы обмотка соответствовала параметрам, она должна иметь меньшее количество витков, более тонкий провод.

Конденсаторный пуск — это подключение конденсатора к пусковой обмотке и временная подача тока. Для достижения максимального пускового момента требуется круговое магнитное поле, оно должно вращаться. Для этого расположение обмоток под углом 90 градусов. Добиться такого сдвига с помощью резистора невозможно. Если емкость конденсатора рассчитана правильно, можно будет сместить обмотки на угол 90 градусов.

Вычисление принадлежности проводов

Для расчета проводов, соединяющих пусковую обмотку и рабочую обмотку, нужен прибор, измеряющий омы или тестер. Необходимо измерить сопротивление обмоток. Сопротивление рабочей обмотки должно быть меньше пусковой. Например, если замеры показали 12 Ом для одной обмотки и 30 Ом для другой, первая из них работает, а вторая запускается. Рабочая обмотка будет иметь большее сечение, чем пусковая обмотка.

Подборка ёмкости конденсатора

Чтобы выбрать емкость конденсатора, нужно знать, какой ток потребляет электродвигатель. Если он использует ток 1,4 ампера, то нужен конденсатор, емкость которого 6 мкФ.

Проверка работоспособности

Проверка должна начинаться с визуального осмотра.

1. Если опора устройства была отломана, в результате он тоже может выйти из строя.
2. Если корпус потемнел в середине, это говорит о том, что он перегрелся.
3. Не исключено, что в срез корпуса попали различные посторонние предметы, это будет тормозить его работу и способствовать перегреву.
4. Если подшипники загрязнены, произойдет перегрев.
5. Изношенные подшипники вызывают перегрев.
6. Если к пусковой обмотке 220в подключить конденсатор увеличенной емкости, он будет перегреваться. При подозрении на конденсатор нужно отсоединить его от пусковой обмотки, включить двигатель в сеть, провернуть вал вручную, произойдет пуск и начнется вращение. Вам нужно запустить двигатель примерно на пятнадцать минут, а затем проверить, прогрелся ли он. Если мотор не прогрелся, причина была в увеличенной емкости конденсатора. Вам нужно установить меньший конденсатор.

Электродвигатели однофазные 220 маломощные выпускаются совершенно разных моделей и для разных целей, и перед покупкой товара нужно четко понимать какая мощность нужна, тип крепления, количество оборотов в минуту и ​​другие характеристики.

Нереверсивная схема управления асинхронного двигателя.

Рисунок 1 – Простейшая схема асинхронного двигателя

Автоматический выключатель QF используется для подачи напряжения на цепи управления и силовые цепи. Пуск асинхронного двигателя осуществляется кнопкой SB1 «Пуск», замыкающей контакты в цепи катушки магнитного пускателя КМ. Который при срабатывании замыкает главные контакты цепи тока статора. В результате электродвигатель М подключается к источнику питания.

При этом замыкается блокирующий контакт КМ в сети управления, который шунтирует кнопку SB1.

Для выключения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором нажмите кнопку SB2 «Стоп». При этом питающая сеть к контактору КМ размыкается и подача напряжения на статор прекращается. После этого нужно выключить машину QF. Схема контроля артериального давления короткого замыкания обеспечивает несколько защит:

• от короткого замыкания — с помощью автоматического выключателя QF и предохранителей FU;
• от перегрузки — с помощью реле обогрева КК (при перегреве эти устройства отключаются от контактора КМ, останавливая работу двигателя);
• нулевая защита — с помощью магнитного пускателя КМ (при низком напряжении или полном отсутствии контактор КМ оказывается обесточенным, размыкается и электродвигатель отключается).

Для подключения двигателя после срабатывания защиты снова нажмите клавишу SB1.

Типы ДПТ

Существующие двигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции двигателя щеточного коллектора и по типу магнитной системы статора.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, в которых используются щеточно-коллекторные устройства, называются коллекторными. Они охватывают широкий спектр моделей электродвигателей. В конструкции предусмотрены двигатели, где используется до 8 щеточных коллекторов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подается непосредственно на обмотки статора. В этом варианте отпадает необходимость в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются посредством электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранен один из недостатков — искрообразование, что приводит к интенсивному износу пластин коллектора и щеток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные свойства ДПТ: простое управление, связанное с регулировкой скорости, высокий КПД и другие. Бесщеточные двигатели называются бесщеточными двигателями.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкции синхронных двигателей есть модели с постоянными магнитами и двигатели постоянного тока с обмотками возбуждения. Довольно распространены серийные электродвигатели со статорами с потоком возбуждения обмотки. Они обеспечивают стабильную скорость вращения на валах, высокую номинальную механическую мощность.

Способы соединения обмоток статора были рассмотрены выше. Еще раз подчеркнем, что электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока зависят от выбора схемы подключения. Они отличаются последовательными обмотками и катушками с параллельным возбуждением.

Управление

Нетрудно понять, что если изменить полярность напряжения, изменится и направление вращения якоря. Это позволяет легко управлять электродвигателем, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента на валу. Мы видим прямую линию с отрицательным наклоном. Эта прямая линия выражает механическую характеристику двигателя постоянного тока. Для его построения выбирается определенное фиксированное напряжение, которое подается на возбуждение обмоток ротора.

Примеры механических свойств ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такой же прямой линией, но с положительным наклоном, является график зависимости скорости якоря от напряжения питания. Это управляющая характеристика синхронного двигателя.

Построение заданного расписания осуществляется в конкретное время разработанной КДС.

Пример управляющей характеристики якорного электродвигателя

Благодаря линейности характеристик упрощается управление двигателями постоянного тока. Так как сила F пропорциональна току, изменяя ее величину, например, переменным сопротивлением, можно управлять параметрами электродвигателя.

Регулирование скорости вращения ротора легко осуществляется изменением напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов достигается устойчивый рост числа оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов замедлиться.

Также в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которая может быть возвращена в электросеть.

Области применения

Перечислять все сферы применения электродвигателей можно бесконечно. Приведем лишь некоторые из них в качестве примера:

• электрические бытовые и промышленные инструменты;
• автомобильная промышленность — электростеклоподъемники, вентиляторы и другая автоматика;
• трамваи, троллейбусы, электромобили, краны и другие механизмы, для которых важны высокие тяговые свойства.

Преимущества и недостатки

Преимущества включают в себя:

• Линейная зависимость характеристик двигателей постоянного тока (прямые линии), что упрощает управление;
• Легко регулируемая скорость;
• хорошие стартовые свойства;
• компактные размеры.

В асинхронных двигателях, которые являются двигателями переменного тока, добиться таких характеристик очень сложно.

Ошибка:

• ограниченный ресурс коллектора и щеток;
• дополнительная трата времени на профилактические работы, связанные с обслуживанием коллекторно-щеточных узлов;
• ввиду того, что мы используем сети с переменным напряжением, возникает необходимость коррекции тока;
• высокие затраты при производстве анкеров.

По перечисленным параметрам среди недостатков победителями являются модели асинхронных двигателей. Но во многих случаях использование двигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.