Двигатель постоянного тока независимого возбуждения...

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения…

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.

  • коллекторные;
  • бесколлекторные;
  • устройства с внешним возбуждением.

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.

  • с независимым возбуждением (две обмотки не связаны одна с другой, а ОВ питается от отдельного источника);
  • с параллельным возбуждением или шунтируемого типа (в них ОВ включена параллельно якорной цепочке);
  • с последовательным возбуждением (ОВ включается последовательно с якорной обмоткой).

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.

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.

  • статор с обмотками;
  • вращающийся ротор с постоянными магнитами;
  • контроллер, обеспечивающий формирование в статоре вращающегося э/м поля.

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).

Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением – схема работы

Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением – это электродвигатель, у которого обмотки якоря и возбуждения подключаются друг к другу параллельно. Часто по своей функциональности он превосходит агрегаты смешанного и последовательного типов в случаях, если необходимо задать постоянную скорость работы.

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.

Сферы применения двигателя

Поскольку частота вращения подобных двигателей остается почти постоянной даже при изменении нагрузки, а также может изменяться при помощи регулировочного реостата, они широко применяются в работе с:

  • вентиляторами;
  • насосами;
  • шахтными подъемниками;
  • подвесными электрическими дорогами;
  • станками (токарными, металлорежущими, ткацкими, печатными, листоправильными и пр.).

Таким образом, этот вид двигателей в основном используется с механизмами, требующими постоянства скорости вращения или ее широкой регулировки.

Регулирование частоты вращения

Регулирование скорости – это целенаправленное изменение скорости электродвигателя в принудительном порядке при помощи специальных устройств или приспособлений. Оно позволяет обеспечить оптимальный режим работы механизма, его рациональное использование, а также уменьшить расход энергии.

Существует три основных способа регулирования скорости двигателя:

  1. Изменение магнитного потока главных полюсов. Осуществляется при помощи регулировочного реостата: при увеличении его сопротивления магнитный поток главных полюсов и ток возбуждения Iв уменьшаются. При этом увеличивается число оборотов якоря на холостом ходу, а также угол наклона механической характеристики. Жесткость механических характеристик сохраняется. Однако увеличение скорости может привести к механическим повреждениям агрегата и к ухудшению коммутации, поэтому не рекомендуется увеличивать частоту вращения этим методом более чем в два раза.
  2. Изменение сопротивления цепи якоря. К якорю последовательно подключается регулировочный реостат. Скорость вращения якоря уменьшается при увеличении сопротивления реостата, а наклон механических характеристик увеличивается. Регулировка скорости вышеуказанным способом:
  • способствует уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики;
  • связана с большой величиной потерь в регулировочном реостате, следовательно, неэкономична.
  1. Безреостатное изменение подаваемого на якорь напряжения. В этом случае необходимо наличие отдельного источника питания с регулируемым напряжением, например, генератора или управляемого вентиля.

Двигатель с независимым возбуждением

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения как раз и реализует третий принцип регулирования скорости. Его отличие в том, что обмотка возбуждения и магнитное поле главных полюсов подключаются к разным источникам. Ток возбуждения является неизменной характеристикой, а магнитное поле меняется. При этом изменяется число оборотов вала на холостом ходу, жесткость характеристики остается прежней.

Таким образом, принцип работы дпт с независимым возбуждением является достаточно сложным вследствие независимой работы двух источников, тем не менее, его главное преимущество – большая экономичность.

2.2. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (дпт-нв)

Обмотки возбуждения и якоря этого двигателя питаются от разных источников (рис. 2.3,а). Где UB и IB – напряжение источника питания и ток обмотки возбуждения; U и IЯ – напряжение источника питания и ток якоря. Функцию обмотки возбуждения у таких двигателей может выполнять и постоянный магнит (рис. 2.3,б).

Для двигателя с независимым возбуждением величинаСМ Ф = const, поэтому вид электромеханической и механической характеристики в соответствии с (2.4) и (2.5) будет один и тот же (рис. 2.3).

Характерные точки характеристик

1 . ПриIЯ = 0 и М = 0; ω = ωхх (ωхх скорость холостого хода двигателя). В режиме холостого хода механическая нагрузка на валу двигателя отсутствует.

2. При ω = 0; IЯ = IП и М = МП (IП и МП – пусковой ток и пусковой момент двигателя). В литературе их иногда называют как IКЗ и МКЗ (током и моментом короткого замыкания), т.к. режим короткого замыкания для электродвигателя соответствует неподвижному состоянию якоря, а не замыканию его электрических цепей между собой или на корпус.

2.2.1. Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Основное преимущество двигателей постоянного тока перед двигателями переменного тока – это относительная легкость регулирования частоты вращения. Известно несколько способов регулирования скорости, которые можно получить из анализа зависимостей (2.4) или (2.5). Регулирование осуществляют: путем изменения сопротивления обмотки якоря, точнее включением последовательно с ней добавочного сопротивления; изменением потока возбуждения или напряжения питания якоря.

Первый способ отличают небольшие затраты на его осуществление, но при эксплуатации, из-за больших потерь мощности на добавочном сопротивлении, его целесообразно применять только для маломощных двигателей и там, где не предъявляется больших требований к стабильности скорости, т.к. этот способ снижает жесткость механической характеристики двигателя.

На практике изменение магнитного потока возбуждения возможно только в сторону его уменьшения, т.к. при увеличении потока, требуется повысить ток возбуждения выше номинального, что приведет к перегреву обмотки возбуждения и двигателя в целом. Кроме того, двигатель рассчитан и сконструирован так, что его магнитная система близка к насыщению, поэтому увеличение тока возбуждения не приведет к заметному росту потока возбуждения. Однако, уменьшение потока возбуждения из (2.4) приводит к росту скорости двигателя. На практике же в большинстве случаев требуется ее снижать, что в данном способе невозможно.

Поэтому лучшим способом является регулирование скорости путем изменения напряжения питания якоря. В этом способе якорь двигателя подключают к регулируемому источнику постоянного тока, в качестве которого обычно служит управляемый выпрямитель УВ рис. 2.5. Управляемый выпрямитель обычно питается переменным трехфазным напряжением. Величиной выходного постоянного напряжения U управляют, например, путем изменения величины управляющего напряжения UУ, что может осуществлять оператор или система автоматического регулирования. Регулировочные механические характеристики при этом имеют вид, показанный на рис. 2.6. Они имеют вид прямых с одинаковым наклоном к оси абсцисс, т.е. жесткость (наклон) характеристики не меняется с изменением скорости вращения.

Реверс двигателя (изменение направления вращения якоря) осуществляют, меняя полярность источника питания якорной цепи или цепи возбуждения.

Читайте также  Как очистить двигатель от стружки
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector