Электродвигатели, работающие на постоянном токе, используются не так часто, как двигатели переменного тока. Ниже приведем их достоинства и недостатки.
В быту двигатели постоянного тока нашли применение в детских игрушках, так как источниками для их питания служат батарейки. Используются они на транспорте: в метрополитене, трамваях и троллейбусах, автомобилях. На промышленных предприятиях электродвигатели постоянного тока применяются в приводах агрегатов, для бесперебойного электроснабжения которых используются аккумуляторные батареи.
Конструкция и обслуживание двигателя постоянного тока
Основной обмоткой двигателя постоянного тока является якорь , подключающийся к источнику питания через щеточный аппарат . Якорь вращается в магнитном поле, создаваемом полюсами статора (обмотками возбуждения) . Торцевые части статора закрыты щитами с подшипниками, в которых вращается вал якоря двигателя. С одной стороны на этом же валу установлен вентилятор охлаждения, прогоняющий поток воздуха через внутренние полости двигателя при его работе.
Щеточный аппарат – уязвимый элемент в конструкции двигателя. Щетки притираются к коллектору, чтобы как можно точнее повторять его форму, прижимаются к нему с постоянным усилием. В процессе работы щетки истираются, токопроводящая пыль от них оседает на неподвижных частях, ее периодически нужно удалять. Сами щетки нужно иногда перемещать в пазах, иначе они застревают в них под действием той же пыли и «зависают» над коллектором. Характеристики двигателя зависит еще и от положения щеток в пространстве в плоскости вращения якоря.
Со временем щетки изнашиваются и заменяются. Коллектор в местах контакта со щетками тоже истирается. Периодически якорь демонтируют и протачивают коллектор на токарном станке. После протачивания изоляция между ламелями коллектора срезается на некоторую глубину, так как она прочнее материала коллектора и при дальнейшей выработке будет разрушать щетки.
Схемы включения двигателя постоянного тока
Наличие обмоток возбуждения – отличительная особенность машин постоянного тока. От способов их подключения к сети зависят электрические и механические свойства электродвигателя.
Независимое возбуждение
Обмотка возбуждения подключается к независимому источнику. Характеристики двигателя получаются такие же, как у двигателя с постоянными магнитами. Скорость вращения регулируется сопротивлением в цепи якоря. Регулируют ее и реостатом (регулировочным сопротивлением) в цепи обмотки возбуждения, но при чрезмерном уменьшении его величины или при обрыве ток якоря возрастает до опасных значений. Двигатели с независимым возбуждением нельзя запускать на холостом ходу или с малой нагрузкой на валу. Скорость вращения резко увеличится, и двигатель будет поврежден.
Остальные схемы называют схемами с самовозбуждением.
Параллельное возбуждение
Обмотки ротора и возбуждения подключаются параллельно к одному источнику питания. При таком включении ток через обмотку возбуждения в несколько раз меньше, чем через ротор. Характеристики электродвигателей получаются жесткими, позволяющие использовать их для привода станков, вентиляторов.
Регулировка скорости вращения обеспечивается включением реостатов в цепь ротора или последовательно с обмоткой возбуждения.
Последовательное возбуждение
Обмотка возбуждения включается последовательно с якорной, по ним течет один и тот же ток. Скорость такого двигателя зависит от его нагрузки, его нельзя включать на холостом ходу. Но он обладает хорошими пусковыми характеристиками, поэтому схема с последовательным возбуждением применяется на электрифицированном транспорте.
Смешанное возбуждение
При этой схеме используются две обмотки возбуждения, расположенные попарно на каждом из полюсов электродвигателя. Их можно подключить так, чтобы потоки их либо складывались, либо вычитались. В результате двигатель может иметь характеристики как у схемы последовательного или параллельного возбуждения.
Для изменения направления вращения изменяют полярность одной из обмоток возбуждения. Для управления пуском электродвигателя и скоростью его вращения применяют ступенчатое переключение сопротивлений.
32. Механические характеристики ЭД постоянного тока
Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения: Уравнение механической характеристики имеет вид:
,
где ω - частота вращения, рад/с; Rob -
сопротивление обмотки последовательного
возбуждения, Ом; α- коэффициент линейной
зависимости (в первом приближении)
магнитного потока от тока якоря.
Из рассмотрения рис. следует, что механические характеристики рассматриваемого двигателя (естественная и реостатные) являются мягкими и имеют гиперболический характер. При малых нагрузках частота вращения и резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет в «разнос»). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода или при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2 -- 0,25) IН0М; только двигатели малой мощности (десятки ватт) используют для работы в устройствах, где возможен холостой ход. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой); применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.
Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют в различных электрических приводах, особенно там, где имеется изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.). Это объясняется тем, что мягкая характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем жесткая характеристика двигателя с параллельным возбуждением.
Двигатель постоянного тока независимого возбуждения: Характерной особенностью двигателя является то, что его ток возбуждения не зависит от тока якоря (тока нагрузки), так как питание обмотки возбуждения по существу независимое. Следовательно, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя не зависит от нагрузки. Следовательно, механическая характеристика будет линейной.
Уравнение
механической характеристики имеет
вид:
где
ω - частота вращения, рад/с; U - напряжение,
приложенное к цепи якоря, В; Ф - магнитный
поток, Вб; Rя, Rд - сопротивление якоря
и добавочное в его цепи, Ом: α-
конструктивная постоянная двигателя.
где
р - число пар полюсов двигателя; N -
число активных проводников якоря
двигателя; α - число параллельных ветвей
обмотки якоря. Вращающий момент двигателя,
Н*м.
-
ЭДС двигателя постоянного тока, В. При
постоянном магнитном потоке Ф = const,
полагая с=к Ф,
Тогда
выражение для вращающего момента, Н*м:
1. Механическая характеристика е, полученная для условий Rд = О, Rв = 0, т.е. напряжение на якоре и магнитный поток двигателя равны номинальным значениям, называется естественной (рис. 17.6).
2, Если Rд > О (Rв = 0), получаются искусственные - реостатные характеристики 1 и 2, проходящие через точку ω0 -скорость идеального холостого хода машины. Чем больше Яд, тем характеристики круче.3, Если изменять напряжение на зажимах якоря посредством преобразователя при условии, что Rд = 0 и Rв = 0, то искусственные механические характеристики имеют вид 3 и 4и проходят параллельно естественной и тем ниже, чем меньше величина напряжения.
4, При номинальном напряжении на якоре (Rд = 0) и уменьшении магнитного потока (Rв > 0) характеристики имеют вид5 и проходят тем выше естественной и круче ее, чем меньше магнитный поток.
Двигатель постоянного тока смешанного возбуждения: Характеристики этих двигателей являются промежуточными между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения.
При согласном включении последовательной и параллельной обмоток возбуждения двигатель смешанного возбуждения имеет больший пусковой момент, по сравнению с двигателем параллельного возбуждения. При встречном включении обмоток возбуждения двигатель приобретает жесткую механическую характеристику. С увеличением нагрузки магнитный поток последовательной обмотки увеличивается и, вычитаясь из потока параллельной обмотки, уменьшает общий поток возбуждения. При этом скорость вращения двигателя не только не уменьшается, а может даже увеличиваться (рис.6.19). И в том, и в другом случае наличие магнитного потока параллельной обмотки исключает режим "разноса" двигателя при снятии нагрузки.
Полная механическая характеристика двигателя постоянного тока позволяет правильно определиться с основными свойствами электродвигателя, а также проконтролировать их соответствие всем требованиям, предъявляемым на сегодняшний день к машинам или устройствам технологического типа.
Особенности конструкции
Представлены вращающимися нагнетательными элементами, которые размещаются на поверхности статически закрепленной станины. Устройства подобного типа получили широкое применение и эксплуатируются при необходимости обеспечивать разнообразие скоростного регулирования в условиях стабильности вращательных движений привода.
С конструктивной точки зрения все виды ДПТ представлены:
- роторной или якорной частью в виде большого количества катушечных элементов, покрытых специальной токопроводящей обмоткой;
- статичным индуктором в виде стандартной станины, дополненной несколькими магнитными полюсами;
- функциональным щеточным коллектором цилиндрической формы, располагающимся на валу и имеющим медную пластинчатую изоляцию;
- статично зафиксированными контактными щетками, используемыми с целью подведения достаточного количества электротока на роторную часть.
Как правило, электрические двигатели ПТ оснащаются специальными щетками графитового и медно-графитного типа. Вращательные движения вала провоцируют замыкание и размыкание контактной группы, а также способствуют искрению.
Определенное количество механической энергии поступает от роторной части к другим элементам, что обусловлено наличием передачи ременного типа.
Принцип функционирования
Синхронные устройства обращенного функционала характеризуются сменой выполнения задач статором и ротором. Первый элемент служит для возбуждения магнитного поля, а второй в этом случае преобразует достаточное количество энергии.
Якорное вращение в условиях магнитного поля наводится при помощи ЭДС, а движение направлено в соответствии с правилом правой руки. Поворот на 180 о сопровождается стандартной сменой движения ЭДС.
Принцип действия двигателя постоянного тока
Коллекторы посредством щеточного механизма соединяются с двумя витковыми сторонами, что провоцирует удаление пульсирующего напряжения и вызывает образование постоянных токовых величин, а снижение якорной пульсации осуществляется добавочными витками.
Механическая характеристика
На сегодняшний день эксплуатируются электромоторы ПТ нескольких категорий, имеющие различные виды возбуждения:
- независимого типа, при котором обмоточное питание определяется независимым источником энергии;
- последовательного типа, при котором подключение якорной обмотки выполняется в последовательном направлении с обмоточным элементом возбуждения;
- параллельного типа, при котором роторная обмотка подключается в электрической цепи в параллельном для источника питания направлении;
- смешанного типа, основанном на наличии нескольких последовательных и параллельных обмоточных элементов.
Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения ДПТ
Механические моторные характеристики подразделяются на показатели естественного и искусственного вида. Неоспоримые преимущества ДПТ представлены повышенными показателями производительности и увеличенным КПД.
Благодаря особым механическим характеристикам устройства с постоянными токовыми величинами способны легко переносить негативные внешние воздействия, что объясняется закрытым корпусом с уплотнительными элементами, абсолютно исключающими попадание влаги внутрь конструкции.
Модели независимого возбуждения
Моторы ПТ НВ обладают обмоточным возбуждением, подключаемым к отдельному виду источника для электрического питания. В таком случае обмоточная цепь возбуждения ДПТ НВ дополняется реостатом регулировочного типа, а якорная цепь снабжается добавочными или пусковыми реостатными элементами.
Отличительной особенностью такого вида мотора является независимость токового возбуждения от якорного тока, что обуславливается независимым питанием обмоточного возбуждения.
Характеристики электродвигателей с независимым и параллельным возбуждением
Линейная механическая характеристика при независимом типе возбуждения:
- ω - показатели вращательной частоты;
- U - показатели напряжения на эксплуатируемой якорной цепи;
- Ф - параметры магнитного потока;
- R я и R д - уровень якорного и добавочного сопротивления;
- Α - константа конструкции движка.
Данным типом уравнения определяется зависимость вращательной скорости мотора к моменту вала.
Модели последовательного возбуждения
ДПТ с ПТВ представляют собой устройство электрического типа с постоянными токовыми величинами, имеющими обмотку возбуждения, последовательно подключенную к якорной обмотке. Данный тип движков характеризуется справедливостью следующего равенства: током, протекающим в обмотке якоря, равным током обмоточного возбуждения, или I=I в =I я.
Механические характеристики при последовательном и смешанном возбуждении
При использовании последовательного типа возбуждения:
- n 0 - показатели частоты вращения вала в условиях холостого хода;
- Δ n - показатели изменения частоты вращения в условиях механической нагрузки.
Смещение механических характеристик вдоль оси ординат позволяет им оставаться в полностью параллельном расположении друг другу, благодаря чему регулирование вращательной частоты при изменении данного напряжения U, подведенного к якорной цепи, становится максимально благоприятным.
Модели смешанного возбуждения
Для смешанного возбуждения свойственно расположение между параметрами устройств параллельного и последовательного возбуждения, чем легко обеспечивается значительность пускового момента и полностью исключается любая возможность «разноса» движкового механизма в условиях холостого хода.
В условиях смешанного типа возбуждения:
Двигатель смешанного возбуждения
Регулировка частоты моторного вращения при наличии возбуждения смешанного типа осуществляется по аналогии с двигателями, имеющими параллельное возбуждение, а варьирование МДС-обмоток способствует получению практически любой промежуточной механической характеристики.
Уравнение механической характеристики
Наиболее важные механические характеристики ДПТ представлены естественными и искусственными критериями, при этом первый вариант сравним с номинальным напряжением питания в условиях полного отсутствия добавочного сопротивления на обмоточных цепях мотора. Несоответствие любому из заданных условий позволяет рассматривать характеристику в качестве искусственной.
ω = U я / k Ф - (R я + R д)/(k Ф)
Это же уравнение может быть представлено в форме ω = ω о.ид. - Δ ω, где:
- ω о.ид. = U я /k Ф
- ω о.ид - показатели угловой скорости холостого идеального хода
- Δ ω = Мэм. [(R я +R д)/(k Ф)2]- снижение показателей угловой скорости под воздействием нагрузки на вал мотора при пропорциональном сопротивлении цепи якоря
Характеристики уравнения механического типа представлены стандартной устойчивостью, жесткостью и линейностью.
Заключение
Согласно применяемым механическим характеристикам любые ДПТ отличаются конструктивной простотой, доступностью и возможностью осуществлять регулировку частоты валового вращения, а также легкостью пуска ДПВ. Кроме прочего, такие устройства могут применяться в качестве генератора и обладают компактными габаритами, что хорошо нивелирует недостатки в виде быстро изнашиваемых графитовых щеток, высокой себестоимости и необходимости обязательно подключать токовые выпрямители.
Видео на тему
Естественные скоростная и механическая характеристики, область применения
В двигателях последовательного возбуждения ток якоря одновременно является также током возбуждения: i в = I а = I . Поэтому поток Ф δ изменяется в широких пределах и можно написать, что
  | (3) |
  | (4) |
Скоростная характеристика двигателя [смотрите выражение (2)], представленная на рисунке 1, является мягкой и имеет гиперболический характер. При k Ф = const вид кривой n = f (I ) показан штриховой линией. При малых I скорость двигателя становится недопустимо большой. Поэтому работа двигателей последовательного возбуждения, за исключением самых маленьких, на холостом ходу не допускается, а использование ременной передачи неприемлемо. Обычно минимально допустимая нагрузка P 2 = (0,2 – 0,25) P н.
Естественная характеристика двигателя последовательного возбуждения n = f (M ) в соответствии с соотношением (3) показана на рисунке 3 (кривая 1 ).
Поскольку у двигателей параллельного возбуждения M ∼ I , а у двигателей последовательного возбуждения приблизительно M ∼ I ² и при пуске допускается I = (1,5 – 2,0) I н, то двигатели последовательного возбуждения развивают значительно больший пусковой момент по сравнению с двигателями параллельного возбуждения. Кроме того, у двигателей параллельного возбуждения n ≈ const, а у двигателей последовательного возбуждения, согласно выражениям (2) и (3), приблизительно (при R а = 0)
n ∼ U / I ∼ U / √M .
Поэтому у двигателей параллельного возбуждения
P 2 = Ω × M = 2π × n × M ∼ M ,
а у двигателей последовательного возбуждения
P 2 = 2π × n × M ∼ √M .
Таким образом, у двигателей последовательного возбуждения при изменении момента нагрузки M ст = M в широких пределах мощность изменяется в меньших пределах, чем у двигателей параллельного возбуждения.
Поэтому для двигателей последовательного возбуждения менее опасны перегрузки по моменту. В связи с этим двигатели последовательного возбуждения имеют существенные преимущества в случае тяжелых условий пуска и изменения момента нагрузки в широких пределах. Они широко применяются для электрической тяги (трамваи, метро, троллейбусы, электровозы и тепловозы на железных дорогах) и в подъемно-транспортных установках.
  |
| Рисунок 2. Схемы регулирования скорости вращения двигателя последовательного возбуждения посредством шунтирования обмотки возбуждения (а ), шунтирования якоря (б ) и включения сопротивления в цепь якоря (в ) |
Отметим, что при повышении скорости вращения двигатель последовательного возбуждения в режим генератора не переходит. На рисунке 1 это очевидно из того, что характеристика n = f (I ) не пересекает оси ординат. Физически это объясняется тем, что при переходе в режим генератора, при заданном направлении вращения и заданной полярности напряжения, направление тока должно измениться на обратное, а направление электродвижущей силы (э. д. с.) E а и полярность полюсов должны сохраняться неизменными, однако последнее при изменении направления тока в обмотке возбуждения невозможно. Поэтому для перевода двигателя последовательного возбуждения в режим генератора необходимо переключить концы обмотки возбуждения.
Регулирование скорости посредством ослабления поля
Регулирование n посредством ослабления поля производится либо путем шунтирования обмотки возбуждения некоторым сопротивлением R ш.в (рисунок 2, а ), либо уменьшением числа включенных в работу витков обмотки возбуждения. В последнем случае должны быть предусмотрены соответствующие выводы из обмотки возбуждения.
Так как сопротивление обмотки возбуждения R в и падение напряжения на нем малы, то R ш.в также должно быть мало. Потери в сопротивлении R ш.в поэтому малы, а суммарные потери на возбуждение при шунтировании даже уменьшаются. Вследствие этого коэффициент полезного действия (к. п. д.) двигателя остается высоким, и такой способ регулирования широко применяется на практике.
При шунтировании обмотки возбуждения ток возбуждения со значения I уменьшается до
и скорость n соответственно увеличивается. Выражения для скоростной и механических характеристик при этом получим, если в равенствах (2) и (3) заменим k Ф на k Ф k о.в, где
представляет собой коэффициент ослабления возбуждения. При регулировании скорости изменение числа витков обмотки возбуждения
k о.в = w в.раб / w в.полн.
На рисунке 3 показаны (кривые 1 , 2 , 3 ) характеристики n = f (M ) для этого случая регулирования скорости при нескольких значениях k о.в (значению k о.в = 1 соответствует естественная характеристика 1 , k о.в = 0,6 – кривая 2 , k о.в = 0,3 – кривая 3 ). Характеристики даны в относительных единицах и соответствуют случаю, когда k Ф = const и R а* = 0,1.
 |
| Рисунок 3. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения при разных способах регулирования скорости вращения |
Регулирование скорости путем шунтирования якоря
При шунтировании якоря (рисунок 2, б ) ток и поток возбуждения возрастают, а скорость уменьшается. Так как падение напряжения R в × I мало и поэтому можно принять R в ≈ 0, то сопротивление R ш.а практически находится под полным напряжением сети, его значение должно быть значительным, потери в нем будут велики и к. п. д. сильно уменьшится.
Кроме того, шунтирование якоря эффективно тогда, когда магнитная цепь не насыщена. В связи с этим шунтирование якоря на практике используется редко.
На рисунке 3 кривая 4 n = f (M ) при
I ш.а ≈ U / R ш.а = 0,5 I н.
Регулирование скорости включением сопротивления в цепь якоря
Регулирование скорости включением сопротивления в цепь якоря (рисунок 2, в ). Этот способ позволяет регулировать n вниз от номинального значения. Так как одновременно при этом значительно уменьшается к. п. д., то такой способ регулирования находит ограниченное применение.
Выражения для скоростной и механической характеристик в этом случае получим, если в равенствах (2) и (3) заменим R а на R а + R ра. Характеристика n = f (M) для такого способа регулирования скорости при R ра* = 0,5 изображена на рисунке 3 в виде кривой 5 .
 |
| Рисунок 4. Параллельное и последовательное включение двигателей последовательного возбуждения для изменения скорости вращения |
Регулирование скорости изменением напряжения
Этим способом можно регулировать n вниз от номинального значения с сохранение высокого к. п. д. Рассматриваемый способ регулирования широко применяется в транспортных установках, где на каждой ведущей оси устанавливается отдельный двигатель и регулирование осуществляется путем переключения двигателей с параллельного включения в сеть на последовательное (рисунок 4). На рисунке 3 кривая 6 представляет собой характеристику n = f (M ) для этого случая при U = 0,5U н.
Схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения изображена на рисунке 6-15. Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, поэтому магнитный поток двигателя изменяется вместе с изменени-. ем нагрузки. Так как ток нагрузки велик, то обмотка возбуждения имеет небольшое число витков, это позволяет несколько упростить конструкцию пускового
реостата по сравнению с реостатом для двигателя параллельного возбуждения.
Скоростную характеристику (рис. 6-16) можно получить на основании уравнения скорости, которая для двигателя последовательного возбуждения имеет вид:
где - сопротивление обмотки возбуждения.
Из рассмотрения характеристики видно, что скорость двигателя сильно зависит от нагрузки. При увеличении нагрузки увеличивается падение напряжения на сопротивлении обмоток при одновременном увеличении магнитного потока, что приводит к значительному уменьшению скорости вращения. Это характерная особенность двигателя последовательного возбуждения. Значительное уменьшение нагрузки приведет к опасному для двигателя увеличению скорости вращения. При нагрузках менее 25% номинальной (и особенно на холостом ходу), когда ток нагрузки и магнитный поток из-за небольшого числа витков в обмотке возбуждения оказывается настолько слабым, что скорость вращения быстро возрастает до недопустимо больших значений (двигатель может «разнести»). По этой причине эти двигатели применяют лишь в тех случаях, когда их соединяют с приводимыми во вращение механизмами непосредственно или через зубчатую передачу. Применение ременной передачи недопустимо, так как ремень может оборваться либо соскочить, двигатель при этом полностью разгрузится.
Регулирование скорости вращения двигателя последовательного возбуждения может осуществляться изменением магнитного потока или изменением питающего напряжения.
Зависимость вращающего момента от тока нагрузки (механическую характеристику) двигателя последовательного возбуждения можно получить, если в формуле вращающего момента (6.13) магнитный поток выразить через ток нагрузки. В отсутствие магнитного насыщения поток пропорционален току возбуждения, а последний для данного двигателя является током нагрузки, т. е.
На графике (см. рис. 6-16) эта характеристика имеет форму параболы. Квадратичная зависимость вращающего момента от тока нагрузки является второй характерной особенностью двигателя последовательного возбуждения, благодаря которой эти двигатели легко переносят большие кратковременные перегрузки и развивают большой пусковой момент.
Рабочие характеристики двигателя приведены на рисунке 6-17.
Из рассмотрения всех характеристик следует, что двигатели последовательного возбуждения можно применять в тех случаях,
когда необходим большой пусковой момент или кратковременные перегрузки; исключена возможность их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми как тяговые двигатели на электротранспорте (электровоз, метрополитен, трамвай, троллейбус), в подъемнотранспортных установках (краны и т. д.) и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) в автомобилях и авиации.
Экономичное регулирование скорости вращения в широких пределах осуществляется в случае одновременной работы нескольких двигателей путем различных комбинаций включения двигателей и реостатов. Например, на малых скоростях они включаются последовательно, а на больших - параллельно. Необходимые переключения осуществляются оператором (водителем) поворотом ручки переключателя.
