Меню

Ток потребления двигателя постоянного тока

Ток потребления двигателя постоянного тока

§ 115. Характеристики двигателей постоянного тока

Рабочие свойства двигателей определяются их рабочими характеристиками, представляющими собой зависимости числа оборотов n, вращающего момента Мэ, потребляемого тока I1, мощности P1 и к. п. д. η от полезной мощности на валу Р2, т. е.

Эти зависимости соответствуют естественным условиям работы двигателя, т. е. машина не регулируется и напряжение сети остается постоянным. Так как при изменении полезной мощности Р2 (т. е. нагрузки на валу) изменяется также и ток в якоре машины, то рабочие характеристики часто строятся в зависимости от тока в якоре. Мы рассмотрим зависимость вращающего момента и скорости вращения от тока в якоре для двигателей с различным возбуждением.
Характеристики двигателя параллельного возбуждения изображены на рис. 164, а схема его показана выше (см. рис. 163).


Число оборотов двигателя определяется следующим выражением:

С увеличением нагрузки на валу двигателя повышается также и ток в якоре. Это вызывает увеличение падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактах (Iя rя).
Как ток возбуждения, так и магнитный поток остаются неизменными. Однако при увеличении тока в якоре увеличивается размагничивающее действие потока реакции якоря и магнитный поток Φ несколько уменьшится. Увеличение Iя rя вызывает уменьшение скорости двигателя, а уменьшение Φ увеличивает его скорость. Обычно падение напряжения влияет на изменение скорости в несколько большей степени, чем реакция якоря, так что с увеличением тока в якоре скорость уменьшается. Изменение скорости у двигателя этого типа незначительно и не превышает 5% при изменении нагрузки от нуля до номинальной, т. е. двигатели параллельного возбуждения имеют жесткую скоростную характеристику.
Вращающий момент двигателя равен:

Мэ = kΦIя. (151)

При неизменном магнитном потоке зависимость момента от тока в якоре представится прямой линией. Но под воздействием реакции якоря с увеличением нагрузки происходит некоторое уменьшение магнитного потока и зависимость момента пойдет несколько ниже прямой линии.

Схема двигателя последовательного возбуждения показана на рис. 165. Пусковой реостат этого двигателя имеет только два зажима, так как обмотка возбуждения и якорь образуют одну последовательную цепь. Характеристики двигателя изображены на рис. 166.

Число оборотов двигателя последовательного возбуждения определяется следующим выражением:

где rc — сопротивление последовательной обмотки возбуждения.
В двигателе последовательного возбуждения магнитный поток не остается постоянным, а резко изменяется с изменением нагрузки, что вызывает значительное изменение скорости. Так как падение напряжения в сопротивлении якоря и обмотки возбуждения очень мало в сравнении с приложенным напряжением, то число оборотов можно приближенно определить следующим выражением:

Если пренебречь насыщением стали, то можно считать магнитный поток пропорциональным току в обмотке возбуждения, который равен току в якоре. Следовательно, у двигателя последовательного возбуждения скорость вращения обратно пропорциональна току в якоре и число оборотов резко уменьшается с увеличением нагрузки, т. е. двигатель имеет мягкую скоростную характеристику. С уменьшением нагрузки скорость вращения двигателя увеличивается. При холостом ходе (Iя ≈ 0) скорость двигателя беспредельно возрастает, т. е. двигатель идет в разнос.
Таким образом, характерным свойством двигателей последовательного возбуждения является недопустимость сброса нагрузки, т. е. работы вхолостую или при малых нагрузках. Двигатель имеет минимально допустимую нагрузку, составляющую 25 — 30% номинальной. При нагрузке меньше минимально допустимой скорость двигателя резко увеличивается, что может вызвать его разрушение. Поэтому в случаях, когда возможны сбросы или резкие уменьшения нагрузок, использовать двигатели последовательного возбуждения нельзя.
В двигателях очень малых мощностей сброс нагрузки не вызывает разноса, так как механические потери двигателя будут являться для него достаточно большой механической нагрузкой.
Вращающий момент двигателя последовательного возбуждения, учитывая пропорциональную зависимость между магнитным потоком и током в якоре (Φ = с′Iя), можно определить следующим выражением:

Мэ = kΦIя = kI 2 я, (153)

где с′ и k′ — некоторые постоянные величины; k′ = k · c′, т. е. вращающий момент пропорционален квадрату тока. Однако при больших токах сказывается насыщение стали и зависимость момента приближается к прямой линии. Таким образом двигатели этого типа развивают большие вращающие моменты при малых оборотах, что имеет существенное значение при пуске больших инерционных масс и при перегрузках. Эти двигатели широко используются в транспортных и подъемных устройствах.
При смешанном возбуждении возможно как согласное, так и встречное включение обмоток возбуждения.
Двигатели со встречным включением обмоток не нашли широкого применения, так как они обладают плохими пусковыми свойствами и работают неустойчиво.
Скоростные характеристики двигателей смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения. С увеличением тока в якоре число оборотов якоря уменьшается в большей мере, чем в двигателях параллельного возбуждения, за счет увеличения магнитного потока, вызываемого увеличением тока в последовательной обмотке возбуждения. При холостом ходе двигатель смешанного возбуждения не идет в разнос, так как магнитный поток не уменьшается до нуля в результате наличия параллельной обмотки возбуждения.
При увеличении нагрузки в двигателях смешанного возбуждения происходит увеличение магнитного потока и вращающий момент возрастает в большей мере, чем в двигателях параллельного возбуждения, но в меньшей степени, чем в двигателях последовательного возбуждения.

Источник

Как рассчитать потребляемую мощность двигателя

В этой статье мы разберем, что такое мощность трехфазного асинхронного двигателя и как ее рассчитать.

Понятие мощности электродвигателя

Мощность – пожалуй, самый важный параметр при выборе электродвигателя. Традиционно она указывается в киловаттах (кВт), у импортных моделей – в киловаттах и лошадиных силах (л.с., HP, Horse Power). Для справки: 1 л.с. приблизительно равна 0,75 кВт.

На шильдике двигателя указана номинальная полезная (отдаваемая механическая) мощность. Это та мощность, которую двигатель может отдавать механической нагрузке с заявленными параметрами без перегрева. В формулах номинальная механическая мощность обозначается через Р2.

Электрическая (потребляемая) мощность двигателя Р1 всегда больше отдаваемой Р2, поскольку в любом устройстве преобразования энергии существуют потери. Основные потери в электродвигателе – механические, обусловленные трением. Как известно из курса физики, потери в любом устройстве определяются через КПД (ƞ), который всегда менее 100%. В данном случае справедлива формула:

КПД в двигателях зависит от номинальной мощности – у маломощных моделей он может быть менее 0,75, у мощных превышает 0,95. Приведенная формула справедлива для активной потребляемой мощности. Но, поскольку электродвигатель является активно-реактивной нагрузкой, для расчета полной потребляемой мощности S (с учетом реактивной составляющей) нужно учитывать реактивные потери. Реактивная составляющая выражается через коэффициент мощности (cosϕ). С её учетом формула номинальной мощности двигателя выглядит так:

Мощность и нагрев двигателя

Номинальная мощность обычно указывается для температуры окружающей среды 40°С и ограничена предельной температурой нагрева. Поскольку самым слабым местом в двигателе с точки зрения перегрева является изоляция, мощность ограничивается классом изоляции обмотки статора. Например, для наиболее распространенного класса изоляции F допустимый нагрев составляет 155°С при температуре окружающей среды 40°С.

В документации на электродвигатели приводятся данные, из которых видно, что номинальная мощность двигателя падает при повышении температуры окружающей среды. С другой стороны, при должном охлаждении двигатели могут длительное время работать на мощности выше номинала.

Читайте также:  Если амперметр показывает значение тока i 2а при

Мы рассмотрели потребляемую и отдаваемую мощности, но следует сказать, что реальная рабочая потребляемая мощность P (мощность на валу двигателя в данный момент) всегда должна быть меньше номинальной:

Если необходимо рассчитать потребляемую активную мощность, используем следующую формулу:

Р1 = 1,73 · U · I · ƞ

Именно активную мощность измеряют счетчики электроэнергии. В промышленности для измерения реактивной (и полной мощности S) применяют дополнительное оборудование. При данном способе можно не использовать приведенную формулу, а поступить проще – если двигатель подключен в «звезду», измеренное значение тока умножаем на 2 и получаем приблизительную мощность в кВт.

Расчет мощности при помощи счетчика электроэнергии

Этот способ прост и не требует дополнительных инструментов и знаний. Достаточно подключить двигатель через счетчик (трехфазный узел учета) и узнать разницу показаний за строго определенное время. Например, при работе двигателя в течении часа разница показаний счетчика будет численно равна активной мощности двигателя (Р1). Но чтобы получить номинальную мощность Р2, нужно воспользоваться приведенной выше формулой.

Источник

Основные характеристики двигателя постоянного тока

date image2014-02-24
views image6586

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Коэффициент полезного действия двигателя

Преобразование электрической энергии в механическую при работе ДПТ сопровождается потерями энергии. Отношение полезной механической мощности Р2 на валу двигателя к потребляемой из сети электрической мощности Р1 определяет коэффициент полезного действия (КПД) двигателей

η = ∙ 100% = ∙ 100%

Полезная механическая мощность Р2 , снимаемая с вала двигателя, рассчитывается по формуле

Р2 = 0,105 Мn , Вт (6.9)

где М = МС – момент сопротивления на валу двигателя, Нм;

n – частота вращения вала двигателя, об/мин.

Так как двигатель обладает «саморегулированием», то вращающий момент, развиваемый двигателем, равен моменту сопротивления на его валу, т.е. МВР = МС = М, поэтому, зная полезную мощность двигателя, можно определить его вращающий момент по выражению

М = 9,55 , Нм (6.10)

Потребляемая двигателем мощность Р1 определяется по формуле

Р1 = U∙I = U∙(Iя + Iв) , Вт (6.11)

где U – напряжение питания двигателя.

I = Iя + Iв — ток, потребляемый из сети двигателем с параллельным возбуждением.

ΔР = ΔРэРст + ΔРмех — сумма всех потерь двигателя постоянного тока, Вт.

где ΔРэ – электрические потери;

ΔРст – потери в стали статора и якоря;

ΔРмех – механические потери.

Электрические потери ΔРэ являются переменными, так как зависят от нагрузки и их значения может быть представлено как

где ΔРя = Iя 2 Rя – потери в обмотке якоря (при номинальном режиме составляют 50% всех потерь);

ΔРв = Iв 2 Rв – потери в обмотке возбуждения;

ΔРщ = Iя 2 ΔUщ – потери на коллекторно-щеточном контакте;

ΔUщ – падение напряжения между щеткой и коллектором (зависит от материала щеток: ΔUщ = 2 В для графитовых и 0,6 В для металлографитовых щеток.)

Потери в стали ΔРст связаны с вихревыми токами и перемагничивании якоря при его вращении и составляет 1 – 3% от номинальной мощности двигателя.

Механические потери ΔРмех связаны с трением движущихся частей двигателя и составляют 1 -2 % от номинальной мощности двигателя. Эти потери, как и потери в стали, являются постоянными и не зависят от нагрузки двигателя. Их называют потерями холостого хода.

При работе ДПТ вхолостую Р2 = 0 и η= 0 при увеличении полезной мощности Р2 КПД растет. Двигатели рассчитывают так, чтобы максимальное значение КПД соответствовало номинальной мощности двигателя (при этом постоянные потери равны переменным). При нагрузке больше номинальной КПД уменьшается за счет значительного роста переменных потерь. Для машин мощностью 1 – 100 кВт номинальное значение КПД лежит в пределах 74 – 92 %.

Основными характеристика ДПТ, получаемыми теоретически или экспериментально, являются его механическая характеристика, а также рабочая и регулировочная характеристики.

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения якоря nот момента М на валу двигателя: n = f(М). Уравнением механической характеристики является выражение (6.7).

Механическая характеристика двигателя с параллельным возбуждением представляет собой прямую с незначительным наклоном по мере роста момента на валу (рис.6.7). Такая характеристика называется «жесткой».

Рис. 6.7. Механическая характеристика ДПТ с параллельным возбуждением.

Жесткость механической характеристики объясняется тем, что при параллельном включении обмотки возбуждения, с ростом момента нагрузки, ток возбуждения Iв, а следовательно, и магнитный поток двигателя Ф остаются неизменными, а сопротивление якоря Rя сравнительно мало.

Рабочие характеристики ДПТ представляют собой зависимости частоты вращения n, момента М, тока якоря Iя и КПД η от полезной мощности Р2 на валу двигателя при неизменном напряжении на его зажимах U = const.Рабочие характеристики ДПТ с параллельным возбуждением представлены на рис. 6.8.

Зависимость полезного момента на валу двигателя от нагрузки Р2 представляет собой почти прямую линию, так как момент этого двигателя пропорционален нагрузке на валу: М = 9,55 Р2/n. Искривление указанной зависимости объясняется некоторым снижением частоты вращения с увеличением нагрузки. При Р2 = 0 ток, потребляемый электродвигателем равен току холостого хода. При увеличении мощности, развиваемой электродвигателем, ток якоря увеличивается приблизительно по той же зависимости, что и момент нагрузки на валу, так как при условии Ф = const токе якоря пропорционален моменту нагрузки.

Рис. 6.8. Рабочие характеристики ДПТ с параллельным возбуждением.

В соответствии с тремя вышеуказанными способами регулирования частоты вращения двигателя, его регулировочными характеристиками являются зависимости: n = f(Rя), n = f(Iв), и n = f(U),

где Rя – сопротивление якорной цепи, равное сумме сопротивлений самого якоря и реостата регулирования тока возбуждения;

Iв – ток возбуждения, вызывающий пропорциональный ему магнитный поток возбуждения Ф;

U – напряжение, подаваемое на обмотку якоря, при соблюдении условия Ф = const, т.е. Iв = const.

Примерный вид регулировочных характеристик, получаемых из выражения (6.7) при условии М = const, представлен на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Регулировочные характеристики ДПТ с параллельным возбуждением: а) n = f(Rя), б) n = f(Iв) с) n = f(U).

1.1. Простейшая цепь постоянного тока…………….………………………..1

1.2. Баланс мощностей в простейшей цепи постоянного тока………………..7

1.3. Последовательное соединение сопротивлений……………………………9

1.4. Параллельное соединения сопротивлений……………………………….10

1.5. Смешанное соединение сопротивлений……………………………….….12

1.6. Холостой ход и короткое замыкание …………………………………. 13

1.7. Расчет сложных электрических цепей постоянного тока………………14

1.7.1. Метод непосредственного применения законов Кирхгофа………….14

2. ОДНОФАЗНЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК……………………………………18

2.1. Получение однофазного переменного тока……………………………..18

2.2. Цепь переменного тока с активным сопротивлением…………………..20

2.3 Цепь переменного тока с индуктивным сопротивлением……………….23

2.4. Цепь переменного тока с ёмкостным сопротивлением…………………25

2.5. Цепь переменного тока с последовательным

соединением активного, индуктивного и ёмкостного сопротивлений

2.7. Цепь переменного тока с параллельным соединением

активного, индуктивного и ёмкостного сопротивлений

2.8. Понятие эквивалентной проводимости………………………………….36

3. ТРЕХФАЗНЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК…………………………………….39

3.1. Трехфазный ток и его получение…………………………………………39

3.2. Соединение звездой. Четырехпроводная система трехфазного………41

3.3 Соединение звездой. Трехпроводная система трехфазного тока………46

3.4. Соединение по схеме «треугольник»…………………………………….48

3.5. Мощность трехфазной системы……………………………………………50

3.6. Измерения мощности потребляемой

4.1. Назначение, области применения и классификация трансформаторов..53

4.2. Устройство и принцип работы однофазного

Читайте также:  Характеристика электрического тока технология

4.3. Холостой ход трансформатора……………………………………………..56

4.4. Схема замещения трансформатора в режиме холостого хода.…. ……..60

4.5. Приведение вторичной обмотки трансформатора………………………..60

4.6. Схема замещения трансформатора в рабочем режиме……………. ……62

4.7. Векторная диаграмма рабочего режима трансформатора………………..63

4.8. Коэффициент полезного действия трансформатора………………. ……65

4.9. Экспериментальное определение параметров трансформаторов……….66

4.9.2.. Опыт короткого замыкания……………………………………………..69

4.10 Нагрузочные характеристики трансформатора…………………………..71

5. АИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ… ………………………………72

5.1. Принцип действия и области применения асинхронных двигателей….72

5.2. Получение вращающегося магнитного поля……………………………..73

5.3. Конструкция асинхронных двигателей……………………………………77

5.5. Магнитные потоки и ЭДС асинхронного двигателя…………………….79

5.6. Основные уравнения асинхронного двигателя……………………….…..80

5.7. Приведение параметров обмотки ротора к обмотке статора…………….81

5.8. Векторная диаграмма асинхронного двигателя…………………………..82

5.9. Схема замещения асинхронного двигателя………………………………82

5.10. Потери мощности и КПД асинхронного двигателя……………..…….83

5.11. Уравнение вращающего момента………………………………….…….85

5.12. Механические характеристики асинхронного двигателя………………85

5.13. Рабочие характеристики асинхронного двигателя………………………88

5.14. Пуск, регулирование частоты вращения и торможение

6. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА…………………………90

6.1. Назначение, устройство и способы возбуждения

двигателей постоянного тока……………………………………………..…….90

6.2. Принцип действия двигателя постоянного тока

и его основные уравнения…………………………………. …………………92

6.3. Пуск и реверсирование двигателя постоянного тока…………………….94

6.4. Регулирование скорости вращения двигателя……………………………96

6.5. Коэффициент полезного действия двигателя…………………………….98

6.6. Основные характеристики двигателя постоянного тока…………………99

Источник

Электрический двигатель постоянного тока

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

Схематическое изображение простейшего ДПТ

  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.

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)

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 обмоткамиРисунок 3. Ротор с тремя обмотками Якорь со многими обмоткамиРисунок 4. Якорь со многими 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.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

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.

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.

Принцип работы

Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

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.

Читайте также:  Оборудование постоянного тока примеры

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.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Управление

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

Механическая характеристика

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

Регулировочная характеристика

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.

Области применения

Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:

  • бытовые и промышленные электроинструменты;
  • автомобилестроение – стеклоподъёмники, вентиляторы и другая автоматика;
  • трамваи, троллейбусы, электрокары, подъёмные краны и другие механизмы, для которых важны высокие параметры тяговых характеристик.

Преимущества и недостатки

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.

Видео в дополнение к написанному



Источник



Электродвигатель постоянного тока

Основные параметры электродвигателя постоянного тока

  • Постоянная момента
  • Постоянная ЭДС
  • Постоянная электродвигателя
  • Жесткость механической характеристики

Постоянная момента

  • где M — момент электродвигателя, Нм,
  • – постоянная момента, Н∙м/А,
  • I — сила тока, А

Постоянная ЭДС

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. Направление наводимой ЭДС противоположно направлению протекающего в проводнике тока.

Наведенная ЭДС последовательно изменяется по направлению из-за перемещения проводников в магнитном поле. Суммарная ЭДС, равная сумме ЭДС в каждой катушке, прикладывается к внешним выводам двигателя. Это и есть противо-ЭДС. Направление противо-ЭДС противоположно приложенному к двигателю напряжению. Значение противо-ЭДС пропорционально частоте вращения и определяется из следующего выражения: [1]

  • где E— электродвижущая сила, В,
  • Ke– постоянная ЭДС, В∙с/рад,
  • w— угловая частота, рад/с

Постоянные момента и ЭДС в точности равны между собой KT = KE. Постоянные KT и KE равны друг другу, если они определены в единой системе едениц.

Постоянная электродвигателя

Одним из основных параметров электродвигателя постоянного тока является постоянная электродвигателя Kм. Постоянная электродвигателя определяет способность электродвигателя преобразовывать электрическую энергию в механическую.

  • где — постоянная электродвигателя, Нм/√ Вт ,
  • R — сопротивление обмоток, Ом,
  • – максимальный момент, Нм,
  • — мощность потребляемая при максимальном моменте, Вт

Постоянная электродвигателя не зависит от соединения обмоток, при условии, что используется один и тот же материал проводника. Например, обмотка двигателя с 6 ветками и 2 параллельными проводами вместо 12 одиночных проводов удвоят постоянную ЭДС, при этом постоянная электродвигателя останется не изменой.

Жесткость механической характеристики двигателя

  • где — жесткость механической характеристики электродвигателя постоянного тока

Напряжение электродвигателя

Уравнение баланса напряжений на зажимах двигателя постоянного тока имеет вид (в случае коллекторного двигателя не учитывается падение напряжения в щеточно-коллекторном узле):

  • где U — напряжение, В.

Уравнение напряжения выраженное через момент двигателя будет выглядеть следующим образом:

Соотношение между моментом и частотой вращения при двух различных напряжениях питания двигателя постоянного тока неизменно. При увеличении частоты вращения момент линейно уменьшается. Наклон этой функции KTKE/R постоянный и не зависит от значения напряжения питания и частоты вращения двигателя.

Благодаря таким характеристикам упрощается управление частотой вращения и углом поворота двигателей постоянного тока. Это характерно для коллекторных и вентильных двигателей постоянного тока, что нельзя сказать о двигателях переменного тока и шаговых двигателях [1].

Мощность электродвигателя постоянного тока

Упрощенная модель электродвигателя выглядит следующим образом:

Общая мощность электродвигателя

  • где I – сила тока, А
  • U — напряжение, В,
  • M — момент электродвигателя, Н∙м
  • R — сопротивление токопроводящих элементов, Ом,
  • L — индуктивность, Гн,
  • Pэл — электрическая мощность (подведенная), Вт
  • Pмех — механическая мощность (полезная), Вт
  • Pтеп — тепловые потери, Вт
  • Pинд — мощность затрачиваемая на заряд катушки индуктивности, Вт
  • Pтр — потери на трение, Вт

Механическая постоянная времени

Механическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое частота вращения ненагруженного электродвигателя достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

  • где — механическая постоянная времени, с

Источник