Электродвигатели постоянного тока. устройство и работа. виды

Двигатель постоянного тока. Схемы соединения и характеристики ДПТ

Двигатель постоянного тока нашел широкое применение в различных областях деятельности человека. Начиная от использования тягового привода, применяемого в трамваях и троллейбусах, заканчивая приводом прокатных станов и подъемных механизмов, где требуется поддержание высокой точности скорости вращения.
Основные положительные особенности, которые отличают ДПТ от асинхронного двигателя:

Отрицательные черты:

Двигатель постоянного тока применяют только тогда, когда применение двигателя переменного тока невозможно или крайне нецелесообразно. В среднем, на каждые 70 двигателей переменного тока приходится всего лишь 1 ДПТ.

Конструкция ДПТ

Двигатель постоянного тока состоит из:

Якорь и индуктор разделены между собой воздушным зазором. Индуктор представляет из себя станину, которая служит для того, чтобы закрепить основные и добавочные полюса магнитной системы двигателя. На основных полюсах располагаются обмотки возбуждения, а на добавочных – специальные обмотки, которые способствуют улучшению коммутации.

Коллектор подводит постоянный ток к рабочей обмотке, которая уложена в пазы ротора. Коллектор имеет вид цилиндра и состоит из пластин, изолированных друг от друга, он насажен на вал двигателя. Щетки служат для съема тока с коллектора, они крепятся в щеткодержателях для обеспечения правильного положения и надежного нажатия на поверхность коллектора.

Рисунок 1 – Конструкция двигателя постоянного тока

Двигатели постоянного тока классифицируют по магнитной системе статора:

1) ДПТ с постоянными магнитами;

2) ДПТ с электромагнитами:

Рисунок 2 – Схемы подключения двигателя постоянного тока

Схема подключения обмоток статора существенно влияет на электрические и тяговые характеристики привода.

Пуск двигателя постоянного тока

Пуск двигателя постоянного тока производят с помощью пусковых реостатов, которые представляют собой активные сопротивления, подключенные к цепи якоря. Выполняют реостатный пуск по двум причинам:

Только ДПТ мощностью до 1 кВт допускают к старту без пусковых реостатов, так называемый «прямой пуск».

Рисунок 3 – Реостатный пуск двигателя с 3 ступенями

В начале запуска к цепи ротора подключаются все сопротивления, и по мере увеличения скорости они ступенчато выводятся.

Регулирование скорости вращения

Частота вращения двигателя постоянного тока выражается формулой:

Это выражение так же называется электромеханической характеристикой ДПТ, в которой:

Формула момента двигателя:

Подставив в формулу электромеханической характеристики,получим:

Таким образом, исходя из приведенных формул, сделаем вывод, что скорость вращения ДПТ можно регулировать, изменяя сопротивление якоря, питающее напряжение и магнитный поток.

Принцип и схема работы двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Существует несколько возможных разновидностей построения эл моторов, работающих от источника постоянного напряжения. Принцип их действия одинаков, а отличия заключаются в особенностях подключения обмотки возбуждения (ОВ) и якоря (Я).

Свое название эл двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением получил потому, что его обмотка Я и ОВ соединяются друг с другом именно таким образом. Электродвигатель такой разновидности обеспечивает нужные режимы, превосходя изделия последовательного и смешанного типов тогда, когда требуется практически постоянная скорость его функционирования.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Такой тип двигателя обладает превосходными характеристиками, особенно при совершении управления посредством датчиков положения. Если момент сопротивления варьируется или вовсе неизвестен, а также при необходимости достижения более высокого пускового момента используется управление с датчиком. Если же датчик не используется (как правило, в вентиляторах), управление позволяет обойтись без проводной связи.

Особенности управления трёхфазным бесколлекторным двигателем без датчика по положению:

• расположение ротора определяют при помощи дифференциального АЦП (аналого-цифрового преобразователя);
• токовую перегрузку определяют также при помощи АЦП (аналого-цифрового преобразователя) либо аналогового компаратора;
• регулировку скорости выполняют при помощи подсоединённых к нижним драйверам ШИМ-каналов;
• рекомендуемыми микроконтроллерами считаются AT90PWM3 и ATmega64;
• поддерживаемыми коммуникационными интерфейсами (интерфейсами связи) являются УАПП, SPI и TWI.

Особенности управления трёхфазным бесколлекторным двигателем с датчиком по положению на примере датчика Холла:

• регулировку скорости выполняют при помощи подсоединённых к нижним драйверам ШИМ-каналов;
• выход каждого из датчиков Холла подключают к соответствующей линии ввода-вывода микроконтроллера, настроенной при изменениях состояния на генерацию прерываний;
• поддерживаемыми коммуникационными интерфейсами (интерфейсами связи) являются УАПП, SPI и TWI;
• токовую перегрузку определяют при помощи АЦП (аналого-цифрового преобразователя) либо аналогового компаратора.

Устройство электродвигателя

Основные элементы, из которых состоит типичный трехфазный двигатель таковы:

• Корпус, имеющий ножки, которыми он крепится к фундаменту;
• Статор, напоминающий по строению простой трансформатор. Имеет сердечник и обмотку При подаче тока создается вихревое электромагнитное поле.
• Ротор. Основная вращающаяся часть.
• Вал, на который жестко насажен ротор. Передняя часть выходит наружу, имеет шпоночную борозду под шестерни или шкив. На заднюю часть, выходящую за пределы корпуса насаживается крыльчатка для охлаждения и обдува.
• Подшипки, находящиеся в нишах передней и задней крышки.
• Герметичная клеммная коробка.

Классификация МПТ по способу питания обмоток индуктора и якоря

По данному признаку МПТ делятся на 4 вида.

С независимым возбуждением

Обмотки индуктора и якоря не имеют электрического соединения. У генераторов этого типа обмотку возбуждения питает сеть постоянного тока, аккумулятор или специально предназначенный для этого генератор — возбудитель. Мощность последнего — несколько сотых мощности основного генератора.

Область применения генераторов с независимым возбуждением:

1. системы значительной мощности, где напряжение на обмотке возбуждения существенно отличается от генерируемого;
2. системы регулирования скорости вращения двигателей, запитанных от генераторов.

У двигателей с независимым возбуждением запитана и якорная обмотка. В основном это также агрегаты большой мощности.

Независимость обмотки индуктора позволяет удобнее и экономичнее регулировать ток возбуждения. Еще одна особенность таких моторов — постоянство магнитного потока возбуждения при любой нагрузке на валу.

С параллельным возбуждением

Обмотки индуктора и якоря соединены в одну цепь параллельно друг другу. Генераторы этого типа обычно применяются для средних мощностей. При параллельном соединении генерируемое устройством напряжение подается на обмотку возбуждения. При соединении в одну цепь обмоток индуктора и якоря говорят о генераторе с самовозбуждением.

По своим характеристикам они идентичны моторам с независимым возбуждением и обладают следующими особенностями:

• при изменении нагрузки частота вращения практически не трансформируется: замедление составляет не более 8% при переводе от холостого хода к номинальной нагрузке;
• можно с минимальными потерями регулировать частоту вращения, причем в широких пределах — 2-кратно, а у специально сконструированных моторов и 6-кратно.

Индуктор вращающегося двигателя с параллельным возбуждением нельзя отсоединять от цепи якоря, даже если он уже отключен. Это приведет к наведению значительной ЭДС в обмотке возбуждения с последующим выходом мотора из строя. Находящийся рядом персонал может получить травму.

С последовательным возбуждением

Обмотки соединены в цепь последовательно друг другу. Через обмотку возбуждения течет ток якоря. Генераторы этого типа почти не применяются, поскольку процесс самовозбуждения происходит достаточно бурно и устройство не способно обеспечить необходимое большинству потребителей постоянство напряжения. Их используют только в специальных установках.

Схема последовательного возбуждения

Двигатели этого типа широко применяют в качестве тяговых (электровозы, троллейбусы, краны и пр.): по сравнению с аналогами параллельного возбуждения, при нагрузке они дают более высокий момент с одновременным уменьшением скорости вращения. Пусковой момент также высок.

Запуск двигателя с нагрузкой ниже 25% номинальной, а тем более на холостом ходу, недопустим: частота вращения окажется чересчур высокой, и агрегат выйдет из строя.

С параллельно-последовательным (смешанным) возбуждением

Существует два вида схемы:

1. основная обмотка индуктора включена параллельно с якорной, вспомогательная — последовательно;
2. основная обмотка индуктора включена последовательно с якорной, вспомогательная — параллельно.

Схемы систем возбуждения МПТ

Подключение параллельной обмотки до последовательной называют «коротким шунтом», за последовательной — «длинным шунтом». Генераторы этого типа применяются крайне редко.

Двигатели сочетают в себе достоинства аналогов с параллельным и последовательным возбуждением: способны работать на холостом ходу и при этом развивают значительное тяговое усилие. Но и они сегодня почти не применяются.

Поведение электромотора при изменении нагрузок

Механическая характеристика показывает устойчивость работы электромотора в широком диапазоне изменения нагрузок, описывая зависимость момента, создаваемого эл двигателем, от скорости функционирования вала.

Тяговые характеристики механизма рассматриваемого типа позволяют сохранить величину момента при значительных изменения количества оборотов. Обычно тяговые параметры агрегата должен обеспечивать уменьшение этого параметра не более чем на 5 %. Несложное исследование демонстрирует: тормозные параметры из-за обратимости процессов оказываются аналогичными. Эти положения распространяются также на случай применения смешанного возбуждения.

Говоря иными словами, для такого эл мотора характерна жесткая характеристика. Такой характер работы считается важным преимуществом агрегата рассматриваемого типа.

Плюсы – минусы

Технические характеристики асихронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором настолько превосходят показатели синхронных, что большинство приводов сделаны на их основе.

Плюсы таких устройств таковы:

• Надежность, простота конструкции, долговечность;
• Отсутствие сложностей в ремонте и обслуживании;
• Переключением 2-х фаз можно заставить вал вращаться в противоположную сторону;
• Применение в качестве генератора.

Недостатки или минусы также имеются:

• При неправильной фазировке, вал может вращаться в ненужную сторону и заклинить прочую механику (шестерни);
• Пусковой ток, превышающий номинальный до пяти раз;
• Скорость разгонки и торможения. На некоторые устройства с большой инерцией нужны движки большей мощности.
• При обрыве фазы, двигатель может сгореть если своевременно не отключить подачу напряжения.

Способ пуска двух асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами

Изобретение может быть использовано в механизмах общемашиностроительного назначения. Пуск двигателей осуществляется путем попарно последовательного соединения обмоток перед пуском, кинематического соединения роторов двигателей, по крайней мере, на время пуска, разгоном двигателей до заданной частоты вращения, переключением статорных обмоток на независимое питание. Технический результат заключается в том, что реализация изобретения позволяет повысить надежность пуска, осуществлять пуск двух двигателей без применения каких-либо дополнительных пусковых устройств. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к способам пуска электродвигателей и может быть использовано в механизмах общемашиностроительного назначения.

Известен способ пуска асинхронных двигателей с переключением статорных обмоток с треугольника на звезду на время пуска (Веников В.А. «Переходные электромеханические процессы в электрических системах». — М.: «Высшая школа», 1970).Недостатком этого способа пуска является то, что его нельзя применять для двигателей с основным включением по схеме «звезда».Известен автотрансформаторный пуск двигателей, при котором на время пуска двигателя напряжение на нем понижают при помощи автотрансформатора (Веников В. А. «Переходные электромеханические процессы в электрических системах». — М.: «Высшая школа», 1970).Недостатком такого способа пуска является применение автотрансформатора, который снижает надежность и повышает стоимость электропривода.Известен способ пуска двухдвигательного электропривода (см. описание к а. с. СССР N 712921, H 02 P 7/74, опубл. БИ N 4, 1980 г.), при котором совместно пускают двигатель с фазным ротором и двигатель c короткозамкнутым ротором путем включения пусковых резисторов в цепь фазного ротора на время пуска.Недостатком этого способа пуска является использование двигателя с фазным ротором, что усложняет электропривод и снижает его надежность.Наиболее близким к заявляемому является способ пуска групп асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами (см. описание к а.с. СССР N 1396231, H 02 P 1/54, опубл. БИ N 18, 1988 г.), основанный на подключении статорных обмоток к распределительной шине и соединении обмоток двух вспомогательных двигателей перед пуском попарно-последовательно между собой, после чего по достижении заданной частоты вращения их отключают от распределительной шины и переводят на независимое питание.Недостатком этого способа пуска является то, что для пуска группы двигателей необходимо использовать два вспомогательных двигателя, которые после пуска не используются, что снижает массогабаритные характеристики и повышает стоимость электропривода.Необходимо также отметить, что процесс пуска самих вспомогательных двигателей не имеет стабильности и предсказуемости результата, так как по причине неодинаковых механических и электрических характеристик двигателей время разбега роторов до номинальной частоты вращения различно. Это приводит к тому, что в результате резкого возрастания электрического сопротивления одного из двигателей по мере выхода его на номинальный режим работы возможно такое распределение напряжений, что разбег другого двигателя прекратится. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности пуска, улучшение массогабаритных характеристик электропривода.Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является уменьшение нагрузки на питающую электросеть в момент пуска, в условиях ограниченной мощности электросети.Указанный результат достигается тем, что статорные обмотки двигателей перед пуском соединяют попарно-последовательно, разгоняют роторы двигателей до заданной частоты вращения и переключают статорные обмотки двигателей на раздельное питание, при этом роторы двигателей кинематически соединяют между собой по крайней мере на время пуска. Момент переключения статорных обмоток определяют по числу оборотов двигателя. Попарно-последовательное соединение производят по схеме «общая звезда» или «общий треугольник».Способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема соединения статорных обмоток для пуска двух асинхронных двигателей по схеме «общая звезда»; на фиг. 2 — то же, по схеме «общий треугольник»; на фиг. 3 — принципиальная схема электропривода для пуска двух двигателей по схеме «общая звезда».Пуск двигателей по заявляемому способу осуществляют в следующей последовательности: — статорные обмотки двух двигателей соединяют попарно-последовательно по схеме «общая звезда» или «общий треугольник»; — на вход полученного соединения подают номинальное напряжение, при этом напряжение, приходящееся на статорные обмотки каждого электродвигателя, распределяется пропорционально сопротивлению их обмоток; — после совместного разбега одноименные начала и концы статорных обмоток первого двигателя соединяют между собой, при этом напряжение, подаваемое на статорные обмотки другого двигателя становится номинальным; — отключают статорные обмотки первого двигателя от распределительной шины; — статорные обмотки первого двигателя соединяют независимо от предшествующего включения на основное по схеме «звезда» или «треугольник», на двигатель подается номинальное напряжение.На время пуска роторы пускаемых двигателей кинематически соединяют между собой, например, при помощи зубчатой передачи, жесткой муфты, цепной передачи. После пуска возможны как разъединение роторов и независимая работа двигателей, так и работа двигателей на общую нагрузку.Электропривод для реализации заявляемого способа пуска содержит два двигателя 1, 2, начала статорных обмоток которых соединены с распределительной шиной 3, первый — непосредственно, второй — через коммутирующий элемент 4, концы статорных обмоток объединены в общие точки: первого двигателя — через коммутирующий элемент 5, а второго — непосредственно, при этом концы обмоток первого двигателя соединены с началами обмоток второго двигателя через коммутирующий элемент 6.Электропривод работает следующим образом.Для пуска двигателей включают коммутирующий элемент 6, после совместного разгона двигателей включают коммутирующий элемент 4, двигатель 1 при этом исключается из работы, а на двигатель 2 подается номинальное напряжение, затем выключают коммутирующий элемент 6, а коммутирующий элемент 5 включают, в результате двигатель 1 подключается на номинальное напряжение.Таким образом, в результате решения поставленной задачи повысилась надежность пуска, появилась возможность осуществлять пуск двигателей не применяя каких-либо дополнительных пусковых устройств.

Формула изобретения

1. Способ пуска двух асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами, включающий подключение статорных обмоток к питающей сети, отличающийся тем, что роторы двигателей, по крайней мере, на время пуска кинематически соединяют между собой, одноименные начала и концы статорных обмоток соединяют попарно последовательно по схеме общая звезда или общий треугольник, подают на вход полученного электрического соединения номинальное напряжение, а после пуска переключают статорные обмотки на раздельное питание.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что момент переключения статорных обмоток определяют по числу оборотов двигателя.

РИСУНКИ

,

,

Подключение к однофазным и трехфазным источникам питания

По типу питающей сети электродвигатели переменного тока классифицируют на одно- и трехфазные.

Подключение асинхронных однофазных двигателей осуществляет очень легко – для этого достаточно подвести к двум выходам на корпусе фазный и нулевой провод однофазной 220В сети. Синхронные двигатели тоже можно запитывать от сети данного типа, однако подключение немного сложнее – необходимо соединить обмотки ротора и статора так, чтобы их контакты однополюсного намагничивания были расположены напротив друг друга.

Подключение к трехфазной сети представляется несколько более сложным

В первую очередь, следует обратить внимание, что клеммная коробка содержит 6 выводов – по паре на каждую из трех обмоток. Во-вторых, это дает возможность использовать один из двух способов подключения («звезда» и «треугольник»)

Неправильное подключение может привести в поломке двигатель от расплавления обмоток статора.

Главное функциональное отличие «звезды» и «треугольника» заключается в различном потреблении мощности, что сделано для возможности включения машины в трехфазные сети с различным линейным напряжением — 380В или 660В. В первом случае следует соединять обмотки по схеме «треугольник», а во втором – «звездой». Такое правило включения позволяет в обоих случаях иметь напряжение 380В на обмотках каждой фазы.

На панели подключения выводы обмоток располагаются таким образом, чтобы перемычки, используемых для включения, не перекрещивались между собой. Если коробка выводов двигателя содержит только три зажима, значит, он рассчитан для работы от одного напряжения, которое указано в технической документации, а обмотки соединены между собой внутри устройства.

Как подготовить для подключения

Для правильного включения трехфазного двигателя необходимо помнить, что существует несколько схем соединения обмоток, среди которых:

Обмотки электродвигателя могут подключаться к сети одним из двух способов – «звезда» и «треугольник». И выбирать подходящий стоит исходя не из удобства или простоты конструкции, а из величины питающего напряжения.

Для ЭД высокой мощности целесообразно использовать комбинированную систему «треугольник-звезда». Она снижает пусковые токи и делает старт более плавным.

Схема соединения обмоток электродвигателя «треугольником»

При использовании схемы «треугольник» обмотки ЭД подключаются последовательно, соединяясь концами и началами друг с другом. Точки их соединения также подключаются к фазам. Выглядит это следующим образом:

Главное достоинство схемы подключения «треугольник» – ЭД, присоединённый к сети таким образом, способен развивать полную мощность. То есть ту, которая указана в паспорте как номинальная.

Тем не менее, пусковые токи для подключённого электродвигателя очень высокие – они превышают номинальные примерно в 7 раз. И вследствие этого «плавность» работы машины также страдает. Это очень важно учесть при проектировании электропитания устройства и определении сферы практического использования.

Схема соединения обмоток электродвигателя «звезда»

Подключение по типу «звезда» подразумевает соединение концов обмоток статора в одной точке. Другими своими концами они подключаются к фазам электропитания. Выглядит это следующим образом:

Подключение по схеме «звезда» гарантирует плавность и «мягкость» работы электродвигателя. Кроме того, для старта машины не требуется относительно высоких пусковых токов. Но недостатком этой методики подключения является сниженная мощность работы устройства.

Тем не менее, важно учесть, что рассчитанные на рабочее напряжении 220/380 Вольт ЭД можно подключать к сети с линейным напряжением 380 В исключительно с использованием схемы «звезда».

Комбинированная схема запуска электродвигателя «звезда-треугольник»

Обе вышеприведённые схемы соединения обмоток асинхронных электродвигателей обладают как достоинствами, так и недостатками. «Треугольник» позволяет машине достичь полной мощности, но требует высоких значений пускового тока для старта. «Звезда» не нуждается в высоком пусковом токе и гарантирует плавную работу устройства, но не даёт ЭД достичь номинальной мощности.

Для решения этой проблемы применяется комбинированная схема подключения «звезда-треугольник». Она применяется в первую очередь для электродвигателей, имеющих высокую мощность (от 5 кВт). Комбинированная схема подразумевает оснащение мотора специальным реле, которое и переключает способ соединения обмоток прямо во время работы.

Так, при запуске ЭД с комбинированным подключением работает по схеме «звезда». Это снижает пусковые токи до их номинальных значений. Но как только ротор раскручивается до высоких оборотов, реле переключает схему соединения на «треугольник». Именно поэтому мотор может достигнуть своей номинальной мощности.

При переключении наблюдается резкий скачок тока. Из-за этого разогнавшийся ротор сначала теряет обороты, но затем постепенно ускоряется.

Стоит отметить, что комбинированное подключение поддерживают только электродвигатели со специальной маркировкой (Y/Δ).

Источник



Современное применение и перспективы

Существует немало устройств, для которых увеличение времени безотказной работы имеет важнейшее значение. В подобном оборудовании применение БДКП всегда оправданно, несмотря на их сравнительно высокую стоимость. Это могут быть водяные и топливные насосы, турбины охлаждения кондиционеров и двигателей и т. д. Бесщёточные моторы используются во многих моделях электрических транспортных средств

В настоящее время на бесколлекторные двигатели всерьёз обратила внимание автомобильная промышленность

БДКП идеально подходят для малых приводов, работающих в сложных условиях или с высокой точностью: питатели и ленточные конвейеры, промышленных роботы, системы позиционирования. Существуют сферы, в которых бесколлекторные двигатели доминируют безальтернативно: жёсткие диски, насосы, бесшумные вентиляторы, мелкая бытовая техника, CD/DVD приводы. Малый вес и высокая выходная мощность сделали БДКП также и основой для производства современных беспроводных ручных инструментов.

Принцип работы

Работа двигателя заключается в том, что контроллер коммутирует определённое количество обмоток статора таким образом, что вектор магнитных полей ротора и статора ортогональны. При помощи ШИМ (широтно-импульсной модуляции) контроллер совершает управление протекающим через двигатель током и регулирует момент, оказывающий воздействие на ротор. Направление этого действующего момента определяет отметка угла между векторами. При расчётах используются электрические градусы.

В такой ситуации результирующий вектор сдвигается и становится неподвижным по отношению к потоку ротора, что, в свою очередь, создаёт необходимый момент на валу электродвигателя.

Подключение треугольником

Схема «треугольник» отличается от предыдущей тем, что обмотки соединяются последовательно. Тогда конец первой обмотки соединяется с началом второй, конец которой – с началом третьей, вывод которой – с началом первой.

Преимущество способа заключается в том, что он обеспечивает достижение максимальной мощности. Но при запуске двигателя образуются высокие пусковые токи, которые могут привести к уничтожению изоляции. Поэтому не рекомендуется подавать высокое напряжение.

Треугольное соединение используется для подключения однофазного двигателя к однофазной сети 127 или 220 Вольт. Она же применяется для трехфазных электродвигателей с двумя номинальными напряжениями при включении в однофазную сеть (только на меньшее значение):

Внимание! Существуют трехфазные электросети: 600, 380, 220 и 127 Вольт. Но к бытовым из них относят только с напряжением в 380. А 220 в быту относится к однофазным линиям. Поэтому наибольшее распространение получили моторы 220/380В, которые можно подключить как в городе, так и в частном доме.

С технической точки зрения для высокого значения номинального напряжения схема «треугольник» тоже подходит. Но ввиду высоких пусковых токов это нецелесообразно и очень опасно: изоляция сгорит от тепла, выделяемого обмоткой.

Классификация

Все трехфазные электродвигатели можно разбить на две группы:

Синхронные. Вращаются со скоростью постоянного магнитного поля. Для повышения мощности, ротор изготовляется по принципу трансформатора – имеет обмотки и сердечник. Напряжение подается через угольные щетки на кольца коллектора (контакты), закрепленного на валу, а уж потом – на катушки ротора.

Асинхронные, с короткозамкнутым ротором. Вращательный импульс идет от возбуждения катушек статора. Короткозамкнутые витки выполнены в виде беличьего колеса. Ротор вращается со скоростью ниже, чем электромагнитное поле статора. Отсюда и его название.

Торможение электрического двигателя постоянного тока

Для торможения электроприводов с ДПТ также есть три варианта: торможение противовключением, динамическое и рекуперативное. Первое происходит за счет изменения полярности тока в обмотке якоря и напряжения. Второе происходит благодаря замыканию накоротко (через резистор) обмотки якоря. Электрический двигатель при этом работает как генератор, преобразуя в электрическую, запасенную им механическую энергию, которая выделяется в виде тепла. Это торможение сопровождается мгновенной остановкой двигателя.

Последнее происходит, если электрический мотор, включенный в сеть, вращается со скоростью, которая выше скорости холостого хода. ЭДС обмотки двигателя в этом случае, превышает значение напряжении я в сети, что приводит к изменению на противоположное направление тока в обмотке мотора, т.е. двигатель отдает в сеть энергию, переходя в режим генератора. Одновременно возникает тормозной момент на валу.

Принцип преобразования энергии

Принцип работы электродвигателя любого типа заключается в использовании электромагнитной индукции, возникающей внутри устройства после подключения в сеть. Для того чтобы понять, как эта индукция создается и приводит элементы двигателя в движение, следует обратиться к школьному курсу физики, объясняющему поведение проводников в электромагнитном поле.

Итак, если мы погрузим проводник в виде обмотки, по которому движутся электрические заряды, в магнитное поле, он начнет вращаться вокруг своей оси. Это связано с тем, что заряды находятся под влиянием механической силы, изменяющей их положение на перпендикулярной магнитным силовым линиям плоскости. Можно сказать, что эта же сила действует на весь проводник.

Схема, представленная ниже, показывает токопроводящую рамку, находящуюся под напряжением, и два магнитных полюса, придающие ей вращательное движение.

Картинка кликабельна.

Именно эта закономерность взаимодействия магнитного поля и токопроводящего контура с созданием электродвижущей силы лежит в основе функционирования электродвигателей всех типов. Для создания аналогичных условий в конструкцию устройства включают:

• Ротор (обмотка) – подвижная часть машины, закрепленная на сердечнике и подшипниках вращения. Она исполняет роль токопроводящего вращательного контура.
• Статор – неподвижный элемент, создающий магнитное поле, воздействующее на электрические заряды ротора.
• Корпус статора. Оснащен посадочными гнездами с обоймами для подшипников ротора. Ротор размещается внутри статора.

Для представления конструкции электродвигателя можно создать принципиальную схему на основе предыдущей иллюстрации:

После включения данного устройства в сеть, по обмоткам ротора начинает идти ток, который под воздействием магнитного поля, возникающего на статоре, придает ротору вращение, передаваемое на крутящийся вал. Скорость вращения, мощность и другие рабочие показатели зависят от конструкции конкретного двигателя и параметров электрической сети.

Виды двигателей и их устройство

Электрические двигатели переменного тока имеют различное устройство, благодаря которому можно создавать машины с одинаковой частотой вращения ротора относительно магнитного поля статора, и такие машины, где ротор «отстает» от вращающегося поля. По данному принципу эти двигатели разделяют на соответствующие типы: синхронные и асинхронные.

Асинхронные

Основу конструкции асинхронного электродвигателя составляет пара важнейших функциональных частей:

1. Статор – блок цилиндрической формы, сделанный из листов стали с пазанми для укладки токопроводящих обмоток, оси которых располагаются под углом 120˚ относительно друг друга. Полюса обмоток уходят на клеммную коробку, где подключаются разными способами, в зависимости от необходимых параметров работы электродвигателя.
2. Ротор. В конструкции асинхронных электродвигателей используются роторы двух видов:
   Короткозамкнутый. Называется так, потому что изготавливается из нескольких алюминиевых или медных стержней, накоротко замкнутых с помощью торцевых колец. Эта конструкция, представляющая собой токоповодящую обмотку ротора, называется в электромеханике «беличьей клеткой».
3. Фазный. На роторах данного типа устанавливается трехфазная обмотка, похожая на обмотку статора. Чаще всего концы её проводников идут в клеммную площадку, где соединяются «звездой», а свободные концы подключаются к контактным кольцам. Фазный ротор позволяет с помощью щеток добавить в цепь обмотки добавочный резистор, позволяющий изменять сопротивление для уменьшения пусковых токов.

Помимо описанных ключевых элементов асинхронного электродвигателя, в его конструкцию также входит вентилятор для охлаждения обмоток, клеммная коробка и вал, передающий генерируемое вращение на рабочие механизмы оборудования, работа которого обеспечивается данным двигателем.

Работа асинхронных электрических двигателей основывается на законе электромагнитной индукции, утверждающем, что электродвижущая сила может возникнуть лишь в условиях разности скоростей вращения ротора и магнитного поля статора. Таким образом, если бы эти скорости были равны, ЭДС не могла бы появиться, но воздействие на вал таких «тормозящих» факторов, как нагрузка и трение подшипников, всегда создает достаточные для работы условия.

Синхронные

Конструкция синхронных электродвигателей переменного тока несколько отлична от устройства асинхронных аналогов. В этих машинах ротор крутится вокруг своей оси со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля статора. Ротор или якорь этих устройств тоже оснащается обмотками, которые одними концами подключены друг к другу, а другими – к вращающемуся коллектору. Контактные площадки на коллекторе смонтированы так, что в определенный момент времени возможна подача питания через графитовые щетки лишь на два противоположных контакта.

Принцип работы синхронных электродвигателей:

1. При взаимодействии магнитного потока в обмотке статора с током ротора возникает вращающий момент.
2. Направление движения магнитного потока изменяется одновременно с направлением переменного тока, благодаря чему сохраняется вращение выходного вала в одну сторону.
3. Настройка нужной частоты вращения осуществляется регулировкой входящего напряжения. Чаще всего, в быстроходном оборудовании, например, перфораторах и пылесосах, эту функцию выполняет реостат.

Чаще всего причинами выхода синхронных электродвигателей из строя является:

• износ графитовых щеток или ослабление прижимной пружины;
• износ подшипников вала;
• загрязнение коллектора (чистится наждачной бумагой или спиртом).

Трехфазный генератор переменного тока

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока. Общие сведения и устройство прибора

Контроллеры электродвигателей такого типа зачастую питаются благодаря постоянному напряжению, отчего и получили своё название. В англоязычной технической литературе вентильный электродвигатель называют PMSM или BLDC.

Бесколлекторный электродвигатель был создан в первую очередь для оптимизации любого электродвигателя постоянного тока в целом. К исполнительному механизму такого устройства (особенно к высокооборотному микроприводу с точным позиционированием) ставились очень высокие требования.

Это, пожалуй, и обусловило использование таких специфических приборов постоянного тока, бесколлекторные трёхфазные двигатели, также называемые БДПТ. По своей конструкции они практически идентичны синхронным двигателям переменного тока, где вращение магнитного ротора происходит в обычном шихтованном статоре при наличии трёхфазных обмоток, а количество оборотов зависит напряжения и нагрузок статора. Исходя из определённых координат ротора, происходит переключение разных обмоток статора.

обмотки статора выполняют функцию фиксирующего элемента

Если одна из обмоток будет выключена, то будет измеряться и в дальнейшем обрабатываться тот сигнал, который был наведён, однако, такой принцип работы невозможен без профессора обработки сигналов. А вот для реверса или торможения такого электродвигателя мостовая схема не нужна – достаточно будет подачи в обратной последовательности управляющих импульсов на обмотки статора.

В ВД (вентильном двигателе) индуктор в виде постоянного магнита расположен на роторе, а якорная обмотка – на статоре. Исходя из положения ротора, формируется напряжение питания всех обмоток электродвигателя. При использовании в таких конструкциях коллектора, его функцию будет выполнять в вентильном двигателе полупроводниковый коммутатор.

Основное отличие синхронного и вентильного двигателей заключается в самосинхронизации последнего при помощи ДПР, что обусловливает пропорциональную частоту вращения ротора и поля.

Чаще всего бесколлекторный электродвигатель постоянного тока находит применение в следующих сферах:

• морозильное или холодильное оборудование (компрессоры);
• электропривод;
• системы нагрева воздуха, его кондиционирования или вентиляции.

Статор

Это устройство имеет классическую конструкцию и напоминает такой же прибор асинхронной машины. В состав входит сердечник из медной обмотки (уложенной по периметру в пазы), определяющей количество фаз, и корпус. Обычно синусной и косинусной фаз достаточно для вращения и самозапуска, однако, часто вентильный двигатель создают трёхфазным и даже четырёхфазным.

Электродвигатели с обратной электродвижущей силой по типу укладки витков на обмотке статора делятся на два типа:

• синусоидальной формы;
• трапецеидальной формы.

В соответствующих видах двигателя электрический фазный ток меняется также по способу питания синусоидально или трапецеидально.

Ротор

Самыми распространёнными и дешёвыми для изготовления ротора считаются ферритовые магниты, но их недостатком является низкий уровень магнитной индукции, поэтому на замену такому материалу сейчас приходят приборы, созданные из сплавов различных редкоземельных элементов, поскольку могут предоставить высокий уровень магнитной индукции, что, в свою очередь, позволяет уменьшить размер ротора.

ДПР

Датчик положения ротора обеспечивает обратную связь. По принципу работы устройство делится на такие подвиды:

• индуктивный;
• фотоэлектрический;
• датчик с эффектом Холла.

Последний тип получил наибольшую популярность благодаря своим практически абсолютным безынерционным свойствам и способности избавляться по положению ротора от запаздывания в каналах обратной связи.

Система управления

Система управления состоит из силовых ключей, иногда также из тиристоров или силовых транзисторов, включающих изолированный затвор, ведущих к сбору инвертора тока либо инвертора напряжения. Процесс управления этими ключами реализуется чаще всего путём использования микроконтроллера, требующего для управления двигателем огромного количества вычислительных операций.

Преимущества и недостатки

К неоспоримым достоинствам таких машин следует отнести:

• компактные габариты,
• увеличенный пусковой момент, «универсальность» работа на переменном и постоянном напряжении,
• быстрота и независимость от частоты сети,
• мягкая регулировка оборотов в большом диапазоне с помощью варьирования напряжения питания.

Недостатком этих двигателей принято считать использование щеточно-коллекторного перехода, который обуславливает:

• снижение долговечности механизма,
• искрение между и коллектором и щетками,
• повышенный уровень шумов,
• большое количество элементов коллектора.

Условные обозначения двигателей постоянного тока серии П.

П Х1 Х2 Х3 М П – машина постоянного тока; Х1 – исполнение по степени защиты и способу охлаждения. Без буквы – брызгозащищенный с самовентиляцией 1-6 габарит. Б – закрытое исполнение с естественным охлаждением 1-4 габарит; Х2 – габарит электрической машины. 1-1 габарит, 2-2 габарит, 3-3 габарит, 4-4 габарит, 5-5 габарит, 6-6 габарит; Х3 – условная длина сердечника якоря. 1 – первая длина, 2 – вторая длина; М – морское исполнение;

По способу монтажа электродвигатели постоянного тока имеют конструктивное исполнение — IM1001, IM2101, IM2111, IM2131, IM3601, IM3631, IM3611. Двигатели постоянного тока могут быть изготовлены с присоединенным тахогенератором.

Условия эксплуатации электродвигателей постоянного тока П51, П52.

• Двигатели постоянного тока П51, П52 выпускаются для работы при температуре окружающей среды от -40°С до +40°С.
• При температуре окружающей среды 20° ± 5°С % относительная влажность 95°±3°С%.
• Выдерживают — вибрацию, ударные сотрясения, долговременные наклоны оси электродвигателя постоянного тока от 45° в любую сторону и при качке до 45° с периодом качки 7-9 с.

Возбуждение двигателя постоянного тока последовательное, параллельное, смешанное, независимое. Класс нагревостойкости изоляция электродвигателя постоянного тока — Н. Общий уровень вибрации электродвигателей и уровня интенсивности воздушного шума соответствуют всем принятым нормам.

Габаритные и присоединительные размеры двигателей постоянного тока П51, П52, ПБ51, ПБ52

Основные технические характеристики двигателей постоянного тока П51, П52

Электродвигатели постоянного тока серии П 1, 2, 3, 4 габаритовЭлектродвигатели постоянного тока серии П51, П52Электродвигатели постоянного тока серии П61, П62Двигатели постоянного тока серии 2П (2ПО132 — 2ПО200, 2ПФ132 — 2ПФ200)Электродвигатели постоянного тока 2ПН, 2ПБЭлектрические машины постоянного тока серии 4ПДвигатели постоянного тока ДП-112, ДК-112, ДКУ-112Двигатели МР на постоянных магнитах

Двигатели МТА на постоянных магнитахДвигатели PI, PC, 3PI на постоянных магнитахДвигатели MX, МВН, МВО на постоянных магнитахЭлектродвигатели постоянного тока серии ДЭлектродвигатели постоянного тока ДПМЭлектродвигатели постоянного тока ДПУРЭлектродвигатели постоянного тока ПБС, ПБСТЭлектродвигатели постоянного тока ДК-309М