Двигатели постоянного тока

Основные данные о работе

Версия шаблона	2.1
ЦДОР
Вид работы	Творческое эссе
Название дисциплины	Электротехника, электроника и схемотехника
Тема	Двигатели постоянного тока
Фамилия	Ефименко
Имя	Роман
Отчество	Васильевич
№ контракта	1420011400501004

 

Основная часть

Двигатели постоянного тока

 

Двигатель постоянного тока широко нашел 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 скорости вращения привода с большой точностью, а так же при регулировании вверх от номинальной характеристики.

Основными положительными особенностями, которые отличают ДПТ от асинхронного двигателя:

1) Гибкие пусковые  и регулировочные характеристики;

2) Двухзонное регулирование, которое позволяет достигать скорости вращения более 3000 об/мин.

Отрицательные черты:

1) Сложность  в изготовлении и высокая стоимость;

2) В процессе работы необходимо постоянное наблюдение, так как коллектор и токосъемные щетки имеют свой ресурс работы, что в последующем приводит к постоянному обслуживанию этого типа двигателей.

Двигатель постоянного тока применяют только в тех случаях, где применение двигателя переменного тока невозможно или крайне нецелесообразно. В среднем, на каждые 70 двигателей переменного тока всего лишь 1 двигатель постоянного тока.

Конструкция ДПТ

Двигатель постоянного тока состоит из индуктора (статора) и якоря (ротора), разделенных между собой воздушным зазором, коллектора и токосъемных щеток, а так же конструктивных элементов двигателя.

Индуктор представляет собой станину, основные и добавочные полюса, которые в совокупности создают магнитное поле двигателя. Станина служит для того, что бы закрепить основные и добавочные полюса магнитной системы двигателя. На основных полюсах располагаются обмотки возбуждения, а на добавочных – специальные обмотки, которые служат для улучшения коммутации.

Якорь состоит из отдельных листов рабочей обмотки, уложенных в пазы, а так же коллектора которых служит для подвода постоянного тока к рабочей обмотке.

Коллектор имеет вид цилиндра, который состоит из пластин изолированных друг от друга, насаженный на вал двигателя. Щетки служат для съема тока с коллектора, которые закреплены в щеткодержателях обеспечивающих правильное положение и нажатие на поверхность коллектора.

Рисунок 1 – Конструкция двигателя постоянного тока

 

Двигатели постоянного тока классифицируют по магнитной системе статора:

– ДПТ с постоянными магнитами;

– ДПТ с электромагнитами:

1)ДПТ с независимым возбуждением (независимое подключение обмоток возбуждения);

2)ДПТ с последовательным возбуждением (последовательное подключение обмоток возбуждения);

3)ДПТ с параллельным возбуждением (параллельное включение обмоток возбуждения);

4)ДПТ со смешанным возбуждением (присутствует как последовательное так и параллельное возбуждение).

Схемы подключения двигателя постоянного тока вы можете посмотреть на рисунке 1.

Рисунок 2 – Схемы подключения двигателя постоянного тока

 

Разные схемы 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. Это необходимо по двум причинам : одна из них это плавность пуска электродвигателя, и вторая причина которая является основной, это перегрев обмотки якоря (которая имеет небольшое сопротивление) в начальный момент пуска, Iп = U / Rя. Только ДПТ мощностью до 1 кВт допускают пуск без пусковых реостатов, так называемый «прямой пуск». В начальный момент времени в цепь ротора вводятся все пусковые сопротивления, и по мере увеличения скорости ступенчато они выводятся из неё.

 

Рисунок 3 – Реостатный пуск двигателя с 3 ступенями

 

 Регулирование  частоты вращения двигателя постоянного  тока

 Частота  вращения двигателя постоянного  тока выражается формулой:

Это выражение так же называется электромеханической характеристикой ДПТ, в которой: U – питающее напряжение; Iя – ток в якорной обмотке; Rя – сопротивление якорной цепи; k – конструктивный коэффициент двигателя; Ф – магнитный поток двигателя.

Формула момента двигателя представляет собой:

 

Подставив данное выражение в формулу электромеханической характеристики,  получим:

Данное выражение представляет собой электромеханическую характеристику выраженную через момент двигателя.

Подробнее про механическую характеристику ДПТ вы можете прочитать в следующей статье.

Двигатель постоянного тока (ДПТ) это один из самых привычных и понятных электродвигателей, он изучается даже в школе, на физике. Он используется практически везде, где нужен малогабаритный моторчик, а также не спешит сдавать своих позиций и там, где мощность измеряется десятками киловатт. О нем и поговорим.

Конструктив и базовый принцип

 Не буду  тут особо распинаться, покажу  картинку из википедии и укажу  ряд основных узлов. Все остальное  вы и так знаете и трогали  своими руками.

1. Статор состоит  из источника магнитного поля. Далеко не всегда это постоянный  магнит, более того, постоянный магнит  это скорей исключение, чем правило. Обычно все же это обмотка  возбуждения. По крайней мере  на всем, что больше кулака  по размерам.

2. Якорь состоит  из обмотки якоря и коллекторного  узла.

Работает все очень и очень просто. Обмотка якоря отталкивается от магнитного поля статора силой Ампера и совершает пол оборота, стремясь вывести эту силу на ноль и таки вывела бы если бы не коллектор, который ловко всех обламывает переключает полярность катушки и сила вновь становится максимальной. И так по кругу. Т.е. коллектор служит механическим инвертором напряжения в якоре. Запомните этот момент, он нам еще пригодится :)

Обычно в мелких моторчиках всего два полюса обмотки возбуждения (одна пара) и трехзубцовый якорь. Три зуба это минимум для запуска из любого положения, но чем больше зубцов тем более эффективно используется обмотка, меньше токи и более плавный момент, т.к сила является проекцией на угол, а активный участок обмотки проворачивается на меньший угол

Происходящие в двигателе процессы

 Думаю многие  из вас кто баловался с движками  могли заметить, что у них есть  ярко выраженный пусковой ток, когда мотор на старте может рвануть стрелку амперметра, например, до ампера, а после разгона ток падает до каких-нибудь 200мА.

Почему это происходит? Это работает противоэдс. Когда двигатель стоит, то ток который через него может пройти зависит только лишь от двух параметров — напряжения питания и сопротивления якорной обмотки. Так что предельный ток который может развить движок и на который следует рассчитывать схему узнать несложно. Достаточно замерить сопротивление обмотки двигателя и поделить на это значение напряжение питания. Просто по закону Ома. Это и будет максимальный ток, пусковой.

Но по мере разгона начинается забавная вещь, обмотка якоря движется поперек магнитного поля статора и в ней наводится ЭДС, как в генераторе, но направлена она встречно той, что вращает двигатель. И в результате, ток через якорь резко снижается, тем больше, чем выше скорость.

 А если  движок дополнительно еще подкручивать  по ходу, то противоэдс будет  выше питания и движок начнет  вкачивать энергию в систему, став генератором.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока

 Коллекторный  движок он очень хорош. Он чертовски  легко и гибко регулируется. Можно  повышать обороты, понижать, механическая  характеристика жесткая, момент  он держит на ура. Зависимость прямая. Ну сказка, а не мотор. Если бы не одна ложка говна во всей этой вкусняшке — коллектор.

 Это сложный, дорогой и очень ненадежный  узел. Он искрит, создает помехи, забивается проводящей пылью  от щеток. А при большой нагрузке  может полыхнуть, образовав круговой огонь и тогда все, капец движку. Закоротит все дугой наглухо.

 Но что  такое коллектор вообще? Нафига  он нужен? Выше я говорил, что  коллектор это механический инвертор. Его задача переключать напряжение  якоря туда сюда, подставляя обмотку под поток.

А на дворе то уже 21 век и дешевые и мощные полупроводники сейчас на каждом шагу. Так зачем нам нужен механический инвертор если мы можем сделать его электронным? Правильно, незачем! Так что берем и заменяем коллектор силовыми ключами, а еще добавляем датчики положения ротора, чтобы знать в какой момент переключать обмотки.

 А для  пущего удобства выворачиваем  двигатель наизнанку — гораздо  проще вращать магнит или простенькую  обмотку возбуждения, чем якорь  со всей этой тряхомудией на борту. В качестве ротора тут выступает либо мощный постоянный магнит, либо обмотка питаемая с контактных колец. Что хоть и смахивает на коллектор, но не в пример надежней его.

 И получаем  что? Правильно! Бесщеточный двигатель  постоянного тока aka BLDC. Все те же няшные и удобные характеристики ДПТ, но без этого мерзкого коллектора. И не надо путать BLDC с синхронными двигателями. Это совсем разные машины и разным принципом действия и управления, хотя конструктивно они ОЧЕНЬ схожи и тот же синхронник вполне может работать как BLDC, добавить ему только датчиков да систему управления. Но это уже совсем другая история.

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных интернет-ресурсов

 

№ п/п	Наименование интернет-ресурса	Ссылка на конкретную используемую страницу интернет-ресурса
1	h4e.ru	http://h4e.ru/elektricheskie-mashini/133-dpt-shemi-harakteristiki
2	easyelectronics.ru	http://easyelectronics.ru/dvigatel-postoyannogo-toka-xarakteristiki-i-regulirovanie.html
3	infoglaz.ru	http://infoglaz.ru/?p=32677