Какие существуют схемы подключения электродвигателей постоянного тока

В домашнем хозяйстве редко встретишь мотор, работающий на постоянном токе. Зато они всегда устанавливаются в детских игрушках, которые летают, ездят, шагают и т.д. Всегда они стоят в автомобилях: в различных приводах и вентиляторах. В электротранспорте чаще всего используют тоже их.

Другими словами, применяются двигатели постоянного тока там, где требуется достаточно широкий диапазон регулирования скорости и точность ее поддержания.

Электродвигатели постоянного тока

Электрическая мощность в моторе преобразуется в механическую, заставляющую его вращаться, а часть этой мощности расходуется на нагревание проводника. Конструкция двигателя электрического постоянного тока включает якорь и индуктор, которые разделяют воздушные зазоры. Индуктор, состоящий из добавочных и главных полюсов, и станины, предназначен для создания магнитного поля. Якорь, собранный из отдельных листов, обмотка рабочая и коллектор, благодаря которому постоянный ток подводится к рабочей обмотке, образуют магнитную систему. Коллектор – это насаженный на вал двигателя цилиндр, собранный из изолированных друг от друга медных пластин. К его выступам припаиваются концы обмотки якоря. Ток с коллектора снимается при помощи щеток, закрепленных в определенном положении в щеткодержателях, благодаря чему обеспечивается нужный прижим на поверхность коллектора. Щетки с корпусом двигателя соединяются с помощью траверса.

Щетки, в процессе работы, скользят по поверхности вращающегося коллектора, переходя от одной его пластины к другой. При этом, в параллельных секциях обмотки якоря происходит изменение тока (когда щетка накоротко замыкает виток). Процесс этот называют коммутацией.

Под влиянием своего магнитного поля, в замкнутой секции обмотки возникает ЭДС самоиндукции, вызывающая появление дополнительного тока, который на поверхности щеток распределяет неравномерно ток, что приводит к искрению.

Частота вращения – одна из важнейших его характеристик. Ее регулировать можно тремя способами: изменяя поток возбуждения, изменяя величину подводимого напряжения к двигателю, изменяя сопротивление в якорной цепи.

Два первых способа встречаются намного чаще третьего, ввиду его неэкономичности. Ток возбуждения регулируется при помощи любого устройства, у которого возможно изменять активное сопротивление (например, реостата). Регулирование при помощи изменения напряжения требует наличие источника постоянного тока: преобразователя или генератора. Такое регулирование применяют во всех промышленных электроприводах.

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.

Преимущества двигателей постоянного тока

Сравнивая их с асинхронными моторами, нужно отметить отличные пусковые качества, высокую (до 3000 об/мин) частоту вращения, а также хорошую регулировку. Из недостатков отметить можно? Сложность конструкции, низкую надежность, высокую стоимость и затраты на ремонт и обслуживание.

Принцип действия ДПТ

ДПТ, как и любой современный мотор, работает на основе «Правила левой руки», с которым все знакомы еще со школы и закона Фарадея. При подключении тока к нижней обмотке якоря в одном направлении, а к обмотке верхней – в другом, якорь начинает вращаться, а уложенные в его пазах проводники – выталкиваться магнитным полем статора или обмоток корпуса двигателя постоянного тока. Вправо выталкивается нижняя часть, а влево – верхняя. В результате якорь вращается до тех пор, пока его части не поменяются местами. Чтобы добиться непрерывного вращения, необходимо полярность обмотки якоря регулярно менять местами. Как раз этим и занимается коллектор, коммутирующий при вращении обмотки якоря. На коллектор от источника подается напряжение через пару прижимных щеток из графита.

Принципиальные схемы ДПТ

Двигатель переменного тока подключается просто, в отличие от ДПТ. Обычно у таких двигателей высокой и средней мощности имеются отдельные выводы в клеммной коробке (от обмотки и якоря). На якорь обычно подается полное напряжение, а на обмотку — ток, регулировать который можно реостатом или напряжением переменным. От величины тока, имеющегося на обмотке возбуждения, прямопропорционально зависят обороты двигателя переменного тока.

В зависимости от того, какая используется схема подключения электродвигателя постоянного тока, двигатель электрический может быть постоянного тока, разделяют на самовозбуждающиеся и с независимым возбуждением (от отдельного источника).

Схема для подключения двигателя с возбуждением параллельным

Она аналогична предыдущей, но не имеет отдельного источника питания.

Когда требуется большой пусковой ток, применяют двигатели с возбуждением последовательным: в городском электротранспорте (троллейбусах, трамваях, электровозах).

Токи обоих обмоток в этом случае одинаковы. Недостаток – требуется постоянная нагрузка на вал, поскольку при ее уменьшении на 25%, резко увеличивается частота вращения и происходит отказ двигателя.

Есть еще моторы, которые крайне редко используются — со смешанным возбуждением. Их схема представлена ниже.

Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

Под понятием «возбуждение» понимают создание в электрических машинах магнитного поля, которое необходимо, чтобы заработал двигатель. Схем возбуждения несколько:

• С независимым возбуждением (питание обмотки происходит от постороннего источника).
• Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением (источник питания обмотки возбуждения и якоря включены параллельно) – шунтовые.
• С последовательным возбуждением (обе обмотки включены последовательно) – сериесные.
• Со смешанным возбуждением – компаундные.

Бесщеточные моторы

Но, двигатель со щетками, которые быстро изнашиваются и приводят к искрению, не может использоваться там, где необходима высокая надежность, поэтому среди электротранспорта (электровелосипедов, скутеров, мотоциклов и электромобилей) наибольшее применение нашли бесщеточные электродвигатели. Они отличаются высоким КПД, невысокой стоимостью, хорошей удельной емкостью, длительным сроком службы, малыми размерами, бесшумной работой.

Работа этого двигателя основывается на взаимодействии магнитных полей электромагнита и постоянного. Когда за окном 21 век, а вокруг полно мощных и недорогих проводников, логично заменить механический инвертор цифровым, добавить датчик положения ротора, решающий в какой момент на конкретную катушку необходимо подать напряжение, и получить бесщеточный электродвигатель постоянного тока. В качестве датчика чаще используется датчик Холла.

Поскольку в этом двигателе удалены щетки, он не нуждается в регулярном обслуживании. Управляется двигатель постоянного тока при помощи блока управления, позволяющего изменять частоту вращения вала мотора, стабилизировать на определенном уровне обороты (независимо от имеющейся на валу нагрузки).

Состоит блок управления из нескольких узлов:

• Системы импульсно-фазового управления СИФУ.
• Регулятора
• Защиты.

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Конструкция коллекторного электродвигателя постоянного тока

Статор — неподвижная часть двигателя.

Индуктор (система возбуждения) — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, создающая магнитный поток для образования момента. Идуктор обязательно включает либо постоянные магниты либо обмотку возбуждения. Индуктор может быть частью как ротора так и статора. В двигателе, изображенном на рис. 1, система возбуждения состоит из двух постоянных магнитов и входит в состав статора.

Якорь — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, в которой индуктируется электродвижущая сила и протекает ток нагрузки [2]. В качестве якоря может выступать как ротор так и статор. В двигателе, показанном на рис. 1, ротор является якорем.

Щетки — часть электрической цепи, по которой от источника питания электрический ток передается к якорю. Щетки изготавливаются из графита или других материалов. Двигатель постоянного тока содержит одну пару щеток или более. Одна из двух щеток соединяется с положительным, а другая — с отрицательным выводом источника питания.

Коллектор — часть двигателя, контактирующая со щетками. С помощью щеток и коллектора электрический ток распределяется по катушкам обмотки якоря [1].

Типы коллекторных электродвигателей

По конструкции статора коллекторный двигатель может быть с постоянными магнитами и с обмотками возбуждения.

Коллекторный двигатель с постоянными магнитами

Коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ) с постоянными магнитами является наиболее распространенным среди КДПТ. Индуктор этого двигателя включает постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора. Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (КДПТ ПМ) обычно используются в задачах не требующих больших мощностей. КДПТ ПМ дешевле в производстве, чем коллекторные двигатели с обмотками возбуждения. При этом момент КДПТ ПМ ограничен полем постоянных магнитов статора . КДПТ с постоянными магнитами очень быстро реагирует на изменение напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко управлять скоростью двигателя. Недостатком электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, в результате чего уменьшается поле статора и снижаются характеристики двигателя.

Преимущества:
• лучшее соотношение цена/качество
• высокий момент на низких оборотах
• быстрый отклик на изменение напряжения

Недостатки:
• постоянные магниты со временем, а также под воздействием высоких температур теряют свои магнитные свойства

Коллекторный двигатель с обмотками возбуждения

По схеме подключения обмотки статора коллекторные электродвигатели с обмотками возбуждения разделяют на двигатели:
• независимого возбуждения
• последовательного возбуждения
• параллельного возбуждения
• смешанного возбуждения

Двигатели независимого и параллельного возбуждения

В электродвигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой якоря (рисунок выше). Обычно напряжение возбуждения U_ОВ отличается от напряжения в цепи якоря U. Если же напряжения равны, то обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря. Применение в электроприводе двигателя независимого или параллельного возбуждения определяется схемой электропривода. Свойства (характеристики) этих двигателей одинаковы [3].

В двигателях параллельного возбуждения токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а полный ток двигателя равен сумме тока обмотки возбуждения и тока якоря. Во время нормальной работы, при увеличении напряжения питания увеличивается полный ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора. С увеличением полного тока двигателя скорость так же увеличивается, а момент уменьшается. При нагружении двигателя ток якоря увеличивается, в результате чего увеличивается поле якоря. При увеличении тока якоря, ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, в результате чего уменьшается поле индуктора, что приводит к уменьшению скорости двигателя, и увеличению момента.

Преимущества:
• практически постоянный момент на низких оборотах
• хорошие регулировочные свойства
• отсутствие потерь магнетизма со временем (так как нет постоянных магнитов)

Недостатки:
• дороже КДПТ ПМ
• двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный электродвигатель параллельного возбуждения имеет механическую характеристику с уменьшающимся моментом на высоких оборотах и высоким, но более постоянным моментом на низких оборотах. Ток в обмотке индуктора и якоря не зависит друг от друга, таким образом, общий ток электродвигателя равен сумме токов индуктора и якоря. Как результат данный тип двигателей имеет отличную характеристику управления скоростью. Коллекторный двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения обычно используется в приложениях, которые требуют мощность больше 3 кВт, в частности в автомобильных приложениях и промышленности. В сравнении с КДПТ ПМ, двигатель параллельного возбуждения не теряет магнитные свойства со временем и является более надежным. Недостатками двигателя параллельного возбуждения являются более высокая себестоимость и возможность выхода двигателя из под контроля, в случае если ток индуктора снизится до нуля, что в свою очередь может привести к поломке двигателя [5].

Двигатель последовательного возбуждения

В электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, при этом ток возбуждения равен току якоря (I_в = I_а), что придает двигателям особые свойства. При небольших нагрузках, когда ток якоря меньше номинального тока (I_а &lt I_ном) и магнитная система двигателя не насыщена (Ф

I_а), электромагнитный момент пропорционален квадрату тока в обмотке якоря:

,

• где M – момент электродвигателя, Н∙м,
• с_М – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
• Ф – основной магнитный поток, Вб,
• I_a – ток якоря, А.

С ростом нагрузки магнитная система двигателя насыщается и пропорциональность между током I_а и магнитным потоком Ф нарушается. При значительном насыщении магнитный поток Ф с ростом I_а практически не увеличивается. График зависимости M=f(I_a) в начальной части (когда магнитная система не насыщена) имеет форму параболы, затем при насыщении отклоняется от параболы и в области больших нагрузок переходит в прямую линию [3].

Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой электромагнитный момент обеспечивает им хорошие пусковые свойства.

Преимущества:
• высокий момент на низких оборотах
• отсутствие потерь магнетизма со временем

Недостатки:
• низкий момент на высоких оборотах
• дороже КДПТ ПМ
• плохая управляемость скоростью из-за последовательного соединения обмоток якоря и индуктора
• двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный двигатель последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах и развивает высокую скорость при отсутствии нагрузки. Данный электромотор идеально подходит для устройств, которым требуется развивать высокий момент (краны и лебедки), так как ток и статора и ротора увеличивается под нагрузкой. В отличии от КДПТ ПМ и двигателей параллельного возбуждения двигатель последовательного возбуждения не имеет точной характеристики контроля скорости, а в случае короткого замыкания обмотки возбуждения он может стать не управляемым.

Двигатель смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения, одна из них включена параллельно обмотке якоря, а вторая последовательно. Соотношение между намагничивающими силами обмоток может быть различным, но обычно одна из обмоток создает большую намагничивающую силу и эта обмотка называется основной, вторая обмотка называется вспомогательной. Обмотки возбуждения могут быть включены согласовано и встречно, и соответственно магнитный поток создается суммой или разностью намагничивающих сил обмоток. Если обмотки включены согласно, то характеристики скорости такого двигателя располагаются между характеристиками скорости двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Встречное включение обмоток применяется, когда необходимо получить неизменную скорость вращения или увеличение скорости вращения с увеличением нагрузки. Таким образом, рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения приближаются к характеристикам двигателя параллельного или последовательного возбуждения, смотря по тому, какая из обмоток возбуждения играет главную роль [4].

Преимущества:
• хорошие регулировочные свойства
• высокий момент на низких оборотах
• менее вероятен выход из под контроля
• отсутствие потерь магнетизма со временем

Недостатки:
• дороже других коллекторных двигателей

Двигатель смешанного возбуждения имеет эксплуатационные характеристики двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Он имеет высокий момент на низких оборотах, так же как двигатель последовательного возбуждения и хороший контроль скорости, как двигатель параллельного возбуждения. Двигатель смешанного возбуждения идеально подходит для устройств автомобилей и промышленности (таких как генераторы). Выход двигателя смешанного возбуждения из под контроля менее вероятен, так как для этого ток параллельной обмотки возбуждения должен уменьшиться до нуля, а последовательная обмотка возбуждения должна быть закорочена.

Характеристики коллекторного электродвигателя постоянного тока

Эксплуатационные свойства двигателей постоянного тока определяются их рабочими, электромеханическими и механическими характеристиками, а также регулировочными свойствами.

Основные параметры электродвигателя постоянного тока

Постоянная момента

Для коллекторного электродвигателя постоянного тока постоянная момента определяется по формуле:

,

• где Z — суммарное число проводников,
• Ф – магнитный поток, Вб [1]