Электродвигатели постоянного тока. Устройство и работа. Виды
Электрические двигатели, приводящиеся в движение путем воздействия постоянного тока, применяются значительно реже, по сравнению с двигателями, работающими от переменного тока. В бытовых условиях электродвигатели постоянного тока используются в детских игрушках, с питанием от обычных батареек с постоянным током. На производстве электродвигатели постоянного тока приводят в действие различные агрегаты и оборудование. Питание для них подводится от мощных батарей аккумуляторов.
Устройство и принцип работы
Электродвигатели постоянного тока по конструкции подобны синхронным двигателям переменного тока, с разницей в типе тока. В простых демонстрационных моделях двигателя применяли один магнит и рамку с проходящим по ней током. Такое устройство рассматривалось в качестве простого примера. Современные двигатели являются совершенными сложными устройствами, способными развивать большую мощность.
Главной обмоткой двигателя служит якорь, на который подается питание через коллектор и щеточный механизм. Он совершает вращательное движение в магнитном поле, образованном полюсами статора (корпуса двигателя). Якорь изготавливается из нескольких обмоток, уложенных в его пазах, и закрепленных там специальным эпоксидным составом.
Статор может состоять из обмоток возбуждения или из постоянных магнитов. В маломощных двигателях используют постоянные магниты, а в двигателях с повышенной мощностью статор снабжен обмотками возбуждения. Статор с торцов закрыт крышками со встроенными в них подшипниками, служащими для вращения вала якоря. На одном конце этого вала закреплен охлаждающий вентилятор, который создает напор воздуха и прогоняет его по внутренней части двигателя во время работы.
Принцип действия такого двигателя основывается на законе Ампера. При размещении проволочной рамки в магнитном поле, она будет вращаться. Проходящий по ней ток создает вокруг себя магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем, что приводит к вращению рамки. В современной конструкции мотора роль рамки играет якорь с обмотками. На них подается ток, в результате вокруг якоря создается магнитное поле, которое приводит его во вращательное движение.
Для поочередной подачи тока на обмотки якоря применяются специальные щетки из сплава графита и меди.
Выводы обмоток якоря объединены в один узел, называемый коллектором, выполненным в виде кольца из ламелей, закрепленных на валу якоря. При вращении вала щетки по очереди подают питание на обмотки якоря через ламели коллектора. В результате вал двигателя вращается с равномерной скоростью. Чем больше обмоток имеет якорь, тем равномернее будет работать двигатель.
Щеточный узел является наиболее уязвимым механизмом в конструкции двигателя. Во время работы медно-графитовые щетки притираются к коллектору, повторяя его форму, и с постоянным усилием прижимаются к нему. В процессе эксплуатации щетки изнашиваются, а токопроводящая пыль, являющаяся продуктом этого износа, оседает на деталях двигателя. Эту пыль необходимо периодически удалять. Обычно удаление пыли выполняют воздухом под большим давлением.
Щетки требуют периодического их перемещения в пазах и продувки воздухом, так как от накопившейся пыли они могут застрять в направляющих пазах. Это приведет к зависанию щеток над коллектором и нарушению работы двигателя. Щетки периодически требуют замены из-за их износа. В месте контакта коллектора со щетками также происходит износ коллектора. Поэтому при износе якорь снимают и на токарном станке протачивают коллектор. После проточки коллектора изоляция, находящаяся между ламелями коллектора стачивается на небольшую глубину, чтобы она не разрушала щетки, так как ее прочность значительно превышает прочность щеток.
Виды
Электродвигатели постоянного тока разделяют по характеру возбуждения:
Независимое возбуждение
При таком характере возбуждения обмотка подключается к внешнему источнику питания. При этом параметры двигателя аналогичны двигателю на постоянных магнитах. Обороты вращения настраиваются сопротивлением обмоток якоря. Скорость регулируют специальным регулировочным реостатом, включенным в цепь обмоток возбуждения. При значительном снижении сопротивления или при обрыве цепи ток якоря повышается до опасных величин.
Электродвигатели с независимым возбуждением запрещается запускать без нагрузки или с небольшой нагрузкой, так как его скорость резко возрастет, и двигатель выйдет из строя.
Параллельное возбуждение
Обмотки возбуждения и ротора соединяются параллельно с одним источником тока. При такой схеме ток обмотки возбуждения значительно ниже тока ротора. Параметры двигателей становятся слишком жесткими, их можно применять для привода вентиляторов и станков.
Регулировка оборотов двигателя обеспечивается реостатом в последовательной цепи с обмотками возбуждения или в цепи ротора.
Последовательное возбуждение
В этом случае возбуждающая обмотка подключается последовательно с якорем, в результате чего по этим обмоткам проходит одинаковый ток. Обороты вращения такого мотора зависят от его нагрузки. Двигатель нельзя запускать на холостом ходу без нагрузки. Однако такой двигатель обладает приличными пусковыми параметрами, поэтому подобная схема используется в работе тяжелого электротранспорта.
Смешанное возбуждение
Такая схема предусматривает применение двух обмоток возбуждения, находящихся парами на каждом полюсе двигателя. Эти обмотки можно соединять двумя способами: с суммированием потоков, либо с их вычитанием. В итоге электродвигатель может обладать такими же характеристиками, как у двигателей с параллельным или последовательным возбуждением.
Чтобы заставить двигатель вращаться в другую сторону, на одной из обмоток изменяют полярность. Для управления скоростью вращения мотора и его запуском используют ступенчатое переключение разных резисторов.
Особенности эксплуатации
Электродвигатели постоянного тока отличаются экологичностью и надежностью. Их главным отличием от двигателей переменного тока является возможность регулировки оборотов вращения в большом диапазоне.
Такие электродвигатели постоянного тока можно также применять в качестве генератора. Изменив направление тока в обмотке возбуждения или в якоре, можно изменять направление вращения двигателя. Регулировка оборотов вала двигателя осуществляется с помощью переменного резистора. В двигателях с последовательной схемой возбуждения это сопротивление расположено в цепи якоря и позволяет уменьшить скорость вращения в 2-3 раза.
Этот вариант подходит для механизмов с длительным временем простоя, так как при работе реостат сильно нагревается. Повышение оборотов создается путем включения в цепь возбуждающей обмотки реостата.
Для моторов с параллельной схемой возбуждения в цепи якоря также применяются реостаты для уменьшения оборотов в два раза. Если в цепь обмотки возбуждения подключить сопротивление, то это позволит повышать обороты до 4 раз.
Применение реостата связано с выделением тепла. Поэтому в современных конструкциях двигателей реостаты заменяют электронными элементами, управляющими скоростью без сильного нагревания.
На коэффициент полезного действия мотора, работающего на постоянном токе, влияет его мощность. Слабые электродвигатели постоянного тока обладают малой эффективностью, и их КПД около 40%, в то время, как электродвигатели мощностью 1 МВт могут обладать коэффициентом полезного действия до 96%.
Устройство приводов для двигателя постоянного тока
Приводы постоянного тока служат для управления двигателями постоянного тока. Правда не везде, а лишь там, где требуется плавное и точное регулирование скорости и вращающего момента электромотора в достаточно широких пределах.
Где же конкретно могут использоваться приводы постоянного тока? Для того, чтобы ответить на данный вопрос, нам надо вначале сказать несколько слов о принципе работы двигателя постоянного тока.
Вообще надо заметить, что электродвигатели — очень распространенный объект управления в различных устройствах и технических системах. Причем настолько, что без них вся наша современная жизнь очевидно вовсе не была бы такой уж и современной. Точнее мы бы так и не ушли далее технологий начала 19 века. И не имели бы не только компьютеров, с их гаджетами, но и вообще не знали бы, например, даже столь привычного нам электрического освещения, поскольку сами электрогенераторы – это, по сути, те же самые электродвигатели, но только преобразующие различные виды неэлектрической энергии (механическая, химическая или тепловая) в электрическую энергию.
Сами электродвигатели при этом, как известно, делятся на электродвигатели постоянного тока и электродвигатели переменного тока. Причем сегодня в силу бурного развития научно-технической мысли, которая предлагает более совершенные алгоритмы векторного управления и довольно дешевые и удобные в использовании частотники, именно последние приобретают все большую популярность в промышленности.
Однако, нельзя не сказать, что и двигатели постоянного тока рано еще списывать со счетов. Они имеют свои весьма важные и существенные преимущества. Дело в том, что один из «глобальных» минусов двигателя постоянного тока – это коллектор, его низкая механическая прочность, а также слабая механическая прочность щеток.
Но зато у двигателя постоянного тока можно менять скорости в достаточно широком диапазоне при относительном постоянстве момента на валу. При этом количество оборотов двигателя постоянного тока пропорционально величине напряжения, которое подается на якорную обмотку. А это значит, что в диапазоне скоростей от нуля до номинального значения электродвигатель может развивать полный крутящий момент. Именно поэтому двигатель постоянного тока широко используют в тех случаях, когда необходимо обеспечить большой момент при низких скоростях электродвигателя почти до его остановки при наличии полной нагрузки с последующим стартом. К таковым областям относятся электроприводы лифтов, кранов, ленточных конвейеров, смесителей, экструдеров и топу подобных механизмов.
Принцип действия двигателя постоянного тока
Вообще надо заметить, что самой первой из всех изобретенных в XIX веке вращающихся электромашин был именно электродвигатель постоянного тока. Сам принцип действия его известен с середины прошлого столетия и основан на том, что крутящий момент здесь создаётся путём взаимодействия между двумя магнитными полями — полем обмотки возбуждения и полем, создающимся обмотками во вращающемся якоре.
Впрочем, в некоторых моделях двигателей постоянного тока нет обмотки возбуждения, вместо нее установлены постоянные магниты, сохраняющее стационарное магнитное поле при любых рабочих условиях.
Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что ток, проходя через якорь, создаёт магнитное поле, которое пытается выровняться со стационарным полем. Происходит вращение двигателя/
Рис. 1. Схема двигателя постоянного тока
При этом коллектор (так называется набор сегментированных медных планок), разрывает электрический контакт с уже «выровненной» обмоткой и возбуждает другую обмотку (или как в простом примере, показанном выше, перевозбуждает ту же цепь в противоположном направлении), создавая другое не выровненное магнитное поле, которое продолжает вращать якорь. Электрический контакт между вращающимися сегментами коллектора и стационарным источником питания в этом случае происходит через угольные щетки. Поскольку здесь постоянно имеет место механическое трение, то эти щетки изнашиваются через определенное время (как и сам коллектор) и соответственно требуют своей периодической замены.
Впрочем, следует заметить, что большинство промышленных электродвигателей постоянного тока изготавливаются с несколькими обмотками якоря, а не с одной, как показано на упрощенной иллюстрации сверху.
В электродвигателях постоянного тока проявляются следующие отношения между механическими и электрическими величинами:
- Крутящий момент. Он прямо пропорционален силе магнитного поля якоря, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна току, проходящему через обмотки якоря. Так же момент прямо пропорционален силе постоянного магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально току, проходящему через возбуждающую обмотку (в двигателе без магнитов).
- Скорость. Скорость ограничена ЭДС, генерируемой якорем при вращении в постоянном магнитном поле. Эта ЭДС прямо пропорциональна скорости вращения якоря, и также прямо пропорциональна силе постоянного магнитного поля (которая прямо пропорциональна току возбуждающей обмотки в электродвигателе без магнитов). Это значит, что скорость прямо пропорциональна напряжению якоря, а также обратно пропорциональна силе постоянного магнитного поля, которая прямо пропорциональна току, проходящему через возбуждающие обмотки (в двигателе без магнитов).
Управление двигателем постоянного тока
Последнее же означает, что, меняя тока обмотки, можно изменять соотношение между скоростью и моментом. Однако этого недостаточно для управления общей мощностью двигателя. Чтобы управлять выходной мощностью электродвигателя постоянного тока также необходимо управлять напряжением и током якоря. Для этой цели можно было бы использовать переменные резисторы, но этот метод не используется в настоящее время, так как приводит к потере мощности. Лучшим решением здесь будет применение электронной схемы регулирования мощности на транзисторных ключах быстро отключающих и включающих якорь двигателя в цепь. Такой тип управления называется широтно-импульсной модуляцией, или ШИМ.
Рис.2. Схема управления скоростью и моментом ДПТ
По традиционной технологии для импульсного питания двигателя постоянного тока используют схему управляемого выпрямителя, в котором для преобразования переменного тока в постоянный вместо обычных выпрямляющих диодов используют тиристоры (управляемая схема Ларионова). Основным источником питания промышленных двигателей постоянного тока остается переменный ток, и этот переменный ток должен быть преобразован в постоянный в некотором узле системы; управление имеет смысл интегрировать прямо в этот выпрямительный узел.
Рис.3. Схема управляемого выпрямителя
Схема управляемого выпрямителя работает по принципу изменения времени «пускового» импульса относительно импульсов колебаний переменного тока. Чем раньше в каждом периоде переменного тока откроется тиристор, тем дольше он будет пропускать ток к двигателю. Схема фазового управления отвечает за генерацию импульсов и их длительность.
Отсюда следует, что привод постоянного тока просто регулирующий подводимую мощность к двигателю был бы трудно регулируемым и не применим в большинстве задач. Для управления двигателем необходимо управлять скоростью. Поэтому на двигателях постоянного тока устанавливают тахогенераторы, механически соединённые с валом двигателя.
Тахогенератор представляет собой небольшой генератор, создающий постоянное напряжение, прямо пропорциональное скорости вращения вала, обычно с выходом 0-10В постоянного тока, реже 0-220В переменного тока. По его показаниям регулируемый привод постоянного тока регулирует электрическую мощность, подводимую к двигателю так, чтобы скорость вращения совпала с заданной управляющим сигналом. Имея датчик обратной связи для регулирования скорости, привод постоянного тока точно регулирует скорость вращения двигателем.
Рис. 4. Схема управления двигателем постоянного тока
Менять ли привод постоянного тока?
Следует заметить, что в силу длительного периода широкого применения двигателей постоянного тока, на протяжении довольно долгого времени для регулировки скорости вала двигателя использовались приводы постоянного тока. Тем самым, данные приводы имели широкое распространение и были установлены на огромном количестве различных машин, механизмов и оборудовании. Но вот в чем проблема – дело в том, что раньше приводы постоянного тока выпускались с управлением на аналоговых микросхемах. А это вело к длительной настройке оборудования, необходимости постоянного обслуживания привода и частой его перенастройки. В результате против двигателей постоянного тока и соответственно приводов постоянного тока сложилось предубеждение о ненужности и даже вредности установки таких систем. Повсеместно обозначилась тенденция к замене «постоянников» на «переменники». И где-то это и правда оказалось оправдано, но…
Увы, но часто «дьявол кроется в деталях»!
Следует заметить, что сейчас приводы постоянного тока выпускаются с фазными схемами управления, основанными на современных микропроцессорах. А это значит, что они стали значительно более надежны и, ГЛАВНОЕ, не нуждаются в необходимости постоянного обслуживания привода и частой перенастройки приводов. А поскольку вопреки публикациям в СМИ и доводам производителей приводов переменного тока, существует еще немало таких применений, где приводы постоянного тока являются предпочтительными по своему функционалу (а в конечном счете и по деньгам), то возможно при модернизации оборудования следует обратить внимание на приводы постоянного тока.
Более того, сегодня необходимо учитывать, что очень часто, при модернизации систем управления, простая замена устаревших приводов постоянного тока новыми современными приводами постоянного тока, является экономически более выгодной!
Подумайте! Возможно это Ваш случай? Причем в данном случае имеет смысл обратить именно на лидеров по производству приводов постоянного тока, одним из которых является фирма Siemens, выпускающая приводы постоянного тока серии SINAMICS DCM — современный мощный привод постоянного тока со многими дополнительными модулями расширения, интеграции в промышленные сети и встроенными функциями для решения типовых технологических задач (намотка-размотка и т. д.).
