Электродвигатели постоянного тока. устройство и работа. виды

Широко распространенные сейчас в быту и на производстве электродвигатели постоянного тока имеют много достоинств, но отличаются высокими пусковыми токами. Существует несколько распространенных вариантов подключения таких электромоторов.

Благодаря отличным тяговым возможностям электрических двигателей постоянного тока собранное на их основе электрооборудование получило широкое распространение, как в быту, так и на производстве. Такие моторы часто можно встретить в современных детских игрушках, вентиляторах, электроинструментах и автономных промышленных электроустановках. Они являются неотъемлемой частью систем управления и электрификации автомобилей. В качестве источника питания обычно используются батарейки или разноемкостные аккумуляторы.

Двигатель постоянного тока также имеет много других достоинств, среди которых:

• простая регулировка частоты вращения;
• возможность мягкого пуска и плавного увеличения оборотов;
• способность разгоняться до скорости свыше трех тысяч оборотов в минуту.

Несмотря на все эти преимущества, электромотор постоянного тока имеет более сложную конструкцию, чем асинхронный силовой агрегат переменного тока на 380 или 220 вольт, что подразумевает некоторые сложности в его эксплуатации. Кроме того, здесь есть опасность возникновения пусковых токов значительной величины, поэтому существуют разные способы подключения двигателей постоянного тока, каждый из которых имеет свои особенности и нюансы. Чтобы лучше их понять, рассмотрим более детально конструкцию, принцип работы и подключение двигателя постоянного тока.

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.

Прямой пуск электромотора

Маломощный электрический мотор (до одного киловатта) проще всего включить напрямую. Как и подключение трехфазного двигателя 380В, такой запуск электромотора постоянного тока П предусматривает подачу напряжения от источника питания непосредственно на рабочую обмотку. Поскольку отсутствует естественная компенсация за счет противодействующей электродвижущей силы, пусковой ток достигает максимального значения.

Если рассматривать прямое включение с точки зрения физики, то ситуация выглядит следующим образом. Изначально при старте мотора сила тока имеет значение, определяемое по формуле: І=U/R, где U – номинальное напряжение, R – сопротивление катушек. При этом токовая нагрузка достигает максимальной величины и может более чем в два раза превышать номинал.

Дальнейшее протекание тока инициирует возникновение электродвижущей силы противодействия, которая выступает в роли своеобразного тормоза, нормализующего стартовую нагрузку до номинальной мощности. Расчет силы тока теперь выполняется по другой формуле: І=U-Е/R, где Е – ЭДС противодействия.

В мощных силовых агрегатах, например, крановых двигателях ДК213МД2 сопротивление роторных обмоток может достигать одного Ома, что провоцирует возникновение пускового тока до 500 ампер, что в десятки раз превышает допустимое значение. Это может вызвать термическое опускание металла, оплавление и деформацию проводов, порчу контактных щеток и колец, а также создает повышенную опасность поражения электрическим током обслуживающего персонала. Поэтому для включения электромоторов средней (например, серии Д) и большой мощности рекомендуется использовать реостаты, специальные регуляторы или заведомо низкое напряжение. Прямой пуск для них противопоказан.

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.

Коротко о главном

Подключить электродвигатель 380 на 220 вольт можно 4-мя основными способами:

• С конденсатором.
• Без конденсатора.
• С реверсом.
• По схеме «звезда-треугольник».

Прежде чем начать работы по подключению, необходимо определить и удостовериться, каким образом соединена обмотка в клеммной коробке, а также узнать необходимые характеристики из технической таблицы. Выполнять электротехнические работы можно при наличии опыта, но лучше доверить её профессионалам с соответствующим допуском.

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.

Способы подключения на 220В

Чтобы подключить трёхфазный электродвигатель асинхронного типа к сети на 220 вольт, существует несколько проверенных способов:

1. С конденсатором.
2. Без конденсатора.
3. С реверсом.
4. Комбинированной схемой «звезда-треугольник».

Рассмотрим их более подробно.

Важно! При подключении электромотора на 380 вольт к сети 220 В нужно быть готовым к понижению его мощности до 70% от заводского значения. Однако в бытовых условиях это вполне приемлемо и никак не отразится на характеристиках в эксплуатации.

Подключение мотора 380 В на 220 В Источник ytimg.com

С конденсатором

Наиболее популярным и доступным способом инициации моторов на 380 вольт от сети 220 В является схема с применением конденсатора. Его роль сводится к созданию сдвига фаз в обмотках по отношению друг к другу, чтобы сформировать вращающееся магнитное поле. При наличии трёх фаз это явление происходит само собой – только одна не заставит вращать ротор. Поэтому оптимальным методом, как подключить электродвигатель с 4 проводами на одной фазе, является применение пусковой обмотки, помимо основной, в электромоторах на 220В.

Для модификации на 380 В возможно два варианта подключения с конденсатором:

• С рабочим конденсатором Ср.
• И параллельно подключёнными рабочим Ср и пусковым конденсатором Сп.

Во втором случае мотор запускается более плавно и безопасно. Модуль Сп включается на короткий промежуток времени и по мере достижения ротором необходимых оборотов отключается. Выбор варианта запуска во многом определяется степенью нагрузки ротора во время запуска. Так, если пуск происходит без усилия, применяется только Ср, а если под нагрузкой, без свободного вращения, обязательно наличие Сп.

Подключение двигателя с конденсаторами Источник blogspot.com

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.

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.

Определение схемы подключения

Прежде чем выбрать ту или иную схему подключения мотора к 220 В, необходимо определить, какова схема подключения его обмотки и при каком номинале он вообще может эксплуатироваться. Для этого необходимо:

• Найти и изучить на моторе таблицу с тех. характеристиками.

В информационном поле содержится вся важная информация – обозначение типа соединения ∆ – треугольник или звезда – Y, мощность, количество оборотов, вольтаж (220 или 380, либо 220/380) и возможность подключения по конкретной схеме.

• Вскрыть клеммную коробку и удостовериться на практике в правильности собранной схемы.

Начало и конец каждой обмотки подписан в соответствии с вышеприведённой цифробуквенной номенклатурой. Пользователю остаётся изучить схему соединения по перемычкам: по какой схеме выполнено соединение – звездой или треугольником.

Обратите внимание! Если на шильдике (таблице с информацией) указан знак Y и только 380В, то при подключении его по треугольнику, обмотка сгорит. Выполнить модернизацию такого мотора на 220В могут только профессиональные электрики. Поэтому нет резона делать его доработку, тем более, что сегодня существует множество экземпляров, способных работать альтернативно – и на 220 и на 380 вольт.

Вскрытие клеммной коробки Источник pikabu.ru
Смотрите также: Каталог компаний, что специализируются на электротехнических работах

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.

Подключение через микросхему Arduino

Двигатели малой мощности также можно запускать с помощью специальных функциональных платформ. Таким распространенным сейчас способом является подключения моторчика постоянного тока к Ардуино. Напрямую через Arduino подключение лучше не делать, поскольку велика вероятность повредить микросхему. Рекомендуется использовать Н-мост или транзисторы. Такая технология внедрения электромоторов в функциональные контуры предоставляет много возможностей для управления и приведения в движение рабочих частей электромашин, современных транспортных средств и роботизированных механизмов. Можно контролировать не только скорость оборотов моторчика, но и направление его движения.

Прямое подсоединение к выходным портам платформы может не только вызвать их перегорание, но также сведет функциональные возможности управления электромотором к минимуму. Через каждый такой порт может подаваться ток величиной около двадцати миллиампер, а для нормальной работы даже самого компактного электрического моторчика требуется во много раз больше. Поэтому мотор нужно подключить к Ардуино последовательно через регулятор силы подаваемого тока.

Выбирая подходящий двигатель для подключения к микроконтроллеру, следует обратить внимание на следующие характеристики:

• потребляемый ток, необходимый для нормального функционирования оборудования;
• напряжение номинальное (наиболее распространенное для таких систем – 12 вольт);
• вращательный момент – чем он больше, тем мощнее агрегат;
• скорость оборотов вала электромотора;
• вес и габариты – предпочтение сейчас отдается миниатюрным моделям.

Легче всего осуществляется последовательное подключение к Ардуино стандартного щеточного электромотора постоянного тока, рассчитанного на силу тока до 5A и рабочее напряжение около 9B. Для этого часто используют транзисторную систему. Но она позволяет только контролировать скорость оборотов. Подключение к микроконтроллеру через H-мост дает возможность также регулировать и направление вращения.

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.

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.

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

Конструкционные особенности электромотора постоянного тока

Любой двигатель электрический состоит из двух основных деталей – статора (станины) и ротора (якоря). Как правило, у распространенных сейчас современных моторов на 12 или 22 вольта статор изнутри покрыт тонкими листами из электротехнической стали, изолированными между собой с помощью специального лака. Они образуют отдельные полюса и обмотки, заканчивающиеся расширениями в виде наконечников, которые способствуют равномерному распределению электромагнитной индукции в воздушной прослойке между статорной и роторной частью. В зависимости от конструкции и мощности электромотора, обмотка может состоять из многочисленных витков тонкого провода или же из меньшего числа витков более толстого провода.

В качестве ротора обычно используется установленный на валу цилиндр с зубчатой структурой. Он помещается внутрь статора, но располагается на некотором расстоянии от него. Ротор тоже производится из тонких стальных листов с изоляцией и вентиляционными зазорами между отдельными пакетами. Якорные пазы соединяются медными проводниками. Кроме того, обязательным условием для якоря электромотора постоянного тока П или ПЛ серии является наличие обмотки двухслойного типа.

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.

Электроника для всех

После предыдущего поста о мотор-редукторе мне пришло несколько вопросов по регулированию двигателя постоянного тока. Так что пора написать очередной пост

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.

▌Немного формул

Не буду грузить никого выводами, их найдете сами если захотите. Чтобы было поменьше матана рекомендую найти учебник по электроприводу для средних учебных заведений и годом выпуска подревней. От 50х-60х годов самое то Там и картинки винтажные и расписано для вчерашнего выпускника сельской семилетки. Много букв и никакого грузилова, все четко и по делу.

Самая главная формула коллекторного двигателя постоянного тока:

U = Е + Iя*Rя

• U — напряжение подаваемое на якорь
• Rя — сопротивление якорной цепи. Обычно за этот символ считают только сопротивление обмотки, хотя можно снаружи навесить резистор какой и он к ней приплюсуется. Тогда пишут как (Rя+Rд)
• Iя — ток в якорной цепи. Тот самый который замеряется амперметром при попытке измерять потребление движка
• Е — это противоэдс или ЭДС генератора, в генераторном режиме. Она зависит от конструкции двигателя, оборотов и описывается вот такой вот простой формулой

Е = Се * Ф * n

• Ce — одна из конструктивных констант. Они зависят от конструкции двигателя, числа полюсов, количества витков, толщин зазоров между якорем и статором. Нам она не особо нужна, при желании ее можно вычислить экспериментально. Главное, что она константа и на форму кривых не влияет
• Ф — поток возбуждения. Т.е. сила магнитного поля статора. В мелких моторчиках, где оно задается постоянным магнитом это тоже константа. Но бывает под возбуждение выведена отдельная обмотка и тогда мы можем ее менять.
• n — обороты якоря.

Ну и зависимость момента от тока и потока:

М = См * Iя * Ф

См — конструктивная констатнта.

Вот тут стоит обратить внимание, что зависимость момента от тока совершенно прямая. Т.е. просто замеряя ток, при неизменном потоке возбуждения, мы можем совершенно точно узнать величину момента. Это может быть важно, например, чтобы не сломать привод, когда двигло может развить такое усилие, что легко поломает то, что оно там вращает. Особенно с редуктором.

Ну и из этого же следует, что момент у машины постоянного тока зависит только от способности источника снабжать его током. Так что идеальный нерушимый сверхпроводящий движок вам на раз лом в узел завяжет, пусть даже он сам с ноготок будет. Только энергию подавай.

А теперь смешаем все это в кучу и получим зависимость оборотов от момента — механическую характеристику двигателя.

Если ее построить, то будет нечто следующее:

n0 — это обороты идеального холостого хода сферического двигателя в вакууме. Т.е. когда наш движок ну ваще халявит, момент равен нулю. Ток потребления тоже, естественно, ноль. Т.к. противоэдс равна напряжению. Чисто теоретический вариант. А вторая точка строится уже с каким-либо моментом на валу. Получается прямая зависимость оборотов от момента. А наклон характеристики определяется сопротивлением якорной цепи. Если никаких добавочных резисторов там нет, то это зовут естественной характеристикой.

Обороты идеального холостого хода зависят от напряжения и потока. Больше ни от чего. А если поток константа (постоянный магнит), то только от напряжения. Снижая напряжение вся наша характеристика параллельно смещается вниз. Уменьшили напряжение в два раза — скорость упала в два раза.

Если есть возможность менять поток возбуждения, то можно поднимать скорость выше номинальной. Тут зависимость обратная. Ослабляем поток — двигатель разгоняется, но либо падает момент, либо ему надо жрать больше тока.

Иной двигатель со снятием возбуждения может и в разнос пойти. Помнится сдавал я затянувшийся курсач по электроприводу, уже хрен знает спустя сколько времени после сессии. Вломы мне его делать было, ага Ну и сидел в лаборатории, ждал препода. А там какие то балбесы, на курс ниже, лабу делали. Крутили движок вхолостую, а возбуждение к стенду приверчено было на соплях и слетело с клеммы. Движок в разнос пошел. У нас в лаборатории ЭПА ЮУРГУ все серьезно было, машины стояли нешуточные, по десятку киловатт и под сотню другую кг каждый. Все на суровом напряжении в 380 вольт. В общем, когда эта дура взревела как монстр и стала рваться с креплений, я только и успел крикнуть, что все нахер от машины, вырубай к черту. Не успели, двигло сорвало с креплений, обмотка повылетала с пазов и движку пришел кирдык. Ладно никого не покалечило. Впрочем, лабы привода это то еще развлечение было. У нас там и горело и взрывалось. Там я приобрел замечательные навыки чинить что угодно, чем угодно в сжатые сроки. В среднем, каждый успел по разу убить стенд наглухо, а лаба часто начиналась с починки паяльника, которым чинили осциллограф с помощью которого реанимировали убитый стенд.

Добавляя резисторы в якорную цепь мы можем увеличить наклон, т.е. чем больше грузим тем больше падает скорость.

Метод плох тем, что резисторы в цепи якоря должны быть расчитаны на ток двигателя, т.е. быть мощными и будут греться зря. Ну и момент резко падает, что плохо.

Есть еще двигатели не независимого, а последовательного возбуждения. Это когда обмотка статора включена последовательно якорю. Не каждый двигатель так можно включить, обмотка возбуждения должна выдерживать ток якоря. Но у них возникает одно интересное свойство. При пуске возникает большой пусковой ток и этот пусковой ток является же током возбуждения, обеспечивая огромный пусковой момент. Механическая характеристика напоминает гиперболу с максимумом в районе нулевых оборотов.

А дальше, по мере разгона, момент падает, а обороты наоборот растут. И если нагрузку убрать с вала, то движок сразу же уходит в разнос. Такие движки ставят на тягловый привод в основном. По крайней мере ставили раньше, до развития силовой электроники. С места эта хрень рвет так, что все стритсракеры нервно закуривают.

▌Режимы работы двигателя постоянного тока

Направление вращения движка зависит от направления тока якоря или направления потока возбуждения. Так что если взять коллекторный двигатель и подключить обмотку возбуждения параллельно якорю, то он будет прекрасно вращаться и на переменном токе (универсальные двигатели, их в кухонную технику часто ставят). Т.к. ток будет одновременно меняться и в якоре и в возбуждении. Момент правда будет пульсирующим, но это мелочи. А для реверса там надо будет поменять полярность включения якоря или возбуждения.

Если нарисовать механическую характеристику в четырех квадрантах, то у нас будет нечто похожее на это:

Вот, например, характеристика 1 на I участке у нас машина работает как двигатель. Нагрузка растет и в определенный момент двигатель останавливается и начинает вращаться в обратную сторону, т.е. нагрузка обращает его вспять. Это тормозной режим, противовключение. Режим очень тяжелый, двигло греется просто зверски, но для торможения очень эффективный. Если же момент на валу сменит направление и пойдет вращать навстречу движку, то мотор сразу же выйдет на генерацию (IV участок).

Характеристика 2 это то же самое, только с обратной полярностью питающего напряжения двигателя.

А характеристика 3 это динамическое торможение. Оно же реостатное. Т.е. когда мы берем и просто коротим наш двигатель на резистор или сам на себя. Можете сами проверить, возьмите любой моторчик и покрутите его, а потом закоротите ему якорь и покрутите снова. На валу будет ощутимое усилие, тем больше, чем качественнее движок.

Кстати, драйвера двигателей вроде L293 или L297 имеют возможность включить реостатное торможение, подачей обоих ключей вверх или вниз. При этом якорь коротится через драйвер на шину земли или питания.

▌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.

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