Что такое возбуждение двигателя постоянного тока
Возбуждение двигателя постоянного тока. Схемы возбуждения.
Возбуждение двигателя постоянного тока является отличительной особенностью таких двигателей. От типа возбуждения зависят механические характеристики электрических машин постоянного тока. Возбуждение может быть параллельным последовательным смешанным и независимым. Тип возбуждения означает, в какой последовательности включены обмотки якоря и ротора.
При параллельном возбуждении обмотки якоря и ротора включаются параллельно друг другу к одному источнику тока. Так как у обмотки возбуждения больше витков чем у якорной то и ток в ней течет незначительный. В цепи, как обмотки ротора, так и обмотки якоря могут включаться регулировочные сопротивления.
Обмотка возбуждения может подключаться и к отдельному источнику тока. В этом случае возбуждение будет называться независимым. У такого двигателя характеристики будут схожи с двигателем, в котором применяется постоянный магнит. Скорость вращения двигателя с независимым возбуждением, как и у двигателя с параллельным возбуждением зависит от тока якоря и основного магнитного потока. Основной магнитный поток создается обмоткой ротора.
Скорость вращения можно регулировать с помощью реостата включенного в цепь якоря изменяя тем самым ток в нем. Также можно регулировать ток возбуждения, но здесь нужно быть осторожным. Так как при его чрезмерном уменьшении или полном отсутствии в результате обрыва питающего провода ток в якоре может возрасти до опасных значений.
Также при малой нагрузке на валу или в режиме холостого хода скорость вращения может настолько увеличится, что может привести к механическому разрушению двигателя.
Если обмотка возбуждения включена последовательно с якорной, то такое возбуждение называется последовательным. При этом через якорь и обмотку возбуждения протекает один и тот же ток. Таким образом, магнитный поток изменяется с изменением нагрузки двигателя. А следовательно скорость двигателя будет зависеть от нагрузки.
Двигатели с таким возбуждением нельзя запускать на холостом ходу либо с небольшой нагрузкой на вал. Их применяют в том случае если, требуется большой пусковой момент или способность выдерживать кратковременные перегрузки.
При смешанном возбуждении используются двигатели, у которых на каждом полюсе есть по две обмотки. Их можно включить так чтобы магнитные потоки как складывались, так и вычитались.
В зависимости от того как соотносятся магнитные потоки двигатель с таким возбуждением может работать как двигатель с последовательным так и двигатель с параллельным возбуждением. Все зависит от ситуации, если нужен большой стартовый момент, такая машина работает в режиме согласного включения обмоток. Если же необходима постоянная скорость вращения, при динамически изменяющейся нагрузке применяют встречное включение обмоток.
В машинах постоянного тока можно изменять направление движения ротора. Для этого необходимо изменить направление тока в одной из обмоток. Якорной либо возбуждения. Изменением полярности направление вращения двигателя можно добиться только в двигателе с независимым возбуждением, или в котором используется постоянный магнит. В других схемах включения нужно переключать одну из обмоток.
Стартовый ток в машине постоянного тока достаточно велик, поэтому ее следует запускать с добавочным реостатом, чтобы избежать повреждения обмоток.
ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Двигатели постоянного тока широко востребованы в бытовой аппаратуре, для питания которой используется постоянное напряжение.
Существуют сложности с их запуском, которые возникают из-за того, что работа электрических машин основана на взаимодействии подвижного ротора с вращающимся электромагнитным (э/м) полем статора.
В случае постоянного напряжения питания формирование вращающегося магнитного поля невозможно без применения вспомогательных узлов и устройств, выбор которых определяет существующее разнообразие модификаций двигателей такого типа.
Разновидности двигателей постоянного тока.
В первом случае для подачи питания на ламели ротора используются специальные графитовые щетки. Менять полярность подаваемого напряжения, создавая аналог вращающегося магнитного поля, удается за счет разорванной конструкции токоподающего узла (слева на рисунке).
В бесколлекторном двигателе вращающееся э/м поле формируется специальным коммутирующим узлом. Функцию последнего выполняют электронные схемы на полупроводниковых элементах, имеющие различное исполнение. Благодаря этому удается получить бесконтактное взаимодействие полей, без щеток и коллектора.
Типичный представитель такого электродвигателя – мотор-колесо, известное большинству любителей езды на малогабаритных транспортных средствах. Еще один распространенный способ запуска двигателя – включение в схему специальных обмоток возбуждения.
СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Под возбуждением электродвигателей постоянного тока (ПТ) понимается эффект создания в них ЭДС, обеспечивающей вращение ротора. Их рабочие характеристики зависят от того, каким образом включена обмотка возбуждения (ОВ) по отношению к цепи якоря.
В ряде случаев, связанных с особенностями эксплуатации двигателей постоянного тока, применяется комбинированная схема включения.
Иногда ее называют «смешанной» или «компаундной» (в ней последовательное подключение совмещается с параллельным). Рассмотрим каждый из перечисленных вариантов более подробно.
При этой схеме подключения обмотка возбуждения электрически не связана с катушкой якоря (рис.1). Для снижения тепловых потерь и создания необходимой величины ЭДС число витков в ней делается достаточно большим, что позволяет снизить ток возбуждения.
Регулировать ток в якоре можно посредством резистора Rдоб, включенного последовательно. Частоту вращения можно менять резистором Rрег. Возможность независимого управления параметрами двигателя относят к плюсам этой схемы.
Ее минус – необходимость использования дополнительного источника питания, что приводит к увеличению материальных издержек. Применение схемы с независимым возбуждением определяется особенностями конструкции управляемого электропривода.
Электрическая схема подключения с параллельным возбуждением в целом напоминает рассмотренную выше. Ее особенность – наличие электрической связи ОВ с якорной цепью (рис.2).
Эффективность работы двух рассмотренных схем практически одинакова. Преимущество этого способа включения в том, что в данной ситуации отпадает необходимость в дополнительном источнике питания. Ее минус – невозможность раздельной регулировки параметров электродвигателя.
Принцип работы электродвигателя с последовательным возбуждением.
Особенностью этой схемы является последовательное включение ОВ и якорной цепочки (рис.3). При таком варианте подключения ток якоря является одновременно и током возбуждения (Iя =Iв). Это вынуждает производителей оборудования наматывать ОВ проводом того же сечения, что и у якоря.
Недостаток этой схемы – в том, что скорость двигателя зависит от нагрузки на валу. При ее увеличении падение напряжения на обмотках и магнитный поток возрастают. А это приводит к сильному падению скорости вращения. При снижении нагрузки частота вращения двигателя резко возрастает и может достичь опасных значений (он может начать работать «вразнос»).
Данный вариант применяют в случаях, когда необходимо выдерживать большое пусковое усилие (момент). Или же когда двигателю предстоит работать в режиме кратковременных перегрузок. Схемы с последовательным запуском используются в тяговых двигателях (в метро, трамваях, электровозах и троллейбусах).
Принцип действия двигателя со смешанным возбуждением.
К каждому из полюсов системы со смешанным возбуждением подключено две обмотки: последовательная и параллельная (рис.4). Их допускается включать таким образом, чтобы магнитные потоки суммировались (согласное подключение), либо вычитались один из другого (встречное включение).
В зависимости от того, как соотносятся части каждого из магнитных потоков, двигатель постоянного тока со смешанным возбуждением приближаются по своим свойствам к одному из уже рассмотренных ранее вариантов.
Такие схемы применяются в ситуациях, когда необходим большой по величине пусковой момент и одновременно невозможно обойтись без регулировки частоты вращения вала при переменных нагрузках.
БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Бесколлекторным называют двигатель, ток в статорных обмотках которого коммутируется особыми электронными устройствами («драйверами» или «инверторами»). Такой коммутатор состоит из набора полупроводниковых элементов, создающих вращающее поле путем подачи тока в соответствующую обмотку.
Скорость вращения вала у агрегатов этого типа значительно выше, чем у коллекторных с постоянными магнитами. Это позволяет увеличить удельную мощность двигателя и повысить его КПД.
Устройство и принцип действия.
На статоре бесколлекторного двигателя располагаются 3 обмотки, которые, как и у электродвигателей переменного тока называются фазными.
Допустимость такого названия объясняется следующим. Несмотря на того, что эти агрегаты работают от источника постоянного напряжения (аккумуляторов) – управляющий коммутацией обмоток контроллер включает ток поочередно.
Это приводит к формированию в них переменной составляющей в виде прямоугольных импульсов. Они и создают видимость трехфазного вращающегося э/м поля, характерного для коллекторных электродвигателей синхронного или асинхронного типа.
В зависимости от того, по какой схеме включаются обмотки статора («звезда» или «треугольник») система содержит соответственно четыре или три рабочих шины. Катушки наматываются в пазах между зубьями сердечника статора, распределяясь равномерно по фазам.
В статор нередко интегрируются датчики Холла, фиксирующие текущее положение ротора.
С их помощью удается передавать информацию контроллеру, который в каждый момент «знает», в какой точке находится ротор и подает питающий импульс на нужную обмотку. Такая возможность повышает эффективность функционирования двигателя с максимально возможной отдачей (мощностью).
© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.
Электрический двигатель постоянного тока
Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.
Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.
Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.
Устройство и описание ДПТ
Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.
Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:
Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.
Статор (индуктор)
В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.
Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:
Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.
Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ
У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.
Ротор (якорь)
В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.
В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.
Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.
Рисунок 3. Ротор с тремя обмотками 
Рисунок 4. Якорь со многими обмотками
Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.
Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.
Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем
Коллектор
Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.
Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.
Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.
В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.
Принцип работы
Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:
F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.
Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.
Рис. 6. Принцип работы ДПТ
Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.
Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.
Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.
Типы ДПТ
Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.
Рассмотрим основные отличия.
По наличию щеточно-коллекторного узла
Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.
Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.
В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.
По виду конструкции магнитной системы статора
В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.
О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.
Управление
Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.
Механическая характеристика
Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.
Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения
Регулировочная характеристика
Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.
Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.
Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением
Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.
Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.
Области применения
Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:
Преимущества и недостатки
К достоинствам относится:
У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.
Недостатки:
По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.
Возбуждение двигателя постоянного тока
Наличие обмотки возбуждения (ОВ) у двигателя постоянного тока позволяет осуществлять различные схемы подключения. В зависимости от того как включена ОВ, различают двигатели с независимым возбуждением, с самовозбуждением, которое делится на последовательное, параллельное и смешанное.
Двигатель с независимым возбуждением
В ДПТ с независимым возбуждением обмотку возбуждения подключают к отдельному источнику питания (рис. 1). Это может быть связано с различными напряжениями возбуждение Uв и напряжения цепи якоря U. При данной схеме подключения ОВ не имеет электрической связи с обмоткой якоря. Для уменьшения потерь в ОВ, и создания необходимой МДС необходимо уменьшить ток возбуждения, увеличив число витков. Обмотку возбуждения выполняют из малого числа витков, так чтобы ток Iв составлял 2…5% от Iя. Выбор данной схемы возбуждения для двигателя зависит от свойств электропривода.
ДПТ с параллельным возбуждением
По сути, схема подключения ОВ с параллельным возбуждением(рис.2) аналогична схеме с независимым возбуждением. Свойства двигателя при подключении по обеим схемам одинаковы. Плюсом данного вида подключения является то, что отпадает необходимость в отдельном источнике питания.
ДПТ с последовательным возбуждением
При подключении по данной схеме ОВ соединена последовательно цепи якоря (рис.3), при этом ток якоря равен току возбуждения. В связи с этим ОВ изготавливают из провода толстого сечения. Данную схему используют, если требуется обеспечить большой пусковой момент. При уменьшении нагрузки на валу меньше 25% от номинальной, частота вращения резко увеличивается и достигает опасных для двигателя значений. Характеристика ДПТ с последовательным возбуждением “мягкая”.
ДПТ со смешанным возбуждением
ДПТ со смешанным возбуждением (рис.4) имеет две ОВ, одна из которых соединена последовательна, а другая параллельно якорной цепи. При согласном соединении обмоток с увеличением нагрузки на валу растёт магнитный поток, что приводит к уменьшению частоты вращения. При встречном соединении суммарный магнитный поток с увеличением нагрузки уменьшается, что приводит к резкому увеличению частоты вращения. Это приводит двигатель к нестабильному режиму работы, поэтому последовательную обмотку выполняют из малого числа витков, чтобы при увеличении нагрузки магнитный поток снижался незначительно, тем самым стабилизируя работу двигателя.