Двигатели постоянного тока принцип действия схемы управления

Включение двигателя постоянного тока в сеть 110/220вольт, схема, управление

Часто в условиях домашней мастерской, оснащенной различным оборудованием и механизмами, возникает необходимость подключения к сети двигателя постоянного тока.

Самой востребованной и популярной выступает схема с использованием пускового реостата. Этот элемент отвечает за понижение показателей пускового тока, возникающего при включении двигателя. Пусковой ток нуждается в корректировке, так как превышает номинальный показатель в 10-20р. Двигатель постоянного тока, а точнее обмотка может не справиться с такой нагрузкой.

На схеме ниже представлено подключение пускового реостата по последовательной схеме с цепью якоря.

• Л – соединенный с сетью зажим;

• М – соединенный с цепью возбуждения зажим-фиксатор;

• Я – соединенный с якорем зажим;

• 1 – дуга, 2 – рычаг, 3 – контакт рабочий.

Включение и управление двигателем постоянного тока важно выполнять, принимая во внимание информацию, приведенную на самом агрегате или в инструкции (если таковая еще сохранилась).

Представленная схема двигателя постоянного тока оптимальна для агрегатов, мощность которых превышает 0,5кВт. Чтобы рассчитать пусковое сопротивление реостата, воспользуйтесь формулой:

Расшифровка обозначений: Rn – пусковое сопротивление реостата, U – напряжение сети (100 или 220), Iном – номинальное значение тока электрического двигателя, Rя – показатели сопротивления обмотки якоря.

Порядок и схема включения двигателя постоянного тока

• Установите рычаг на реостате в положение «0» — холостой контакт;

• После включения сетевого рубильника необходимо перевести этот рычаг в положение первого промежуточного контакта. Подключаемый двигатель постоянного тока перейдет в стадию возбуждения. По якорной цепи потечет ток, показатель которого зависит от величины сопротивления, включающего все 4 секции пускового реостата;

• Посредством увеличения частоты вращения якоря пусковой ток снижается. В результате уменьшается и сопротивление, возникшее при пуске. Для выполнения задачи рычаг реостата постепенно проводят по контактам до тех пор, пока он не займет рабочего контакта. НЕ задерживайтесь на промежуточных контактах, на такие нагрузки пусковые реостаты не рассчитаны.

Схема двигателя постоянного тока предполагает и определенную последовательность действий для его отключения.

Двигатель постоянного тока отключается не сразу. После перевода рукояти реостата в крайнее левое положение агрегат отключится, но обмотка останется замкнутой. Только после этого питание двигателя можно выключать.

Если игнорировать приведенный выше порядок действий, при размыкании цепи велик риск возникновения напряжения такой силы, которая выведет электрический двигатель из строя.

Включение двигателя постоянного тока для промышленных применений может отличаться.

Устройство и принцип работы электродвигателя

Электродвигатель – устройство для преобразования электроэнергии во вращательное движение вращающейся части электрической машины. Преобразование энергии в двигателях происходит за счет взаимодействия магнитных полей обмоток статора и ротора. Эти электрические машины широко используются во всех отраслях промышленности, в качестве привода электротранспорта и инструментов, в системах автоматизации, бытовой техники и так далее.

Существует множество видов электродвигателей, различающихся по принципу действия, конструкции, исполнению и другим признакам. Рассмотрим основные типы этих электрических машин.

По принципу действия различают магнитоэлектрические и гистерезисные электрические машины. Несмотря на простоту конструкции, высокий пусковой момент, последние не получили широкого распространения. Эти электродвигатели имеют высокую цену, низкий коэффициент мощности, ограничивающие их применение. Подавляющее большинство выпускаемых электродвигателей – магнитоэлектрические.

По типу напряжения питания различают:

• Электродвигатели постоянного тока.
• Двигатели переменного тока.
• Универсальные электрические машины.

По конструкции различают электродвигатели с горизонтально и вертикально расположенным валом. Кроме того, электрические машины классифицируют по назначению, климатическому исполнению, степени защиты от попадания влаги и посторонних предметов, мощности и другим параметрам.

Классы электродвигателей:

• Постоянного тока
  • Бесщеточные ЕС (электронно-коммутируемые)
  • Со щетками
    • С последовательным возбуждением
    • С параллельным возбуждением
    • Со смешанным возбуждением
    • С постоянными магнитами

• Переменного тока
  • Универсальные
  • Синхронные
  • Индукционные
    • Однофазные
    • Трехфазные

Таблица классификации электронных двигателей:

Электродвигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока широко применяются в качестве привода электротранспорта, промышленного оборудования, а также микропривода исполнительных механизмов. Такие электрические машины обладают следующими преимуществами:

• Возможность регулировки частоты вращения путем изменения напряжения в обмотке возбуждения. При этом крутящий момент на валу ДПТ (двигатели постоянного тока) остается неизменным.
• Высокий к.п.д. (коэффициент полезного действия) у машин постоянного тока несколько выше, чем у самых распространенных асинхронных двигателей переменного тока. При неполной нагрузке на валу к.п.д. ДПТ выше на 10-15%.
• Возможность изготовления ДПТ небольших габаритов. Практически все используемые микроприводы рассчитаны на постоянный ток.
• Простота схем управления. Для пуска, реверса и регулирования скорости и момента не требуется сложного электронного оборудования и большого количества аппаратов для коммутации.
• Возможность работы в режиме генератора. Электродвигатели такого типа можно использовать в качестве источников постоянного тока.
• Высокий пусковой момент. ДПТ используют в составе электроприводов кранов, тяговых и грузоподъемных механизмов, где требуется запуск под значительной нагрузкой.

ДПТ различают по способу возбуждения, они бывают:

• С постоянными магнитами. Такие двигатели отличаются малыми габаритами. Основная область их применения – микроприводы.
• С электромагнитным возбуждением.

Электрические машины с электромагнитами такого типа получили самое широкое распространение. Их классифицируют по способу подключения обмотки статора:

• Двигатели с параллельным возбуждением. Обмотки якоря и статора в электрической машине такого типа соединены параллельно. Такие электрические машины не требуют дополнительного источника питания для обмотки возбуждения, скорость вращения ротора практически не зависит от нагрузки. Их используют для привода металлорежущих станков и другого оборудования.
• Электродвигатели с последовательно включенной обмоткой статора. ДПТ этого типа имеют значительный пусковой момент. Их применяют в качестве привода электротранспорта и промышленных установок с необходимостью пуска под нагрузкой.
• Двигатели с независимым возбуждением. Для питания обмотки статора таких электромашин используется независимый источник постоянного тока. ДПТ такого типа отличаются широким диапазоном регулирования скоростей.
• Электрические машины со смешанным возбуждением. Электромагнит возбуждения в таких двигателях поделен на 2 части. Одна из них включена параллельно, вторая последовательно обмотке якоря. Электрические машины такого типа используются в механизмах и оборудовании, где необходим высокий пусковой момент, а также переменная и постоянная скорость при переменном моменте.

Электродвигатели переменного тока

Электрические машины такого типа широко используют для приводов всех типов технологического оборудования, электроинструментов, автоматических регуляторов. По наличию разности между скоростью вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора различают синхронные и асинхронные двигатели.

Асинхронные электродвигатели

Благодаря дешевизне и простоте конструкции электрические машины такого типа получили самое широкое распространение. Их принципиальное отличие – наличие так называемого скольжения. Это разность между частотой вращения магнитного поля неподвижной части электрической машины и скоростью вращение ротора. Напряжение на вращающейся части индуцируется за счет переменного магнитного поля обмоток статора двигателя. Вращение вызывает взаимодействие поля электромагнитов неподвижной части и магнитного поля ротора, возникающего под влиянием наведенных в нем вихревых токов. По особенностям обмоток статора выделяют:

• Однофазные двигатели переменного тока. Двигатели такого типа требуют для пуска наличия внешнего фазосдвигающего элемента. Это может быть пусковой конденсатор или индуктивное устройство. Область применения однофазных двигателей – маломощные приводы.
• Двухфазные электрические машины. Такие двигатели имеют 2 обмотки со смещенными относительно друг друга фазами. Их также используют для бытовых устройств и оборудования, имеющего небольшую мощность.
• Трех- и многофазные электродвигатели. Наиболее распространенный тип асинхронных машин. Электрические двигатели такого типа имеют от 3-х и более обмоток статора, сдвинутых по фазе на определенный угол.

По конструкции ротора асинхронные электрические машины делят на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.

Обмотка ротора электрических машин первого типа представляет собой несколько неизолированных стержней, выполненных из сплавов меди или алюминия, замкнутых с двух сторон кольцами (конструкция “беличья клетка”). Асинхронные двигатели такого типа обладают следующими преимуществами:

• Достаточно простая схема пуска. Такие электрические машины можно подключать непосредственно к электрической сети через аппараты коммутации.
• Допустимость кратковременных перегрузок.
• Возможность изготавливать электрические машины высокой мощности. Двигатель такого типа не содержит скользящих контактов, препятствующих наращиванию мощности.
• Относительно простое ТО и ремонт. Асинхронные электромашины имеют несложную конструкцию.
• Невысокая цена. Двигатели асинхронного типа стоят дешевле синхронных машин и ДПТ.

Электрические машины с короткозамкнутым ротором имеют свои недостатки:

• Предельная скорость вращения составляет не более 3000 об/мин при входе в синхронный режим.
• Технически сложная реализация регулирования частоты вращения.
• Высокие пусковые токи при прямом запуске.

Электродвигатели с фазным ротором частично лишены недостатков, присущих машинам с ротором конструкции “беличья клетка”. Вращающаяся часть электрической машины такого типа имеет обмотки, соединенные в схему “звезда”. Напряжение подводится к обмотке через 3 контактных кольца, закрепленных на роторе и изолированных от него.

Такие электродвигатели обладают следующими достоинствами:

• Возможность ограничивать пусковые токи при помощи резистора, включенного в цепь электромагнитов ротора.
• Больший, чем у электромашин с короткозамкнутым ротором, пусковой момент.
• Возможность регулировки скорости.

Недостатками таких двигателей являются относительно большие габариты и масса, высокая цена, более сложный ремонт и сервисное обслуживание.

Синхронные двигатели переменного тока

Как и в асинхронных электродвигателях, вращение ротора в синхронных машинах достигается взаимодействием полей ротора и статора. Скорость вращения ротора таких электрических машин равна частоте магнитного поля, создаваемого обмотками статора.

Обмотка неподвижной части двигателя рассчитана на питание от трехфазного напряжения. К электромагнитам ротора подключается постоянное напряжение. Различают явнополюсные и неявнополюсные обмотки. В синхронных двигателях малой мощности используют постоянные магниты.

Запуск и разгон синхронной машины осуществляется в асинхронном режиме. Для этого на роторе двигателя имеется обмотка конструкции “беличья клетка”. Постоянное напряжение подается на электромагниты только после разгона до номинальной частоты асинхронного режима. Синхронные двигатели имеют следующие особенности:

• Постоянная скорость вращения при переменной нагрузке.
• Высокий к.п.д. и коэффициент мощности.
• Небольшая реактивная составляющая.
• Допустимость перегрузки.

К недостаткам синхронных электродвигателей относятся:

• Высокая цена, относительно сложная конструкция.
• Сложный пуск.
• Необходимость в источнике постоянного напряжения.
• Сложность регулировки скорости вращения и момента на валу.

Все недостатки электрических машин переменного тока можно исправить установкой устройства плавного пуска или частотного преобразователя. Обоснование выбора того или иного устройства обусловлено экономической целесообразностью и требуемыми характеристиками электропривода.

Универсальные двигатели

В отдельную группу выделяют универсальные электродвигатели, которые могут работать от сети переменного тока и от источников постоянного напряжения. Они используются в электроинструментах, бытовой технике, а также других маломощных устройствах. Конструкция такой электрической машины принципиально не отличатся от двигателя постоянного тока. Главное отличие – конструкция магнитной системы и обмоток ротора. Магнитная система состоит из изолированных друг от друга секций для снижения магнитных потерь. Обмотка ротора такой машины поделена на 2 части. При питании от переменного тока напряжение подается только на ее половину. Это делается в целях снижения радиопомех, улучшения условий коммутации.

К преимуществам таких машин относятся:

• Высокая скорость вращения. Универсальные электродвигатели развивают скорость до 10 000 об/мин и более.
• Питание от переменного и постоянного напряжения. Двигатели такого типа широко применяют для электроинструментов, имеющих дополнительные аккумуляторные батареи.
• Возможность регулирования скорости без использования дополнительных устройств.

Однако, такие электромашины имеют свои недостатки:

• Ограниченная мощность.
• Необходимость обслуживания коллекторного узла.
• Тяжелые условия коммутации при питании от переменного напряжения из-за наличия трансформаторной связи между обмотками.
• Электромагнитные помехи при подключении к сети переменного тока.

Каждый тип двигателя имеет свои достоинства и недостатки. Выбор электрической машины для привода любого оборудования делается исходя из условий эксплуатации, требуемой частоты вращения, экономической целесообразности, типа нагрузки и других параметров.

Устройство для управления двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением

Главная > Контрольная работа >Коммуникации и связь

Расчетно-пояснительная записка предназначена для изучения принципа работы электронного устройства и правильной его эксплуатации, содержит описание принципа действия всего устройства в целом и его составных частей и их расчет (в системе Си).

Данное устройство предназначено для управления двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением в контуре следящего привода. Схема устройства представлена на рис. 1.

Алгоритм управления ДПТ:

Uдв=Uвых=15U вх1 + 30U вх2 + 60U вх3

Входное сопротивление по каждому входу не менее 100 кОм

Величина пускового тока 120 А

Величина номинального тока 60 А

Напряжение источника питания Uпит=27 В

Диапазон рабочих температур -40..+40 С

Электронное устройство (ЭУ) имеет защиту от сквозных токов, токов короткого замыкания

Нелинейность регулировочной характеристики не более 5%

Частота модулятора длительности импульсов (МДИ) f =2000 Гц

Принцип действия всего устройства в целом.

Входные сигналы U вх1 , U вх2 , U вх3 , складываются согласно закона управления U вых = 15U вх1 + 30U вх2 + 60U вх3 и усиливаются до уровня, достаточного для управления ДПТ с независимым возбуждением. Для повышения КПД в устройстве применяется импульсный режим работы выходных транзисторов силовой части, который обеспечивается модулятором длительности импульсов. Для упрощения схемы и исключения сквозных токов используется реверс по обмотке возбуждения, что достигается включением схемы выделения модуля и схемы выделения знака. Для повышения быстродействия силовой каскад, реализующий реверс по ОВ, выполнен в виде генератора токов. Для упрощения схемы используется оптронная развязка.

Принципиальная схема устройства представлена на рис. 1.

Информационную часть (DA1-DA4), обеспечивающую сложение входных сигналов с заданными весовыми коэффициентами.

Схема выделения модуля (DA5, DA6), обеспечивающая определения величины управляющего сигнала.

Промежуточный каскад (DA7-DA10), образованный модулятором длительности импульсов с внешней синхронизацией генератором пилообразных колебаний.

Схема выделения знака (DA11-DA13), обеспечивает определение знака управляющего сигнала, для задания направления вращения двигателя.

Силовую часть (ОП1-ОП4, VТ3-VТ9, КТ1-КТ3, DА14, D5-D10), непосредственно осуществляющую управление двигателем постоянного тока по обеим обмоткам.

Характеристика устройств используемых в проектируемой схеме.

Во всех усилительно- преобразующих устройствах схемы используется глубокая отрицательная обратная связь, которая компенсирует разброс их технологических параметров.

Операционный усилитель — усилитель с непосредственными гальваническими связями, с высоким коэффициентом усиления, с малым уровнем собственных шумов, способный устойчиво работать при замкнутой цепи обратной связи. Предназначены для усиления сигнала по напряжению до требуемой величины.

Повторитель — операционный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью и с коэффициентом усиления равном единице. Обычно предназначены для согласования входных сопротивлений датчиков сигнала с входом электронного устройства и обеспечения высокой стабильности работы электронного устройства.

Сумматор — устройство, предназначенное для суммирования и усиления электрических сигналов, поступающих с нескольких датчиков

Интегратор — устройство, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала. Включение емкости в цепь обратной связи обуславливает потенциальное заземление инвертирующего входа и, следовательно, разделяет преобразование напряжения в ток от последующего интегрирования.

Компаратор — устройство, производящее сравнение двух сигналов: входного и эталонного с одновременным выделением большего из них. Если в качестве эталонного сигнала используется сигнал нулевого уровня, то такой компаратор называется нуль-органом.

Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) — устройство информационной части системы, обеспечивает преобразование аналогового сигнала управления в последовательность прямоугольных импульсов с регулируемым во времени соотношением длительностей устойчивых состояний. ШИМ реализуется за счет сравнения на выходе порогового элемента сигнала управления с периодическим сигналом треугольной формы (пилы).

1. Расчет информационной части.

Расчет повторителей и сумматора.

Повторитель — операционный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью и с коэффициентом усиления равном единице. Предназначен для обеспечения требуемого входного сопротивления.

Сумматор — устройство на основе ОУ, служащее для масштабирования сигналов с заданными весовыми коэффициентами.

Примем входные сопротивления повторителей R 1 = R 2 = R 3 = 100кОм. Т.к. повторитель имеет коэффициент усиления равный единице, то сопротивления ОС повторителей также равны R ос =R 4 =R 5 =R 6 =100 кОм.

Минимальное сопротивление нагрузки повторителей 100 кОм R 7 — R 9 )5,1 кОм.

Чтобы колебания сопротивлений усилителя были незначительными, выберем сопротивление нагрузки исходя из уравнений

U вых = 15U вх1 + 30U вх1 + 60U вх3 = K(K 1 U вх1 + K 2 U вх2 + K 3 U вх3 )

Коэффициенты усиления входных сигналов

K=15, K 1 = 1, K 2 = 2, K 3 = 4

R 7 =10 кОм. R 8 =20 кОм, R 9 =40 кОм.

R  = R 9 + R 8 + R 7 = 70 кОм

Исходя из условия равенства проводимостей ,

откуда R 10 = 41,2кОм. Ближайшее – R 10 =43 кОм

Сигнал рассогласования U  , используемый в дальнейшем для расчета схемы выделения модуля и ШИМа. По исходным данным находим

U  max = U п   / K = 27  0,98 / 15 = 1,764В

2.Расчет схем выделения знака и модуля.

2.1 Схема выделения знака.

Исходя из требований к линейности определим абсолютную величину отклонения U  max *5%=0,088В

Схема выделения знака реализуется за счет компараторов (DA12, DA13).

R 38 =R 44 =10 кОм

R ОС =R 39 =R 45 =300кОм

Смещение компаратора и погрешность сравнения должны быть  5%

 = 0,008  треб =0,08/2=0,04В

U СМ =0,008+0,04=0,048В

U ВХ U ВЫХ МАХ =U ПИТ /2=13,5В

Погрешность реальная

 реал = U ВЫХ МАХ *R 38 /(R 39 +R 38 )=0.44В

Необходим дополнительный усилитель с К= реал / треб =11

R 36 =R 13 *K=82.5 кОм.

Отсюда К реал =85/7,5=11,3

U см =0,008*11,3=0,09В для DA12

U см =13,5*R 43 /(R 43 +R 42 ); 150*R 43 =R 43 +R 42

R42 больше R43 раз в десять эдак 

Отсюда R 42 =149*R 43

Пусть R 43 =1кОм, R 42 =149кОм (Подбирается из серии 150кОм-ных резисторов)

Из условия равенства проводимостей считаем R 41 .

Аналогично рассчитываем DA13.

U см =13,5*R 47 /(R 47 +R 48 ); 150*R 47 =R 47 +R 48

R48 больше R47 раз в десять эдак 

Отсюда R 48 =149*R 47

Пусть R 47 =1кОм, R 48 =149кОм (Подбирается из серии 150кОм-ных резисторов)

Из условия равенства проводимостей считаем R 46 .

2.2. Схема выделения модуля.

Из условия равенства проводимостей, находим R 15 и R 19 .

3. Расчет промежуточного каскада.

3.1.1. Расчет сумматора DA 9 и компаратора DA 10.

Сигнал рассогласования U  , проходя через схему выделения модуля, получает вид: |U  |. Сигнал пилообразной формы и сигнал со СВМ складываются на сумматоре DA9.

Компаратор — устройство с положительной ОС на основе ОУ предназначенное для сравнения входного сигнала с эталонным и, одновременно, выделяющее больший из них. ОС вводится для стабилизации порога срабатывания.

Примем R 30 =5,1 кОм, R ос = R 31 =300 кОм,

Амплитуда пилы должна лежать в пределе 10% U ВЫХ MAX (1,35В) Пусть U пилы =1,14В – для обеспечения минимального количества каскадов.

Требуемая погрешность сравнения компаратора определяется как 5% от U пилы .

— дополнительный коэффициент усиления МДИ.

R21=10кОм. Необходимое дополнительное усиление реализуется за счет соотношения сопротивлений R22=1,3R21=13 кОм, R28=4 R22=52кОм

Из равенства проводимостей находим R29

U см =К доп (U пилы + U  MAX 5%)=1.228 4=4.912В

Rэкв= R34/2.8; R33+Rэкв=5.1кОм

Rэкв=4,1кОм => R34=11.48 кОм Берем R34=12кОм.

Генератор пилообразных колебаний служит для формирования пилообразных колебаний с заданной частотой и амплитудой.

ГПК состоит из нуль-органа DA6 и интегратора DA7.

Нуль-орган — это компаратор, использующий в качестве эталонного сигнала сигнал нулевого уровня.

Интегратор — устройство сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала.

Исходными данными для расчета ГПК являются U пилы = 1,14В и частота следования импульсов f = 2000 Гц.

Принимаем R 26’ = 20 кОм

Частота на выходе ГПК :

74,0110 -9  74 нФ

270=1,14 R25 + 22.8

R25=247.2/1.14=216.8 кОм  220 кОм

R 27’ из условия проводимостей:

R23=R24, отсюда R22=R23/2 => R23=R22 2=26кОм27кОм.

3.2 Расчет усилителя мощности промежуточного каскада.

Исходные данные для расчета.

Входной ток оптронов ОП1-ОП4 I оп =60мА. Напряжение питания U п =27В.

Исходя из этого, выбираем транзисторы управления оптронами VT1 — КТ3102Б и VT2 — КТ361Д.

Так как далее усилители мощности для пар ОП1, ОП2 и ОП3, ОП4 одинаковы — произведем расчет для одной из них — ОП1, ОП2

Рассчитываем сопротивление R51:

4. Расчет силовой части.

4.1 Выбор транзисторов.

Транзисторы выбираются исходя из значения максимального напряжения и тока поступающих на них. Транзистор должен выдерживать напряжение равное 2U пит = 54В

Сигнал, поступающий с компаратора преобразуется в последовательность импульсов изменяемой длительности. Для управления двигателем по обмотке якоря используются транзисторы марки КТ 819 В.

Так как в силовом каскаде нужно придерживаться строгого значения КПД транзисторы запараллеливаются.

3.1.1 Расчет составного транзистора.

U п = 27 В;  = 0,99; I m = 30 А; I n = 10 А

Отбор транзисторов по максимальному напряжению.

U кп  272 = 54 В

Выбираем транзистор КТ819В .

3.1.2 Определение количества транзисторов ( по максимальному току)

n — количество транзисторов в силовом ключе

I m — максимальный ток

I ni — коллекторный ток одного транзистора из группы

3.1.3 Напряжение коллектор-эмитер в режиме насыщения = 0,18 В ( I к =3,33А).

3.1.4 Потребное значение напряжения насыщения :

U кэн  (1-) U п = 270,01 = 0,27 В > имеющегося 0,18В. Имеем КПД = 99,993%.

Рассчитываем сопротивление в эмиттерной цепи КТ819В :

I к = 3,33А, I = 9,85, U = 0,89, R = U/I =0,9Ом

для I к =3,33 =  I бэ = . Общий базовый ток I  бэ = 3I бэ =

Исходя из общего тока базы выберем в качестве питающего транзистора, транзистор КТ817В . Этот транзистор имеет ток коллектора I к = достаточный для запитки базы силовых транзисторов КТ819В и рабочее напряжение до 60В.

Рассчитываем сопротивление в эмиттерной цепи КТ817В :

4.2 Оптопары, диоды.

Оптопары . Исходя из величины тока базы (I базы ) выбираем оптопару АОТ 110А.

Принцип действия и устройство электродвигателя постоянного тока

Содержание

1. Краткая история создания
2. Принцип действия электродвигателя постоянного тока
3. Устройство электродвигателя постоянного тока
4. Особенности и характеристики электродвигателя постоянного тока

Сейчас невозможно представить нашу жизнь без электродвигателей. Они приводят в действие станки, бытовую технику и инструменты, поезда, трамваи и троллейбусы, компьютеры, игрушки и разные подвижные механизмы, устанавливаются на производственных станках, если частоту вращения рабочего вала требуется регулировать в широком диапазоне. Агрегаты для преобразования электрической энергии в механическую представлены множеством видов и моделей (синхронные, асинхронные, коллекторные и т.д.). Из этой статьи вы узнаете, что такое электродвигатель постоянного тока, его устройство и принцип действия.

Краткая история создания

Разные ученые пытались создать экономичный и мощный двигатель еще с первой половины 19 века. Основой послужило открытие М.Фарадея, сделанное в 1821 г. Он обнаружил, что помещенный в магнитное поле проводник вращается. Отталкиваясь от этого, в 1833 г изобретатель Томас Дэвенпорт смог сконструировать двигатель постоянного тока, а позже, в 1834 г, ученый Б.С.Якоби придумал прообраз современной модели двигателя с вращающимся валом. Устройство, более похожее на современные агрегаты, появилось в 1886 г, и до сегодняшнего дня электродвигатель продолжает совершенствоваться.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока

На мысль о создании двигателя ученых натолкнуто следующее открытие. Помещенная в магнитное поле проволочная рамка с пропущенным по ней током начинает вращаться, создавая механическую энергию. Принцип действия электродвигателя постоянного тока основывается на взаимодействии магнитных полей рамки и самого магнита. Но одна рамка после определенного количества вращений замирает в положении, параллельном внешнему магнитному полю. Для продолжения движения необходимо добавить вторую рамку и в определенный момент переключить направление тока.

Вместо рамок в двигателе используется набор проводников, на которые подается ток, и якорь. При запуске вокруг него возбуждается магнитное поле, взаимодействующее с полем обмотки. Это заставляет якорь повернуться на определенный угол. Подача тока на следующие проводники приводит к следующему повороту якоря, и далее процесс продолжается.

Магнитное поле создается либо с помощью постоянного магнита (в маломощных агрегатах), либо с помощью индуктора/обмотки возбуждения (в более мощных устройствах).

Попеременную зарядку проводников якоря обеспечивают щетки, сделанные из графита или сплава графита и меди. Они служат контактами, замыкающими электрическую сеть на выводы пар проводников. Изолированные друг от друга выводы представляют собой кольцо из нескольких ламелей, которое находится на оси вала якоря и называется коллекторным узлом. Благодаря поочередному замыканию ламелей щетками двигатель вращается равномерно. Степень равномерности работы двигателя зависит от количества проводников (чем больше, тем равномернее).

Устройство электродвигателя постоянного тока

Теперь, когда вы знаете, как работает электродвигатель постоянного тока, пора ознакомиться с его конструкцией.

Как и у других моделей, основу двигателя составляют статор (индуктор) – неподвижная часть, и якорь вкупе с щеточноколлекторным узлом – подвижная часть. Обе части разделены воздушным зазором.

В состав статора входят станина, являющаяся элементом магнитной цепи, а также главные и добавочные полюса. Обмотки возбуждения, необходимые для создания магнитного поля, находятся на главных полюсах. Специальная обмотка, улучшающая условия коммутации, расположена на добавочных полюсах.

Якорь представляет собой узел, состоящий из магнитной системы (она собрана из нескольких листов), набора обмоток (проводников), уложенных в пазы, и коллектора, который подводит постоянный ток к рабочей обмотке.

Коллектор имеет вид цилиндра, собранного из изолированных медных пластин. Он насажен на вал двигателя и имеет выступы, к которым подходят концы секций обмотки якоря. Щетки снимают ток с коллектора, входя с ним в скользящий контакт. Удержание щеток в нужном положении и обеспечение их нажатия на коллектор с определенной силой осуществляется щеткодержателями.

Многие модели двигателей оснащены вентилятором, задача которого – охлаждение агрегата и увеличение продолжительности рабочего периода.

Особенности и характеристики электродвигателя постоянного тока

Эксплуатационные характеристики электродвигателя постоянного тока позволяют широко использовать это устройство в самых разных сферах – от бытовых приборов до транспорта. К его преимуществам можно отнести:

• Экологичность. При работе не выделяются вредные вещества и отходы.
• Надежность. Благодаря довольно простой конструкции он редко ломается и служит долго.
• Универсальность. Он может использоваться в качестве как двигателя, так и генератора.
• Простота управления.
• Возможность регулирования частоты и скорости вращения вала – достаточно подключить агрегат в цепь переменного сопротивления.
• Легкость запуска.
• Небольшие размеры.
• Возможность менять направление вращения вала. В двигателе с последовательным возбуждением нужно изменить направление тока в обмотке возбуждения, во всех остальных типах – в якоре.

Как и любое устройство, электродвигатели постоянного тока имеют и «слабые стороны»:

• Их себестоимость, следовательно, и цена достаточно высока.
• Для подключения к сети необходим выпрямитель тока.
• Самая уязвимая и быстроизнашивающаяся деталь – щетки – требует периодической замены.
• При сильной перегрузке может случиться возгорание. Если соблюдать правила эксплуатации, такая возможность исключена.

Но, как видите, достоинства явно перевешивают, поэтому на данный момент электродвигатель является одним из наиболее экономичных и эффективных устройств. Зная устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока, вы сможете самостоятельно собрать и разобрать его для техосмотра, чистки или устранения неисправностей.