Характеристики двигателей постоянного тока и описать их

Схемы электродвигателей постоянного тока и их характеристики

Свойства электродвигателей постоянного тока определяются в основном способом включения обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают электродвигатели:

1. с независимым возбуждением : обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя) ,

2. с параллельным возбуждением : обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря,

3. с последовательным возбуждением : обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря,

4. со смешанным возбуждением : он имеет две обмотки возбуждения, одна подключена параллельно обмотке якоря, а другая — последовательно с ней.

Все эти электродвигатели имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения указанных электродвигателей выполняют так же, как у соответствующих генераторов .

Электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением

В этом электродвигателе (рис. 1, а) обмотка якоря подключена к основному источнику постоянного тока (сети постоянного тока, генератору или выпрямителю) с напряжением U, а обмотка возбуждения — к вспомогательному источнику в напряжением UB. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат Rрв, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат Rn.

Регулировочный реостат служит для регулирования частоты вращения якоря двигателя, а пусковой — для ограничения тока в обмотке якоря при пуске. Характерной особенностью электродвигателя является то, что его ток возбуждения Iв не зависит от тока Iя в обмотке якоря (тока нагрузки). Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя Ф не зависит от нагрузки. Зависимости электромагнитного момента М и частоты вращения n от тока Iя будут линейными (рис. 2, а). Следовательно, линейной будет и механическая характеристика двигателя — зависимость п (М) (рис. 2, б).

При отсутствии в цепи якоря реостата с сопротивлением Rn скоростная и механическая характеристики будут жесткими, т. е. с малым углом наклона к горизонтальной оси, так как падение напряжения IяΣRя в обмотках машины, включенных в цепь якоря, при номинальной нагрузке составляет лишь 3—5 % от Uном. Эти характеристики (прямые 1 на рис. 2, а и б) называются естественными. При включении в цепь якоря реостата с сопротивлением Rn угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего можно получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4, соответствующих различным значениям Rn1, Rn2 и Rn3.

Рис. 1. Принципиальные схемы электродвигателей постоянного тока с независимым (а) и параллельным (б) возбуждением

Рис. 2. Характеристики электродвигателей постоянного тока с независимым и параллельным возбуждением : а — скоростные и моментная, б — механические, в — рабочие Чем больше сопротивление Rn, тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче.

Регулировочный реостат Rpв позволяет изменять ток возбуждения двигателя Iв и его магнитный поток Ф. При этом будет изменяться и частота вращения n.

В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, так как при разрыве этой цепи резко уменьшается магнитный поток электродвигателя (в нем остается лишь поток от остаточного магнетизма) и возникает аварийный режим. Если электродвигатель работает при холостом ходе или небольшой нагрузке на валу, то частота вращения резко возрастает (двигатель идет вразнос). При этом сильно увеличивается ток в обмотке якоря Iя и может возникнуть круговой огонь. Во избежание этого защита должна отключить электродвигатель от источника питания.

Резкое увеличение частоты вращения при обрыве цепи обмотки возбуждения объясняется тем, что в этом случае резко уменьшаются магнитный поток Ф (до значения потока Фост от остаточного магнетизма) и э. д. с. Е и возрастает ток Iя. А так как приложенное напряжение U остается неизменным, то частота вращения n будет увеличиваться до тех пор, пока э. д. с. Е не достигнет значения, приблизительно равного U (что необходимо для равновесного состояния электрической цепи якоря, при котором E= U — IяΣRя.

При нагрузке на валу, близкой к номинальной, электродвигатель в случае разрыва цепи возбуждения остановится, так как электромагнитный момент, который может развить двигатель при значительном уменьшении магнитного потока, уменьшается и станет меньше нагрузочного момента на валу. В этом случае так же резко увеличивается ток Iя, и машина должна быть отключена от источника питания.

Следует отметить, что частота вращения n0 соответствует идеальному холостому ходу, когда двигатель не потребляет из сети электрической энергии и его электромагнитный момент равен нулю. В реальных условиях в режиме холостого хода двигатель потребляет из сети ток холостого хода I0, необходимый для компенсации внутренних потерь мощности, и развивает некоторый момент M0, требуемый для преодоления сил трения в машине. Поэтому в действительности частота вращения при холостом ходе меньше n0.

Зависимость частоты вращения n и электромагнитного момента М от мощности Р2 (рис. 2, в) на валу двигателя, как следует из рассмотренных соотношений, является линейной. Зависимости тока обмотки якоря Iя и мощности Р1 от Р2 также практически линейны. Ток Iя и мощность Р1 при Р2 = 0 представляют собой ток холостого хода I0 и мощность Р0, потребляемую при холостом ходе. Кривая к. п. д. имеет характер, общий для всех электрических машин.

Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

В этом электродвигателе (см. рис. 1, б) обмотки возбуждения и якоря питаются от одного и того же источника электрической энергии с напряжением U. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат Rpв, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат Rп.

В рассматриваемом электродвигателе имеет место, по существу, раздельное питание цепей обмоток якоря и возбуждения, вследствие чего ток возбуждения Iв не зависит от тока обмотки якоря Iв. Поэтому электродвигатель с параллельным возбуждением будет иметь такие же характеристики, как и двигатель с независимым возбуждением. Однако двигатель с параллельным возбуждением работает нормально только при питании от источника постоянного тока с неизменным напряжением.

При питании электродвигателя от источника с изменяющимся напряжением (генератор или управляемый выпрямитель) уменьшение питающего напряжения U вызывает соответствующее уменьшение тока возбуждения Iв и магнитного потока Ф, что приводит к увеличению тока обмотки якоря Iя. Это ограничивает возможность регулирования частоты вращения якоря путем изменения питающего напряжения U. Поэтому электродвигатели, предназначенные для питания от генератора или управляемого выпрямителя, должны иметь независимое возбуждение.

Электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением

Для ограничения тока при пуске в цепь обмотки якоря включен пусковой реостат Rп (рис. 3, а), а для регулирования частоты вращения параллельно обмотке возбуждения может быть включен регулировочный реостат Rрв.

Рис. 3. Принципиальная схема электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением (а) и зависимость его магнитного потока Ф от тока Iя в обмотке якоря (б)

Рис. 4. Характеристики электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением: а — скоростные и моментная, б — механические, в — рабочие.

Характерной особенностью этого электродвигателя является то, что его ток возбуждения Iв равен или пропорционален (при включении реостата Rpв) току обмотки якоря Iя, поэтому магнитный поток Ф зависит от нагрузки двигателя (рис. 3, б).

При токе обмотки якоря Iя, меньшем (0,8—0,9) номинального тока Iном магнитная система машины не насыщена и можно считать, что магнитный поток Ф изменяется прямо пропорционально току Iя. Поэтому скоростная характеристика электродвигателя будет мягкая — с увеличением тока Iя частота вращения n будет резко уменьшаться (рис. 4, а). Уменьшение частоты вращения n, происходит из-за увеличения падения напряжения IяΣRя. во внутреннем сопротивлении Rя. цепи обмотки якоря, а также из-за увеличения магнитного потока Ф.

Электромагнитный момент М при увеличении тока Iя будет резко возрастать, так как в этом случае увеличивается и магнитный поток Ф, т. е. момент М будет пропорционален току Iя. Поэтому при токе Iя, меньшем (0,8 Н- 0,9) Iном, скоростная характеристика имеет форму гиперболы, а моментная — параболы.

При токах Iя > Iном зависимости М и п от Iя линейны, так как в этом режиме магнитная цепь будет насыщена и магнитный поток Ф при изменении тока Iя меняться не будет.

Механическая характеристика, т. е. зависимость n от М (рис. 4, б), может быть построена на основании зависимостей n и М от Iя. Кроме естественной характеристики 1, можно путем включения в цепь обмотки якоря реостата с сопротивлением Rп получить семейство реостатных характеристик 2, 3 и 4. Эти характеристики соответствуют различным значениям Rn1, Rn2 и Rn3, при этом чем больше Rn, тем ниже располагается характеристика.

Механическая характеристика рассматриваемого двигателя мягкая и имеет гиперболический характер. При малых нагрузках магнитный поток Ф сильно уменьшается, частота вращения n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет вразнос). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.).

Обычно минимально допустимая нагрузка для двигателей большой и средней мощности составляет (0,2 …. 0,25) Iном. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой), применение ременной передачи или фрикционной муфты недопустимо.

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют, особенно там, где имеют место изменения нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска: во всех тяговых приводах (электровозы, тепловозы, электропоезда, электрокары, электропогрузчики и пр.), а также в приводах грузоподъемных механизмов (краны, лифты и пр.).

Объясняется это тем, что при мягкой характеристике увеличение нагрузочного момента приводит к меньшему возрастанию тока и потребляемой мощности, чем у двигателей с независимым и параллельным возбуждением, поэтому двигатели с последовательным возбуждением лучше переносят перегрузки. Кроме того, эти двигатели имеют большой пусковой момент, чем двигатели с параллельным и независимым возбуждением, так как при увеличении тока обмотки якоря при пуске соответственно увеличивается и магнитный поток.

Если принять, например, что кратковременный пусковой ток может в 2 раза превышать номинальный рабочий ток машины, и пренебречь влиянием насыщения, реакцией якоря и падением напряжения в цепи его обмотки, то в двигателе с последовательным возбуждением пусковой момент будет в 4 раза больше номинального (в 2 раза увеличиваются и ток, и магнитный поток), а в двигателях с независимым и параллельным возбуждением — только в 2 раза больше.

В действительности из-за насыщения магнитной цепи магнитный поток не увеличивается пропорционально току, но все же пусковой момент двигателя с последовательным возбуждением при прочих равных условиях будет значительно больше пускового момента такого же двигателя с независимым или параллельным возбуждением.

Зависимости n и М от мощности Р2 на валу электродвигателя (рис. 4, в), как следует из рассмотренных выше положений, являются нелинейными, зависимости P1, Iя и η от Р2 имеют такую же форму, как и у двигателей с параллельным возбуждением.

Электродвигатель постоянного тока со смешанным возбуждением

В этом электродвигателе (рис. 5, а) магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения — параллельной (или независимой) и последовательной, по которым проходят токи возбуждения Iв1 и Iв2 = Iя

где Фпосл — магнитный поток последовательной обмотки, зависящий от тока Iя, Фпар — магнитный поток параллельной обмотки, который не зависит от нагрузки (определяется током возбуждения Iв1).

Механическая характеристика электродвигателя со смешанным возбуждением (рис. 5, б) располагается между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения магнитодвижущих сил параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристики двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (кривая 3 при малой м. д. с. последовательной обмотки) или к характеристике 2 (кривая 4 при малой м. д. с. параллельной обмотки).

Рис. 5. Принципиальная схема электродвигателя со смешанным возбуждением (а) и его механические характеристики (б)

Достоинством двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, когда Фпосл=0. В этом режиме частота вращения его якоря определяется магнитным потоком Фпар и имеет ограниченное значение (двигатель не идет вразнос).

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Двигатели постоянного тока — Технические характеристики

Основной серией машин постоянного тока общего назначения, изготавливаемых в СНГ, является серия 2П. Она охватывает диапазон мощностей от 0,37 до 200 кВт при высоте осей вращения 90 — 315 мм. Электродвигатели этой серии предназначены для широкорегулируемых электроприводов. Они заменяют машины серии П, а также специализированные машины серий ПС (Т), ПБС (Т), ПР. Приведем структуру условного обозначения машины постоянного тока серии 2П:
2П/1 Х/2 Х/3 Х/4 Х/5 Х/6,
где 1 — название серии (2П); 2 — исполнение по способу защиты и вентиляции: Ф — защищенное исполнение с независимой вентиляцией от постороннего вентилятора, Б — закрытое исполнение с естественным охлаждением, О — закрытое исполнение с внешним обдувом от вентилятора; 3 — высота осей вращения, мм; 4 — условное обозначение длины сердечника якоря: М — средняя, L — большая; 5 — буква F при наличии встроенного тахогенератора (при отсутствии тахогенератора буква Г не ставится); 6 — климатическое исполнение и категория размещения.
Электродвигатели серии 2П изготавливаются с полным числом добавочных полюсов. При этом двигатели с высотой оси вращения 90 и 100 мм — двухполюсные, 112 мм — четырехполюсные.
Двигатели типов 2ПН, 2ПФ обладают степенью защиты IP22, а типов 2ПБ и 2ПО — IP44. Двигатели со степенью защиты IP22 имеют центробежный реверсивный вентилятор, насаженный на вал якоря со стороны, противоположной коллектору.
Двигатели со степенью защиты IP44 имеют внешний центробежный вентилятор, который насажен на конец вала, противоположный приводу, и закрыт штампованным или сваренным кожухом из листовой стали толщиной 1-2 мм. Внутри таких двигателей со стороны, противоположной коллектору, размещается вентилятор-мешалка.
Для привода вентилятора в двигателях типа 2ПФ и 2ПО используется асинхронный двигатель типа 4АА56А4УЗ с синхронной частотой вращения 1500 об/мин.
В двигателях с высотой оси вращения 90 — 200 мм станина изготовлена из отрезков цельнотянутых труб, а с высотой оси вращения 225 -315 мм станины сварные, из толстолистового проката.
Соединение двигателей серии 2П с приводом осуществляется эластичной, зубчатой или клиноременной передачей. Рабочий конец вала — со стороны, противоположной коллектору.
Двигатели изготавливаются с независимым возбуждением. Напряжение возбуждения 110 или 220 В независимо от номинального напряжения якоря.
Режим работы машины серии 2П продолжительный (S1), средний срок службы 12 лет, средний ресурс 30000 ч.
Двигатели типа 2П. Г изготавливаются с тахогенератором типа ТС1, который имеет закрытое встроенное исполнение. Возбуждение тахогенератора от постоянных магнитов.
Номинальное напряжение якорной цепи машины серии 2П составляет 110, 220, 240 и 660В.
Машины новой серии 4П по сравнению с серией 2П характеризуются улучшенными массогабаритными показателями. Все машины этой серии имеют распределенную компенсационную обмотку, а магнитопроводы (сердечники) статора и якоря шихтованные.
В ряде машин серии 4П (например, типов 4ПО, 4ПБ) статоры изготовлены по типу статоров асинхронных двигателей и не имеют явных полюсов. Обмотка возбуждения укладывается в 2 паза в пределах полюсной дуги, компенсационная обмотка размещается равномерно во всех оставшихся пазах расточки статора.
Двигатели типов 4ПО, 4ПБ имеют степень защиты IP44. Они рассчитаны на длительный режим работы (S1), но допускают эксплуатацию в режимах S3 — S8, изготавливаются с параллельным или независимым возбуждением 220В.
Широкорегулируемые электродвигатели типа 4ПФ обладают степенью защиты IP23. Они поставляются со встроенным тахогенератором типа ТП80-20-0,23 и датчиком тепловой защиты. Возбуждение независимое от напряжения 110 и 220В.
Двигатели типа 4ПФ имеют статор восьмигранного сечения, который набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Он запрессован между двумя нажимными плитами толщиной 10 мм из стального проката. В осевом направлении пакет статора стянут шпильками и приварен по углам по накладным планкам, которые обеспечивают поперечную жесткость. В нажимных плитах сделаны резьбовые отверстия для болтов крепления подшипниковых щитов.
Обмотки статора наматываются машинным способом.
Для вентиляции в статоре предусмотрены аксиальные каналы. Подшипниковые щиты — чугунные, литые. Лапы изготавливаются на подшипниковых щитах. Щеткодержатели — радиальные унифицированной конструкции.
Электродвигатели выполняются с подшипниками качения класса точности 6.
Для механизмов, эксплуатирующихся в тяжелых условиях (металлорежущие станки, металлургическое производство), изготавливаются крупные электродвигатели серии 4П с высотой оси вращения 350 и 450 мм.
В условном обозначении этих двигателей после серии (4П) последовательно указываются высота оси вращения, количество щеток на коллекторе, мощность при основном напряжении, климатическое исполнение (У или Т), категория размещения.
Двигатели могут изготавливаться на напряжение 440, 660, 750, 930 В. Возбуждение — независимое (напряжение 220 В). Основной режим работы продолжительный (S1), но допускается работа в режимах S3 — S8. Двигатели выполняются с тахогенератором постоянного тока и реле скорости. Вентиляция принудительная от отдельного вентилятора. Степень защиты IP44.
Электродвигатели постоянного тока серии ПГ (ПГТ) изготавливаются с гладким якорем и предназначены для работы в быстродействующих электроприводах слежения и широкорегулируемых электроприводах металлорежущих станков и других рабочих машин при питании от источников постоянного тока и полупроводниковых преобразователей. Электродвигатель может быть с тахогенератором типа TC-IM (серия ПГТ). Режим работы продолжительный (S1).
В условном обозначении последовательно указываются: серия (ПГ), буква Т — при наличии встроенного тахогенератора, мощность, М — модернизированный, климатическое исполнение, категория размещения.
Двигатели изготавливаются в защищенном исполнении, воздух продувается с помощью вентилятора-наездника, который приводится в движение асинхронным двигателем.
Двигатели серии ЭП предназначены для работы в широкорегулируемых электроприводах металлорежущих станков высокой точности и специальных установок. В условном обозначении после букв ЭП указывается: в числителе — номинальное напряжение, а в знаменателе — мощность (условно). Номинальный режим работы S1.
Для прокатных станов, шагающих экскаваторов, шахтных подъемников, гребных установок и испытательных стендов предназначены машины постоянного тока большой мощности серий П2 и МП. Их мощность составляет 3150 — 12 500 кВт при частоте вращения 36 -800 об/мин, напряжение — 440, 750, 930 В.
Для питания мощных двигателей постоянного тока главных приводов прокатных станов используют генераторы постоянного тока серии ГП.
Существуют серии машин постоянного тока специального назначения: крановые, металлургические, тяговые, микромашины систем автоматики.
Двигатели серии Д предназначены для специализированных кранов, вспомогательных металлургических механизмов с повторно-кратковременным режимом работы, большим числом включений, широким диапазоном регулирования скорости. При регулировании двигателей допускается увеличение напряжения до 440 В относительно номинального 220 В. Средняя скорость тихоходного исполнения 700; быстроходного — 1200 об/мин. Для тихоходных двигателей допустимое число включений в час составляет 2000, для быстроходных — 300. Класс нагревостойкости изоляции обмоток и коллектора Н (превышение температуры 120 °С).
Основное конструктивное исполнение двигателей закрытое со степенью защиты IP21. Двигатели серии Д810 — Д818 имеют разъемную станину. Оба конца вала двигателя одинаковые и могут передавать момент через шестерню, изготавливаются на мощность 2,5 — 185 кВт. Для тепловозов выпускаются генераторы постоянного тока серии ГП на мощность 700 — 2000 кВт, напряжение 310 — 810 В, частоту вращения 900 — 4220 об/мин и предназначены для питания тяговых электродвигателей. Станина генератора цилиндрическая с опорными лапами по бокам. Главные полюса шихтованные, на них расположены обмотки независимого и последовательного (для пуска дизеля) возбуждения. Добавочные полюса выполнены сплошными из толстолистовой стали.
В качестве тяговых электродвигателей тепловозов применяют машины постоянного тока последовательного возбуждения серии ЭД, которые изготавливаются на мощность 230 — 411кВт, напряжение 381 -700 В и частоту вращения 585 — 3050 об/мин. Двигатели имеют независимую вентиляцию и защищенное исполнение.
Для электровозов выпускаются тяговые электродвигатели серий ТЛ (670кВт, 1500 В), НБ (575 — 790кВт, 950 — 1100В), ДТ (465 кВт, 1500 В).
На городском электрифицированном транспорте применяют тяговые электродвигатели постоянного тока серии ДК. Они изготавливаются со степенью защиты IP20, с самовентиляцией, воздух подается со стороны коллектора. Серия ДК характеризуется мощностью 45 — 185 кВт, напряжением 275 — 750 В, средней частотой вращения 1500 об/мин. Для удобства обслуживания электродвигатели трамваев имеют только по два пальца щеткодержателей, которые расположены в нижней части станины.
Электродвигатели постоянного тока серии ДК (230 — 560 кВт, 550 -750 В, 550 — 1040 об/мин) предназначены для встраивания в колеса автосамосвалов и автопоездов грузоподъемностью 75 — 180 т. Двигатель встраивается в центральную часть колеса и крепится к неподвижной части фланцем, который расположен на круглой станине двигателя. Один шлицевый конец вала служит для передачи вращающего момента через редуктор планетарного типа, второй используют для крепления диска тормоза с электро- или пневмоприводом. Выводные концы привода расположены на подшипниковом щите со стороны коллектора. Двигатель не имеет коробки выводов.
Возбуждение электродвигателя последовательное, используется также обмотка независимого (параллельного) возбуждения. Двигатель имеет компенсационную обмотку для улучшения коммутации. Вентиляция двигателя независимая, с подачей воздуха через один из люков со стороны коллектора. Степень защиты IP20.
Для безрельсового напольного электротранспорта (погрузчики, электроштабелеры, электротягачи) выпускаются электродвигатели серий ЗДТ, ГТ, ДК, РТ, ЗДВ мощностью 1,35 — 21 кВт и напряжением 24 — 110В. Все двигатели четырехполюсные, обмотки якорей двигателей волновые, сделаны из прямоугольного медного провода и удерживаются в пазах бандажом из стеклоленты или стальной луженой проволоки.
Станины двигателей изготовляются из стальной прокатной трубы. Большинство электродвигателей имеет последовательное возбуждение и закрытое исполнение с естественным охлаждением.
Двигатели серий ДКВ и ДВ характеризуются взрывозащищенным исполнением.
Для привода рудничных аккумуляторных электровозов предназначены электродвигатели серий ДРТ, ДПТР мощностью 2,4 — 19 кВт и напряжением 80 — 250 В. Они имеют взрывозащитное исполнение и естественное охлаждение.
Двигатели постоянного тока серий ДК и ЭТ предназначены для контактных рудничных электровозов, которые работают в невзрывоопасной среде.
Крупные электрические машины постоянного тока используются для работы в приводах одноковшевых экскаваторов с емкостью ковша 4 м3 и более и в роторных экскаваторах.
Электродвигатели серий МПЭ и МПВЭ применяются для привода механизмов поворота, подъема, тяги и шагания экскаваторов и работают в режимах широкого регулирования скорости, частых реверсов с большими кратковременными перегрузками. Генераторы (серия ГПЭ), которые входят в состав преобразовательных агрегатов, предназначены для питания электродвигателей механизмов главных приводов экскаваторов.
Электродвигатели изготавливаются мощностью 500 — 1120 кВт и напряжением 440 В, а генераторы — 75 — 2500 кВт и напряжением 460, 630, 750, 930 и 1200 В.
Для питания двигателей приводов механизмов экскаваторов выпускаются также генераторы постоянного тока серий 2МП, 2ПЭ (14 -520кВт, 115 — 750 В, 1000 — 1500 об/мин).
Для экскаваторных электроприводов применяются также крановые электродвигатели постоянного тока экскаваторной модификации (серия ДЭ) мощностью до 200 кВт.

Электродвигатели постоянного тока. Устройство и работа. Виды

Электрические двигатели, приводящиеся в движение путем воздействия постоянного тока, применяются значительно реже, по сравнению с двигателями, работающими от переменного тока. В бытовых условиях электродвигатели постоянного тока используются в детских игрушках, с питанием от обычных батареек с постоянным током. На производстве электродвигатели постоянного тока приводят в действие различные агрегаты и оборудование. Питание для них подводится от мощных батарей аккумуляторов.

Устройство и принцип работы

Электродвигатели постоянного тока по конструкции подобны синхронным двигателям переменного тока, с разницей в типе тока. В простых демонстрационных моделях двигателя применяли один магнит и рамку с проходящим по ней током. Такое устройство рассматривалось в качестве простого примера. Современные двигатели являются совершенными сложными устройствами, способными развивать большую мощность.

Главной обмоткой двигателя служит якорь, на который подается питание через коллектор и щеточный механизм. Он совершает вращательное движение в магнитном поле, образованном полюсами статора (корпуса двигателя). Якорь изготавливается из нескольких обмоток, уложенных в его пазах, и закрепленных там специальным эпоксидным составом.

Статор может состоять из обмоток возбуждения или из постоянных магнитов. В маломощных двигателях используют постоянные магниты, а в двигателях с повышенной мощностью статор снабжен обмотками возбуждения. Статор с торцов закрыт крышками со встроенными в них подшипниками, служащими для вращения вала якоря. На одном конце этого вала закреплен охлаждающий вентилятор, который создает напор воздуха и прогоняет его по внутренней части двигателя во время работы.

Принцип действия такого двигателя основывается на законе Ампера. При размещении проволочной рамки в магнитном поле, она будет вращаться. Проходящий по ней ток создает вокруг себя магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем, что приводит к вращению рамки. В современной конструкции мотора роль рамки играет якорь с обмотками. На них подается ток, в результате вокруг якоря создается магнитное поле, которое приводит его во вращательное движение.

Для поочередной подачи тока на обмотки якоря применяются специальные щетки из сплава графита и меди.

Выводы обмоток якоря объединены в один узел, называемый коллектором, выполненным в виде кольца из ламелей, закрепленных на валу якоря. При вращении вала щетки по очереди подают питание на обмотки якоря через ламели коллектора. В результате вал двигателя вращается с равномерной скоростью. Чем больше обмоток имеет якорь, тем равномернее будет работать двигатель.

Щеточный узел является наиболее уязвимым механизмом в конструкции двигателя. Во время работы медно-графитовые щетки притираются к коллектору, повторяя его форму, и с постоянным усилием прижимаются к нему. В процессе эксплуатации щетки изнашиваются, а токопроводящая пыль, являющаяся продуктом этого износа, оседает на деталях двигателя. Эту пыль необходимо периодически удалять. Обычно удаление пыли выполняют воздухом под большим давлением.

Щетки требуют периодического их перемещения в пазах и продувки воздухом, так как от накопившейся пыли они могут застрять в направляющих пазах. Это приведет к зависанию щеток над коллектором и нарушению работы двигателя. Щетки периодически требуют замены из-за их износа. В месте контакта коллектора со щетками также происходит износ коллектора. Поэтому при износе якорь снимают и на токарном станке протачивают коллектор. После проточки коллектора изоляция, находящаяся между ламелями коллектора стачивается на небольшую глубину, чтобы она не разрушала щетки, так как ее прочность значительно превышает прочность щеток.

Виды

Электродвигатели постоянного тока разделяют по характеру возбуждения:

Независимое возбуждение

При таком характере возбуждения обмотка подключается к внешнему источнику питания. При этом параметры двигателя аналогичны двигателю на постоянных магнитах. Обороты вращения настраиваются сопротивлением обмоток якоря. Скорость регулируют специальным регулировочным реостатом, включенным в цепь обмоток возбуждения. При значительном снижении сопротивления или при обрыве цепи ток якоря повышается до опасных величин.

Электродвигатели с независимым возбуждением запрещается запускать без нагрузки или с небольшой нагрузкой, так как его скорость резко возрастет, и двигатель выйдет из строя.

Параллельное возбуждение

Обмотки возбуждения и ротора соединяются параллельно с одним источником тока. При такой схеме ток обмотки возбуждения значительно ниже тока ротора. Параметры двигателей становятся слишком жесткими, их можно применять для привода вентиляторов и станков.

Регулировка оборотов двигателя обеспечивается реостатом в последовательной цепи с обмотками возбуждения или в цепи ротора.

Последовательное возбуждение

В этом случае возбуждающая обмотка подключается последовательно с якорем, в результате чего по этим обмоткам проходит одинаковый ток. Обороты вращения такого мотора зависят от его нагрузки. Двигатель нельзя запускать на холостом ходу без нагрузки. Однако такой двигатель обладает приличными пусковыми параметрами, поэтому подобная схема используется в работе тяжелого электротранспорта.

Смешанное возбуждение

Такая схема предусматривает применение двух обмоток возбуждения, находящихся парами на каждом полюсе двигателя. Эти обмотки можно соединять двумя способами: с суммированием потоков, либо с их вычитанием. В итоге электродвигатель может обладать такими же характеристиками, как у двигателей с параллельным или последовательным возбуждением.

Чтобы заставить двигатель вращаться в другую сторону, на одной из обмоток изменяют полярность. Для управления скоростью вращения мотора и его запуском используют ступенчатое переключение разных резисторов.

Особенности эксплуатации

Электродвигатели постоянного тока отличаются экологичностью и надежностью. Их главным отличием от двигателей переменного тока является возможность регулировки оборотов вращения в большом диапазоне.

Такие электродвигатели постоянного тока можно также применять в качестве генератора. Изменив направление тока в обмотке возбуждения или в якоре, можно изменять направление вращения двигателя. Регулировка оборотов вала двигателя осуществляется с помощью переменного резистора. В двигателях с последовательной схемой возбуждения это сопротивление расположено в цепи якоря и позволяет уменьшить скорость вращения в 2-3 раза.

Этот вариант подходит для механизмов с длительным временем простоя, так как при работе реостат сильно нагревается. Повышение оборотов создается путем включения в цепь возбуждающей обмотки реостата.

Для моторов с параллельной схемой возбуждения в цепи якоря также применяются реостаты для уменьшения оборотов в два раза. Если в цепь обмотки возбуждения подключить сопротивление, то это позволит повышать обороты до 4 раз.

Применение реостата связано с выделением тепла. Поэтому в современных конструкциях двигателей реостаты заменяют электронными элементами, управляющими скоростью без сильного нагревания.

На коэффициент полезного действия мотора, работающего на постоянном токе, влияет его мощность. Слабые электродвигатели постоянного тока обладают малой эффективностью, и их КПД около 40%, в то время, как электродвигатели мощностью 1 МВт могут обладать коэффициентом полезного действия до 96%.

Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением – схема работы

Содержание

1. Характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением
2. Сферы применения двигателя
3. Регулирование частоты вращения
4. Двигатель с независимым возбуждением

Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением – это электродвигатель, у которого обмотки якоря и возбуждения подключаются друг к другу параллельно. Часто по своей функциональности он превосходит агрегаты смешанного и последовательного типов в случаях, если необходимо задать постоянную скорость работы.

Характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Формула общего тока, идущего от источника, выводится согласно первому закону Кирхгофа и имеет вид: I = I_я + I_в, где I_я — ток якоря, I_в – ток возбуждения, а I – ток, который двигатель потребляет от сети. Следует отметить, что при этом I_в не зависит от I_я, т.е. ток возбуждения не зависит от нагрузки. Величина тока в обмотке возбуждения меньше тока якоря и составляет примерно 2-5% от сетевого тока.

В целом, данные электродвигатели отличаются следующими весьма полезными тяговыми параметрами:

• Высокая экономичность (поскольку ток якоря не проходит через обмотку возбуждения).
• Устойчивость и непрерывность рабочего цикла при колебаниях нагрузки в широких пределах (т.к. величина момента сохраняется даже в случае изменения числа оборотов вала).

При недостаточном моменте пуск осуществляется посредством перехода на смешанный тип возбуждения.

Сферы применения двигателя

Поскольку частота вращения подобных двигателей остается почти постоянной даже при изменении нагрузки, а также может изменяться при помощи регулировочного реостата, они широко применяются в работе с:

• вентиляторами;
• насосами;
• шахтными подъемниками;
• подвесными электрическими дорогами;
• станками (токарными, металлорежущими, ткацкими, печатными, листоправильными и пр.).

Таким образом, этот вид двигателей в основном используется с механизмами, требующими постоянства скорости вращения или ее широкой регулировки.

Регулирование частоты вращения

Регулирование скорости – это целенаправленное изменение скорости электродвигателя в принудительном порядке при помощи специальных устройств или приспособлений. Оно позволяет обеспечить оптимальный режим работы механизма, его рациональное использование, а также уменьшить расход энергии.

Существует три основных способа регулирования скорости двигателя:

1. Изменение магнитного потока главных полюсов. Осуществляется при помощи регулировочного реостата: при увеличении его сопротивления магнитный поток главных полюсов и ток возбуждения I_в уменьшаются. При этом увеличивается число оборотов якоря на холостом ходу, а также угол наклона механической характеристики. Жесткость механических характеристик сохраняется. Однако увеличение скорости может привести к механическим повреждениям агрегата и к ухудшению коммутации, поэтому не рекомендуется увеличивать частоту вращения этим методом более чем в два раза.
2. Изменение сопротивления цепи якоря. К якорю последовательно подключается регулировочный реостат. Скорость вращения якоря уменьшается при увеличении сопротивления реостата, а наклон механических характеристик увеличивается. Регулировка скорости вышеуказанным способом:

• способствует уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики;
• связана с большой величиной потерь в регулировочном реостате, следовательно, неэкономична.

1. Безреостатное изменение подаваемого на якорь напряжения. В этом случае необходимо наличие отдельного источника питания с регулируемым напряжением, например, генератора или управляемого вентиля.

Двигатель с независимым возбуждением

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения как раз и реализует третий принцип регулирования скорости. Его отличие в том, что обмотка возбуждения и магнитное поле главных полюсов подключаются к разным источникам. Ток возбуждения является неизменной характеристикой, а магнитное поле меняется. При этом изменяется число оборотов вала на холостом ходу, жесткость характеристики остается прежней.

Таким образом, принцип работы дпт с независимым возбуждением является достаточно сложным вследствие независимой работы двух источников, тем не менее, его главное преимущество – большая экономичность.