Андрей Смирнов
Время чтения: ~17 мин.
Просмотров: 0

Электродвигатели постоянного тока

Информационная табличка на двигателе (шильдик)

Полную и достоверную информацию о двигателе можно узнать, если уметь «читать» шильдик. Точнее то, что на нем написано. Начнем описание шильдика рассматриваемого двигателя сверху вниз.

Далее построчно:

  1. Название двигателя. Значок слева – эмблема завода-изготовителя, справа – знак качества СССР.
  2. Слева: тип двигателя – в этом наборе букв и цифр кодировалась технологическая информация. В кодировку могли включить данные о: количестве катушек в одной обмотке; количество витков провода в одной катушке; скольким числом проводов намотаны катушки; тип лака, примененного для пропитки и т.д. Справа: заводской номер двигателя.
  3. Слева направо: количество рабочих фаз; частота рабочего напряжения (Гц); мощность двигателя (W); cos φ – коэффициент мощности тока (параметр показывает, какое количество тока, взятого из сети, используется по назначению). Чем больше мощность, тем выше этот параметр.
  4. Число оборотов в минуту вала двигателя; характеристики статора – по каким схемам можно соединять обмотки (треугольник или звезда); величина(ы) рабочего напряжения.
  5. Ток, потребляемый двигателем, соответствующий каждой схеме соединения обмоток (в данном случае – 2,3 А при соединении «треугольником» и 1,33 А – «звездой»); коэффициент полезного действия (КПД), степень пыле- влагозащиты (IP44).
  6. ГОСТ СССР, по которому сделан двигатель; класс изоляции, режим S1. Режим S1 означает, что это постоянный режим работы. В таком режиме двигатель может оставаться включенным в работу на длительное время.
  7. Страна-производитель двигателя.

Торможение реактивной нагрузкой

Сделать это можно с помощью мощной конденсаторной батареи. Включите ее в цепь питания двигателя, который работает в обычном режиме. Заряд, накопленный в батарее, будет в противофазе с зарядом, создаваемым питающим напряжением, что приведет к замедлению последнего. После этого двигатель вместо поглощения тока начинает генерировать его, отдавая в сеть.

Любой транспорт на электротяге работает именно благодаря этому эффекту – при «самостоятельном» движении под уклон механическая энергия не требуется, и конденсаторная батарея автоматически подключается к цепи питания. Вырабатываемая энергия подается в сеть, чтобы затем опять преобразоваться в механическую.

Трехфазные бесколлекторные электродвигатели

Очень много бесколлекторных электродвигателей для авиамоделей выполняется под питание постоянным током.

Но существуют и трехфазные экземпляры, в которых устанавливаются преобразователи.

Они позволяют из постоянного напряжения сделать трехфазные импульсы.

Работа происходит следующим образом:

  1. На катушку «А» поступают импульсы с положительным значением. На катушку «В» — с отрицательным значением. В результате этого якорь начнет двигаться. Датчики фиксируют смещение и подаётся сигнал на контроллер для осуществления следующей коммутации.
  2. Происходит отключение катушки «А», при этом импульс положительного значения поступает на обмотку «С». Коммутация обмотки «В» не претерпевает изменений.
  3. На катушку «С» попадается положительный импульс, а отрицательный поступает на «А».
  4. Затем вступает в работу пара «А» и «В». На них и подаются положительные отрицательные значения импульсов соответственно.
  5. Затем положительный импульс опять поступает на катушку «В», а отрицательный на «С».
  6. На последнем этапе происходит включение катушки «А», на которую поступает положительный импульс, и отрицательный идет к С.

И после этого происходит повтор всего цикла.

Принцип действия

При подаче напряжения на неподвижные обмотки статора, оно создает магнитное в статора. Если подается напряжение переменного тока, то магнитный поток, созданный им, изменяется. Так статор производит изменение магнитного поля, и ротор получает магнитные потоки.

Таким образом, ротор электродвигателя принимает эти поток статора и, следовательно, вращается. Это основной принцип работы и скольжения в асинхронных машинах. Из вышеизложенного следует отметить, что магнитный поток статора (и его напряжение) должно быть равно переменному току для вращения ротора, так что асинхронная машина может работать только от сети переменного тока.

Принцип работы асинхронного двигателя

Когда такие двигатели действуют в качестве генератора, они будет генерировать непосредственно переменный ток. В случае такой работы, ротор вращается с помощью внешних средств скажем, турбины. Если ротор имеет некоторый остаточный магнетизм, то есть некоторые магнитные свойства, которые сохраняет по типу магнита внутри материала, то ротор создает переменный поток в стационарной обмотке статора. Так что это обмотки статора будут получать наведенное напряжение по принципу индукции.

Индукционные генераторы используются в небольших магазинах и домашних хозяйствах, чтобы обеспечить дополнительную поддержку питания и являются наименее дорогостоящими из-за легкого монтажа. В последнее время они широко используется людьми в тех странах, где электрические машины теряют мощность из-за постоянных перепадов напряжения в питающей электросети. Большую часть времени, ротор вращается при помощи небольшого дизельного двигателя соединенного с асинхронным генератором переменного напряжения.

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

  • где M – вращающий момент, Нм,
  • F – сила, Н,
  • r – радиус-вектор, м

Справка: Номинальный вращающий момент Мном, Нм, определяют по формуле

,

  • где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
  • nном — номинальная частота вращения, мин-1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Мощность электродвигателя постоянного тока

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

  • где P – мощность, Вт,
  • A – работа, Дж,
  • t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы .

,

где s – расстояние, м

Для вращательного движения

,

где – угол, рад,

,

где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение — значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

  • где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
  • P1 — подведенная мощность (электрическая), Вт,
  • P2 — полезная мощность (), Вт
  • При этом

потери в электродвигатели обусловлены:
электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

  • где J – момент инерции, кг∙м2,
  • m — масса, кг

Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)

1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

где – угловое ускорение, с-2

,

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики .

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

где – постоянная времени, с

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Режимы работы

Двигательный режим

В диапазоне изменения частоты вращения вала электродвигателя от нуля до Ω=VKE{\displaystyle \Omega _{0}={\frac {V_{0}}{K_{E}}}} машина работает как двигатель, частота вращения которого зависит от нагрузки.

Генераторный режим

Пусть на электродвигатель постоянного тока подается напряжение V{\displaystyle V_{0}} и механическая нагрузка на его валу отсутствует. Тогда частота вращения его ротора Ω=VKE{\displaystyle \Omega _{0}={\frac {V_{0}}{K_{E}}}}. Здесь KE{\displaystyle K_{E}} — постоянная ЭДС. Если с помощью внешнего момента заставить вал электродвигателя вращаться с частотой вращения ΩR>Ω{\displaystyle \Omega _{R}>\Omega _{0}}, то ЭДС на зажимах двигателя VR=KEΩR{\displaystyle V_{R}={K_{E}}\Omega _{R}} окажется больше приложенного к двигателю напряжения V{\displaystyle V_{0}}. В результате электрический ток изменит свое направление и потечет обратно от электродвигателя, превратившегося в электрогенератор, в источник питания (рекуперация электроэнергии). Электрический ток рекуперации IR=VR−VRA{\displaystyle I_{R}={\frac {V_{R}-V_{0}}{R_{A}}}}, где Ra{\displaystyle R_{a}} — сопротивление якоря. В процессе рекуперации электродвигатель преобразует механическую работу момента внешних сил, приложенного к его валу, в электрическую мощность: PR=VRIR=KEΩRIR{\displaystyle P_{R}=V_{R}I_{R}=K_{E}\Omega _{R}I_{R}}. Часть этой мощности превращается в тепло в процессе нагрева двигателя: PL=RAIR2{\displaystyle P_{L}=R_{A}I_{R}^{2}}. В источник питания рекуперируется оставшаяся часть мощности: PS=PR−PL=KEΩRIR−RAIR2=VIR{\displaystyle P_{S}=P{R}-P{L}=K_{E}\Omega _{R}I_{R}-R_{A}I_{R}^{2}=V_{0}I_{R}}.

Тормозной режим

При тормозном режиме работы электродвигателя, создающего вращающий момент, направленный, например, по часовой стрелке, к его валу больший момент, приложенный против часовой стрелки. В результате направление вращения двигателя меняется на противоположное и полярность противо-ЭДС VT{\displaystyle V_{T}} меняется на противоположную и становится как у полярности приложенного напряжения V{\displaystyle V_{0}}. По обмотке двигателя протекает ток: IT=|VT|+VRA{\displaystyle I_{T}={\frac {|V_{T}|+V_{0}}{R_{A}}}}. Для перехода в тормозной режим двигателя, работающего в двигательном режиме, изменяют полярность приложенного к нему напряжения. В результате двигатель переходит в тормозной режим до тех пор, пока не изменится направление его вращения. В тормозном режиме электрическая энергия, подводимая к двигателю от внешнего источника и работа момента внешних сил, приложенных к его оси, превращаются в тепло.

Как проверить двигатель перед запуском

Перед тем, как запустить асинхронный двигатель в работу, желательно его проверить на работоспособность. С чего же начать?

Внешний осмотр двигателя. Проверьте, нет ли сколов, вмятин, покрутите вал двигателя. Он должен крутиться плавно и без рывков в обе стороны. Этим действием вы проверяете подшипники, на которых держится ротор двигателя. Если вал двигателя подклинивает, то на это могут быть несколько причин: разбиты посадочные места под подшипники, убитые подшипники, либо ротор затирает статор. Для того, чтобы выяснить причину, нужно будет полностью разобрать двигатель и выяснить реальную проблему. Если все ок, то двигаемся к следующему шагу.

Проверяем обмотки двигателя. Для этого берем мультиметр, ставим его на измерение сопротивления и проверяем сопротивление обмоток. Если обмотки подключены по схеме “звезда”, то нам будет достаточно замерять сопротивление между клеммами, куда подается напряжение питания. Делается это в три этапа.

Раз.

Два.

Три.

Во всех трех случаях сопротивление должно быть одинаково. Допускается отклонение в несколько Ом.

Этими тремя действиями мы проверили обмотки нашего двигателя и убедились, что они все целые.

И заключительный шаг. Проверяем, не звонятся ли обмотки на землю. Так как все обмотки так или иначе соединяются между собой, достаточно будет встать щупом мультиметра на любую из обмоток, а вторым щупом встать на корпус двигателя. Переключатель на мультиметре поставить на измерение МОм.

В идеале должно получиться бесконечно большое сопротивление, в реале от 100 МОм и выше. Если сопротивление очень маленькое, что то около 1-10 Ом, то это означает, что какая-то из обмоток двигателя звонится на землю, что категорически недопустимо. На практике если же сопротивление меньше 1 МОм, то надо выяснить причину и устранить ее. Скорее всего в двигатель попала влага, грязь, либо произошел пробой диэлектрика медного провода. В этом случае поможет только полная разборка и визуальное выяснение причины.

Все те же самые операции применяются и к двигателю со схемой подключения “треугольник”.

Большинство материала для статьи” асинхронный двигатель” было взято из видео ниже. Обязательно к просмотру.

Устройство и принцип действия электродвигателя постоянного тока

В основе принципа работы электродвигателя постоянного тока лежит эффект отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов и притягивания разноименных. Приоритет ее изобретения принадлежит русскому инженеру Б. С. Якоби. Первая промышленная модель двигателя постоянного тока была создана в 1838 году. С тех пор его конструкция не претерпела кардинальных изменений.

В двигателях постоянного тока небольшой мощности один из магнитов является физически существующим. Он закреплен непосредственно на корпусе машины. Второй создается в обмотке якоря после подключения к ней источника постоянного тока. Для этого используется специальное устройство – коллекторно-щеточный узел. Сам коллектор – это токопроводящее кольцо, закрепленное на валу двигателя. К нему подключены концы обмотки якоря.

   Электродвигатель постоянного тока

Чтобы возник вращающий момент, необходимо непрерывно менять местами полюса постоянного магнита якоря. Происходить это должно в момент пересечения полюсом так называемой магнитной нейтрали. Конструктивно такая задача решается разделением кольца коллектора на секторы, разделенные диэлектрическими пластинами. Концы обмоток якоря присоединяются к ним поочередно.

Чтобы соединить коллектор с питающей сетью используются так называемые щетки – графитовые стержни, имеющие высокую электрическую проводимость и малый коэффициент трения скольжения.

В двигателях большой мощности физически существующих магнитов не используют из-за их большого веса. Для создания постоянного магнитного поля статора используется несколько металлических стержней, каждый из которых имеет собственную обмотку из проводника, подключенного к плюсовой или минусовой питающей шине. Одноименные полюса включаются последовательно друг другу.

Количество пар полюсов на корпусе двигателя может быть равно одной или четырем. Число токосъемных щеток на коллекторе якоря должно ему соответствовать.

Электродвигатель большой мощности имеют ряд конструктивных хитростей. Например, после запуска двигателя и с изменением нагрузки на него, узел токосъемных щеток сдвигается на определенный угол против вращения вала. Так компенсируется эффект «реакции якоря», ведущий к торможению вала и снижению эффективности электрической машины.

Также существует три схемы подключения двигателя постоянного тока:

Параллельное возбуждение – это когда параллельно обмотке якоря включается еще одна независимая, обычно регулируемая (реостат).

Такой способ подключения позволяет очень плавно регулировать скорость вращения и достигать ее максимальной стабильности. Его используют для питания электродвигателей станков и кранового оборудования.

Последовательная – в цепь питания якоря дополнительная обмотка включена последовательно. Такой тип подключения используется для того, чтобы в нужный момент резко нарастить вращающее усилие двигателя. Например, при трогании с места железнодорожных составов.

Двигатели постоянного тока имеют возможность плавной регулировки частоты вращения, поэтому их применяют в качестве тяговых на электротранспорте и грузоподъемном оборудовании.

Принцип работы асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного электродвигателя заложен в его названии (не синхронный). То есть статор и ротор при включении создают вращающиеся с разной частотой магнитные поля. При этом частота вращения магнитного поля ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

Чтобы более наглядно представить себе этот процесс, возьмите постоянный магнит и покрутите его вокруг своей оси возле медного диска. Диск с небольшим отставанием начнет вращаться вслед за магнитом. Дело в том, что при вращении магнита в структуре диска возбуждаются токи Фуко (индукционные токи), движущиеся по замкнутому кругу. По сути они являются токами короткого замыкания, разогревающими металл. В диске «зарождается» собственное магнитное поле, в дальнейшем взаимодействующее с полем магнита.

В асинхронном двигателе для получения вращающегося поля используются обмотки статора. Магнитный поток, образованный ими, создает ЭДС в проводниках ротора. При взаимодействии магнитного поля статора и индуцируемого тока в обмотке ротора создается электромагнитная сила, приводящая во вращение вал электродвигателя.

Пошагово процесс выглядит следующим образом:

  1. При запуске двигателя магнитное поле статора пересекается с контуром ротора и индуцирует электродвижущую силу.
  2. В накоротко замкнутом роторе возникает переменный ток.
  3. Два магнитных поля (статора и ротора) создают крутящий момент.
  4. Крутящийся ротор пытается «догнать» поле статора.
  5. В тот момент, когда частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадут, электромагнитные процессы в роторе затухают и крутящий момент становится равным нулю.
  6. Магнитное поле статора возбуждает контур ротора, который к этому моменту снова отстает.

То есть ротор всегда медленнее магнитного поля статора, что и обеспечивает асинхронность.

Поскольку ток в роторе индуцируется бесконтактно, отпадает необходимость установки скользящих контактов, что делает асинхронные двигатели более надежными и эффективными. Изменяя направление тока в одной из обмоток (для этого нужно поменять фазы на клеммах), вы можете «заставить» мотор вращаться в ту или другую сторону.

Направление электромагнитной силы легко определить, вспомнив школьный курс физики и воспользовавшись «правилом левой руки».

На частоту вращения магнитного поля статора влияет частота питающей сети и число пар полюсов. Поскольку число пар полюсов зависит от типа двигателя и остается неизменным, то, если вы хотите изменить частоту вращения поля, необходимо изменить частоту питающей сети с помощью преобразователя.

Что нужно знать, чтобы электродвигатель работал как генератор

При переделке двигателя в генератор следует учитывать следующие технические детали:

  • Не пытайтесь использовать электролитические конденсаторы – они не пригодны для подключения в цепь. Вам нужны неполярные конденсаторные батареи.
  • В трехфазных машинах конденсаторы могут включаться по схеме «треугольник» или «звезда». В первом случае величина напряжения на выходе выше, а во втором генерация начинается на меньших оборотах ротора. Выбирайте оптимальный для достижения вашей цели вариант.
  • Однофазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором тоже могут генерировать электроэнергию. Запуск осуществляется с помощью фазосдвигающего конденсатора.

Поскольку определить необходимую величину емкости конденсаторной батареи невозможно, остается подбирать ее по весу – он должен быть равен весу двигателя или слегка превышать его.

Принцип действия современных электродвигателей

Современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полясами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе. Принцип его работы следующий. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части — «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо. Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение. Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя.

Таким образом, обмотка якоря передаёт вращающий момент на вал электромотора, а тот в свою очередь приводит в движение рабочие механизмы любого оборудования, такого как, например, станок для сетки рабицы. Хотя в этом случае используется асинхронный двигатель переменного тока, основной принцип его работы идентичен принципу действия двигателя постоянного тока – это выталкивание проводника с током из магнитного поля. Только у асинхронного электромотора вращающееся магнитное поле, а у электродвигателя постоянного тока – поле статичное.

Продолжая тему двигателя постоянного тока нужно отметить, что принцип действия электродвигателя основывается на инвертировании постоянного тока в якорной цепи, чтобы не было торможения, и вращение ротора поддерживалось в постоянном ритме. Если изменить направление тока в возбуждающей обмотке статора, то, согласно правилу левой руки, изменится направление вращения ротора. То же самое произойдёт, если мы поменяем местами щёточные контакты, подводящие питание от источника к якорной обмотке. А вот если поменять «+» «-» и там и там, то направление вращения вала не изменится. Поэтому, в принципе, для питания такого мотора можно использовать и переменный ток, т.к. ток в индукторе и якоре будет меняться одновременно. На практике такие устройства используются редко.

Что касается электрической схемы включения двигателя, то их несколько и они показаны на рисунке. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря делается из большого количества витков тонкой проволоки. При таком подключении коммутируемый коллектором ток будет значительно меньше из-за большого сопротивления и пластины не будут сильно искрить и выгорать. Если делать последовательное соединение обмоток индуктора и якоря, то обмотка индуктора делается из провода большего диаметра с меньшим количеством витков, т.к. весь якорный ток устремляется через статорную обмотку. При таких манипуляциях с пропорциональным изменением значений тока и количества витков, намагничивающая сила остаётся постоянной, а качественные характеристики устройства становятся лучше.

На сегодняшний день двигатели постоянного тока мало используются на производстве. Из недостатков этого типа электрических машин можно отметить быстрый износ щёточно-коллекторного узла. Преимущества – хорошие характеристики запуска, лёгкая регулировка частоты и направления вращения, простота устройства и управления.



Свежие записи:

  • Как сделать наждачный станок
  • Самодельный копировальный станок
  • Регулировка оборотов двигателя
  • Фрезер своими руками
  • Армирование штукатурки металлической сеткой
  • Станок для ковки своими руками
  • Самодельный шлакоблочный станок
  • Как построить вольер
  • Принцип работы двигателя постоянного тока
  • Токарный станок своими руками
  • Забор из сетки рабицы
  • Принцип действия асинхронного двигателя
  • Циркулярка своими руками
  • Самодельный сверлильный станок
  • Ручной самодельный станок для рабицы
  • Самодельные бурильные станки
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации