Доступно о технике

Схема коллекторного двигателя переменного тока

Содержание

Коллекторные двигатели переменного тока в принципе отличаются от двигателей постоянного тока последовательного возбуждения (рис. 2.1) лишь тем, что их магнитную систему, включая станину и полюсы, делают шихтованной из листовой электротехнической стали. Это необходимо для уменьшения магнитных потерь, которые в двигателе переменного тока имеют повышенную величину, так как магнитный поток возбуждения является переменным (изменяется с частотой сети).

Рис. 2.1. Схема коллекторного двигателя переменного тока

Электромагнитный (вращающий) момент в коллекторном двигателе переменного тока создается так же, как в двигателе постоянного тока, за счет взаимодействия тока якоря с магнитным потоком возбуждения Ф:

Однако здесь и ток якоря, и магнитный поток изменяются с частотой сети, причем поток несколько отстает по фазе от тока за счет потерь в стали (рис. 2.2):

Рис. 2.2. Кривые вращающего момента, тока и магнитного потока коллекторного двигателя переменного тока

Подставив выражения I и Ф в уравнение момента и преобразовав его, получим

Из выражений (2.4, 2.5) следует, что вращающий момент коллектор­ного двигателя переменного тока имеет две составляющие:

— постоянную (не зависящую от t)

— переменную (изменяющуюся с удвоенной частотой сети)

На рис. 2.2 представлена зависимость электромагнитного момента коллекторного двигателя переменного тока в функции времени. Анализ ее показывает, что фазовый сдвиг является причиной появления в течение каждого периода некоторого отрицательного значения электромагнитного момента. С увеличением фазового сдвига отрицательная составляющая момента возрастает и при становится равной положительной составляющей. В этом случае среднее за период значение момента равно нулю и двигатель не работает.

Коллекторные двигатели переменного тока выполняют с последовательным возбуждением – ток якоря является также и током возбуждения. Этим объясняется тем, что фазовый сдвиг между током I и потоком Ф невелик.

Анализ зависимости M = f(t) показывает также, что в течение периода величина момента не остается постоянной, а достигает максимума, когда произведение тока на поток максимально, и падает до нуля при нулевом значении одного из сомножителей. Однако пульсации момента не нарушают работу двигателя, так как частота пульсаций велика, а вращающиеся части обладают значительной инерцией.

По своим рабочим свойствам коллекторный двигатель переменного тока напоминает двигатель постоянного тока последовательного возбуждения. Большим недостатком коллекторных двигателей переменного тока является неудовлетворительная коммутация, сопровождающаяся искрением на щетках. Объясняется это тем, что в коммутируемых секциях обмотки якоря кроме реактивной составляющей э.д.с. ер и э.д.с. вращения евр возникает еще и трансформаторная э.д.с. етр, наводимая переменным магнитным потоком возбуждения.

Универсальные коллекторные двигатели получили большое распространение в устройствах автоматики и в бытовых электроприборах. Это двигатели малой мощности, которые могут работать как от постоянного, так и от переменного тока. Магнитная система их выполняется полностью шихтованной из листовой электротехнической стали.

В универсальном коллекторном двигателе стремятся получить примерно одинаковые частоты вращения при номинальной нагрузке как на постоянном, так и на переменном токе. Достигается это тем, что обмотку возбуждения электродвигателя выполняют с ответвлениями: при работе электродвигателя от сети постоян­ного тока обмотка возбуждения используется полностью, а при работе от сети переменного тока – лишь частично (рис. 2.3).

Рис. 2.3.Принципиальная схема универсального коллекторного двигателя последовательного возбуждения

Однако и в этом случае наблюдается расхождение характеристик двигателей, работающих на постоянном и переменном токах, обусловленное тем, что при работе на переменном токе на величину и фазу тока оказывают влияние индуктивные сопротив­ления обмоток якоря и возбуждения. Уменьшение числа витков обмотки возбуждения двигателя, работающего на переменном токе, обеспечивает сближение механических характеристик лишь при номинальной нагрузке. На рис. 2.4 приведены рабочие Характеристики универсального коллекторного двигателя мощностью 55 Вт.

Рис. 2.4. Рабочие характеристики универсального коллекторного двигателя

Величина тока, потребляемого универсальным двигателем при работе на переменном токе, больше, чем при работе этого же двигателя на постоянном токе, так как переменный ток помимо активной составляющей имеет еще и реактивную составляющую. К.п.д. универсального двигателя на переменном токе ниже, чем на постоянном, что объясняется повышенными магнитными и электрическими потерями.

Регулирование частоты вращения двигателей переменного тока и универсальных двигателей осуществляется точно так же, как и двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.

Схема коллекторного двигателя переменного тока

Рейтинг 2.4/5 (55 голосов)

Однофазные коллекторные двигатели переменного тока, как правило, изготовляются с последовательным возбуждением. Их схемы и устройство не отличаются в основном от схем и устройства двигателей постоянного тока последовательного возбуждения. Так как при питании двигателя переменным током магнитный поток будет изменяться с частотой напряжения сети, то для уменьшения потерь на вихревые токи магнитная система как статора, так и ротора собирается из листов электротехнической стали. В настоящее время однофазные коллекторные двигатели переменного тока выпускаются на небольшие мощности и применяются в установках, где требуются высокие частоты вращения (3000-30000 об/мин). К числу таких установок относятся ручные инструменты, шлифовальные станки, пылесосы, полотеры и т. д.

Вращающий момент двигателя создается в результате взаимодействия тока якоря I с магнитным потоком Ф, созданным обмоткой возбуждения. Несмотря на то что ток и магнитный поток переменные, результирующий вращающий момент будет всегда направлен в одну и ту же сторону, так как одновременно с изменением направления тока изменяется направление магнитного потока

На рис. показаны кривые тока, магнитного потока и момента однофазного коллекторного двигателя. Ток i, равный току возбуждения, опережает по фазе магнитный поток на угол α из-за наличия магнитных потерь. Как видно из рисунка, момент носит пульсирующий характер. Он пульсирует с двойной частотой тока. Несмотря на это из-за значительной механической инерции частота вращения якоря при данных значениях I и Ф будет практически постоянной и будет определяться средним моментом. Из-за наличия угла сдвига между током и потоком мгновенные значения вращающего момента на протяжении угла а имеют отрицательное значение, что снижает среднее значение момента. У двигателей последовательного возбуждения угол α невелик, поэтому снижение среднего момента будет незначительным. У двигателей параллельного возбуждения из-за большой индуктивности обмотки возбуждения угол сдвига между током возбуждения (потоком) и током якоря будет иметь большое значение, что приведет к сильному снижению среднего момента. По этой причине однофазные коллекторные двигатели переменного тока с параллельным возбуждением не выполняют.

Изменение направления вращения коллекторного двигателя переменного тока осуществляется так же, как и двигателей постоянного тока. Регулирование частоты вращения двигателей производится путем изменения подводимого напряжения, для чего двигатель в сеть включается через трансформатор, у которого можно менять коэффициент трансформации. Механические характеристики однофазного коллекторного двигателя переменного тока имеют тот же характер, что и двигателей постоянного тока последовательного возбуждения.

Однофазные коллекторные двигатели переменного тока имеют значительно худшие условия коммутации, чем двигатели постоянного тока. Связано это с тем, что у них в коммутируемых секциях кроме реактивной ЭДС еn индуктируется трансформаторная ЭДС еТ. Трансформаторная ЭДС возникает вследствие изменения во времени потока возбуждения. Эту ЭДС трудно скомпенсировать с помощью дополнительных полюсов, так как она отстает от тока якоря на угол, примерно равный 90°, и не зависит от частоты вращения.

На рис. показана векторная диаграмма ЭДС, индуктируемых в коммутируемой секции (угол α = 0). Некоторое улучшение коммутации у однофазных коллекторных двигателей достигается шунтированием резистором R обмотки дополнительных полюсов. В этом случае ток в обмотке дополнительного полюса сдвигается по отношению к току якоря и можно так подобрать его фазу, что наводимая потоком дополнительного полюса ЭДС в коммутируемой секции ЕK будет равна и противоположна ЭДС Ерез = ЕR + Ет, т. е. произойдет полная компенсация ЭДС, индуктируёмых в коммутируемой секции, Однако при данном значении сопротивления R этого можно достичь только для определенных значений тока и частоты вращения. При других значениях тока и частоты вращения полной компенсации происходить не будет. В целом коммутация этих двигателей значительно хуже, чем двигателей постоянного тока, что затрудняет их изготовление на большие мощности, Двигатели небольшой мощности (до 2,4 кВт) работают без дополнительных полюсов.

Уравнение равновесия напряжения для однофазного коллекторного двигателя переменного тока имеет вид U = E +Iг + j Iх, где

E — ЭДС якоря, которая индуктируется при вращении его в магнитном поле полюсов и совпадает по фазе с потоком Ф;

r — сумма сопротивлений цепи якоря;

х — сумма индуктивных сопротивлений цепи якоря и обмотки возбуждения.

В соответствии с этим уравнением на рис. построена векторная диаграмма. Из-за индуктивного сопротивления х имеется угол сдвига между током и напряжением. Обычно при номинальной нагрузке cos φном = 0,7 ÷ 0,9. Для улучшения cos φ у двигателей мощностью более 10кВт применяют компенсационную обмотку, которая, компенсируя реакцию якоря, уменьшает потокосцепление обмотки якоря и ее индуктивное сопротивление

Универсальный двигатель

Конструкция универсального электродвигателя

Конструкция универсального коллекторного электродвигателя не имеет принципиальных отличий от конструкции коллекторного электродвигателя постоянного тока с обмотками возбуждения, за исключением того, что вся магнитная система (и статор, и ротор) выполняется шихтованной и обмотка возбуждения делается секционированной. Шихтованная конструкция и статора, и ротора обусловлена тем, что при работе на переменном токе их пронизывают переменные магнитные потоки, вызывая значительные магнитные потери.

Секционирование обмотки возбуждения вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с целью сближения рабочих характеристик при работе электродвигателя от сетей постоянного и переменного тока [2].

Универсальный коллекторный электродвигатель может быть выполнен как с последовательным, так и с параллельным и независимым возбуждением.

В настоящее время универсальные коллекторные электродвигатели выполняют только с последовательным возбуждением .

Таким образом, результирующий электромагнитный момент при работе двигателя от сети переменного тока пульсирует. Пульсации электромагнитного момента практически не нарушают работу двигателя. Объясняется это тем, что при значительной частоте пульсаций электромагнитного момента () и большом моменте инерции якоря вращение последнего оказывается равномерным.

Управление универсальным электродвигателем

    Способы подключения универсального электродвигателя к сети питания:

  • прямое подключение к сети питания
  • подключение серез автотрансформатор
  • подключение через регулятор
  • симисторный
  • транзисторный

Особенности универсального двигателя

Коэффициент полезного действия универсального двигателя при его работе от сети переменного тока более низкий, чем при его работе от сети постоянного тока. Другой недостаток универсального двигателя — тяжелые условия коммутации, вызывающие интенсивное искрение на коллекторе при включении двигателя в сеть переменного тока. Этот недостаток объясняется наличием трансформаторной связи между обмотками возбуждения и якоря, что ведет к наведению в коммутируемых секциях трансформаторной ЭДС, ухудшающей процесс коммутации в двигателе.

Наличие щеточно-коллекторного узла является причиной ряда недостатков универсальных коллекторных двигателей, особенно при их работе на переменном токе (искрение на коллекторе, радиопомехи, повышенный шум, невысокая надежность). Однако эти двигатели по сравнению с асинхронными и синхронными при частоте питающего напряжения f = 50 Гц позволяют получать частоту вращения до 10 000 об/мин и более (наибольшая синхронная частота вращения при f = 50 Гц равна 3000 об/мин) [3].

Области использования

Благодаря тому, что универсальный двигатель может иметь высокую скорость вращения при работе от однофазной сети переменного тока без использования дополнительных преобразовательных устройств, он получил широкое применение в таких домашних приборах как пылесосы, блендеры, фены и др. Так же универсальный электродвигатель широко используется в таких инструментах, как дрели и шуруповерты.

Благодаря тому, что скорость вращения универсального двигателя легко регулируется изменением величины питающего напряжения ранее он широко использовался в стиральных машинах. Сейчас благодаря развитию преобразовательной техники более широкое использование получают бесщеточные электродвигатели (СДПМ, АДКР) скорость вращения которых регулируется изменением частоты напряжения питания.

Схема коллекторного двигателя переменного тока

Стиральные машины, со временем, выходят из строя или морально устаревают. Как правило,
основой любой стиралки есть ее электродвигатель, который может найти свое применение и
после разборки стиралки на запчасти.

Мощность таких двигателей, как правило не меньше 200 Вт, а порой и куда больше, скорость
оборотов вала может доходить и до 11 000 оборотов в минуту что вполне может подойти для использование такого двигателя в хозяйственных или мелких промышленных нуждах.

Вот лишь несколько идей удачного применения электродвигателя от стиралки:

  • Точильный (наждачный) станок для заточки ножей и мелкого домашнего и садового инструмента.Двигатель устанавливают на прочном основание, а на вал закрепляют точильный камень или наждачный круг.
  • Вибростол для производства декоративной плитки, тротуарной плитки или других бетонных изделий где необходимо уплотнение раствора и удаление от туда воздушных пузырей. А возможно вы занимаетесь производством силиконовых форм, для этого также нужен вибростол.
  • Вибратор для усадки бетона. Самодельные конструкции которых полно в интернете, вполне могут быть реализованы с применением небольшого двигателя от стиральной машинки.
  • Бетономешалка. Вполне подойдет такой двигатель и для небольшой бетономешалки. После небольшой переделки, можно использовать и штатный бак от стиральной машинки.
  • Ручной строительный миксер. С помощью такого миксера можно замешивать штукатурные смеси, плиточный клей, бетон.
  • Газонокосилка. Отличный вариант по мощности и габаритам для газонокосилки на колесах. Подойдет любая готовая платформа на 4-х колесах с закрепленным в центре двигателем с прямым приводом на ножы которые будут находится снизу. Высоту газона можно регулировать посадкой, например, поднимая или опуская колеса на шарнирах по отношению к основной платформе.
  • Мельница для измельчения травы и сена или зерна. Особенно актуально для фермеров и людей занимающихся разведением домашней птицы и другой живности. Также можно делать заготовки корма на зиму.

Вариантов применения электромотора может быть очень много, суть процесса заключается в возможности вращать на высоких оборотах разные механизмы и приспособления. Но какой бы механизм сконструировать вы б не собирались, все равно вам нужно будит правильно
подключить двигатель от стиральной машинки.

Виды двигателей

В стиральных машинках разных поколений и стран производства, могут быть и разные типы
электродвигателей. Как правило это один из трех вариантов:

Асинхронный.
В основном это все трехфазные двигатели, могут быть и двухфазными но это большая редкость.
Такие двигатели просты в своей конструкции и обслуживанию, в основном все сводится к смазке подшипников. Недостатком есть большой вес и габариты при небольшом КПД.
Такие двигатели стоят в старинных, маломощных и недорогих моделях стиральных машин.

Коллекторный.
Двигатели которые пришли на смену большим и тяжелым асинхронным устройствам.
Такой двигатель может работать как от переменного так и от постоянного тока, на практике он будет вращаться даже от автомобильного аккумулятора на 12 вольт.
Двигатель может вращаться в нужную нам сторону, для этого нужно всего лишь сменить полярность подключения щеток к обмоткам статора.
Высокая скорость вращения, плавное изменение оборотов изменением прилагаемого напряжения, небольшие размеры и большой пусковой момент — вот лишь небольшая часть преимуществ такого типа двигателей.
К недостаткам можно отнести износ коллекторного барабана и щеток и повышенный нагрев при не столь продолжительной работе. Также необходима более частая профилактика, например чистка коллектора и замена щеток.

Инверторный (бесколлекторный)
Инновационный тип двигателей с прямым приводом и небольшими габаритами при довольно не малой мощности и высоком КПД.
В конструкции двигателя все так же присутствует статор и ротор, однако количество соединительных элементов сведено к минимуму. Отсутствие элементов подверженных быстрому износу, а так же низкий уровень шума.
Такие двигателя стоят в последних моделях стиральных машин и их производство требует сравнительно больше затрат и усилий что конечно же влияет на цену.

Схемы подключения

Тип двигателя с пусковой обмоткой (старые/дешевые стиралки)

Для начала нужен тестер или мультиметр. Нужно найти две соответствующие друг другу пары выводов.
Щупами тестера, в режиме прозвонки или сопротивления, нужно отыскать два провода которые между собой прозваниваются, остальные два провода автоматически будут парой второй обмотки.

Дальше следует выяснить, где у нас пусковая, а где – рабочая обмотки. Нужно замерить их сопротивление: более высокое сопротивление укажет на пусковую обмотку (ПО), которая создает начальный крутящий момент. Более низкое сопротивление укажет нам на обмотку возбуждения (ОВ) или другими словами — рабочую обмотку, создающую магнитное поле вращения.

Вместо контактора SB может стоять неполярный конденсатор малой емкости (около 2-4 мкФ)
Как это обустроено в самой стиралке для удобства.

Если же двигатель будет запускаться без нагрузки, то есть, не будит на его валу шкива с нагрузкой в момент запуска, то такой двигатель может запускаться и сам, без конденсатора и кратковременной запитки пусковой обмотки.

Если двигатель сильно перегревается или греется даже без нагрузки непродолжительное время, то причин может быть несколько. Возможно изношены подшипники или уменьшился зазор между статором и ротором в следствие чего они задевают друг друга. Но чаще всего причиной может быть высокая емкость конденсатора, проверить несложно — дайте поработать двигателю с отключенным пусковым конденсатором и сразу все станет ясно. При необходимости емкость конденсатора лучше уменьшить до минимума при котором он справляется с запуском электродвигателя.

В кнопке контакт SB строго должен быть не фиксируемым, можно попросту воспользоваться кнопкой от дверного звонка, в противном случае пусковая обмотка может сгореть.

В момент запуска кнопку SB зажимают до момента раскрутки вала на полную (1-2 сек.), дальше кнопка отпускается и напряжение на пусковую обмотку не подается. Если необходим реверс — нужно сменить контакты обмотки.

Иногда в такого двигателя может быть не четыре, а три провода на выходе, в таком случае две обмотки уже соединены в средней точке между собой, как показано в схеме.
В любом случае разбирая старую стиралку, можно присмотреться как там был подключен в ней ее двигатель.

Когда возникает необходимость реализовать реверс или сменить направления вращения двигателя с пусковой обмоткой, можно подключить по следующей схеме:

Коллекторный тип двигателя (современные, стиралки автомат с вертикальной загрузкой)

Как правило это коллекторные двигатели без пусковой обмотки, которые не нуждаются и в пусковом конденсаторе, такие двигатели работают и от постоянного тока и от переменного.

Такой двигатель может иметь около 5 — 8 выводов на клемном устройстве, но для работы двигателя вне стиральной машинки, они нам не понадобятся. В первую очередь нужно исключить ненужные контакты тахометра. Сопротивления обмоток тахометра составляет примерно 60 — 70 Ом.

Также могут быть выведены и выводы термозащиты, которые встречаются редко, но они нам так же не понадобятся, это как правило нормально замкнутый или разомкнутый контакт с нулевым сопротивлением.

Дальше подключаем напряжение к одному из выводов обмотки. Второй ее вывод соединяют с
первой щеткой. Вторая щетка подключается к оставшемуся 220-вольтовому проводу. Двигатель должен заработать и вращаться в одну сторону.

Чтобы изменить направление движения двигателя, подключение щеток следует поменять местами: теперь первая будет включена в сеть, а вторая соединена с выходом обмотки.

Такой двигатель можно проверить автомобильным аккумулятором на 12 вольт, не боясь при этом спалить его из за того что неправильно подключили, спокойно можно и
поэкспериментировать и с реверсом и посмотреть как двигатель работает на малых оборотах от низкого напряжения.

Подключая к напряжению 220 вольт, имейте в виду что двигатель резко запустится с рывком,
поэтому лучше его закрепить неподвижно чтоб он не повредил и не замкнул провода.

О том как подключить трехфазные асинхронные двигатели к обычной бытовой сети 220 вольт, довольно подробно можно узнать в статье — Подключение трехфазного двигателя

Регулятор оборотов

Если возникает необходимость регулирования количества оборотов, можно воспользоваться
бытовым регулятором освещения (диммером).Но для этой цели нужно подбирать такой диммер который по мощности будет с запасом больше мощности двигателя, или же потребуется доработка, можно из той же стиральной машинки извлечь симистор с радиатором и впаять его на место маломощной детали в конструкции регулятора освещения. Но здесь уже нужно иметь навыки работы с электроникой.

Если же вам удастся найти специальны диммер для подобных электродвигателей то это будет
самым простым решением. Как правило их можно подыскать в точках продажа систем вентиляции и используются они для регулировки оборотов двигателей приточных и вытяжных систем вентиляции.

Что такое коллекторный двигатель постоянного тока и как он работает

Коллекторные электродвигатели довольно распространены в быту и на производстве. Они используются для привода различных механизмов, электроинструмента, в автомобилях. Отчасти популярность обусловлена простой регулировкой оборотов ротора, но есть и некоторые ограничения их применения и конечно же недостатки. Давайте разберемся что такое коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ), какие бывают разновидности данного вида электродвигателей и где они используются.

  • Определение и устройство
  • Принцип действия
  • Виды КДПТ и схемы соединения обмоток
  • Схема подключения и реверс
  • Сфера применения
  • Достоинства и недостатки

Определение и устройство

В справочниках и энциклопедиях приводят, такое определение:

«Коллекторным называется электродвигатель, у которого датчиком положения вала и переключателем обмоток является одно и то же устройство – коллектор. Такие двигатели могут работать либо только на постоянном токе, либо и на постоянном, и на переменном.»

Коллекторный электродвигатель, как и любой другой, состоит из ротора и статора. В этом случае ротор – является якорем. Напомним, что якорем называется та часть электрической машины, которая потребляет основной ток, и в которой индуцируется электродвижущая сила.

Для чего нужен и как устроен коллектор? Коллектор расположен на валу (роторе), и представляет собой набор продольно расположенных пластин, изолированных от вала и друг от друга. Их называют ламелями. К ламелям подключаются отводы секций обмоток якоря (устройство якорной обмотки КДПТ вы видите на группе рисунков ниже), а точнее к каждой из них подключен конец предыдущей и начало следующей секции обмотки.

Ток к обмоткам подаётся через щетки. Щётки образуют скользящий контакт и во время вращения вала соприкасаются то с одной, то с другой ламелью. Таким образом происходит переключение обмоток якоря, для этого и нужен коллектор.

Щеточный узел состоит из кронштейна с щеткодержателями, непосредственно в них и устанавливаются графитовые или металлографитовые щетки. Для обеспечения хорошего контакта щетки прижимаются к коллектору пружинами.

На статоре устанавливаются постоянные магниты или электромагниты (обмотка возбуждения), которые создают магнитное поле статора. В литературе по электрическим машинам вместо слова «статор» чаще используют термины «магнитная система» или «индуктор». На рисунке ниже изображена конструкция ДПТ в разных проекциях. Теперь же давайте разберемся как работает коллекторный двигатель постоянного тока!

Принцип действия

Когда ток протекает через обмотку якоря, возникает магнитное поле, направление которого можно определить с помощью правила буравчика. Постоянное магнитное поле статора взаимодействует с полем якоря, и он начинает вращаться благодаря тому, что одноименные полюса отталкиваются, притягиваясь к разноимённым. Что отлично иллюстрирует рисунок ниже.

При переходе щеток на другие ламели ток начинает протекать в обратную сторону (если рассматривать приведенный выше пример), магнитные полюса меняются местами и процесс повторяется.

В современных коллекторных машинах не используется двухполюсная конструкция из-за неравномерности вращения, в момент переключения направления тока силы, действующие на якорь, будут минимальны. А если включить двигатель, вал которого остановился в этом «переходном» положении — он может и не начать вращаться совсем. Поэтому на коллекторе современного двигателя постоянного тока расположено значительно больше полюсов и секций обмоток, уложенных в пазах шихтованного сердечника, таким образом достигаются оптимальные плавность движения и момент на валу.

Принцип работы коллекторного двигателя простым языком для чайников раскрыт в следующем видеоролике, убедительно рекомендуем ознакомиться.

Виды КДПТ и схемы соединения обмоток

По способу возбуждения коллекторные двигатели постоянного тока различают двух типов:

  1. С постоянными магнитами (маломощные двигатели мощностью десятки и сотни Ватт).
  2. С электромагнитами (мощные машины, например, на грузоподъёмных механизмах и станках).

Различают такие типы КДПТ по способу соединения обмоток:

  • Последовательного возбуждения (в старой отечественной литературе и от старых электриков можно услышать название «Сериесные», от англ. Serial). Здесь обмотка возбуждения подключена последовательно с обмоткой якоря. Высокий пусковой момент – преимущество такой схемы, а её недостаток – падение частоты вращения с увеличением нагрузки на валу (мягкая механическая характеристика), и то что двигатель идёт вразнос (неконтролируемый рост оборотов с последующим повреждением опорных подшипников и якоря) если работают на холостом ходу или с нагрузкой на валу в меньше 20-30% от номинальной.
  • Параллельного (также называют «шунтовые»). Соответственно обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря. На низких оборотах на валу высокий момент и стабилен в относительно широком диапазоне оборотов, а с увеличением оборотов он уменьшается. Преимущество — стабильные обороты в широком диапазоне нагрузки на валу (ограничивается его мощностью), а недостаток – при обрыве в цепи возбуждения может пойти вразнос.
  • Назависимого. Обмотки возбуждения и якоря питаются от разных источников. Такое решение позволяет точнее регулировать обороты вала. Особенности работы похожи на ДПТ с параллельным возбуждением.
  • Смешанного. Часть обмотки возбуждения подключена параллельно, а часть последовательно с якорем. Совмещают достоинства последовательного и параллельного типов.

Условное графическое обозначение на схеме вы видите ниже.

В иностранной и современной отечественной литературе, а также на схемах можно встретить и другое представление УГО для КДПТ, как было приведено на предыдущем рисунке в виде круга с двумя квадратами, где круг обозначает якорь, а два квадрата – щетки.

Схема подключения и реверс

Схема соединения обмоток статора и ротора определяется при изготовлении, и, в зависимости от того, где применяется конкретный двигатель, нужно выбирать соответствующее решение. В определенных режимах работы (тормозной режим, например) схемы включения обмоток могут изменяться или вводиться дополнительные элементы.

Включают маломощные коллекторные двигатели постоянного тока с помощью: полупроводниковых ключей (транзисторов), тумблеров или кнопок, специализированных микросхем-драйверов или с помощью маломощных реле. Крупные мощные машины подключаются к сети постоянного тока через двухполюсные контакторы.

Ниже вы видите реверсивную схему подключения двигателя постоянного тока к сети 220В. На практике, на производстве схема будет аналогичной, но диодного моста в ней не будет, поскольку все линии для подключения таких двигателей прокладываются от тяговых подстанций, где переменный ток выпрямляется.

Реверс осуществляется путем смены полярности на обмотке возбуждения или на якоре. Изменить полярность и там, и там нельзя, поскольку направление вращения вала не изменится, как это происходит с универсальными коллекторными двигателями при работе на переменном токе.

Для плавного пуска двигателя в цепь питания обмотки якоря или обмотки якоря и обмотки возбуждения (в зависимости от схемы их соединения) вводят регулировочное устройство, например, реостат, таким же образом регулируют и частоту вращения вала, но вместо реостата чаще используют набор постоянных резисторов, подключаемых с помощью набора контакторов.

В современных приложениях частота оборотов изменяется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и полупроводникового ключа, именно так это и сделано в аккумуляторном электроинструменте (шуруповёрт, например). КПД такого способа значительно выше.

Сфера применения

Коллекторные двигатели постоянного тока применяются повсеместно как в быту, так и в промышленных устройствах и механизмах, давайте кратко рассмотрим их область применения:

  • В автомобилях используют 12В и 24В коллекторные ДПТ для привода щеток стеклоочистителей (дворников), в стеклоподъёмниках, для запуска двигателя (стартер — это коллекторный двигатель постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения) и приводах другого назначения.
  • В грузоподъёмных механизмах (краны, лифты и пр.) используются КДПТ, которые работают от сети постоянного тока с напряжением 220В или любым другим доступным напряжением.
  • В детских игрушках и радиоуправляемых моделях малой мощности используются КДПТ с трёхполюсным ротором и постоянными магнитами на статоре.
  • В ручном аккумуляторном электроинструменте — разнообразные дрели, болгарки, электроотвертки и т.д.

Отметим, что в современный дорогой электроинструмент устанавливают не коллекторные, а бесколлекторные электродвигатели.

Достоинства и недостатки

Разберем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

  1. Соотношение размеров к мощности (массогабаритные показатели).
  2. Простота регулировки оборотов и реализации плавного пуска.
  3. Пусковой момент.

Недостатки у КДПТ следующие:

  1. Износ щеток. Высоконагруженные двигатели, которые регулярно эксплуатируются, требуют регулярного осмотра, замены щеток и обслуживания коллекторного узла.
  2. Коллектор изнашивается из-за трения щеток.
  3. Возможно искрение щеток, что ограничивает применение в опасных местах (тогда используют КДПТ взрывозащищенного исполнения).
  4. Из-за постоянного переключения обмоток этот тип двигателей постоянного тока вносит помехи и искажения в питающие цепи или электросеть, что приводит к сбоям и проблемам в работе других элементов схемы (особенно актуально для электронных схем).
  5. У ДПТ на постоянных магнитах магнитные силы со временем ослабевают (размагничиваются) и эффективность двигателя снижается.

Вот мы и рассмотрели, что такое коллекторный двигатель постоянного тока, как он устроен и какой у него принцип действия. Если остались вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Легкость преобразования напряжения переменного тока сделала его наиболее широко используемым в электроснабжении. В сфере конструирования электродвигателей открылось другое достоинство переменного тока: возможность создания вращающегося магнитного поля без дополнительных преобразований или с их минимальным количеством.

Поэтому, даже несмотря на определенные потери из-за реактивного (индуктивного) сопротивления обмоток, простота создания электродвигателей переменного тока внесла свой вклад в победу над электроснабжением постоянным током в начале XX века.

Принципиально электродвигатели переменного тока можно разделить на две группы:

B них вращение ротора отличается по скорости от вращения магнитного поля, благодаря чему они могут работать на самых разных оборотах. Этот тип электродвигателей переменного тока наиболее распространен в наше время. Синхронные

Эти двигатели имеют жесткую связь оборотов ротора и скорости вращения магнитного поля. Они сложнее в производстве и менее гибки в применении (изменение оборотов при фиксированной частоте питающей сети возможно только изменением числа полюсов статора).

Они находят применение только на высоких мощностях в несколько сотен киловатт, где их больший по сравнению с асинхронными электродвигателями КПД значительно снижает тепловые потери.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА АСИНХРОННЫЙ

Наиболее распространенный тип асинхронного двигателя – это электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», где в наклонные пазы ротора уложен набор токопроводящих стержней, с торцов соединенных кольцами.

История этого типа электродвигателей насчитывает более сотни лет, когда было замечено, что токопроводящий предмет, помещенный в зазор сердечника электромагнита переменного тока, стремится вырваться из него за счет возникновения в нем ЭДС индукции с противонаправленным вектором.

Таким образом, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет каких-либо механических контактирующих узлов, кроме опорных подшипников ротора, что обеспечивает моторам такого типа не только низкую цену, но и высочайшую долговечность.

Благодаря этому электродвигатели такого типа стали наиболее распространенными в современной промышленности.

Однако им присущи и определенные недостатки, которые приходится учитывать при проектировании асинхронных электродвигателей подобного типа:

Высокий пусковой ток – так как в момент включения асинхронного бесколлекторного электродвигателя в сеть на реактивное сопротивление обмотки статора еще не влияет магнитное поле, создаваемое ротором, возникает сильный бросок тока, в несколько раз превосходящий номинальный ток потребления.

Эту особенность работы двигателей подобного типа необходимо закладывать во все проектируемое электроснабжение во избежание перегрузок, особенно при подключении асинхронных электродвигателей к мобильным генераторам с ограниченной мощностью.

Низкий пусковой момент – электродвигатели с короткозамкнутой обмоткой имеют ярко выраженную зависимость крутящего момента от оборотов, поэтому их включение под нагрузкой крайне нежелательно: значительно увеличиваются время выхода на номинальный режим и пусковые токи, обмотка статора перегружается.

Так, например, происходит при включении глубинных насосов – в электроцепях их питания приходится учитывать пяти-семикратный запас по току.

Невозможность непосредственного запуска в цепях однофазного тока — для того, чтобы ротор начал вращаться, необходим стартовый толчок либо введение дополнительных фазных обмоток, сдвинутых по фазе друг относительно друга.

Для запуска асинхронного электродвигателя переменного тока в однофазной сети используется либо вручную коммутируемая пусковая обмотка, отключаемая после раскрутки ротора, либо вторая обмотка, включенная через фазовращательный элемент (чаще всего – конденсатор необходимой емкости).

Отсутствие возможности получения высокой частоты вращения — хотя вращение ротора и не синхронизировано с частотой вращения магнитного поля статора, но и не может его опережать, поэтому в сети 50 Гц максимальные обороты для асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором – не более 3000 об/мин.

Увеличение частоты вращения асинхронного двигателя требует применения частотного преобразователя (инвертора), что делает такую систему дороже, чем коллекторный двигатель. Кроме того, при увеличении частоты возрастают реактивные потери.

Трудность организации реверса — для этого необходима полная остановка двигателя и перекоммутация фаз, в однофазном варианте – смещение фазы в пусковой или второй фазной обмотке.

Фактически цепь, состоящую из трехфазных генератора и электромотора, можно рассматривать как пример электро трансмиссии: привод генератора создает в нем вращающееся магнитное поле, преобразуемое в колебания электрического тока, в свою очередь возбуждающего вращение магнитного поля в электродвигателе.

Кроме того, именно при трехфазном питании асинхронные электродвигатели имеют наибольший КПД, так как в однофазной сети создаваемое статором магнитное поле по сути может быть разложено на два противофазных, что увеличивает бесполезные потери на перенасыщение сердечника. Поэтому мощные однофазные электродвигатели как правило выполняются по коллекторной схеме.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА КОЛЛЕКТОРНЫЙ

В электромоторах данного типа магнитное поле ротора создается фазными обмотками, подключенными к коллектору. Фактически коллекторный двигатель переменного тока отличается от двигателя постоянного тока только тем, что в его расчет заложено реактивное сопротивление обмоток.

Преимущества данного типа двигателей очевидны:

Возможность работы на высоких оборотах позволяет создавать коллекторные электромоторы с частотой вращения до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту, знакомые всем по электрическим бормашинам.

Отсутствие необходимости в дополнительных пусковых устройствах в отличие от двигателей с короткозамкнутым ротором.

Высокий пусковой момент, что ускоряет выход на рабочий режим, в том числе и под нагрузкой. Более того, крутящий момент коллекторного электродвигателя обратно пропорционален оборотам и при росте нагрузки позволяет избежать просадки частоты вращения.

Легкость управления оборотами — так как они зависят от напряжения питания, для регулировки частоты вращения в широчайших пределах достаточно иметь простейший симисторный регулятор напряжения. При отказе регулятора коллекторный двигатель может быть включен в сеть напрямую.

Меньшая инерция ротора — он может быть выполнен гораздо более компактным, чем при короткозамкнутой схеме, благодаря чему и сам коллекторный двигатель становится заметно меньше.

По этим причинам коллекторные двигатели широко распространены во всех однофазных потребителях, где необходимо гибкое регулирование оборотов:

  • в ручном электроинструменте;
  • пылесосах;
  • кухонной технике и так далее.

Однако ряд конструктивных особенностей определяет специфику эксплуатации коллекторного электродвигателя:

Неизбежное искрение между коллектором и щетками (причина появления всем знакомого запаха озона при работе коллекторного электродвигателя) не только дополнительно снижает ресурс, но и требует повышенных мер безопасности при работе из-за вероятности воспламенения горючих газов или пыли.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Коллекторный двигатель — переменный ток

Коллекторные двигатели переменного тока находят применение в быту и ряде отраслей промышленности. [16]

Коллекторные двигатели переменного тока , характеристики которых подобны характеристикам двигателей постоянного тока, имеют хорошие регулировочные и пусковые свойства. Недостатком их является сравнительно высокая стоимость и ограниченная мощность ( до 50 — 70 кет), что объясняется трудными условиями коммутации. [17]

Коллекторные двигатели переменного тока могут быть также трехфазными. У подобных двигателей статор построен так же, как и у асинхронных машин; три тока возбуждения, проходящие по его обмотке, создают результирующее вращающееся магнитное поле. Ротор этих машин в основном напоминает якорь машины постоянного тока. [19]

Коллекторные двигатели переменного тока в принципе отличаются от двигателей постоянного тока лишь тем, что их магнитную систему, включая станину и полюса, делают шихтованной из листовой электротехнической стали. [20]

Коллекторные двигатели переменного тока находят применение в быту и ряде отраслей промышленности. [22]

Многофазные коллекторные двигатели переменного тока , cos q многофазных коллекторных, в частности трехфазных, двигателей может регулироваться и быть установленным на единицу и даже сделан опережающим. Коллекторные машины), а именно возможности у них экономичной регулировки скорости. [23]

Обычно коллекторные двигатели переменного тока выполняются с последовательным возбуждением. Применяется компенсационная обмотка и дополнительные полюсы. [25]

Коллекторные двигатели переменного тока малой мощности могут быть рассчитаны и на питание от сети постоянного тока. Такие двигатели называются универсальными коллекторными двигателями. [27]

Конструкция коллекторных двигателей переменного тока значительно сложнее конструкции двигателей постоянного гока. Всю магнитную систему набирают из отдельных изолированных друг от друга листов электротехнической стали, чтобы избежать ее сильного нагревания от столь частого перемагничивания. Для уменьшения реактивного сопротивления двигателя, ухудшающего cos cp сети, станину снабжают компенсационной обмоткой, расположенной равномерно по окружности статора и соединенной последовательно с якорем. Для улучшения компенсации ЭДС самоиндукции в секциях якоря статор делают неявнополюсным. Для получения удовлетворительной коммутации, при которой короткозамкнутая секция оказывается подобной короткозамкнутой обмотке трансформатора, число витков в секциях уменьшают, увеличивая число секций, и ограничивают ток включением между секциями и коллектором специальных резисторов. Наличие большого числа секций и пластин коллектора сильно увеличивает размеры коллектора, что является внешним отличительным признаком коллекторных двигателей переменного тока от двигателей постоянного. [28]

Преимущество коллекторного двигателя переменного тока по сравнению с асинхронным и синхронным двигателями состоит в том, что он позволяет получить практически любые частоты вращения и путем простых средств обеспечить широкое и экономичное регулирование пускового момента и частоты вращения. Например, при частоте источника питания 50 Гц диапазон регулирования частоты вращения может достигать 3000 — 20 000 об / мин. [29]

Недостатком коллекторного двигателя переменного тока является то, что он служит источником высокочастотных помех, поэтому для их снижения в корпусе двигателя устанавливаются емкостные фильтры Cl, C2, СЗ. [30]


Источник: kontakt-bak.ru