электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД), инженерно технические системы (ИТС)

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электродвигатель постоянного тока

Исторически первый электродвигатель работал именно на постоянном токе, так как во времена его изобретения в 1834 году Борисом Якоби единственным источником тока были гальванические батареи.

Принцип работы электродвигателя постоянного тока прост: в простейшем случае он имеет по одной паре полюсов на статоре и роторе, при этом направление тока в обмотке ротора дважды за оборот изменяется при помощи специального устройства – коллектора, представляющего собой набор пластин, соответствующий числу роторных обмоток.

При вращении ротора различные участки обмотки последовательно соединяются через щетки с внешним источником постоянного тока.

Так как электродвигатель с двухполюсным ротором имеет две мертвые точки, где запуск без внешнего импульса невозможен (полюса ротора находятся точно напротив полюсов статора, и равнодействующая сил отталкивания равна нулю), на практике используются только многополюсные роторы.

Кроме того, увеличение числа полюсов увеличивает равномерность вращения ротора.

Подключение обмотки якоря может быть различным:

Независимое.: Обмотка ротора не имеет прямого соединения со статором, такое подключение используется в схемах с регулировкой оборотов.
Сериесное.: Обмотка якоря включена последовательно со статором. При увеличении нагрузки на сериесный электродвигатель его обороты резко падают (но возрастает крутящий момент), при уменьшении нагрузки возможен разнос. По этой причине сериесное возбуждение не используется там, где возможен холостой ход электродвигателя. Классический пример сериесного мотора – автомобильный электростартер.
Шунтовое.: Якорь подключается параллельно статору. При перегрузке крутящий момент на роторе не изменяется, при отсутствии нагрузки не возникает разнос.
Смешанное.: Якорь имеет две обмотки, подключенных последовательно статору и параллельно с ним. По своим электромеханическим характеристикам компаундные электромоторы находятся между сериесными и шунтовыми – они способны поднимать крутящий момент при увеличении нагрузки и вместе с тем не склонны к разносу на холостом ходу.

Компаундное возбуждение часто используется в электроинструменте, где необходимо и ограничение максимальных оборотов, и устойчивость к росту нагрузок.

В зависимости от взаимного направления магнитных потоков обеих обмоток различают прямое и обратное компаундное включение: при обратном включении и правильном конструировании ротора возможно поддержание стабильных оборотов при изменении нагрузки, но такая схема склонна к периодическим колебаниям частоты вращения.

Магнитное поле статора является постоянным, поэтому статор может выполняться из мощных магнитов, не имея обмотки. Благодаря этому снижаются затраты меди на производство электродвигателя и уменьшается его стоимость.

Сфера применения электродвигателей постоянного тока – это в первую очередь устройства и системы с батарейным питанием: от микромоторов карманных плейеров до мощных автомобильных электростартеров, тяговые двигатели легких электромобилей и электрокаров, аккумуляторный электроинструмент.

При всех своих достоинствах (простота устройства, высокий КПД, легкость реверса) электродвигатели постоянного тока имеют ряд серьезных недостатков:

При вращении ротора в питающей цепи возникают импульсные помехи в момент перехода ламелей коллектора мимо щеток, к которым добавляются радиопомехи из-за искрения на коллекторе.
Сам коллектор и токопроводящие щетки неизбежно изнашиваются. Неравномерный износ ламелей коллектора и изолятора между ними может приводить к нарушению контакта щеток и коллектора, снижению мощности и обгоранию ламелей.
В ряде случаев искрение щеток усиливается настолько, что возникает так называемое «кольцевое пламя» - сплошная область ионизированного воздуха, окружающая коллектор с разрушительными последствиями. Для противодействия этому чаще всего используется принудительная вентиляция области коллектора, выносящая ионизированный воздух наружу.

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Наиболее очевидный способ управления оборотами электродвигателя постоянного тока – это изменение тока в его обмотках и, следовательно, магнитного потока. Изначально в цепь питания ротора включался мощный реостат, однако этот способ управления имел явные недостатки:

Сложность автоматического поддержания оборотов.

Движок реостата приводился либо вручную, либо присоединялся к центробежному регулятору. В любом случае резкое увеличение нагрузки не могло быть быстро скомпенсировано.

Высокие потери мощности.

На мощных электродвигателях реостат значительно нагревался, снижая КПД двигательной установки и требуя введения дополнительного охлаждения.

Применение линейного стабилизатора для управления электродвигателем – это, по сути, замена механического реостата электронным: изменяя мощность, рассеиваемую линейным стабилизатором, изменяют ток в обмотках электродвигателя.

Главное преимущество такой схемы – возможность создания устройств для поддержания оборотов с высокой скоростью реакции. Как известно, при вращении коллектора возникают броски тока в момент подключения очередной секции обмотки ротора.

Частота этих импульсов строго пропорциональна оборотам двигателя, что широко используется в устройствах правления коллекторными двигателями.

Например, автомобильный доводчик стеклоподъемников автоматически отключает питание мотора, перестав фиксировать пульсацию тока в цепи питания стеклоподъемника (обнаружение момента остановки электродвигателя).

Совершенствование силовой электроники и в частности создание ключей с низким собственным падением напряжения в открытом состоянии (IGBT, MOSFET) позволило создать системы электронного управления широтно-импульсной модуляцией.

Суть широтно-импульсной модуляции (сокращенно ШИМ) состоит в изменении длительности импульсов тока при сохранении их постоянной частоты.

Такой метод регулировки имеет значительно больший КПД, так как отсутствует элемент, на котором рассеивается излишняя мощность, как это было бы в случае использования реостата или линейного стабилизатора напряжения.

Основной проблемой схем с широтно-импульсной является индуктивность обмоток электродвигателя. Она делает невозможным моментальное нарастание и падение тока, искажая форму прямоугольного сигнала, подаваемого на электродвигатель. В свою очередь, при неправильном проектировании силового каскада ШИМ-контроллера это способно привести к перегреву силовых ключей и резкому падению КПД.

ПУСК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В момент включения электродвигателя постоянного тока в питающую сеть возникает значительный бросок тока, так как пусковой ток электродвигателя в несколько раз (при мощностях, измеряемых киловаттами – до 20) превосходит номинальный. По этой причине прямой пуск электродвигателей используется только при небольших мощностях.

Распространенный способ снижения нагрузки на сеть при пуске электродвигателей высокой мощности – это реостатный запуск. В данном случае в момент включения мотора цепь ротора питается через мощный резистор или набор резисторов, по мере набора оборотов закорачиваемых специальными контакторами.

Осциллограмма тока якоря при этом становится близкой к пилообразной, а амплитуда пульсаций зависит от числа ступеней пускового реостата.

В тех случаях, когда нагрузка на электродвигатель находится в определенном заданном диапазоне, реостатный пуск производится в автоматическом режиме с помощью реле времени. Эта схема используется на ряде электропоездов, однако распространены и ручные контроллеры, управляемые машинистами.

Недостаток реостатного пуска – большие потери на нагрев реостатов, из-за чего они должны иметь высокую мощность и в ряде случаев искусственное охлаждение.

Этого лишен пуск изменением питающего напряжения, применяемый в тех случаях, когда возможно управление источником тока, например, в электро трансмиссиях постоянного тока: в момент пуска приводящий генератор двигатель работает на минимальных оборотах, плавно набирая их по мере разгона.

Также могут применяться управляемые выпрямители, но этот способ более применим для электродвигателей низкой мощности.

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