Принцип работы коллекторного электродвигателя переменного тока

Преобразование электрического тока в механическое движение (вращение) осуществляется электромеханическим преобразователем энергии — электрической машиной. Принцип работы, которой, основан на явлениях электромагнитной индукции и силы Ампера, действующей на проводник с током, движущийся в магнитном поле.

Электрические машины делятся по видам преобразования энергии:

• Генератор — преобразует механическую энергию в электрическую и тепло;
• Электрический двигатель — преобразует электрическую энергию в механическую работу и тепло;
• Электромеханический преобразователь (трансформатор) — преобразуют электрическую энергию одного вида в электрическую энергию другого вида, отличающуюся по напряжению, частоте и другим параметрам;
• Электромагнитный тормоз — механическая и электрическая энергии преобразуются в тепло.

В большинстве случаев электрическая машина состоит из двух элементов рис. 1;
• Ротор (якорь) — вращающаяся часть, состоит из обмотки якоря и коллекторного узла;
• Статор — неподвижная часть, состоит из источника магнитного поля. Постоянный магнит или электромагнит.

Между ротором и статором присутствует воздушный зазор, который служит их разделителем.

Электрические машины делятся на:

Коллекторные	Бесколлекторные
Постоянного тока	Синхронные
Универсальные	Асинхронные

Коллекторный двигатель постоянного тока

Коллекторный электродвигатель — электрическая машина, в которой датчиком положения ротора и переключателем тока в обмотках является одно и то же устройство — щёточно-коллекторный узел.

Щеточно-коллекторный узел — обеспечивает электрическое соединение цепи ротора с цепями, расположенными в неподвижной части двигателя. Состоит из коллектора (набора контактов, расположенных на роторе) и щёток (скользящих контактов, расположенных вне ротора и прижатых к коллектору), рис. 2.

Обычно в маломощных моторах всего два полюса обмотки возбуждения (одна пара) и трехзубцовый якорь. Три зуба это минимум для запуска из любого положения, но чем больше зубцов тем более эффективно используется обмотка, меньше токи и более плавный момент, т.к сила является проекцией на угол, а активный участок обмотки проворачивается на меньший угол.

В коллекторном электродвигателе щёточно-коллекторный узел одновременно выполняет две функции:
• является датчиком углового положения ротора (датчик угла) со скользящими контактами;
• переключателем направления тока со скользящими контактами в обмотках ротора в зависимости от углового положения ротора.

Щеточно-коллекторный узел является сам ненадежным элементом электрических машин, поскольку скользящие контакты интенсивно изнашиваются от трения.

Электродвигатели характеризуют два основных параметра — это скорость вращения вала (ротора) и момент вращения, развиваемый на валу. В общем плане оба этих параметра зависят от напряжения, подаваемого на двигатель и тока в его обмотках.

Принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока.

Прямоугольная рамка (ротор), свободно вращающаяся вокруг своей оси, помещена между постоянными магнитами. Если через рамку пропустить ток, то на обе ее стороны начнут действовать электродинамические силы. Действие этих сил, приводит рамку в движение. Рамка будет двигаться до тех пор, пока не достигнет положения, когда щетки попадут на диэлектрический зазор между пластинами коллектора. Рамка по инерции проскочит это положение, направление тока в рамке поменяется на противоположное, но силы действующие на рамку не поменяют своего направления, и она продолжит свое вращение в том-же направлении.

Разновидности коллекторных двигателей постоянного тока :

Малой мощности (единицы Ватт), рабочее напряжение 3-9 В:
• трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;
• коллекторный узел из двух щёток — медных пластин;
• двухполюсной статор из постоянных магнитов.

Более мощные (десятки Ватт), рабочее напряжение 12–24 В:
• многополюсный ротор на подшипниках качения;
• коллекторный узел из двух или четырёх графитовых щёток;
• четырёхполюсный статор из постоянных магнитов.

Высокой мощности (сотни Ватт):
• Четырех полюсный статор из электромагнитов.

Подключение обмотки статора

Обмотки статора могут подключаться несколькими способами:

1. Последовательно с ротором (так называемое последовательное возбуждение, см. рис. 4

Преимущество: большой максимальный момент;

Недостаток: большие обороты холостого хода, способные повредить двигатель.

2. Параллельно с ротором (параллельное возбуждение), см. рис. 5

Преимущество: большая стабильность оборотов при изменении нагрузки;

Недостаток: меньший максимальный момент.

3. Часть обмоток параллельно с ротором, часть последовательно (смешанное возбуждение), см. рис. 6.

До некоторой степени совмещает достоинства предыдущих типов.

4. Отдельным источником питания (независимое возбуждение), см. рис. 7.

Общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока — простота изготовления, эксплуатации и ремонта, достаточно большой ресурс.
К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы.

Управление коллекторными двигателями постоянного тока.

Для работы двигателя достаточно подать на него напряжения питания постоянного тока. Проблемы начинают возникать, когда появляется необходимость в регулировке скорости вращения вала такого двигателя. Нужно учитывать, что при вращении на малых скоростях, крутящий момент на валу будет то же мал. Если требуются низкие скорости вращения, то применяются редуктора.

В коллекторных двигателях постоянного тока ярко выражен пусковой ток, который превышает номинальный в несколько раз (10-40 раз). Почему это происходит? Это работает противоэдс. Когда двигатель стоит, то ток который через него может пройти зависит только лишь от двух параметров — напряжения питания и сопротивления якорной обмотки, (8).

Ioя — ток обмотки якоря;
U — напряжение питающей сети;
∑r — сопротивление обмоток якоря;

Как только двигатель начнет движение, то возникает противоЭДС — Епр. Обмотка якоря движется поперек магнитного поля статора и в ней наводится ЭДС, как в генераторе, но направлена она встречно той, что вращает двигатель. И в результате, ток через якорь резко снижается, тем больше, чем выше скорость, формула 9.

Снижение пускового тока можно добится уменьшением напряжения питания или повышением сопротивления обмотки якоря. Для повышения сопротивления обмотки якоря применяется ввод дополнительного сопротивления Rд, формула (10).

Таким образом, можно добиться величины пускового тока, в нужном диапазоне, безопасном для двигателя. Добавочное сопротивление может быть как в виде реостата, так и в виде нескольких резисторов. Это нужно для того, чтобы в процессе запуска двигателя, менять сопротивление в якорной цепи.

Епр — противоэдс, зависит от конструкции двигателя, и оборотов, формула 11.

Ce — одна из конструктивных констант. Они зависят от конструкции двигателя, числа полюсов, количества витков, толщин зазоров между якорем и статором. Нам она не особо нужна, при желании ее можно вычислить экспериментально. Главное, что она константа и на форму кривых не влияет.
Ф — поток возбуждения. т.е. сила магнитного поля статора. В моторах, где она задается постоянным магнитом это тоже константа, а в двигателях с обмоткой возбуждения, этот параметр можно менять.
n — обороты якоря.

Зависимость момента M от тока и потока, формула 12.

См — конструктивная константа.

Вот тут стоит обратить внимание, что зависимость момента от тока совершенно прямая. Т.е. просто замеряя ток, при неизменном потоке возбуждения, мы можем совершенно точно узнать величину момента.

Импульсный способ управления.

Следующий метод управления, как более перспективный, основан на применении широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Он, действительно, самый распространенный. К двигателю подводятся импульсы неизменного по амплитуде напряжения управления U у.ном, в результате чего его работа состоит из чередующихся периодов разгона и торможения, рис 14. Если эти периоды малы по сравнению с полным временем разгона и остановки ротора, то угловая скорость ротора не успевает к концу каждого периода достигать установившихся значений и установится некоторая средняя угловая скорость. Значение при неизменных моменте нагрузки и напряжении возбуждения однозначно определяется относительной продолжительностью импульсов ε

tи — длительность импульса;
Ти — период.

С увеличением относительной продолжительности импульсов угловая скорость ротора растет (ωср>ωср).В период паузы tп ротор обязательно должен тормозиться. Если это условие не будет выполняться, то угловая скорость ротора при любом значении ω будет непрерывно увеличиваться, пока не достигнет значения угловой скорости х.х., так как во время импульса угловая скорость будет возрастать, а во время паузы — оставаться практически неизменной.
С ростом частоты управляющих импульсов амплитуда колебаний скорости уменьшается; среднее значение угловой скорости остается при этом неизменным.

В бытовой технике, ручном электроинструменте, автомобильном электрооборудовании и системах автоматики очень часто применяется коллекторный электродвигатель переменного тока, схема подключения которого, как и устройство схожи с двигателями постоянного возбуждения постоянного тока.

Столь распространенное применение их объясняется компактностью, небольшим весом, невысокой стоимостью и простотой управления. В этом сегменте наиболее востребованы двигатели с высокой частотой и малой мощностью.

Принцип работ и конструктивные особенности

Устройство это достаточно специфичное, обладающее в силу схожести с машинами постоянного тока, похожими характеристиками и присущими им достоинствами.

Отличие от двигателей постоянного тока состоит в материале корпуса статора, изготовленном из листов электротехнической стали, благодаря чему удается добиться снижения потерь на вихревые токи.

Чтобы двигатель мог работать от обычной сети, т.е. 220 в, обмотки возбуждения соединяются последовательно.

Эти двигатели, называемые универсальными благодаря тому, что работают они от переменного и постоянного тока, бывают одно- и трехфазными.

Видео: Универсальный коллекторный двигатель

Из чего состоит конструкция?

Устройство электродвигателя переменного тока включает помимо ротора и статора:

• тахогенератор;
• щеточно-коллекторный механизм.

Ток якоря взаимодействует с магнитным потоком обмотки возбуждения, вызывая в коллекторном механизме вращение ротора. Ток подается через щетки на коллектор, являющийся узлом ротора и соединенным с обмоткой статора последовательно. Он собран из пластин, имеющих в сечении форму трапеции.

Продемонстрировать принцип работы такого двигателя можно с помощью хорошо известного со школьной программы опыта с вращающейся рамкой, которую поместили между разноименными полюсами магнитного поля. Она вращается под воздействием динамических сил, когда по ней протекает ток. При изменении направления тока, рамка не меняет направления вращения.

Примести к выходу из строя механизма могут высокие обороты холостого хода, вызванные максимальным моментом при последовательном подсоединении обмоток возбуждения.

Схема подключения (упрощенная)

Типовая схема подключения предусматривает вывод на контактную планку до десяти контактов. Протекающий по одной из щеток ток L поступает на коллектор и якорь, затем переходит на обмотки статора через вторую щетку и перемычку, выходя на нейтраль N.

Реверса мотора подобный способ подключения не предусматривает, поскольку подсоединение обмоток параллельное приводит к одновременной смене полюсов магнитных полей. В итоге, направление момента всегда одинаково.

Рекомендуем:

Изменить направление вращения возможно, если поменять на контактной планке местами выхода обмоток. Напрямую двигатель включают, когда вывода ротора и статора подсоединены щеточно-коллекторный механизм. Для включения второй скорости используются выводы половины обмотки. Нельзя забывать, что с момента такого подключения мотор работает на максимальную мощность, поэтому время его эксплуатации не может превышать 15 секунд.

Видео: Подключение и регулировка оборотов двигателя от стиральной машины

Управление двигателем

На практике применяют различные способы регулирования работы двигателя. Это может быть электронная схема, где регулирующим элементом выступает симистор, который на мотор «пропускает» заданное напряжение. Работает он как мгновенно срабатывающий ключ, открываясь, когда на его затвор поступает управляющий импульс.

В основе принципа действия, реализованного в схемах с симистором, лежит двухполупериодное фазовое регулирование, где к импульсам, которые поступают на электрод, привязано напряжение, подаваемое на двигатель. При этом, частота, с которой вращается якорь, прямо пропорциональна напряжению, подаваемому на обмотки.

Упрощенно этот принцип можно описать такими пунктами:

• на затвор симистора подается сигнал от электронной схемы;
• затвор открывается, ток течет по обмоткам статора, вызывая вращение якоря мотора М;
• мгновенные величины частоты вращения преобразуются тахогенератором в электрические сигналы, формируя с импульсами управления обратную связь;
• как следствие, вращение ротора при любых нагрузках, остается равномерным;
• с помощью реле R и R1 осуществляется реверс мотора.

Другая схема – тиристорана фазоимпульсная.

Преимущества машин и недостатки

К достоинствам относят:

• небольшие размеры;
• универсальность, т.е. работу на напряжении постоянном и переменном;
• большой пусковой момент;
• независимость от сетевой частоты;
• быстроту;
• мягкую регулировку оборотом в широком диапазоне при варьировании напряжением питания.

Недостатки связаны и использованием щеточно-коллекторного перехода, влекущего:

• уменьшение срока службы механизма;
• возникновение между щетками и коллектором искры;
• высокий уровень шума;
• большое число коллекторных элементов.

Основные неисправности

Искрение, возникающее между щетками и коллектором – самый главный вопрос, требующий внимания. Чтобы избежать неисправностей более серьезных, таких как их отслаивание и деформация или перегрев ламелей, сработавшуюся щетку необходимо заменить.

Помимо этого, возможно замыкание между обмотками якоря и статора, вызывающее сильное искрение на переходе коллектор-щетка или значительное падение магнитного поля.

Чтобы продлить срок службы двигателя, необходимо соблюдение двух условий – профессиональный изготовитель и грамотный пользователь, т.е. строгое соблюдение режима работы.

Видео: Коллекторный электрический двигатель

В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливаются электромашины с механической коммутацией. Такой тип двигателей называют коллекторными (далее КД). Предлагаем рассмотреть различные виды таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Мы также расскажем о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.

Что такое коллекторный двигатель?

Под таким определением подразумевается электромашина, преобразовывающая электроэнергию в механическую, и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки подсоединенной к коллектору (см. рис. 1).

Рисунок 1. Коллектор на роторе электродвигателя (отмечен красным)

В КД данный элемент конструкции используется для переключения обмоток и в качестве датчика, позволяющего определить положение якоря (ротора).

Виды КД

Классифицировать данные устройства принято по типу питания, в зависимости от этого различают две группы КД:

1. Постоянного тока. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
2. Универсальные. Могут работать как от постоянного, так и переменного источника электроэнергии. Отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой управления.

Первые, делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для образования вращательного момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:

• независимыми;
• параллельными;
• последовательными;
• смешанными.

Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.

КД универсального типа

На рисунке ниже представлен внешний вид электромашины данного типа и ее основные элементы конструкции. Данное исполнение характерно практически для всех КД.

Конструкция универсального коллекторного двигателя

Обозначения:

• А – механический коммутатор, его также называют коллектором, его функции были описаны выше.
• В – щеткодержатели, служат для крепления щеток (как правило, из графита), через которые напряжение поступает на обмотки якоря.
• С – Сердечник статора (набирается из пластин, материалом для которых служит электротехническая сталь).
• D – Обмотки статора, данный узел относится к системе возбуждения (индуктору).
• Е – Вал якоря.

У устройств данного типа, возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант сейчас не производят, мы его не будем рассматривать. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электромашин представлена ниже.

Схема универсального коллекторного двигателя

Универсальный КД может работать от переменного напряжения благодаря тому, что когда происходит смена полярности, ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление. В результате этого вращательный момент не изменяет своего направления.

Особенности и область применения универсальных КД

Основные недостатки данного устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что отражается в следующем:

• снижение КПД;
• повышенное искрообразование в щеточно-коллекторном узле, и как следствие, его быстрый износ.

Ранее КД широко применялись, во многих бытовых электроприборах (инструмент, стиральные машины, пылесосы и т.д.). На текущий момент производители практически престали использовать данный тип двигателей отдав предпочтение безколлекторным электромашинам.

Теперь рассмотрим коллекторные электромашины, работающие от источников постоянного напряжения.

КД с индуктором на постоянных магнитах

Конструктивно такие электромашины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.

Конструкция коллекторного двигателя на постоянных магнитах и его схема

Этот вид КД получил наибольшее распространение по сравнению с другими электромашинами данного типа. Это объясняется невысокой стоимостью вследствие простоты конструкции, простым управлением скорости вращения (зависит от напряжения) и изменением его направления (достаточно изменить полярность). Мощность двигателя напрямую зависит от напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.

Основная сфера применения – маломощные приводы для различного оборудования, часто используется в детских игрушках.

КД на постоянных магнитах с игрушки времен СССР

К числу преимуществ можно отнести следующие качества:

• высокий момент силы даже на низкой частоте оборотов;
• динамичность управления;
• низкая стоимость.

Основные недостатки:

• малая мощность;
• потеря магнитами своих свойств от перегрева или с течением времени.

Для устранения одного из основных недостатков данных устройств (старения магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких КД.

Независимые и параллельные катушки возбуждения

Первые получили такое название вследствие того, что обмотки индуктора и якоря не подключаются друг к другу и запитываются отдельно (см. А на рис. 6).

Рисунок 6. Схемы КД с независимой (А) и параллельной (В) обмоткой возбуждения

Особенность такого подключения заключается в том, что питание U и U_K должны отличаться, в противном случае н возникнет момент силы. Если невозможно организовать такие условия, то катушки якоря и индуктора подключается параллельно (см. В на рис. 6). Оба вида КД обладают одинаковыми характеристиками, мы сочли возможным объединить их в одном разделе.

Момент силы у таких электромашин высокий при низкой частоте вращения и уменьшается при ее увеличении. Характерно, что токи якоря и катушки независимы, а общий ток является суммой токов, проходящих через эти обмотки. В результат этого, при падении тока катушки возбуждения до 0, КД с большой вероятностью выйдет из строя.

Сфера применения таких устройств – силовые установки с мощностью от 3 кВт.

Положительные черты:

• отсутствие постоянных магнитов снимает проблему их выхода из строя с течением времени;
• высокий момент силы на низкой частоте вращения;
• простое и динамичное управление.

Минусы:

• стоимость выше, чем у устройств на постоянных магнитах;
• недопустимость падения тока ниже порогового значения на катушке возбуждения, поскольку это приведет к поломке.

Последовательная катушка возбуждения

Схема такого КД представлена на рисунке ниже.

Схема КД с последовательным возбуждением

Поскольку обмотки включены последовательно, то ток в них будет равным. В результате этого, когда ток в обмотке статора становится меньше, чем номинальный (это происходит при небольшой нагрузке), уменьшается мощность магнитного потока. Соответственно, когда нагрузка увеличивается, пропорционально увеличивается мощность потока, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть, в дальнейшем рост тока в обмотке катушки якоря не приводит к увеличению магнитного потока.

Указанная выше особенность проявляется в том, что КД данного типа непозволительно запускать при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электромашины резко увеличит частоту вращения, то есть, двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, такая особенность вносит ограничения на сферу применения, например, в механизмах с ременной передачей. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.

Указанная особенность не распространяется на устройства, чья мощность менее 200 Вт, для них допустимы падения нагрузки вплоть до холостого режима работы.

Преимущества КД с последовательной катушкой, такие же, как у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается минусов, то к ним следует отнести:

• высокую стоимость в сравнении с аналогами на постоянных магнитах;
• низкий уровень момента силы при высокой частоте оборотов;
• поскольку обмотки статора и возбуждения подключены последовательно, возникают проблемы с управлением скоростью вращения;
• работа без нагрузки приводит к поломке КД.

Смешанные катушки возбуждения

Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД данного типа обладает двумя катушками, подключенных последовательно и параллельно обмотке ротора.

Схема КД со смешанными катушками возбуждения

Как правило, одна из катушек обладает большей намагничивающей силой, поэтому она считается, как основная, соответственно, вторая – дополнительная (вспомогательная). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При встречном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электромашин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек является основной). То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки.

Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателями электромашин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.

Единственный недостаток такой конструкции – самая высокая стоимость в сравнении с другими типами КД. Цена оправдывается благодаря следующими положительными качествами:

• не устаревают магниты, за отсутствием таковых;
• малая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
• высокий момент силы на низкой частоте вращения;
• простое и динамичное управление.