Двигатель постоянного тока | Устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока

Электрические машины востребованы для работы оборудования разного назначения. Агрегаты встречаются в бытовых и промышленных устройствах. Для получения большой механической мощности с возможностью управления частотой вращения спросом пользуется двигатель постоянного тока (ДПТ или DC двигатели).

Устройство и принцип действия

Внешне двигатель постоянного тока представлен компактным моноблочным устройством с клеммами для подключения. На выходе вал, через который передается крутящий момент рабочему механизму.

Электрическая машина состоит из двух основных компонентов:

1. Статор. Неподвижный элемент двигателя с обмоткой для возбуждения электродвижущей силы (ЭДС). У статора противоположно расположено два постоянных магнита с разными полюсами.
2. Ротор. Вращающийся элемент ДПТ, который преобразует электромагнитную силу в механическую энергию.

На роторе присутствует токопроводящая обмотка с концами на щетках. Они являются контактами, на которые подается электроэнергия. Поток заряженных частиц через обмотку проходит по касательной постоянный магнит статора, возбуждая электродвижущую силу. Она приводит в действие ротор, который вращается с постоянной скоростью.

Направление потока электрических зарядов векторное и прямое, поэтому ротор двигателя немного прокрутится и остановится. Для непрерывного вращения на его конце установлена токопроводящая пластина (ламель).

Но одной ламели недостаточно, т.к. после проворачивания ротора на 180 °C на пути будет магнит с обратной полярностью. И чтобы якорь не вращался «туда-сюда», ламели расположены по всей окружности конца ротора в виде неподвижного щеточного коллектора на подшипниках скольжения. Независимо от текущего положения ротора, в любой момент вращения возле магнита всегда будет ламель, принимающая постоянный ток.

За свою конструкцию такие машины называются коллекторными электродвигателями. Они первыми были разработаны и до сих пор в спросе. Агрегаты долговечны, поддерживают регулировочную скорость вращения ротора. Все электрические машины постоянного тока — синхронные двигатели. Называются они так по причине одинаковой скорости вращения магнитного поля и ротора.

С развитием электроники появились DC двигатели без щеточного коллектора. Постоянный ток подается на статор, а закрепленные на роторе постоянные магниты начинают вращать якорь. С конструктивной стороны такие машины более сложные и имеют узкое назначение. Используются в условиях, в которых применение коллекторных электродвигателей не оправдано.

Способы возбуждения ЭДС ДПТ

Благодаря низкой себестоимости коллекторные электромоторы распространены в недорогих бытовых устройствах. Но их мощности недостаточно для крупногабаритного оборудования. Поэтому в промышленности применяются машины с обмоткой на статоре (вместо постоянного магнита). По классификации агрегаты отличаются способом возбуждения ЭДС.

Последовательное возбуждение

Обмотка возбуждения на статоре и на якоре питаются от одного источника постоянного тока. Сначала он проходит по статору, а когда он поступит на ротор, уже будет действовать ЭДС. Это самая удачная схема запуска двигателя — можно обеспечить плавный пуск машины и доступна регулировочная скорость вращения.

Но есть и существенный недостаток — возбуждаемое магнитное поле растет лишь с повышением постоянного тока. Поэтому для получения высокой скорости подается больше мощности. В результате часто происходят искрения и перегорания ламелей. При использовании двигателей с последовательным возбуждением приходится выбирать между производительностью и долговечностью.

Параллельное возбуждение

Поток частиц идет от одного источника одновременно на обмотки статора и ротора ДПТ. Напряжение будет одинаковым, а вот сила распределяться между проводниками. Машины с такой конфигурации самые простые в производстве и компактны. Концы проводников статора и ротора подсоединены напрямую к щеткам. Нет дополнительных соединений обмоток между собой (которое есть при последовательном возбуждении).

Но с увеличением силы заряда на обмотке возбуждения, на якоре будет спад, и наоборот. Поэтому электродвигатели постоянного тока с параллельным возбуждением могут работать лишь с одной скоростью. Они часто используются в насосах магистральных трубопроводов, которые работают под конкретным напором.

Независимое возбуждение

На якорь и статор подается напряжение от разных источников питания. Такая схема позволяет обеспечить плавный пуск, т.к. при увеличении скорости вращения возбужденное поле не меняется. И это значительно продлевает ресурс машины.

У электродвигателей постоянного тока с независимым возбуждением только один недостаток — частый выход из строя якоря. Это связано с тем, что при перегрузках ЭДС не меняется (т.к. она возбуждается иным источником, не задействованным при регулировании оборотов ротора). Оператор может заметить дефекты в работе только когда уже становится поздно (сильный шум, запах перегоревшей изоляции).

Смешанное (комбинированное) возбуждение

У таких машин несколько катушек возбуждения с разным соединением. Электродвигатели сложны и функциональны. Они применяются в условиях, когда требуется бесперебойная работа, а сохранность агрегата вторична.

Например, при штатной работе задействуется обмотка возбуждения, которая параллельно соединена с проводником якоря, и ротор вращается с одной скоростью. А в момент перебоев на генераторе или подстанции подача тока переключается на другую катушку, у которой независимое от якоря возбуждение. Электродвигатели постоянного тока со смешанным возбуждением не встречаются в бытовых устройствах. В зависимости от режима работы по факты такие агрегаты могут иметь классификацию.

Способы эксплуатации

Электрически е DC машины постоянного тока могут работать в прямом и обратном порядке. В результате их можно использовать в качестве генераторов путем преобразования механической силы в электрическую энергию.

Режим электродвигателя

Подаваемый постоянный ток преобразовывается в механическую силу вращения ротора, которую можно использовать в разных целях:

• перекачка газообразных и жидких сред;
• транспортировка и подъем грузов;
• обработка материалов разной прочности.

Электрическая машина постоянного тока находит широкое применение только от одного вращения, но и это не предел ее возможностей. У преобразования линейная зависимость — обороты зависят от напряжения (чем оно выше, тем их больше на единицу времени). Такая зависимость позволяет использовать две опции:

1. Регулирование скорости вращения. С помощью частотного преобразователя меняется напряжение, а за ним прямо пропорционально растут или падают обороты. Это позволяет использовать оборудование более эффективно (менять напор перекачки, ускорять подъем более легких грузов и т. д.).
2. Плавный запуск. Пусковой ток подается не сразу базовым напряжением, а с постепенным его увеличением до требуемого значения. Также можно обеспечить плавный переход при переключении скорости вращения. Эта функция значительно сокращает износ машины от резких вращений.

С развитием электроники стало возможным регулировать вращение ротора двигателей постоянного тока под управлением других устройств, делая его работу автономной:

1. Термостат у котла задает скорость вращения насоса, при которой в трубах будет достигнута нужная температура.
2. Аварийная система обесточивает агрегат при его перегреве.
3. Реле давления останавливает перекачку в магистральных трубопроводах при полном резервуаре, и с его опустением снова запустит машину.

Режим генератора

Принцип заключается в реверсивной работе DC электродвигателя. Под действием механической силы ротор начинает вращаться и генерировать электрический заряд на полюсах. Токосъем происходит подключением сетей к щеткам.

Подавляющее большинство двигателей с работой в режиме генератора действуют в электростанциях. Для движения ротора задействуется течение реки или пар. Крупные перерабатывающие заводы могут обеспечивать себя электроэнергией с нулевой себестоимостью. В качестве механической силы для движения ротора используется побочный продукт в виде струи газа.

Также распространено применение компактных мини-электростанций. Они представлены установкой с двигателем внутреннего сгорания и генератора. Ротор приводится в движение сжиганием бензина или ДТ. Мини-электростанции распространены на строительных промышленных объектах в условиях отсутствия электросетей.

На практике в целях продления срока службы генератора ротор ДПТ всегда работает с минимальной нагрузкой. Ток необходимых характеристик получается подключением выпрямителей, резисторов и инверторов.

Универсальный электродвигатель

Если у машины магнитное поле возбуждения и ротор вращаются с одинаковой скоростью (синхронная машина), он устроен так, что возможно питание от постоянного и переменного тока. Дополнительная обмотка возбуждения проходит не по всему статору, а секционно (по образу с ламелями щеточного коллектора). При включении двигателя в цепь с источником постоянного тока питание подается на основную обмотку статора, а когда от переменного — на дополнительную.

Такой подход позволяет коллекторному двигателю постоянного тока работать от общей сети. Он используется в бытовых приборах с высокой производительностью. Вся причина в том, что переменный ток электросети напряжением 230 В и частотой 50 Гц можно преобразовать во вращение ротора с крутящим моментом не более 3000 об. /мин. В обычном режиме оборудование работает от переменного источника питания. Но когда требуется очень высокая скорость вращения механизма, происходит предварительное выпрямление. Ток становится постоянным и после передается на щетки машины.

Достоинства

У электродвигателей постоянного тока много преимуществ, среди которых можно отметить следующее:

1. Линейная зависимость преобразования энергии. По характеристикам источника можно заранее рассчитать обороты, с которыми движется ротор (и наоборот для генератора). Это обеспечивает плавным пуском и регулировочной скорость вращения электромотора.
2. Универсальная конструкция. Для любых задач подходит коллекторный двигатель, и наладить производство одного вида машин проще.
3. Компактность. Синхронные двигатели состоят только из статора и якоря, остальные компоненты незначительны и не почти не влияют на размер агрегата.

Двигатели постоянного тока отлично подходят для предприятий на производстве. Но в быту по ряду качеств они проигрывают основному конкуренту — асинхронным двигателям:

1. Меньший рабочий ресурс и требовательность к частому обслуживанию с заменой изношенных частей.
2. Сложная конструкция якорей, не позволяющая отремонтировать или заменить их самому.
3. Для подключения к общей сети требуется выпрямитель.

По этим причинам в домашних устройствах и бытовых инструментах присутствуют асинхронные двигатели. Их принципиальное отличие в поле возбуждения, которое всегда вращается быстрее ротора. Такие машины устроены так, что работают только от переменного тока.

Типы неисправностей

Двигатели постоянного тока используются для приведения в движение крупногабаритных агрегатов с большой нагрузкой, и где требуется часто менять скорость вращения. Преимущественно это область энергетики и производства с тяжелыми условиями работы, ускоряющими износ мотора. Но даже при бережной эксплуатации возможен выход из строя.

Для двигателей постоянного тока характерны многие поломки, которые можно объединить в 4 типа неисправностей:

1. Разрушение изоляции и обмотки.  При перегреве или коротком замыкании электромотор получает сильный урон. Изоляция разрушается, а уязвимая часть обмотки деформируется под действием внешнего тепла или роста сопротивления материала проводника. Поломке предшествует перегрев и шумная работа. Принципиальное отличие замыкания от перегрева в том, что неполадка на стороне и ее придется устранить после ремонта агрегата.
2. Отсутствие питания. При наличии постоянного тока полный отказ в работе двигателя указывает на обрыв одной или нескольких обмоток. Зачастую такая ситуация происходит в результате повреждения витков из-за неаккуратного обслуживания. В половине случаев обмотку двигателя можно восстановить без замены.
3. Постукивания и вибрации. Разбалансировка вала или разрушение подшипников скольжения нарушает синхронную передачу крутящего момента рабочему механизму. В результате происходят многократные толчки между валами, которые еще сильнее вредят электромотору. Возможно механическое разрушение отдельных частей (уцелевших подшипники, ламели коллектора).
4. Рабочие характеристики не соответствуют настройкам. Отвечающий за подачу постоянного тока на двигатель механизм неисправен. При повреждении катушки частотного преобразователя изменение скорости вращения ротора не будет соответствовать настройкам. При дефектной работе в режиме генератора токосъем не соответствует требуемым параметрам.

При наблюдении любых признаков неисправности необходимо отключить двигатель и передать его в сервис для ремонта. Дальнейшая эксплуатация мотора постоянного тока под нагрузкой причинит ему еще больше урона или нарушит работу оборудования. Восстановление машины необходимо доверить только специалистам. Только профессионалы способны на определение всех неисправностей и смогут устранить их за короткий срок.

Технический центр «Хельд» ремонтирует электрические моторы постоянного тока и устраняет неисправность любой сложности. Мастера восстанавливают обмотку статора и якоря, меняют подшипники скольжения, делают балансировку ротора. Также мы ремонтируем бытовые и промышленные агрегаты с работой от электродвигателя постоянного тока до 1000 кВт: генераторы, станки, компрессоры, насосы.

Если вам требуется срочное и профессиональное восстановление мотора, обратитесь в нашу компанию. Специалисты быстро изучат состояние машины, найдут все неисправности и сообщат условия ремонта.

Коллекторный двигатель постоянного тока: конструкция и принцип действия

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!

Материалы по теме:

• Что такое анод и катод
• Как работает магнитный пускатель
• Как понизить напряжение в сети
• Что такое асинхронный двигатель

Все о контроллерах двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока по-прежнему актуальны в современной промышленности, несмотря на то, что они являются одной из старейших конструкций электродвигателей. Как они выдержали испытание временем, особенно против всех удивительных новых машин 21-го века?

Есть много возможных ответов на этот вопрос, но их хорошая управляемость является основной причиной, по которой двигатели постоянного тока сохранились. Эта простая машина преобразует постоянный ток в механическое вращение, которым можно управлять, просто изменяя входное напряжение или меняя местами его выводы. Элегантность двигателей постоянного тока привела к производству многих контроллеров двигателей постоянного тока, которые часто имеют простую конструкцию и обеспечивают достаточную производительность для своей стоимости. В этой статье будут рассмотрены некоторые распространенные контроллеры двигателей постоянного тока, принцип их работы и обсуждены самые популярные приложения для этих систем.

Что такое контроллеры двигателей постоянного тока?

Проще говоря, контроллер двигателя постоянного тока — это любое устройство, которое может управлять положением, скоростью или крутящим моментом двигателя постоянного тока. Существуют контроллеры для щеточных двигателей постоянного тока, бесщеточных двигателей постоянного тока, а также универсальных двигателей, и все они позволяют операторам задавать желаемое поведение двигателя, даже если их механизмы для этого различаются.

В наших статьях о шунтирующих двигателях постоянного тока, двигателях постоянного тока с последовательной обмоткой и бесщеточных двигателях постоянного тока подробно объясняется, как работают машины постоянного тока. Подводя итог, можно сказать, что кривая скорость/момент двигателей постоянного тока является обратно линейной, что означает, что их крутящий момент пропорционально уменьшается по мере увеличения оборотов двигателя. Это позволяет легко управлять, так как снижение скорости увеличивает крутящий момент, и наоборот. Кроме того, в отличие от некоторых двигателей переменного тока, двигатели постоянного тока легко реверсируются простым переключением их выводов, чтобы постоянный ток протекал в противоположном направлении. Контроллеры двигателей постоянного тока используют эти характеристики уникальным образом, и в этой статье будут рассмотрены наиболее популярные методы.

Типы контроллеров двигателей постоянного тока

Ниже приведены некоторые распространенные методы управления двигателем постоянного тока. Обратите внимание, что эти методы не являются исчерпывающими и что двигателями постоянного тока можно управлять многими способами, включая контроллеры серводвигателей (подробнее см. в нашей статье о контроллерах серводвигателей):

Контроллер направления: H-мост

H-мостовая схема — один из самых простых способов управления двигателем постоянного тока. На рисунке 1 ниже показана упрощенная принципиальная схема H-моста:

.

Рис. 1: H-мостовая схема для управления направлением вращения двигателя постоянного тока.

Имеется четыре переключателя, управляемых парами (1 и 4, 2 и 3), и когда любая из этих пар замкнута, они замыкают цепь и приводят двигатель в действие. Таким образом, 4-квадрантный двигатель можно создать, соединив вместе определенные переключатели, при этом смена полярности будет по-разному влиять на двигатель. По сути, эта схема переключает выводы двигателя постоянного тока, который меняет направление вращения по команде. Они легко продаются в виде чипов и могут быть найдены в большинстве микропроцессорных контроллеров, поскольку H-мост можно уменьшить с помощью транзисторов до очень маленьких размеров.

H-мосты могут не только изменять направление вращения двигателя, но и использоваться для управления скоростью. Если требуется только направленное управление, то H-мост будет использоваться в качестве так называемого нерекуперативного привода постоянного тока. Однако для создания рекуперативных приводов постоянного тока можно добавить больше сложности. На рис. 2 показан график, иллюстрирующий работу рекуперативных приводов:

.

Рис. 2: графики, представляющие направление скорости и крутящего момента при изменении полярности на двигателе постоянного тока.

Обратите внимание, как создается движение, когда они работают в одном направлении, и как достигается торможение, когда они противостоят друг другу.

Большинство двигателей постоянного тока замедляются, просто отключая питание двигателя; рекуперативные приводы включают возможности торможения, когда переключение полярности во время работы двигателя вызывает замедление. Квадранты 1 и 3 считаются «моторными» квадрантами, где двигатель обеспечивает ускорение в любом направлении и управляется нерекуперативными приводами. Квадранты 2 и 4 считаются «тормозящими» квадрантами, в которых двигатель замедляется, и от этого выигрывают рекуперативные приводы. Когда скорость двигателя противоположна крутящему моменту двигателя, двигатель становится генератором, где его механическая энергия возвращает ток к источнику питания (известное как «рекуперативное торможение»). Эта функция снижает потери энергии и может перезаряжать источник питания, эффективно повышая эффективность двигателя. На рис. 3 показана упрощенная принципиальная схема для каждого квадранта, а также то, как квадранты 2 и 4 направляют ток обратно в источник для рекуперации энергии:

Рисунок 3: Принципиальные схемы для каждого квадранта, показывающие величины напряжения двигателя и питания. Обратите внимание, как направление тока (I

_a ) перемещается от двигателя к источнику питания в квадрантах 2 и 4.

Когда двигатель замедляется, E _a (напряжение, создаваемое/используемое двигателем) больше, чем напряжение питания (V _a ), и ток будет течь обратно в источник питания. В настоящее время рекуперативное торможение исследуется в электромобилях и других приложениях, которым необходимо максимизировать эффективность. Этот метод не только обеспечивает управление двигателем постоянного тока, но также обеспечивает разумный способ снижения энергопотребления.

Регулятор скорости: широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

PWM можно использовать во многих типах двигателей, как показано в нашей статье о контроллерах двигателей переменного тока. По сути, схемы ШИМ изменяют скорость двигателя, имитируя снижение/увеличение напряжения питания. Контроллеры привода с регулируемой скоростью посылают на двигатель периодические импульсы, которые в сочетании со сглаживающим эффектом, вызванным индуктивностью катушки, заставляют двигатель работать так, как если бы он питался от более низкого / более высокого напряжения. Например, если на двигатель 12 В подается ШИМ-сигнал высокого уровня (12 В) в течение двух третей каждого периода и низкого уровня (0 В) в оставшуюся часть, двигатель будет эффективно работать при двух третях полного напряжения. или 8 В. Таким образом, процент снижения напряжения или «рабочий цикл» ШИМ будет изменять скорость двигателя. ШИМ легко и недорого реализовать, и можно выбрать практически любой рабочий цикл, что позволяет почти непрерывно контролировать скорость двигателя. ШИМ часто сочетается с H-мостами, чтобы обеспечить управление как скоростью, направлением, так и торможением.

Контроллер якоря: переменное сопротивление

Другой способ повлиять на скорость двигателя постоянного тока — изменить ток, подаваемый либо через катушку возбуждения, либо через якорь. Скорость выходного вала будет изменяться при изменении тока через эти катушки, так как его скорость пропорциональна силе магнитного поля якоря (определяется током). Переменные резисторы или реостаты, включенные последовательно с этими катушками, могут использоваться для изменения тока и, следовательно, скорости. Пользователи могут увеличить сопротивление обмотки якоря, чтобы уменьшить скорость, или увеличить сопротивление статора, чтобы увеличить ее, регулируя сопротивление. Обратите внимание, что этот метод снижает эффективность двигателя, поскольку увеличение сопротивления означает потерю большего количества энергии на нагрев, и именно поэтому ШИМ является предпочтительным типом контроллера двигателя постоянного тока.

Применение и критерии выбора

При рассмотрении вопроса о покупке контроллера двигателя постоянного тока есть несколько ключевых вопросов, на которые должны ответить либо ваши исследования, либо поставщик. Контроллеры двигателей постоянного тока сложно определить из-за их разнообразия, поэтому приведенный ниже список вопросов будет надежным инструментом при выборе контроллера для вашего проекта. Обязательно найдите самую последнюю информацию о новейших доступных технологиях, связавшись с вашим поставщиком, и ответьте на эти вопросы, чтобы сделать осознанный выбор:

1. Каков диапазон номинального напряжения используемого двигателя и какие части этого диапазона он будет использовать?
2. Какой тип управления требуется (скорость, крутящий момент, направление или все три)?
3. Какой тип двигателя находится под управлением?
4. Какой непрерывный ток может обеспечить контроллер, и соответствует ли он постоянному потреблению тока двигателем под нагрузкой?
5. Имеет ли система встроенную защиту от перегрузки по току/тепловую защиту?
6. Каким будет метод управления при использовании микропроцессорных приводов (ШИМ, R/C, аналоговое напряжение и т. д.)? Необходимо ли программное обеспечение?
7. Вам нужен контроллер для двух двигателей (один контроллер для двух независимых двигателей)?

Доступно столько же контроллеров двигателей постоянного тока, сколько и самих двигателей постоянного тока; их изменчивость является одним из их самых сильных преимуществ. Их применения также столь же многочисленны, как и большинство разработчиков, получающих выгоду от того, что пользователь вносит какой-либо вклад в свой двигатель постоянного тока. В областях робототехники, производства, военного применения, автомобилей и многих других областях контроллеры двигателей постоянного тока используются с отличными результатами. В зависимости от того, как они используются, контроллеры двигателей постоянного тока могут обеспечить простое средство управления с хорошей точностью по приемлемой цене.

Резюме

В этой статье представлено понимание того, что такое контроллеры двигателей постоянного тока и как они работают. Для получения дополнительной информации о сопутствующих продуктах обратитесь к другим нашим руководствам или посетите платформу поиска поставщиков Thomas, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть сведения о конкретных продуктах.

Источники:

1. http://srjcstaff.santarosa.edu/~lwillia2/2B/2Bch30. pdf
2. https://itp.nyu.edu/physcomp/lessons/dc-motors/dc-motors-the-basics/
3. https://www.ece.uvic.ca
4. https://www.tigoe.com/pcomp/code/circuits/motors/controlling-dc-motors/
5. https://www.elprocus.com/what-are-the-best-ways-to-control-the-speed-of-dc-motor/
6. https://www.robotshop.com/community/tutorials/show/how-to-make-a-robot-lesson-5-choosing-a-motor-controller

Другие изделия для двигателей

• Типы катушек индуктивности и сердечников
• Типы контроллеров двигателей и приводов
• Типы двигателей постоянного тока

Двигатели переменного тока

• и двигатели постоянного тока — в чем разница?
• Все об асинхронных двигателях — что это такое и как они работают
• Типы двигателей переменного тока
• Все о синхронных двигателях — что это такое и как они работают
• Понимание двигателей

Однофазные промышленные двигатели

• — как они работают?
• Что такое двигатель с короткозамкнутым ротором и как он работает?
• Что такое двигатель с фазным ротором и как он работает?
• Все о реактивных двигателях — что это такое и как они работают
• Все о бесщеточных двигателях постоянного тока — что это такое и как они работают
• Все о двигателях с постоянными магнитами — что это такое и как они работают
• Все о двигателях постоянного тока с обмоткой серии — что это такое и как они работают
• Все о шунтирующих двигателях постоянного тока — что это такое и как они работают
• Все о шаговых двигателях — что это такое и как они работают

Шаговые двигатели

• и серводвигатели — в чем разница?
• Все о контроллерах двигателей переменного тока — что это такое и как они работают
• Синхронные двигатели и асинхронные двигатели — в чем разница?

Еще из раздела Инструменты и элементы управления

Оборудование для двигателей постоянного тока от CAM Innovation

Основная линейка продуктов CAM доминирует в отрасли ремонта электродвигателей большой мощности. CAM предлагает полную линейку машин, используемых для ремонта и производства двигателей постоянного тока, используемых на железных дорогах, шахтах, сталелитейных и бумажных фабриках, транспорте, нефтегазовой и других отраслях тяжелой промышленности. Инженерный отдел проектирует и оборудует комплексные предприятия по техническому обслуживанию двигателей для наших клиентов по всему миру.

Многоцелевые универсальные машины

С нашими универсальными машинами вы мгновенно станете современным предприятием по производству тяговых двигателей, способным обеспечить клиентов постоянным и высококачественным ремонтом двигателей!

View Многопроцессорные универсальные машины

Автоматические подрезные машины для слюды

Эти подрезные машины сэкономят часы труда и помогут улучшить качество результатов. Отлично подходит для всех размеров мастерских по производству и ремонту двигателей постоянного тока.

Просмотреть все Автоматические подрезчики слюды

Подрезчики, устанавливаемые на токарном станке

 Мы предлагаем подрезчики CAM для автомастерских любых размеров. Наша линейка токарных подрезных станков позволяет выполнять те же автоматизированные процессы, что и наши большие автономные станки.

Просмотреть все Подрезные станки, установленные на токарном станке

Обвязочные станки

Улучшите свою обвязку с помощью станка, специально созданного для этой работы! Обвязочная машина TS компании CAM производит плотные, однородные ленты или проволоку, поскольку она точно поддерживает натяжение. Этот простой в использовании обвязочный станок с быстрой настройкой обладает мощностью, точностью и конструктивными особенностями для высокопроизводительных автомобильных мастерских.

Посмотреть обвязочный станок TS

Устройства натяжения ленты

Устройство натяжения CB компании CAM предназначено для обвязки ленты на токарном станке с высоким натяжением. Это комбинированное устройство натяжения из стеклянной ленты и проволоки обеспечивает точную регулировку постоянного натяжения до максимального значения 600 фунтов (272,2 кг). Он может обеспечивать регулировку натяжения до 800 фунтов (363,9 кг) в течение коротких периодов времени или при прерывистой работе.

Посмотреть устройство натяжения бандажа

Автоматические сварочные аппараты TIG

Автоматическая сварка ВИГ — это контролируемый, повторяемый процесс, обеспечивающий стабильные высококачественные сварные швы ВИГ. Это упрощает сварку, повышает производительность и позволяет оператору выполнять другие задачи, контролируя процесс сварки. Арматуры, на сварку которых вручную уходили часы, могут быть квалифицированно, легко и быстро обработаны с помощью автоматических сварочных систем CAM.

Посмотреть автоматические сварочные аппараты TIG

Приправа для арматуры

Приправочная машина TA компании CAM нагревает и вращает якорь тяжелого тягового двигателя на высоких скоростях. Это позволяет моторному цеху имитировать условия работы коллектора двигателя путем нагрева и вращения якоря.

Посмотреть Приправочная машина ТА

Подставки для арматуры

САМ предлагает более дюжины подставок для поддержки и вращения арматуры во время операций намотки.