В тех приводах, где необходим широкий диапазон регулировки скоростей используется электрический двигатель постоянного тока. Он позволяет с высокой точностью поддерживать скорость вращения и осуществлять необходимые регулировки.
В основе работы данного вида двигателей лежит электромагнитная индукция. Если проводник, по которому протекает электрический ток, поместить в магнитное поле, то, согласно правила левой руки, на него будет воздействовать определенная сила.
Когда проводник пересекает магнитные силовые линии, в нем производится наведение электродвижущей силы, направленной в сторону, противоположную движению тока. В результате, получается обратное противодействие. Происходит преобразование электрической мощности в механическую с одновременным нагреванием проводника.
Вся конструкция устройства состоит из якоря и индуктора, между которыми находится воздушный зазор. Индуктор создает неподвижное магнитное поле и включает в себя полюса главные и добавочные, закрепляемые на станине. Обмотки возбуждения располагаются на главных полюсах и создают магнитное поле. Добавочные полюса содержат специальную обмотку, улучшающую условия коммутации.
В состав якоря входит магнитная система. Ее основными элементами являются рабочая обмотка, укладываемая в пазы, отдельные металлические листы и коллектор, с помощью которого к рабочей обмотке подводится постоянный ток.
Коллектор изготавливается в виде цилиндра и насаживается на вал электродвигателя. К его выступам припаиваются концы якорной обмотки. Электрический ток снимается с коллектора при помощи щеток, закрепленных в специальных держателях и зафиксированных в определенном положении.
Каждый двигатель постоянного тока осуществляет два основных процесса пуск и торможение. В самом начале пуска якорь находится в неподвижном состоянии, напряжение и сила, противоположная ЭДС, равны нулю. При незначительном сопротивлении якоря, значение пускового тока превышает номинальное, примерно в 10 раз. Во избежание перегрева обмотки якоря при пуске, применяются специальные пусковые реостаты. При мощности двигателей до 1-го киловатта, осуществляется прямой запуск.
В электродвигателях постоянного тока применяется несколько способов торможения. При динамическом торможении обмотка якоря замыкается коротко, либо с помощью резисторов. Этот способ обеспечивает наиболее точную остановку. Рекуперактивное торможение является наиболее экономичным. Здесь происходит изменение направления ЭДС на противоположное.
Торможение противовключением производится изменением полярности тока и напряжения в якорной обмотке, что позволяет создать эффективный тормозящий момент.
electric-220.ru
Электродвигатель постоянного тока был изобретен раньше других типов машин, преобразующих электрическую энергию в механическую. Несмотря на то, что позднее самое широкое распространение получили двигатели переменного тока, существуют сферы применения, в которых нет альтернативы электродвигателям постоянного тока.
Подробно о классификации и принципах работы электрических моторов, рекомендуем прочитать в нашей отдельной статье.
Содержание:
Электродвигатель постоянного и переменного тока
Электродвигатель Якоби.
Для того чтобы понять принцип работы электрических двигателей постоянного тока (ДПТ) мы обратимся к истории его создания. Итак, первые опытные доказательства того, что электрическую энергию можно превращать в механическую, продемонстрировал Майкл Фарадей. В 1821 году он провел опыт с проводником, опущенным в сосуд, наполненный ртутью, на дне которого располагался постоянный магнит. После подачи электричества на проводник, тот начинал вращаться вокруг магнита, демонстрируя свою реакцию на имеющееся в сосуде магнитное поле. Эксперимент Фарадея не нашел практического применения, но доказал возможность создания электрических машин, и дал старт развитию электромеханики.
Первый электрический двигатель постоянного тока, в основу которого был положен принцип вращения подвижной части (ротора) был создан русским физиком-механиком Борисом Семеновичем Якоби в 1834 году. Это устройство работало следующим образом:
1-4 — металлические кольца, 5 — скользящий контакт, 6 — батарея
Описанный принцип использовался в двигателе, который Якоби установил на лодке с 12 пассажирами в 1839 году. Судно двигалось рывками со скоростью в 3 км/ч против течения (по другим данным — 4.5 км/ч), но успешно пересекло реку и высадило пассажиров на берег. В качестве источника питания использовалась батарея с 320 гальваническими элементами, а движение осуществлялось с помощью лопастных колес.
Дальнейшее изучение вопроса привело исследователей к разрешению массы вопросов, касаемо того, какие источники питания лучше использовать, как улучшить его рабочие характеристики и оптимизировать габариты.
В 1886 году Фрэнком Джулиан Спрэгом впервые был сконструирован электродвигатель постоянного тока, близкий по конструкции тем, которые применяются в наши дни. В нем был реализован принцип самовозбуждения и принцип обратимости электрической машины. К этому моменту все двигатели данного типа перешли на питание от более подходящего источника – генератора постоянного тока.
Щёточно-коллекторный узел обеспечивает электрическое соединение цепи ротора с цепями, расположенными в неподвижной части машины
В современных ДПТ используется все тот же принцип взаимодействия заряженного проводника с магнитным полем. С усовершенствованием технологий устройство лишь дополняется некоторыми элементами, улучшающими производительность. К примеру, в наши дни постоянные магниты используются лишь в двигателях низкой мощности, поскольку в крупных аппаратах они занимали бы слишком много места.
Первоначальные прототипы двигателей данного типа были заметно проще современных аппаратов. Их примитивное устройство включало в себя лишь статор из двух магнитов и якорь с обмотками, на которые подавался ток. Изучив принцип взаимодействия магнитных полей, конструкторы определили следующий алгоритм работы двигателя:
Данный алгоритм отлично работал в теории, однако на практике перед создателями первых двигателей вставали характерные проблемы, препятствовавшие функционированию машины:
Решение первой проблемы было найдено довольно быстро – для этого было предложено использовать более двух магнитов. Позднее в устройство двигателя стали включать несколько обмоток и коллекторно-щеточный узел, который подавал питание только на одну пару обмоток в определенный момент времени.
Коллекторно-щеточная система подачи тока решает и проблему торможения ротора – переключение полярности происходит до того момента, когда вращение ротора начинает замедляться. Это значит, что во время одного оборота двигателя происходит как минимум два переключения полярности.
Проблема слабых пусковых токов рассматривается ниже в отдельном разделе.
Итак, постоянный магнит закрепляется на корпусе двигателя, образуя вместе с ним статор, внутри которого располагается ротор. После подачи питания на обмотке якоря возникает электромагнитное поле, вступающее во взаимодействие с магнитным полем статора, это приводит к вращению ротора, жестко посаженного на вал. Для передачи электрического тока от источника к якорю двигатель оснащается коллекторно-щеточным узлом, состоящим из:
Обмотки якоря одними концами соединяются между собой, а другими – с секциями коллектора, образуя таким образом цепь, по которой ток идет по следующему маршруту: входная щетка –> обмотка ротора -> выходная щетка.
Приведенная принципиальная схема (рис. 3) демонстрирует принцип работы примитивного электродвигателя постоянного тока с коллектором из двух секций:
Детали электродвигателя постоянного тока
Здесь, как уже было отмечено, продемонстрирован принцип работы примитивного прототипа. В настоящих двигателях используется более двух магнитов, а коллектор состоит из большего числа контактных площадок, благодаря чему обеспечивается плавное вращение.
В высокомощных двигателях использование постоянных магнитов не представляется возможным из-за их большого размера. Альтернативой для них служит система из нескольких токопроводящих стержней, на каждой из которых имеется своя обмотка, подключаемая к питающим шинам. Одноименные полюса включаются в сеть последовательно. На корпусе может присутствовать от 1 до 4 пар полюсов, а их количеству должно соответствовать число токосъемных щеток на коллекторе.
Электродвигатели, рассчитанные на большую мощность, обладают рядом функциональных преимуществ перед более «легкими» аналогами. К примеру, здешнее устройство токосъемных щеток поворачивает их на определенный угол относительно вала для компенсации торможения вала, названного «реакцией якоря».
Постепенное оснащение ротора двигателя дополнительными элементами, обеспечивающими его бесперебойную работу и исключающими секторальное торможение, возникает проблема его запуска. Но все это увеличивает вес ротора – с учетом сопротивления вала столкнуть его с места становится сложнее. Первым решением этой проблемы, приходящим в голову, может быть увеличение силы тока, подаваемой на старте, но это может привести к неприятным последствиям:
Поэтому такое решение можно назвать скорее рискованной полумерой.
Вообще, данная проблема является главным недостатком электродвигателей постоянного тока, но включает в себя основное их преимущество, благодаря которому они незаменимы в некоторых областях. Преимущество это заключается в прямой передаче момента вращения сразу же после пуска – вал (если тронется с места) будет крутиться с любой нагрузкой. Двигатели переменного тока на такое не способны.
Решить эту проблему полностью до сих пор не удалось. На сегодняшний день для пуска таких двигателей используется автомат-стартер, чей принцип работы схож с автомобильной коробкой передач:
Данный цикл повторяется 3-5 раз (рис. 4) и решает необходимость старта двигателя без возникновения критических нагрузок в сети. Фактически, «плавный» запуск по-прежнему отсутствует, однако оборудование работает безопасно, а главное достоинство электродвигателя постоянного тока – крутящий момент – сохраняется.
Подключение ДПТ выполняется несколько сложнее, в сравнении с двигателями со спецификацией на переменный ток.
У двигателей высокой и средней мощности, как правило, есть специальные контакты обмотки возбуждения (ОВ) и якоря, вынесенные в клеммную коробку. Чаще всего на якорь подают выходное напряжение источника, а на ОВ – ток, отрегулированный, как правило, реостатом. Скорость вращения двигателя напрямую зависит от силы тока, поданного на обмотку возбуждения.
Есть три основные схемы включения якоря и обмотки возбуждения электродвигателей постоянного тока:
В современных электрических двигателях постоянного тока могут применяться смешанные схемы, основанные на базе трех описанных.
Способ регулирования оборотов ДПТ зависит от схемы его подключения:
Данные схемы редко применяются в современном высокотехнологичном оборудовании, поскольку обладают узким диапазоном регулировки и другими недостатками. В наши дни для этих целей все чаще создают электронные схемы управления.
Для того чтобы реверсировать (обратить) вращение двигателя постоянного тока необходимо:
Как вы уже поняли, использование электродвигателей постоянного тока целесообразно в условиях, когда постоянное беспрерывное подключение к сети неосуществимо. Хорошим примером здесь может служить автомобильный стартер, толкающий двигатель внутреннего сгорания «с места», или детские игрушки с моторчиком. В данных случаях для запуска двигателя используются аккумуляторные батареи. В промышленных целях ДПТ применяются на прокатных станах.
Основная же сфера применения ДПТ – электрический транспорт. Пароходы, электровозы, трамваи, троллейбусы и другие аналогичные имеют очень большое пусковое сопротивление, преодоление которого возможно только с помощью двигателей постоянного тока с их мягкими характеристиками и широкими пределами регулировки вращения. С учетом стремительного развития и популяризации экологических транспортных технологий, сфера применения ДПТ лишь увеличивается.
Самый простой щёточно-коллекторный узел
Резюмируя все вышесказанное, можно описать характерные для электродвигателей постоянного тока достоинства и недостатки относительно их аналогов, рассчитанных на работу от переменного тока.
Основные достоинства:
Главные недостатки:
Электродвигатели постоянного тока, безусловно, проигрывают своим «переменным» сородичам по стоимости и надежности, однако используются и будут использоваться, поскольку плюсы от их использования в определенных сферах категорические перечеркивают все минусы.
Это может быть интересно:tokidet.ru
На рис.7 схема двигателя последовательного возбуждения. При разомкнутом ключе К ток якоря равен току обмотки возбуждения. Благодаря такому соединению главный магнитный поток машина изменяется пропорционально току якоря, пока магнитопровод машины не насыщен. Двигатель также снабжен пусковым реостатом rп для ограничения пускового тока. Двигатель с последовательным возбуждением может выдерживать сильные перегрузки при умеренном увеличении тока. Это его основное свойство. Например, при увеличении вдвое момента на валу двигателя ток возрастает до 140%(0,5раза) первоначального значения, а частота вращения падает до 70%. У двигателя параллельного возбуждения повышение вдвое момента незначительно уменьшит частоту вращения, зато ток увеличится до 200%(2раза)первоначального. При уменьшении нагрузки на валу двигателя последовательного возбуждения ток медленно уменьшается, зато растут обороты, и при нагрузках, примерно меньших 25% номинальной, частота достигает значений, опасных значений - двигатель "идет в разнос". Поэтому их не следует включать вхолостую либо с малой нагрузкой. Для регулирования частоты вращения можно при помощи ключа К шунтировать обмотку возбуждения реостатом rp. При шунтировании уменьшается магнитный поток и возрастает частота вращения. Одновременно увеличивается ток двигателя. Иногда такие двигатели используют на кранах, где имеется постоянный ток.
Двигатель с параллельным возбуждением имеет жесткую характеристику, с последовательным - мягкую. Иногда требуется некая промежуточная. Простейший способ - применение смешанного возбуждения. Двигатель снабжается какой-то основной обмоткой, последовательной или параллельной. В большинстве случаев у двигателей со смешанным возбуждением обе обмотки возбуждения включаются согласно, т.е. так, чтобы их МДС складывались. В двигателе с последовательно-параллельным возбуждением преобладает последовательное возбуждение, но благодаря наличию параллельной обмотки возбуждения нарастание частоты вращения двигателя при уменьшении нагрузки на валу ограничено. В двигателе с параллельно-последовательным возбуждением преобладает параллельное возбуждение. Наличие дополнительного последовательного возбуждения стабилизирует основной магнитный поток двигателя и немного смягчает его жесткую механическую характеристику. Для реверсирования двигателя смешанного возбуждения следует переключить выводы только якоря машины, чтобы изменить в нем направление. О реверсировании всех рассмотренных двигателей можно ознакомиться здесь
slavapril.narod.ru
Постоянный двигатель - двигатель, структура которого не перемещается, используемый, чтобы вести часть неподвижного оборудования, такого как насос, генератор или оборудование завода или фабрики. Термин обычно относится к большим неподвижным двигателям оплаты, преимущественно постоянным паровым двигателям и, в некоторой степени, постоянным двигателям внутреннего сгорания. Другие большие неподвижные источники энергии, такие как паровые турбины, газовые турбины, и большие электродвигатели, категоризированы отдельно.
Постоянные двигатели были однажды широко распространены в эру, когда каждая фабрика или завод произвели свою собственную энергию, и механическая передача была механической (через шахты линии, пояса, зубчатые передачи и тиски). Заявления на постоянные двигатели уменьшились, так как электрификация стала широко распространенной; большая часть промышленного использования сегодня тянет электричество из электрической сетки и распределяет его различным отдельным электродвигателям вместо этого.
Двигатель, которые работают в одном месте, но могут быть перемещены в другое место для более поздней операции, называют портативными двигателями. Хотя постоянные двигатели и портативные двигатели оба «» (не перемещающийся), бегая, предпочтенное использование (для пользы ясности) резервирует термин «постоянный двигатель» к постоянно неподвижному типу, и «портативному двигателю» к мобильному типу.
Перед электричеством сети и формированием общенациональных энергосистем, постоянные двигатели широко использовались для небольшого производства электроэнергии. Пока крупные электростанции в городах использовали паровые турбины или высокоскоростные паровые двигатели оплаты в бензине/бензине сельских районов, керосин/керосин или горючее двинулись на большой скорости, двигатели внутреннего сгорания были более дешевыми, чтобы купить, установить и работать, так как они могли быть начаты и остановлены быстро, чтобы удовлетворить требованию, оставленному управление без присмотра в течение долгих промежутков времени, и не требовали, чтобы многочисленный преданный технический штат управлял и поддержал. Из-за их простоты и экономики, горячие двигатели лампочки были популярны для мощных заявлений, пока дизельный двигатель не занял их место с 1920-х. Меньшие единицы обычно приводились в действие двигателями воспламенения искры, которые были более дешевыми, чтобы купить и потребовали, чтобы меньше пространства установило.
Большинство двигателей последних 19-х и ранних 20-х веков бежало на скоростях слишком низко, чтобы вести динамо или генератор переменного тока непосредственно. Как с другим оборудованием, генератор вел от махового колеса двигателя широкий плоский пояс. Шкив на генераторе был намного меньше, чем маховое колесо, обеспечив необходимую 'подготовку' эффекта. Более поздние двигатели воспламенения искры, разработанные с 1920-х, могли быть непосредственно соединены.
До 1930-х большинству сельских зданий в Европе и Северной Америке было нужно их собственное оборудование создания, если электрическое освещение было приспособлено. Двигатели часто устанавливались бы в специальном 'доме двигателя', который обычно был надворной постройкой, отдельной от главного дома, чтобы уменьшить вмешательство от шума двигателя. Дом двигателя содержал бы двигатель, генератор, необходимое распределительное устройство и плавкие предохранители, а также поставку топлива двигателя и обычно специальное пространство семинара с оборудованием, чтобы обслужить и отремонтировать двигатель. Богатые домашние хозяйства могли позволить себе нанять преданного инженера, чтобы поддержать оборудование, но как спрос на распространение электричества в дома меньшего размера, изготовители произвели двигатели, которые потребовали меньшего количества обслуживания, и этому не было нужно обучение специалиста работать.
Такие генераторные установки также использовались в промышленных комплексах и общественных зданиях - где угодно, где электричество требовалось, но электричество сети не было доступно.
Большинство стран в Западном мире закончило крупномасштабную сельскую электрификацию в годах после Второй мировой войны, делая отдельные генераторные установки устаревшими для пограничного использования. Однако даже в странах с надежным электропитанием от сети, много зданий все еще оснащены современными дизельными генераторами для использования в крайнем случае, таковы как больницы и насосные станции. Эта сеть генераторов часто является ключевой ролью национальной стратегии системы электричества разрешения с периодами высокого требования.
Развитие водоснабжения и систем удаления сточных вод потребовало предоставления многих насосных станций. В них некоторая форма постоянного двигателя (приведенный в действие паром для более ранних установок) используется, чтобы вести один или несколько насосов, хотя электродвигатели более традиционно используются в наше время.
Для каналов отличная область применения коснулась включения лифтов лодки и наклонных плоскостей. Где возможно они были бы устроены, чтобы использовать воду и силу тяжести в уравновешенной системе, но в некоторых случаях дополнительная входная мощность требовалась от постоянного двигателя для системы работать. Подавляющее большинство их было построено (и во многих случаях, уничтожено снова), прежде чем паровые двигатели вытеснялись внутренними альтернативами сгорания.
Промышленные железные дороги в карьерах и шахтах использовали фуникулеры, базирующиеся на идее наклонной плоскости, и определенные ранние пассажирские железные дороги в Великобритании были запланированы с длинами кабельной перевозки, чтобы преодолеть серьезные градиенты.
Для первой надлежащей железной дороги, Ливерпуля и Манчестера 1830, не было ясно, будет ли тяга локомотива работать, и железная дорога была разработана с крутым 1 в 100 градиентах, сконцентрированных по обе стороны от Рейнхилла на всякий случай. Если бы кабельная перевозка была необходима, тогда неудобное и отнимающее много времени шунтирование, очевидно, потребуется, чтобы быть свойственным и отделяет кабели. К счастью, градиенты Рейнхилла, оказалось, не были проблемой, и в конечном счете, тяга локомотива была полна решимости быть новой технологией с большим потенциалом для дальнейшего развития.
Более крутой 1 в 50 сортах из Ливерпуля вниз в доки управлялся кабельной тягой в течение нескольких десятилетий, пока локомотивы не улучшились. Кабельная перевозка продолжала использоваться, где градиенты были еще более крутыми.
Кабельная перевозка действительно оказывалась жизнеспособной, где градиенты были исключительно круты, таковы как 1 в 8 градиентах Кромфорда и Высокой Пиковой Железной дороги, открытой в 1830. У фуникулеров обычно есть два следа с нагруженными фургонами на одном следе, частично уравновешенном пустыми фургонами на другом, чтобы минимизировать топливные затраты для постоянного двигателя. Различные виды зубчатой железной дороги были развиты, чтобы преодолеть отсутствие трения обычных локомотивов на крутых градиентах.
Эти ранние установки постоянных двигателей были бы все приведены в действие паром первоначально.
В Великобритании есть немного музеев, где посетители видят постоянные двигатели в операции. У многих музеев есть один или несколько двигателей, но только некоторые специализируют на внутреннем сгорании постоянные двигатели. Среди них Внутренний Огонь - Музей Власти, в Уэльсе и Музее Двигателя Ансона в Чешире. У Музея Работы Амберли в Западном Сассексе также есть много двигателей, как делает Музей паровых машин Кью-Бридж в Лондоне.
Много паровых митингов, как Большая Дорсетская Паровая Ярмарка, включают секцию выставки для внутреннего сгорания постоянные двигатели. Эти двигатели были восстановлены частными лицами и часто показываются в операции, приводя в действие водные насосы, электрические генераторы, ручные инструменты, и т.п..
ru.knowledgr.com
