Чем обусловлены основные недостатки двигателей постоянного тока

2) Классификация двигателей постоянного тока по способу возбуждения. Достоинства и недостатки каждого способа. Области применения двигателей с различными способами возбуждения.

Электрические двигатели постоянного тока (ДПТ) – машины, преобразующие электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. Эта механическая энергия используется для приведения во вращение какого-либо исполнительного механизма.

ДПТ по способу возбуждения делятся на:

— ДПТ параллельного возбуждения;

— ДПТ последовательного возбуждения;

— ДПТ смешанного возбуждения.

Двигатель параллельного возбуждения.

В двигателе параллельного возбуждения обмотка возбуждения включена на напряжение сети, т.е. параллельно обмотке якоря. Ток возбуждения составляет 3-5% от номинального значения тока двигателя. После пуска двигателя пусковой реостат полностью выведен, и к якорю двигателя подводится напряжение сети.

Характерной особенностью таких двигателей является независимость тока возбуждения (или потока возбуждения) от тока якоря машины. Разновидностью независимого возбуждения является возбуждение от постоянных магнитов.

Достоинства:

— большой диапазон скоростей;

— удобно и экономично регулировать величины тока возбуждения.

— наличие скользящего контакта в коллекторе;

— необходим источник постоянного тока.

Применение: в приводах вентиляторов, станков, а также в других случаях регулируемого электропривода, где требуется устойчивая работа при колебаниях нагрузки, так как они имеют жесткие механические характеристики и возможность плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

Двигатель последовательного возбуждения.

Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, поэтому ток возбуждения равен току якоря.

Режим холостого хода недопустим, т.к. при токе якоря, близком к нулю, ток возбуждения и магнитный поток также близки к нулю, частота вращения двигателя увеличивается в несколько раз по сравнению с номинальной, что может привести к механическому разрушению якоря.

Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой электромагнитный момент, пропорциональный квадрату тока якоря, обеспечивает этим двигателям хорошие пусковые свойства, т. е. большой пусковой момент при сравнительно малом токе якоря. Поэтому такие двигатели применяют в грузоподъёмных и тяговых приводах.

Двигатели последовательного возбуждения не создают таких больших толчков тока для питающей сети при резких увеличениях тормозного момента, какие создают двигатели параллельного возбуждения.

Двигатель смешанного возбуждения.

Имеет две обмотки возбуждения, одна из которых включена параллельно обмотке якоря, а другая — последовательно с ней.

Достоинство двигателя со смешанным возбуждением является то, что он обладает мягкой механической характеристикой, но может работать и в режиме холостого хода.

Двигатели смешанного возбуждения применяются в условиях, когда требуется большой пусковой момент, быстрое ускорение при пуске и допустимы значительные изменения скорости вращения при изменении нагрузки. Эти двигатели используются также в случаях, когда момент нагрузки изменяется в широких пределах, так как при этом мощность двигателя снижается, как и у двигателя с последовательным возбуждением. В связи с этим двигатели смешанного возбуждения применяются для привода на постоянном токе компрессоров, строгальных станков, печатных машин, прокатных станов, подъемников и т. д. В последнее время двигатели смешанного возбуждения используются также для электрической тяги, так как при этом легче, чем в случае применения двигателей последовательного возбуждения, осуществляется торможение подвижных составов с возвращением энергии в контактную сеть постоянного тока путем перевода машины в генераторный режим работы.

Машины постоянного тока.

МПТ обратимы, то есть одна и та же конструкция может работать и генератором и двигателем в зависимости от начальных данных.

Область применения ДПТ

Из-за большого пускового момента и возможности плавного регулирования частота вращения в широких пределах, определяется электрическим способом.

1. ДПТ применяется в качестве транспортного двигателя
2. В приводе тяжёлых станков.
3. В регулируемом по частоте электропривода.
4. В качестве исполнительного двигателя в системах автоматического управления

1. В качестве источника электроснабжения в независимо движущихся объектах.
2. В качестве источников питания при точной электросварки.
3. Для питания электрометрических волн при нанесении защитных покрытий на детали.
4. При измерении угловых скоростей в тахогенероторах.

Устройство мпт.

МПТ состоит из трёх частей:

1. Статора – неподвижная часть
2. Якорь – вращающаяся часть
3. С чёточно – коллекторное устройство

На рис. 10.1 представлена схема машины постоянного тока, а на рис. 10.2 она изображена в осевом направлении.

Литая станина (10.3), на которой укреплены полюса , они снабжены полюсными наконечниками для возможного полного обхвата окружности якоря.

На полюсах выполнена обмотка возбуждения, катушки которой соединены последовательно. В результате при протекании тока возбуждения полюса превращаются в электромагниты с генерирующейся полярностью.

Якорь – специфичное название только для МПТ, включает в себя ротор и соосный с ним коллектор. (рисунок 10.4 а,б)

В роторе выполнены симметричные пары, в которые уложены проводники обмотки якоря.

Коллектор имеет врезанные в поверхность медные пластинки , изолированные друг от друга прокладками из слюды. Количество пластин коллектора и пазов ротора одинаково. Каждый проводник ротора припаян к своей пластинке коллектора.

Счётно коллекторное устройство

Включает в себя угольные щетки , прижатые к пластинкам коллектора пружинами. От щёток выполнен токосъем в клемную коробку двигателя. Щётки неподвижны в процессе работы и скользят по пластинкам вращающегося коллектора.(рис. 10.4. в,г)

Принцип действия

В режиме генератора (ГПТ)

От источника постоянного напряжения U_B по ОВ протекает I_B, в результате создаётся магнитный поток Ф, соответствующий выражению . Ротор генератора вращается первичным двигателем по часовой стрелке с частотой n. В результате при вращении якоря его проводники пересекают постоянное магнитное поле. Отчего изменяется потокосцепление обмотки якоря. Возникает закон Фарадея: переменное потокосцепление наводит в проводниках якоря ЭДС. E_Я=С_ЕnФ

правило правой руки

правило левой руки

Определяем направление ЭДС по правилу правой руки.

Если замкнуть внешнюю цепь генератора на нагрузку, то под дейтсвием ЭДС потечёт ток I_н внутри генератора.

На проводник с током в магнитном поле действует электромеханическая сила, которая М=С_мI_яФ, на основании закона Ампера. А направление определяется по правилу левой руки.

В основе принципа действия лежат 2 закона:

1 Закон Фарадея : переменный магнитный поток наводит в проводниках якоря ЭДС (на зажимах генератора появляется напряжение)

2. Если цепь якоря генератора замкнута, то на проводник с током якоря в магнитном поле действует электромеханическая сила, создающая момент. Он по направлению противодействующий относительно первичного момента турбины, приводящее якорь во вращение.

ЭДС, которое наводится в проводниках вращающегося якоря направлена против тока якоря и получила название противо ЭДС.

Основные недостатки МПТ:

1. Наличие щёток и коллектора увеличивает габариты машины, её вес и материалоёмкость примерно в 1,5 раза по сравнению с машинами переменного тока, а значит увеличивается стоимость этой машины.
2. Щёточно-коллекторное устройство является ненадёжным узлом, так как при переходе щётки на соседнюю пластинку коллектора разрывается электрическая цепь якоря, так как магнитное поле, созданное током якоря не исчезает мгновенно, то устройство поддерживает ток якоря и гонит за уходящей щёткой искру. В результате происходит искровое разнашивание коллектора а значит снижение надёжности машины.
3. Питание более дорогое, так как необходимо преобразовывать переменное напряжение сети в постоянное напряжение питания машины с помощью блока постоянного питания, куда входит выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения.

7. Чем опасен большой пусковой ток для двигателя? Какие способы ограничения пускового тока применяются в двигателях по­стоянного тока?

Ток якоря двигателя определяется формулой Iа = U – Eа/∑r.

Если при­нять U и ∑г неизменными, то ток 1_а зависит от противо-ЭДС Е_а. Наибольшего значения ток 1_а достигает при пуске двигателя в ход. В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен (п=0) и в его обмотке не индуцируется ЭДС (Е_а=0). Поэтому при непо­средственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток Iа = U/∑r

Обычно сопротивление ∑r невелико, поэтому значение пус­кового тока достигает недопустимо больших значений, в 10—20 раз превышающих номинальный ток двигателя.

Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой огонь, а во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пус­ковой момент, который оказывает ударное действие на вращаю­щиеся части двигателя и может механически их разрушить. И на­конец, этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, вклю­ченных в эту сеть. Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть (безреостатный пуск) обычно применяют для двигателей мощностью не более 0,7—1,0 кВт. В этих двигате­лях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и не­большим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3—5 раз превышает номинальный, что не представляет опасности для двигателя. Что же касается двигателей большей мощности, то при их пуске для ограничения пускового тока используют пуско­вые реостаты (ПР), включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск). Сопротивление пус­кового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пус­ковой ток превышал номинальный не более чем в 2—3 раза.

Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы громозд­кими. Поэтому в двигателях большой мощности применяют без­реостатный пуск двигателя путем понижения напряжения. Приме­рами этого являются пуск тяговых двигателей электровоза переключением их с последовательного соединения при пуске на параллельное при нормальной работе или пуск двига­теля в схеме «генератор—двигатель».

8. Что такое универсальный коллекторный двигатель (укд)? Каковы его конструктивные особенности? Укажите достоинства и недостатки укд.

Универсальными называют коллекторные двигатели, которые могут работать как от сети постоянного, так и от сети однофазного переменного тока.

Однофазные коллекторные двигатели имеют преимуществен­но последовательное возбуждение. По своей конструкции универсальные коллекторные двигате­ли отличаются от двигателей постоянного тока тем, что их станина и главные полюсы делаются шихтованными из листовой электро­технической стали. Это дает возможность сократить магнитные потери, которые при работе двигателя от сети переменного тока повышаются, так как переменный ток в обмотке возбуждения вы­зывает перемагничивание всей магнитной цепи, включая станину и сердечники полюсов.

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

Основной недостаток однофазных коллекторных двигате­лей — тяжелые условия коммутации.

Универсальный коллекторный двигатель дороже двига­теля постоянного тока и имеет худшие рабочие характеристики.

Если сравнить его с асинхронным двигателем, он также выше его по стоимости и менее надежен. Но универсальный кол­лекторный двигатель имеет ряд преимуществ:

1. как и асинхронный, может работать в сети переменного тока. Это важно, потому что все коммунально-бытовые потреби­тели имеют только переменное напряжение;
2. частота вращения у асинхронного двигателя ограничена сверху — 3000 мин -1 , при частоте 50 Гц. Универсальный коллек­торный двигатель теоретически может развивать любую частоту вращения;
3. механическая характеристика у него значительно лучше (жестче), чем у асинхронного двигателя;
4. возможности регулирования частоты вращения лучше, чем у асинхронного.

Таким образом, универсальный коллекторный двигатель имеет все преимущества двигателя постоянного тока, но может работать на переменном. Этим и обусловлена область применения универсальных коллекторных двигателей: их применяют для привода бытовых электроприборов, различного электроинстру­мента и т.д.

Преимущества и недостатки электрических машин постоянного тока

Машины постоянного тока чаще используются в качестве двигателей, так как они обладают следующими преимуществами:

• — высоким пусковым моментом;
• — возможностью широко регулировать скорость;
• — легко реверсируются;
• — имеют практически линейные регулировочные характеристики;
• — экономичны.

Эти достоинства часто ставят их вне конкуренции в приводах, требующих широких и точных регулировок. Важным преимуществом машин постоянного тока является также возможность их регулирования по слабо- точным цепям возбуждения.

Машины постоянного тока используются только там, где невозможно подобрать равноценную замену. Это связано с наличием щёточноколлекторного узла, который обуславливает большинство недостатков машины, основными из которых являются:

• — повышается стоимость;
• — сокращается ресурс работы;
• — создаются радиопомехи, акустический шум;
• — искрение под щётками ускоряет износ щёток и пластин коллектора.
• — продукты износа покрывают внутреннюю полость машины тонким проводящим слоем, ухудшая изоляцию токопроводящих цепей.

Контрольные вопросы

• 1. Где используются электродвигатели постоянного тока?
• 2. В чём состоит обратимость электродвигателей постоянного тока?
• 3. Как устроен электродвигатель постоянного тока?
• 4. Как работает генератор постоянного тока?
• 5. Как работает электродвигатель постоянного тока?
• 6. Какими преимуществами и недостатками обладают электродвигатели постоянного тока?