Какие существуют схемы подключения электродвигателей постоянного тока

Какие существуют схемы подключения электродвигателей постоянного тока

В домашнем хозяйстве редко встретишь мотор, работающий на постоянном токе. Зато они всегда устанавливаются в детских игрушках, которые летают, ездят, шагают и т.д. Всегда они стоят в автомобилях: в различных приводах и вентиляторах. В электротранспорте чаще всего используют тоже их.

Другими словами, применяются двигатели постоянного тока там, где требуется достаточно широкий диапазон регулирования скорости и точность ее поддержания.

Электродвигатель постоянного тока — проблема выбора

Электродвигатель постоянного тока, как известно, работает на основе использования принципа магнитной индукции. При этом основное и важнейшее преимущество электродвигателя постоянного тока заключается в возможности плавной регулировки в нем скорости вращения в различных диапазонах с высокой точностью.

Вследствие этого данный тип электродвигателя приобрел широкое распространение на рельсовом и безрельсовом электрифицированном транспорте, в подъемных кранах, на прокатных станах, в устройствах автоматики и т. п. И, хотя сфера распространения электродвигателя постоянного ока выглядит достаточно внушительной, нельзя не заметить, что данный тип электродвигателя применяют только там, где применение другого типа двигателя — переменного тока невозможно или крайне нецелесообразно. Отсюда неудивительно, что в среднем, на каждые 70 двигателей переменного тока сегодня приходится всего лишь 1 электродвигатель постоянного тока.

Этот момент, кстати, так же резко снижает и выбор производителей данного типа электродвигателей на мировом рынке. Тем более, если мы говорим о качественном выборе. И здесь выбор электродвигателей постоянного тока от такого известного европейского производителя как T-T Electric может оказаться порой реально безальтернативным.

Разумеется, лишь в том случае, если Вам нужен именно электродвигатель постоянного тока. Но как понять, что этот именно тот выбор? Как же здесь не ошибиться?

Для этого давайте рассмотрим устройство электродвигателя постоянного тока, проанализируем схему электродвигателя постоянного тока и принципы его работы.

Отличия электродвигателей постоянного и переменного тока

На сегодняшний день фактом является то, что довольно длительное противостояние двух видов тока, развернувшееся в мировой экономике и производстве в конце XIX — начале ХХ веков, привело к практически безоговорочной победе двигателя переменного тока и постепенной капитуляции электродвигателя постоянного тока.

Причины здесь многогранны и связаны как отчасти с относительной дороговизной электродвигателя постоянного тока, необходимостью его постоянного ремонта, так и с факторами прогресса самих «переменников» активно отвоевывающих все новые и новые ниши у электродвигателя постоянного тока. За электродвигатели переменного тока говорит простота их технологичной конструкции, высокие энергетическим показателям, надежность и стабильность работы.

Однако электродвигатели постоянного тока до сих пор также активно совершенствуются, здесь все также разрабатываются новые модели. И они все еще активно используются на производстве и в быту. Для того, чтобы понять, что это так достаточно просто пройтись по каталогу продукции T-T Electric, представленному на нашем сайте.

При этом основное технологическое отличие электродвигателя постоянного тока от двигателя переменного тока заключается наличие у первого коллектора — устройства переключающего обмотки во время вращения, и представляющего собой выведенные на изолированную часть вала начала и концы обмоток ротора двигателя. Тем самым устройство электродвигателя постоянного тока таково, что выводы якоря и выводы обмоток возбуждения здесь выводятся, как правило, на свои клеммы в клеммной коробке двигателя. На якорь поступает полное напряжение питания, в то время как на обмотку возбуждение регулируемый ток, например, от реостата, а в современных приводных системах, с платы обмотки возбуждения. Причем именно благодаря изменению силы этого тока и происходит вращение двигателя. Принцип работы здесь такой — чем больше ток на обмотке якоря, тем выше скорость двигателя.

Правда стоит заметить, что у электродвигателей переменного тока также бывают выводы роторных обмоток, но в отличие от устройства электродвигателя постоянного тока, здесь они представляют из себя три сплошных кольца, на которые через коллекторный аппарат постоянно подаются фазовые напряжения.

Типы электродвигателя постоянного тока

В зависимости от подключения обмотки якоря и обмотки возбуждения двигатели постоянного тока делятся на электродвигатели с независимым возбуждением — обмотка возбуждения питается от своего источника, и с самовозбуждением — параллельное возбуждение, последовательное возбуждение и смешанное.

В промышленности применяются двигатели с независимым возбуждением. В этих двигателях обмотка возбуждения питается от независимого источника напряжения. Обмотки якоря и возбуждения независимы друг от друга.

Схема подключения двигателя с последовательным возбуждением, по сути, является аналогом схемы с независимым возбуждением. Разница в том, что и якорь, и обмотка возбуждения (через сопротивление) подключены к одному источнику питания.

Двигатели с такой схемой подключения применяются в системах с четким механическими характеристиками, как-то: станки, вентиляторы и т.п.

Моторы постоянного тока с последовательным возбуждением применяется в тех случаях, когда необходим большой пусковой ток, а, следовательно, и момент, а также мягкая механическая характеристика.

Двигатели с таким способом подключения применяются на транспорте: электровозы, трамваи, троллейбусы. По этой схеме обмотка якоря и возбуждения подключены последовательно.

Если подать напряжение на двигатель, то токи в обмотках будут одинаковы. Основной недостаток этих двигателей заключается в том, что при уменьшении нагрузки на валу двигателя до 25% от номинального значения, происходит резкое увеличение оборотов двигателя, чреватое для двигателя постоянного тока. Поэтому для предотвращения этого недостатка двигатель все время приходится нагружать.

Очень редко применяется схема подключения двигателя со смешанным возбуждением. В этой схеме одна обмотка возбуждения включена последовательно, а другая параллельно якоря.

Таким образом на сегодняшний день существует множество вариантов исполнения электродвигателей постоянного тока, однако наиболее распространенным является двигатели с независимым возбуждением, подключаемые через особые приводы постоянного тока обеспечивающие не только рекуперацию энергии, но и точное поддержание скорости и стабильный момент на валу во всем диапазоне регулирования скорости.

Схемы включения двигателя постоянного тока

Наличие обмоток возбуждения – отличительная особенность машин постоянного тока. От способов их подключения к сети зависят электрические и механические свойства электродвигателя.

Независимое возбуждение

Обмотка возбуждения подключается к независимому источнику. Характеристики двигателя получаются такие же, как у двигателя с постоянными магнитами. Скорость вращения регулируется сопротивлением в цепи якоря. Регулируют ее и реостатом (регулировочным сопротивлением) в цепи обмотки возбуждения, но при чрезмерном уменьшении его величины или при обрыве ток якоря возрастает до опасных значений. Двигатели с независимым возбуждением нельзя запускать на холостом ходу или с малой нагрузкой на валу. Скорость вращения резко увеличится, и двигатель будет поврежден.

Схема независимого возбуждения

Остальные схемы называют схемами с самовозбуждением.

Параллельное возбуждение

Обмотки ротора и возбуждения подключаются параллельно к одному источнику питания. При таком включении ток через обмотку возбуждения в несколько раз меньше, чем через ротор. Характеристики электродвигателей получаются жесткими, позволяющие использовать их для привода станков, вентиляторов.

Регулировка скорости вращения обеспечивается включением реостатов в цепь ротора или последовательно с обмоткой возбуждения.

Схема параллельного возбуждения

Последовательное возбуждение

Обмотка возбуждения включается последовательно с якорной, по ним течет один и тот же ток. Скорость такого двигателя зависит от его нагрузки, его нельзя включать на холостом ходу. Но он обладает хорошими пусковыми характеристиками, поэтому схема с последовательным возбуждением применяется на электрифицированном транспорте.

Схема последовательного возбуждения

Смешанное возбуждение

При этой схеме используются две обмотки возбуждения, расположенные попарно на каждом из полюсов электродвигателя. Их можно подключить так, чтобы потоки их либо складывались, либо вычитались. В результате двигатель может иметь характеристики как у схемы последовательного или параллельного возбуждения.

Схема смешанного возбуждения

Для изменения направления вращения изменяют полярность одной из обмоток возбуждения. Для управления пуском электродвигателя и скоростью его вращения применяют ступенчатое переключение сопротивлений.

Схема подключения электродвигателя постоянного тока с регулировкой

Двигатель постоянного тока нашел широкое применение в различных областях деятельности человека. Начиная от использования тягового привода, применяемого в трамваях и троллейбусах , заканчивая приводом прокатных станов и подъемных механизмов, где требуется поддержание высокой точности скорости вращения.

Основные положительные особенности , которые отличают ДПТ от асинхронного двигателя:

Двигатель постоянного тока применяют только тогда, когда применение двигателя переменного тока невозможно или крайне нецелесообразно. В среднем, на каждые 70 двигателей переменного тока приходится всего лишь 1 ДПТ.

Конструкция ДПТ

Двигатель постоянного тока состоит из:

Якорь и индуктор разделены между собой воздушным зазором. Индуктор представляет из себя станину, которая служит для того, чтобы закрепить основные и добавочные полюса магнитной системы двигателя. На основных полюсах располагаются обмотки возбуждения, а на добавочных – специальные обмотки, которые способствуют улучшению коммутации.

Коллектор подводит постоянный ток к рабочей обмотке, которая уложена в пазы ротора. Коллектор имеет вид цилиндра и состоит из пластин, изолированных друг от друга, он насажен на вал двигателя. Щетки служат для съема тока с коллектора, они крепятся в щеткодержателях для обеспечения правильного положения и надежного нажатия на поверхность коллектора.

Рисунок 1 – Конструкция двигателя постоянного тока

Двигатели постоянного тока классифицируют по магнитной системе статора:

2) ДПТ с электромагнитами :

Рисунок 2 – Схемы подключения двигателя постоянного тока

Схема подключения обмоток статора существенно влияет на электрические и тяговые характеристики привода.

Пуск двигателя постоянного тока

Пуск двигателя постоянного тока производят с помощью пусковых реостатов, которые представляют собой активные сопротивления, подключенные к цепи якоря. Выполняют реостатный пуск по двум причинам:

Рисунок 3 – Реостатный пуск двигателя с 3 ступенями

В начале запуска к цепи ротора подключаются все сопротивления, и по мере увеличения скорости они ступенчато выводятся.

Регулирование скорости вращения

Частота вращения двигателя постоянного тока выражается формулой:

Это выражение так же называется электромеханической характеристикой ДПТ, в которой:

Формула момента двигателя:

Подставив в формулу электромеханической характеристики, получим:

Таким образом, исходя из приведенных формул, сделаем вывод, что скорость вращения ДПТ можно регулировать, изменяя сопротивление якоря, питающее напряжение и магнитный поток.

Схема подключения электродвигателя постоянного тока

Если попробовать отобразить устройство электродвигателя постоянного тока схематически, то у нас получится изображение с двумя цилиндрами, помещенными один в другой. Больший из цилиндров является полым и неподвижным и называется статор или же станина. Внутри станины помещается якорь – меньший из цилиндров, являющийся подвижным. При этом между цилиндрами внутри, в обязательном порядке, должно быть воздушное пространство и они не должны вплотную соприкасаться. Это необходимо, поскольку именно в воздушном зазоре формируется магнитное поле.

Синхронные двигатели переменного тока

Как и в асинхронных электродвигателях, вращение ротора в синхронных машинах достигается взаимодействием полей ротора и статора. Скорость вращения ротора таких электрических машин равна частоте магнитного поля, создаваемого обмотками статора.

Обмотка неподвижной части двигателя рассчитана на питание от трехфазного напряжения. К электромагнитам ротора подключается постоянное напряжение. Различают явнополюсные и неявнополюсные обмотки. В синхронных двигателях малой мощности используют постоянные магниты.

Запуск и разгон синхронной машины осуществляется в асинхронном режиме. Для этого на роторе двигателя имеется обмотка конструкции “беличья клетка”. Постоянное напряжение подается на электромагниты только после разгона до номинальной частоты асинхронного режима. Синхронные двигатели имеют следующие особенности:

• Постоянная скорость вращения при переменной нагрузке.
• Высокий к.п.д. и коэффициент мощности.
• Небольшая реактивная составляющая.
• Допустимость перегрузки.

К недостаткам синхронных электродвигателей относятся:

• Высокая цена, относительно сложная конструкция.
• Сложный пуск.
• Необходимость в источнике постоянного напряжения.
• Сложность регулировки скорости вращения и момента на валу.

Все недостатки электрических машин переменного тока можно исправить установкой устройства плавного пуска или частотного преобразователя. Обоснование выбора того или иного устройства обусловлено экономической целесообразностью и требуемыми характеристиками электропривода.

Общий принцип использования ШИМ

Управляя скоростью модуляции ШИМ (Pulse Width Modulation, PWM) можно регулировать, к примеру, силу свечения светодиода – данный принцип пояснен на следующем рисунке. Аналогичный механизм используется и для управления скоростью вращения двигателя.

Если на представленном рисунке выключатель будет замкнут на протяжении некоторого времени, то на протяжении этого же времени лампочка будет гореть. Если переключатель будет замкнут в течение 8ms и будет разомкнут 2ms в течение интервала 10ms, тогда лампочка будет гореть только в течение интервала 8ms. В рассмотренном примере можно сказать, что среднее выходное напряжение (на лампочке) будет составлять 80% от напряжения батареи.

В другом случае выключатель замыкается на 5ms и размыкается на эти же самые 5ms в течение интервала 10ms, таким образом среднее напряжение на лампочке будет составлять 50% от напряжения батареи. Принято говорить, что если напряжение батареи 5В и цикл занятости составляет 50%, то среднее напряжение на оконечном устройстве (лампочке) будет составлять 2.5В.

В третьем рассмотренном на рисунке случае цикл занятости составляет 20% и поэтому среднее напряжение на оконечном устройстве (лампочке) будет составлять 20% от напряжения батареи.

Применяя все сказанное к рассматриваемому нами примеру управления скоростью вращения двигателем можно сказать, что чем больше будет коэффициент заполнения ШИМ (отношение длительности ON состояния к периоду), тем выше будет скорость вращения двигателя.